Mit der Wärmebehandlung von Stahl erhält ein Bauteil genau die Eigenschaften, die es braucht: eine harte, verschleißfeste Oberfläche, einen zähen Kern oder ein weiches, spannungsfreies Gefüge, das sich leicht zerspanen lässt. Das richtige Verfahren ist entscheidend für Teile, die an anderen Komponenten gleiten oder Stößen standhalten müssen.
Reichen die Eigenschaften eines Materials im Ausgangszustand nicht aus, ist die Wärmebehandlung die Lösung. Bei der Vielzahl an Verfahren ist es allerdings nicht einfach, die passende Kombination aus Material und Wärmebehandlung zu finden. Dieser Leitfaden stellt die für Maschinenbauteile gängigsten Wärmebehandlungen vor und zeigt, worauf Sie bei der Konstruktion wärmebehandelter Teile achten sollten.
Was versteht man unter der Wärmebehandlung von Stahl?
Bei der Wärmebehandlung werden Bauteile gezielt erwärmt und abgekühlt, um ihr Gefüge zu verändern, entweder im gesamten Teil oder nur an der Oberfläche. Vor allem bei kohlenstoffhaltigen Stählen lassen sich so Eigenschaften wie Härte, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit deutlich verändern.
Man unterscheidet zwei Gruppen. Bei der Wärmebehandlung des gesamten Bauteils wird das ganze Teil behandelt; dazu gehören Härten und Anlassen, Glühen und Normalglühen. Die Randschichtbehandlung wirkt hauptsächlich auf die Oberflächenschicht; dazu gehören Induktionshärten, Einsatzhärten und Nitrieren.
Das Ergebnis hängt von der Erwärmungstemperatur, der Abkühlgeschwindigkeit und dem Abkühlmedium ab. Schnelles Abkühlen wie beim Abschrecken erhöht die Härte, aber auch die Sprödigkeit. Langsameres Abkühlen wie beim Glühen und Normalglühen verfeinert das Gefüge und baut Spannungen ab. Gängige Abkühlverfahren sind das Abschrecken in Wasser oder Öl, das Abkühlen an Luft und das Abkühlen im Ofen.
Wie Stahl reagiert, hängt außerdem von seinem Kohlenstoffgehalt ab. Stahl mit rund 0,8 % Kohlenstoff heißt eutektoider Stahl; Stähle darunter sind untereutektoid, Stähle darüber übereutektoid. Jede Gruppe hat andere Umwandlungstemperaturen, die die richtige Temperatur für die Wärmebehandlung bestimmen.
Wärmebehandlungsverfahren im Überblick
| Wärmebehandlung | Art | Hauptwirkung | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| Härten und Anlassen | Gesamtes Bauteil | Hohe Härte bei einstellbarer Zähigkeit | Verschleißteile, Werkzeuge, Wellen und hoch belastete Maschinenbauteile |
| Glühen | Gesamtes Bauteil | Macht weicher, baut innere Spannungen ab, verbessert die Zerspanbarkeit | Vorbereitung des Materials für die Zerspanung, bessere Ebenheit dünner Teile |
| Normalglühen | Gesamtes Bauteil | Verfeinert und homogenisiert das Gefüge | Teile aus Guss-, Schmiede- oder Walzstahl |
| Induktionshärten | Randschicht | Harte, verschleißfeste Oberfläche bei zähem Kern | Wellen und Zahnräder |
| Einsatzhärten | Randschicht | Reichert die Oberfläche mit Kohlenstoff an, sodass sich kohlenstoffarmer Stahl härten lässt | Teile aus kohlenstoffarmem Stahl mit harter, verschleißfester Oberfläche |
| Nitrieren | Randschicht | Sehr harte Oberfläche bei minimalem Verzug | Präzisionsteile, Teile unter Schwing- und Verschleißbeanspruchung |
Wärmebehandlung des gesamten Bauteils
Härten und Anlassen
Wird Stahl über seine Umwandlungstemperatur erwärmt (je nach Kohlenstoffgehalt typischerweise auf etwa 800–900 °C), wandelt sich sein Gefüge in Austenit um. Untereutektoide Stähle werden auf etwa 30–50 °C über die A3-Temperatur erwärmt, übereutektoide Stähle auf etwa 30–50 °C über die A1-Temperatur. Wird dieser Bereich über- oder unterschritten, kommt es zu einer unvollständigen Umwandlung oder zu unerwünschten Eigenschaften; eine präzise Temperaturführung ist daher entscheidend.
