Härtung von Stahl – wichtige Informationen

Was ist Stahlhärtung – wichtige Informationen

Stahl wird fast überall um uns herum verwendet. Die wenigsten Menschen wissen jedoch, dass es sich dabei um ein weiches Material mit geringer Festigkeit handelt. Erst das Härten verleiht ihm die richtige Härte, Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Abriebprozesse. Im folgenden Artikel wird beschrieben, wie Stahl gehärtet werden kann und welche Vorteile dies mit sich bringt.
Stahl ist eine verformbare und wärmebehandelbare Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Der Gehalt der zweiten Komponente sollte 2,11 % nicht überschreiten. Dies ist die Löslichkeitsgrenze von Kohlenstoff in Eisen. Die Härtung des Stahls trägt zur Verbesserung seiner Eigenschaften bei. Dabei wird das Material auf eine bestimmte Temperatur erhitzt. Meistens liegt sie etwa 30-50 Grad Celsius über der austenitischen Umwandlungstemperatur. In den meisten Fällen liegt die Zieltemperatur bei 800-1220 Grad Celsius, und ein Abschreckofen wird verwendet, um dies zu erreichen. Der abgeschreckte Zustand wird dann so lange beibehalten, bis Veränderungen in der inneren Struktur erreicht sind. Wenn die Härtung nicht oberflächlich ist, müssen die Veränderungen im gesamten Querschnitt des Werkstücks auftreten. Das Mikrogefüge geht dann in homogenen Austenitüber. Dadurch verringert sich das spezifische Volumen des Materials. Der letzte Schritt ist die rasche Abkühlung durch Einlegen des gehärteten Objekts, in der Regel in Wasser oder Öl. In einigen Fällen werden auch Salz, Polymer-Slurry, Stickstoff oder Hochdruckluft oder Helium zur Kühlung verwendet. Dabei ist es wichtig, eine minimale kritische Abkühlungsrate einzuhalten. Andernfalls können Diffusionsumwandlungen auftreten, die unerwünschte Phänomene sind.

Härten von Stahl und seine Vorteile – warum sollte Stahl gehärtet werden?

Gehärteter Stahl hat völlig andere Eigenschaften als vor dem Verfestigungsprozess. Das Härten wird vor allem bei stark belasteten Bauteilen angewendet. Dadurch sind sie widerstandsfähiger gegen hohe Temperaturen. Durch die höhere Festigkeit können auch leichtere und steifere Bauteile konstruiert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine hohe Verschleißfestigkeit und Glutbeständigkeit erreicht wird, während die Bindung des Bauteils unverändert bleibt. Wenn wir Teile härten, die später geschliffen werden sollen, ist ihre Rauheit geringer, was zu einer besseren Bearbeitbarkeit führt. Ein Sonderfall sind Stähle aus sogenanntem martensitischem Stahl. Die Wärmebehandlung ist die einzige Möglichkeit, Korrosionsbeständigkeit zu erreichen.

Härtungsmethoden für Stahl

Es gibt verschiedene Arten der Stahlhärtung, je nach dem gewünschten Endergebnis. Sie unterscheiden sich unter anderem in Bezug auf die Temperaturen oder die Kühlmethoden.
1 Martensitische Härtung – auch bekannt als einfache Härtung. Dies ist die gängigste Methode zur Verbesserung der Eigenschaften von Stahl. Während dieses Prozesses findet eine Austenitisierung statt (Erhitzung zu einer Austenitstruktur, gefolgt von einer schnellen Abkühlung in Öl oder Wasser). Die Prozesstemperatur sollte so gewählt werden, dass keine sogenannte Abschreckverformung auftritt. Durch dieses Verfahren entstehen harte, dauerhafte und steife Bauteile.

