Härteverfahren von Stahl - Eine Übersicht

Stahl ist ein vielseitig eingesetztes Material in der Industrie und erfreut sich vor allem aufgrund seiner Robustheit großer Beliebtheit. Diese Robustheit ist jedoch keine Grundeigenschaft des Stahls, sondern in vielen Fällen das Ergebnis gezielter thermischer Prozesse. In diesem Artikel stellen wir die Prozesse des Stahlhärtens vor, geben eine Übersicht über Härteverfahren und nennen häufige Fehler und Probleme.

Wie härtet man Stahl?

Stahl wird in der Norm DIN EN 10020 als eine Legierung aus Eisen mit einem Kohlenstoffanteil von max. 2,06% definiert. Der Kohlenstoffanteil hat neben der Zugabe anderer Legierungsanteile einen direkten Einfluss auf die Möglichkeit, ob ein Stahl härtbar ist oder nicht. Baustähle mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,2% sind prinzipiell nicht härtbar. Bei einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,25% bis 0,4% ist eine Härtung durch zusätzlichen Kohlenstoffeintrag möglich (Einsatzstähle). Ab 0,4% Kohlenstoffgehalt sind Stähle durch gängige Härteverfahren härtbar. Steigt der Kohlenstoffanteil auf mehr als 2,06% beginnt der Übergang vom Stahl zum sogenannten Gusseisen.

Um den Einfluss des Kohlenstoffanteils auf die Werkstoffeigenschaften des Stahls etwas deutlicher zu machen bietet sich das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm an. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm betrachtet die Umwandlung der einzelnen Phasen (Gefügezusammensetzung) unter der Voraussetzung das der Stahl immer ausreichend Zeit zur jeweiligen Phasenumwandlung hat. Die Gefügeänderung bei unterschiedlich schneller Abkühlung kann nicht dargestellt werden. Hierfür wird für jede Legierung ein eigenes Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild erstellt.

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Im hier dargestellten Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist der Bereich der Liquidus- und Soliduslinie nur vereinfacht dargestellt. Oberhalb der Liquiduslinie ist das Gemisch flüssig, zwischen Liquidus- und Soliduslinie liegt die Legierung in breiiger Konsistenz vor. Unterhalb der Soliduslinie ist die Legierung erstarrt, liegt jedoch abhängig vom Kohlenstoffanteil als unterschiedliche Phase mit von der jeweiligen Phase abhängigen unterschiedlichen Einlagerungsmischkristallen vor.

Der Unterschied zwischen Härte und Festigkeit

Härte und Festigkeit scheinen zwar auf den ersten Blick gleich zu sein, jedoch beschreiben sie zwei unterschiedliche Eigenschaften des Stahls. Härte bezieht sich auf die Widerstandsfähigkeit eines Körpers bzw. Materials gegen mechanische Oberflächenverformung oder Eindringen eines anderen Körpers. Die Festigkeit bescheibt die Kraft pro Fläche die ein Werkstoff über die elastisch und plastische Verformung bis zum Abriss bzw. Zerstörung verträgt.

Um einen härteren oder festeren Stahl zu erhalten gibt es zwei grundlegende Verfahren: das Härten und das Vergüten. Das gewählte Verfahren richtet sich nach der gewünschten Eigenschaft: Steht eine hohe Härte im Vordergrund, empfiehlt sich das Härten. Soll neben einer hohen Festigkeit auch die Zähigkeit erhalten bleiben, kommt das Vergüten in Betracht.

Beide Verfahren sind dreistufig.

• Im ersten Schritt wird der Stahl bis zu einer Temperatur oberhalb der G-S-K Linie erwärmt.

Im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm bezeichnet die  G-S-K Linie die Temperatur, bei der mit dem jeweiligen Kohlenstoffanteil ein Übergang zur  Gamma-Phase (Austenitbereich) möglich ist. Diese Temperatur liegt am Punkt G bei 911°C und sinkt bis zum Punkt S mit zunehmendem Kohlenstoffanteil. Punkt S bezeichnet im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm den Punkt, an dem die niedrigste Temperatur zum Übergang in den Austenitbereich erreicht wird. Dies entspricht am Punkt S einer Temperatur von 723°C und einem Kohlenstoffanteil von 0,86%. Zwischen Punkt S und Punkt K bleibt die Temperatur zum Übergang in den Austenitbereich konstant bei 723°C.