Anschließend wird der Stahl schnell abgekühlt. Beim Abschrecken entsteht ein sehr hartes Gefüge, der Martensit. Das Abkühlmedium richtet sich nach dem Material und dem gewünschten Ergebnis:
- Wasser: sehr schnelles Abkühlen bei geringen Kosten, aber höheres Risiko für Verzug und Härterisse
- Öl: langsameres, aber gleichmäßigeres Abkühlen, weniger Verzug
- Wässrige Lösungen und Salzbäder: kontrollierte Abkühlgeschwindigkeiten zwischen Wasser und Öl
- Luft: langsames Abkühlen, nur für lufthärtende legierte Stähle geeignet
Das Abschrecken erhöht die Härte, macht den Stahl aber auch spröde und für den direkten Einsatz ungeeignet. Deshalb wird das Teil anschließend angelassen: auf eine niedrigere Temperatur erwärmt und langsam abgekühlt. Die Anlasstemperatur bestimmt das Verhältnis von Härte und Zähigkeit. Niedriges Anlassen erhält die hohe Härte; hohes Anlassen verringert die Härte und erhöht Zähigkeit und Duktilität. Härten und Anlassen werden daher fast immer zusammen durchgeführt; bei hohen Anlasstemperaturen spricht man vom Vergüten.
Glühen
Beim Glühen wird das Metall erwärmt und anschließend langsam abgekühlt; es entsteht ein gleichmäßiges, weicheres Gefüge. Glühen baut innere Spannungen ab und verbessert die Zerspanbarkeit. Je nach Ziel kommen verschiedene Varianten zum Einsatz: Vollglühen, Weichglühen, Spannungsarmglühen, Diffusionsglühen und Glühen auf kugeligen Zementit (GKZ), jeweils mit eigenem Temperaturbereich. Am häufigsten wird Glühen bei Kohlenstoffstahl angewendet, es kommt aber auch bei Edelstahl, Aluminiumlegierungen und anderen Materialien zum Einsatz.
Da Glühen Eigenspannungen abbaut, kann es die Endgenauigkeit dünner, zerspanter Teile verbessern. Es lässt sich am Rohmaterial oder an teilbearbeiteten Bauteilen durchführen. Besonders bei Materialien wie EN 1.4301 equiv. (SUS304), die sich durch Bearbeitungsspannungen leicht verziehen, lässt sich so zum Beispiel die Ebenheit verbessern. Klären Sie frühzeitig mit Ihrem Hersteller, ob und wann Glühen sinnvoll ist.
Normalglühen
Das Normalglühen homogenisiert und verfeinert das Gefüge von gegossenen, geschmiedeten oder gewalzten Stahlbauteilen, in denen sich innere Spannungen und ein ungleichmäßiges Gefüge bilden können. Der Stahl wird über seine Umwandlungstemperatur erwärmt und anschließend an Luft abgekühlt. Das Ergebnis ist ein gleichmäßiges Gefüge mit zuverlässigen mechanischen Eigenschaften.
Randschichtbehandlung
Induktionshärten
Beim Induktionshärten wird nur die Oberfläche eines Bauteils mithilfe von Wechselstrom auf über 800 °C erwärmt. Das Teil wird in einen Induktor (Spule) gebracht, und die in der Randschicht induzierten hochfrequenten Wirbelströme erwärmen sie schnell. Nach dem Abschrecken verbessert ein Anlassen bei niedriger Temperatur die Zähigkeit. Das Verfahren dient vor allem dazu, Härte und Dauerfestigkeit von Wellen und Zahnrädern zu erhöhen.
Da nur die Oberfläche behandelt wird, gewinnt das Teil an Härte und Verschleißfestigkeit, während der Kern zäh bleibt; Verzug und Maßänderungen bleiben gering. Die gehärtete Oberfläche steht unter Druckeigenspannung, was die Ermüdungsfestigkeit verbessert, und ihre Härte liegt etwas höher als beim herkömmlichen Härten und Anlassen. Wellen können sich dennoch leicht verbiegen und müssen unter Umständen mit einer Presse gerichtet werden. Das Induktionshärten gilt wegen der kurzen Aufheizzeiten als umweltfreundlich, und Sie können genau festlegen, welche Bereiche wie tief gehärtet werden. Verwandte Verfahren des Randschichthärtens sind Flammhärten, Elektronenstrahlhärten und Laserhärten.