2. Schrittweises Abschrecken – bei diesem Verfahren wird der Stahl schnell in geschmolzenem Salpeter abgekühlt. Es wird für hochfeste legierte Stähle verwendet. Es ist notwendig, den genauen Zeitpunkt des Bades anzugeben. Im Gegensatz zur normalen Härtung werden hier Spannungen, Risse und Verformungen vermieden. Diese Art der Behandlung wird vor allem in der Luftfahrt und im militärischen Bereich eingesetzt.
3. Isothermes Härten – Bei diesem Verfahren findet keine martensitische Umwandlung statt. Es erhöht die Härte, Duktilität und Festigkeit des Stahls und verringert den Verzug. Sie wird für Blechteile und Streifen mit kleinem Querschnitt verwendet. Bei dieser Art des Abschreckens wird der Stahl erhitzt und anschließend in einem Blei- oder Salpeterbad bei einer konstanten Temperatur gehalten.
4. Oberflächenhärtung – Wie der Name schon sagt, wird bei dieser Behandlung nur die oberste Schicht des Werkstücks erhitzt. Dies erhöht seine Härte und Verschleißfestigkeit. Darüber hinaus wird auch die Dauerfestigkeit erhöht, während die Kernelastizität konstant bleibt.
5. Andere Verfahren zum Härten von Stahl – Die oben genannten Verfahren zum Härten von Stahl sind die gängigsten. Daneben sind noch folgende Verfahren in Gebrauch: Doppelhärtung, Induktionshärtung, intermittierende Härtung und Presshärtung. Alle Methoden führen zur Stärkung des Objekts und zur Verbesserung seiner ursprünglichen Eigenschaften ohne zusätzliche Änderungen.

Wie der Prozess des Härtens von Stahl funktioniert

1. Vorbereitung des Stahls: Beginnen Sie mit der richtigen Vorbereitung des Materials. Stellen Sie sicher, dass der Stahl sauber und frei von Schmutz, Rost oder anderen Verunreinigungen ist.
2. Heizen: Legen Sie den Stahl in den Abschreckofen und erhitzen Sie ihn gleichmäßig auf die richtige Abschrecktemperatur. Diese Temperatur hängt von der Art des Stahls ab und kann zwischen etwa 150°C und 1095°C liegen. Verwenden Sie zur Überwachung der Temperatur ein Thermometer.
3. Halten der Temperatur: Sobald Sie die richtige Temperatur erreicht haben, halten Sie diese für die richtige Zeitspanne aufrecht. Diese Zeit hängt ebenfalls von der Stahlsorte ab und kann zwischen einigen Minuten und mehreren Stunden liegen. Dadurch wird die Wärme gleichmäßig im Stahl verteilt und die Härtung vorbereitet.
4. Schnelle Abkühlung: Sobald die Abschrecktemperatur erreicht ist, kühlen Sie den Stahl schnell ab. Dies kann durch Eintauchen in ein Ölbad, schnell abkühlendes Öl, Wasser oder Luft geschehen, je nach Stahlsorte und Anforderungen. Eine schnelle Abkühlung ist der Schlüssel zum Erreichen der richtigen Härte.
5. Säubern: Entfernen Sie nach dem Abschrecken alle Kühlmittelreste von der Stahloberfläche. Dies kann durch Schleifen oder Abspülen des Stahls mit geeigneten Reinigungsmitteln geschehen.
6. Anlassen (optional): Nach dem Härten kann der Stahl zu spröde werden. Um die Flexibilität wiederherzustellen und die Gefahr der Rissbildung zu verringern, kann ein Temperprozess durchgeführt werden. Dabei wird der Stahl für eine bestimmte Zeit auf eine niedrigere Temperatur (ca. 150°C-300°C) erwärmt und anschließend kontrolliert abgekühlt.
7. Prüfung: Nach dem Härten und ggf. Anlassen sind Prüfungen durchzuführen, um sicherzustellen, dass die richtige Härte und Festigkeit erreicht wurde.
8. Endbearbeitung: Nach dem Härten und ggf. Anlassen werden die Werkstücke nachbearbeitet, z. B. geschliffen, geschärft oder geformt, um die gewünschte Form und Oberfläche zu erhalten.

Welches Öl zum Abschrecken?

Es ist wichtig, die Anforderungen an das Abschrecken eines bestimmten Stahls sorgfältig zu prüfen und die Wahl des Öls oder eines anderen Kühlmittels an diese Anforderungen anzupassen. Die falsche Wahl des Kühlmittels kann zu unerwünschten Ergebnissen wie Rissbildung oder Härteverlust führen. Außerdem ist es immer ratsam, während des Abhärtungsprozesses geeignete Sicherheitsmaßnahmen wie Schutzbrillen und Handschuhe zu tragen.