• Im zweiten Schritt wird der Stahl abgeschreckt (sehr schnell abgekühlt).

Das Abschrecken erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die mindestens der kritischen Abkühlgeschwindigkeit entspricht. Die kritische Abkühlgeschwindigkeit entspricht der Abkühlgeschwindigkeit, bei der das Gefüge keine Zeit mehr hat, sich vollständig zu der dem jeweiligen Kohlenstoffgehalt und Temperatur entsprechenden Phase umzuwandeln. Zu langsames Abkühlen führt zur teilweisen bis vollständigen Rückbildung der Phasen ohne die gewünschte Gefügeveränderung.

• Im dritten Schritt wird der Stahl erneut erwärmt um ihn anschließend langsam abkühlen zu lassen

Dieser Vorgang wird Anlassen genannt. Hier unterschieden sich die Verfahren Härten und Vergüten. Da beim Härten der Erhalt der Härte im Vordergrund steht darf die Anlasstemperatur nicht zu hoch sein. Der Anlassvorgang dient hier zum Spannungsabbau und ermöglicht die Endhärte gezielt zu beeinflussen. Beim Vergüten wird die Anlasstemperatur gezielt höher gewählt, da mit zunehmender Anlasstemperatur die Härte deutlich abnimmt und dafür eine höhere Zähigkeit erreicht wird.  

Härte- und Vergütungsverfahren sind getrennt von anderen Wärmebehandlungen, wie z.B. Glühverfahren, zu verstehen. Der Unterschied liegt darin, dass beim Härten und Vergüten die Herstellung eines thermodynamischen Ungleichgewichts des Gefüges das Ziel ist, während Glühverfahren auf ein thermodynamisches Gleichgewicht abzielen. Das schnelle Abschrecken beim Härten und Vergüten verhindert das Erreichen dieses Gleichgewichts.

Doch was versteht man unter Härten überhaupt?

Härten ist das Abschrecken eines Stahls aus der homogenen Gamma-Phase (Austenit) zur eigentlichen Alpha-Phase (Ferrit) mit einer Geschwindigkeit die mindestens der kritischen Abkühlgeschwindigkeit entspricht. Bei der γ-Phase (Gamma-Phase) ist das Gitter kubisch flächenzentriert. Der Kohlenstoff ist im Austenitgitter eingebunden (aufgelöst). Das Alpha- Gitter (Ferrit) ist in sich selbst stabil und bietet dem Kohlenstoff daher nahezu keine Möglichkeit gelöst zu werden. Bei einem langsamen Abkühlen würde sich die Gitterstruktur vom Austenit zum Ferrit nur langsam umwandeln und dem Kohlenstoff bliebe genügend Zeit aus dem Austenitgitter zu diffundieren. Dies soll aber beim Härten gezielt verhindert werden. Die Härte selbst wird sozusagen durch "Einfrieren" der jeweils beim Erhitzen erreichten Gefügegitterstruktur erreicht.

Da sich das durchgewärmte Material beim Abschrecken in den äußeren Schichten schneller abkühlt als im Kern bleibt den gelösten Kohlenstoffatomen im Kern mehr Zeit zum ausdiffundieren. Die beim Abschrecken erreichte Härte nimmt von außen nach innen ab. Wie die Härte eines Werkstoffs ermittelt werden kann und welche Art der Härteprüfung für Stähle möglich ist erfahren Sie in unserem Blog über Härtegrade und Härteprüfungen.

Die zum Härten minimale benötigte Temperatur (Stahl austenitisieren)

Wie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm dargestellt besteht die Gitterstruktur von Stahl bis zum Übergang in Gusseisen unterhalb der P-S-K Linie aus Perlit bzw. einem Gemisch aus Perlit und α-Ferrit.

Perlit ist ein lamellenartiges angeordnetes Phasengemisch aus α-Ferrit und Zementit. Er tritt bei Stählen und Gusseisen mit Kohlenstoffgehalten zwischen 0,02% und 6,67% auf. Die Phase α-Ferrit ist kubisch raumzentriertes Eisen und die Phase Zementit eine Verbindung aus Eisen und Kohlenstoff der Zusammensetzung Fe₃C (Eisencarbid). Diese beiden Phasen bilden gemeinsam eine Lamellenstruktur aus einer kohlenstoffarmen Schicht (α-Ferrit) und einer kohlenstoffreichen Schicht (Eisencarbid).