Einsatzhärten
Stahl braucht Kohlenstoff, um sich durch Abschrecken härten zu lassen. Kohlenstoffstahl mit höherem Kohlenstoffgehalt lässt sich gut härten, kohlenstoffarmer Stahl dagegen nicht. Kohlenstoffarmer Stahl ist kostengünstig und leicht zu verarbeiten, aber es fehlt ihm an Härte. Das Einsatzhärten löst dieses Problem, indem es die Oberfläche mit Kohlenstoff anreichert.
Das Bauteil wird zusammen mit einem Aufkohlungsmittel erwärmt, und Kohlenstoff diffundiert in die Oberfläche. Je nach Mittel spricht man vom Pulveraufkohlen (Holzkohle), Salzbadaufkohlen oder Gasaufkohlen (Kohlenwasserstoffgas). Das Aufkohlen allein härtet das Teil nicht: Erst das anschließende Härten und Anlassen macht die kohlenstoffreiche Oberfläche zu einer harten, verschleißfesten Schicht, während der kohlenstoffarme Kern zäh bleibt.
Nitrieren
Beim Nitrieren wird die Oberfläche gehärtet, indem Stickstoff in sie eindiffundiert. Gängige Verfahren sind Gasnitrieren, Salzbadnitrieren, Nitrocarburieren (auch Weichnitrieren genannt) und Plasmanitrieren. Der Prozess läuft in einer stickstoff- oder ammoniakhaltigen Atmosphäre unterhalb der Umwandlungstemperatur des Stahls ab, typischerweise bei etwa 500–590 °C.
Da sich der Stahl nicht umwandelt, ist danach kein Abschrecken nötig, und der Verzug ist minimal. Beim Nitrieren werden bei geeigneten Stählen Oberflächenhärten von rund 1.000 HV erreicht; das Nitrocarburieren erreicht je nach Stahl typischerweise etwa 500–700 HV und dient vor allem dazu, die Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit zu verbessern. Tiefe und Härte der Nitrierschicht hängen vom Verfahren und von der Behandlungsdauer ab; die Nitrierhärtetiefe liegt typischerweise bei etwa 0,1–0,5 mm.
Dank der niedrigen Behandlungstemperatur lassen sich vergütete Stähle nitrieren, ohne ihre Kernhärte zu verlieren. Austenitische nichtrostende Stähle wie EN 1.4301 equiv. und EN 1.4401 equiv. (SUS316) lassen sich mit speziellen Verfahren ebenfalls nitrieren. Das verringert jedoch ihre Korrosionsbeständigkeit. Wägen Sie Vor- und Nachteile daher sorgfältig ab.
Konstruktionstipps für wärmebehandelte Teile
Die Wärmebehandlung ist sehr wirksam, um Oberflächen zu härten und die Verschleiß- und Stoßfestigkeit zu verbessern. Beachten Sie bei der Konstruktion wärmebehandelter Teile die folgenden Punkte:
- Verzug einplanen. Beim Erwärmen und Abkühlen kommt es zu Verformungen und Maßänderungen. Sehen Sie daher an eng tolerierten Funktionsflächen ein Aufmaß für die Nachbearbeitung nach der Wärmebehandlung vor.
- Nachbearbeitung früh festlegen. Ab etwa 60 HRC lassen sich gehärtete Teile mit Schaftfräsern nur schwer bearbeiten. Legen Sie deshalb vorab fest, wo Aufmaß nötig ist und wie es bearbeitet wird.
- Schleifgerecht konstruieren. Ebene und zylindrische Flächen lassen sich leicht schleifen; an Absätzen sehen Sie Freistiche (Entlastungsnuten) vor, damit die Schleifscheibe die angrenzende Fläche nicht berührt.
- Nachbearbeitete Flächen minimieren. Komplexe Formen erfordern unter Umständen Spezialschleifmaschinen, was die Kosten erhöht: Je weniger Flächen nachbearbeitet werden müssen, desto günstiger wird das Teil.