• Mineralöl: Mineralöl ist ein relativ langsames Kühlmittel und wird zum Härten von Stählen mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt, wie z. B. Edelstahl, verwendet. Es ist relativ sicher in der Anwendung und bietet eine gleichmäßigere Kühlung als Wasser.
• Schnell abkühlendes Öl: Schnellkühlöl ist ein wirksameres Kühlmittel als Mineralöl, aber weniger aggressiv als Wasser. Es wird zum Härten von Werkzeugstahl und Schneidwerkzeugen verwendet. Diese Art von Öl sorgt für Härte und Festigkeit und verringert gleichzeitig das Risiko der Rissbildung.
• Rapsöl: Rapsöl ist dem Sojaöl ähnlich und kann zum Härten von kohlenstoffarmen Stählen verwendet werden. Es ist relativ sicher in der Anwendung und kann für eine gleichmäßige Kühlung sorgen.
• Ölig: Öl ist eine spezielle Art von Abschrecköl, das aggressiver ist als Schnellabschrecköl, aber weniger aggressiv als Wasser. Es dient zum Härten von Werkzeugstahl und wird häufig in der Industrie verwendet.
• Wasser: Wasser ist das aggressivste Kühlmittel und wird zum Härten vieler kohlenstoffreicher Stähle verwendet. Allerdings ist bei der Verwendung von Wasser große Vorsicht geboten, da es durch die schnelle Abkühlung zu Rissen oder Verformungen des Stahls kommen kann.

Zu Hause können gewöhnliches Rapsöl oder Wasser ausreichen, je nach gewünschtem Effekt und den Eigenschaften des zu härtenden Stahls.

Härtungsstähle – Typen

Die Frage „Welcher Stahl soll gehärtet werden?“ wird oft gestellt. Die Wahl des richtigen Stahls für das Härten hängt von Ihrer spezifischen Anwendung und den Anforderungen ab, die Sie an das Material stellen. Stähle unterscheiden sich in ihrer chemischen Zusammensetzung, Härte, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Hier sind einige Beispiele für Stahlsorten, die häufig gehärtet werden:

• Werkzeugstahl: Werkzeugstahl ist eine Stahlsorte, die speziell für die Herstellung von Schneidwerkzeugen, Matrizen, Bohrern und anderen Werkzeugen entwickelt wurde. Es wird gehärtet, um eine hohe Härte und Festigkeit zu erreichen, was für die Lebensdauer der Werkzeuge entscheidend ist.
• Kohlenstoffstahl: Kohlenstoffstahl hat Kohlenstoff als Hauptzusatzstoff und kann zum Härten verwendet werden. Es wird bei der Herstellung von Messern, landwirtschaftlichen Geräten und anderen Gegenständen verwendet, die Härte und Schärfe erfordern.
• Rostfreier Stahl: Nichtrostender Stahl wird häufig gehärtet, um seine Festigkeit und Härte zu erhöhen. Es wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Lebensmittelverarbeitung, der Chirurgie, der Herstellung von Handwerkzeugen und mehr.
• Legierter Stahl: Legierte Stähle enthalten verschiedene Beimischungen wie Chrom, Vanadium, Molybdän und Nickel, die ihre Eigenschaften verbessern. Legierte Stähle werden häufig gehärtet und für die Herstellung von Maschinenteilen, Automobilteilen und anderen Anwendungen verwendet, die Festigkeit und Härte erfordern.
• Federstahl: Federstahl ist speziell für die Herstellung von Federn bestimmt. Es wird gehärtet, um die richtige Härte und Elastizität für eine effektive Federwirkung zu erreichen.
• Stahl für Schneidwerkzeuge (Schnellarbeitsstahl): Schneidwerkzeugstahl, auch HSS genannt, wird zur Herstellung von Schneidwerkzeugen wie Bohrern, Fräsern und Drehwerkzeugen verwendet. Es ist gehärtet, um die Schärfe und Festigkeit der Werkzeuge bei hohen Temperaturen zu erhalten.
• Wärmebehandelbarer Stahl: Dies ist eine allgemeine Kategorie von Stahl, der gehärtet und wärmebehandelt werden kann, um seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern. In diesem Fall hängt die Wahl einer bestimmten Stahlsorte von der jeweiligen Anwendung ab.

Bei der Auswahl eines geeigneten Stahls zum Abschrecken müssen die Anforderungen an Härte, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie die Verfügbarkeit und die Kosten des Materials berücksichtigt werden. Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Art von Stahl für Ihr Projekt geeignet ist, sollten Sie einen Fachmann oder einen Lieferanten von Stahlmaterial zu Rate ziehen.