- Bei verzugskritischen Teilen nitrieren. Die niedrige Behandlungstemperatur hält Maßänderungen auf einem Minimum.
- Beschichtungen als Alternative prüfen. Wenn Sie nur Oberflächenhärte benötigen, kann Hartverchromen oder chemisches Vernickeln ausreichen.
Wärmebehandelte Teile von meviy
meviy fertigt individuell konstruierte Sonderteile aus Ihren eigenen 3D-CAD-Daten, keine Norm- oder Katalogteile. Bei Teilen, die per CNC-Fräsen gefertigt werden, können Sie das Durchhärten bestellen und die Zielhärte direkt bei der Konfiguration Ihres Teils wählen:
| Material | Standardhärte | Wählbarer Härtebereich |
|---|---|---|
| EN 1.2379 equiv. | HRC 58–63 | HRC 50–63 |
| EN 1.7220 equiv. | HRC 50–55 | HRC 30–55 |
| EN 1.1206 equiv. | HRC 35–45 | HRC 30–50 |
- Durchgehärtete Frästeile bis 300 × 150 × 60 mm, mit dem von Ihnen festgelegten Härtebereich
- Wärmebehandlung ausgewählter Stähle bei Teilen, die per CNC-Drehen gefertigt werden
- Nitrieren und Salzbadnitrieren als Oberflächenbehandlung für verschleißfeste Oberflächen bei geringem Verzug
- Hartverchromen und chemisches Vernickeln als Alternativen für Oberflächenhärte
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Material, Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung wählen Sie direkt in meviy. So können Sie die Optionen für Ihre Teile aus der CNC-Bearbeitung vor der Bestellung vergleichen.
Häufige Fragen zur Wärmebehandlung von Stahl
Was ist der Unterschied zwischen Härten und Anlassen?
Beim Härten wird der erwärmte Stahl durch Abschrecken schnell abgekühlt; er wird dadurch sehr hart, aber spröde. Beim Anlassen wird der gehärtete Stahl auf eine niedrigere Temperatur erwärmt, wodurch die Sprödigkeit abnimmt. Beide Schritte werden zusammen durchgeführt, um das richtige Verhältnis von Härte und Zähigkeit zu erreichen.
Was ist der Unterschied zwischen Glühen und Normalglühen?
Bei beiden wird der Stahl erwärmt, aber unterschiedlich abgekühlt. Beim Glühen wird sehr langsam abgekühlt, meist im Ofen, um das Material weicher zu machen und Spannungen für eine leichtere Zerspanung abzubauen. Beim Normalglühen wird an ruhender Luft abgekühlt; es verfeinert und homogenisiert das Gefüge nach Guss, Schmieden oder Walzen.
Welche Wärmebehandlung verursacht den geringsten Verzug?
Das Nitrieren, weil es unterhalb der Umwandlungstemperatur des Stahls stattfindet und kein Abschrecken erfordert. Auch das Induktionshärten verursacht verhältnismäßig wenig Verzug, da nur die Oberfläche erwärmt wird.
Was ist der Unterschied zwischen Nitrieren und Einsatzhärten?
Beim Einsatzhärten wird bei hoher Temperatur Kohlenstoff in die Oberfläche von kohlenstoffarmem Stahl eingebracht; anschließend muss abgeschreckt werden, was Verzug verursachen kann. Beim Nitrieren wird bei niedrigerer Temperatur Stickstoff eingebracht. Es ist kein Abschrecken nötig und der Verzug bleibt minimal, die gehärtete Schicht ist jedoch in der Regel dünner.
Die richtige Wärmebehandlung wählen
Verfahren wie Härten und Anlassen, Glühen und Normalglühen verändern die Eigenschaften des gesamten Bauteils, während Randschichtverfahren wie Induktionshärten, Einsatzhärten und Nitrieren eine harte Oberfläche bei zähem Kern erzeugen. Bei der Wärmebehandlung von Stahl richtet sich die Wahl des Verfahrens nach der geforderten Härte, dem zulässigen Verzug und dem Aufwand für die Nachbearbeitung. So erhalten Sie Teile, die in Ihren Anlagen zuverlässig funktionieren.