Ziel des Erwärmens über die kritische Mindesttemperatur ist es, das Perlit aufzulösen und in ein Austenit umzuwandeln. Zu diesem Zweck wird der Stahl auf eine Temperatur erwärmt, die über der sog. GSK- Linie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm liegt. Die GSK-Linie gibt die Austenitisierungstemperatur bzw. Härtetemperatur von Stahl an, die je nach Werkstoffzusammensetzung unterschiedlich ist. Das ursprünglich kubisch-raumzentrierte Ferritgitter wird dabei zu einem kubisch-flächenzentrierten Austenitgitter in dem sich der im Stahl enthaltene Kohlenstoff auflösen kann.

Während des Austenitisierens zerfällt der Zementit in seine Bestandteile und setzt den Kohlenstoff frei. Dieser ist nun löslich und kann vom Austenitgitter aufgenommen werden. Damit das auch im gesamten Werkstück vollständig geschieht, wird die Temperatur über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten. Wenn der Stahl nun langsam wieder abgekühlt werden würde, würde auch der ursprüngliche Gefügezustand wiederhergestellt werden. Eine Härteänderung lässt sich daher nur durch Abschrecken erreichen.

Stahl abschrecken

Das Abschrecken von Stahl erfolgt im Vergleich zu Glühverfahren wie Normal- oder Weichglühen relativ schnell. Wird der Stahl im austenitischen Zustand schneller als mit der kritischen Abkühlgeschwindigkeit (Abschreckgeschwindigkeit) heruntergekühlt/abgeschreckt, bleibt dem Kohlenstoff nicht genügend Zeit, aus dem Austenitgitter zu diffundieren und sich wieder in den Ursprungszustand zu begeben. Er wird quasi im Austenitgitter eingesperrt/eingefroren. Diese Gitterverzerrung führt zu einer inneren Verspannung der Kristallgitter, welches dann in einem Umklappvorgang zu einem tetragonal raumzentrierten Gitter endet und sich im Werkstoff als Härte widerspiegelt. Dieses neue, harte Gefüge wird Martensit genannt.

Der Härteprozess führt durch das verzerrte Gefügegitter zu einer Volumenzunahme. Aus diesem Grunde wird die maßgetreue Endbearbeitung erst nach dem Härteprozess vorgenommen. Wichtig ist es darauf zu achten, das die 100% Martensit Temperatur tatsächlich im gesamten Werkstoff unterschritten wird, sonst kann Restaustenit im Werkstoff verbleiben, welches später durch Zeit, Temperatur oder Druck verspätet umgewandelt wird und so die Abmessungen der Gitterstrukturen (0,3% in Faserrichtung) und damit die Dimension der Bauteile erneut verändern kann.

Stahl im martensitischen Zustand verliert einen großen Teil seiner Verformbarkeit bei gleichzeitiger Zunahme der Härte und Festigkeit. Rein martensitischer Stahl kann nicht plastisch verformt werden und ist sehr spröde, d.h. unter Belastung oder auch beim Herunterfallen bricht er sofort. Dieser Zustand wird auch als glashart bezeichnet. Außerdem ist das Martensitgefüge anfällig gegenüber Erosion und Korrosion. Damit der Stahl die für die Weiterverarbeitung benötigte Zähigkeit wieder erhält, muss er nachbehandelt werden. Das geschieht beim sogenannten Anlassen.

Stahl anlassen

Beim Anlassen wird der Stahl erneut erwärmt, allerdings bleiben die Temperaturen unterhalb der G-S-K Linie (siehe Eisen- Kohlenstoff- Diagramm). Die vorher im Gittergefüge zwangsweise eingebundenen Kohlenstoffatome können durch die langsame und moderate Erwärmung teilweise wieder ausdiffundieren. Das Gefüge nähert sich wieder dem thermodynamischen Gleichgewicht an.

Mittels Temperaturhöhe können Eigenschaften wie Zähigkeit, Festigkeit und Härte gezielt gesteuert werden. Die erforderlichen Temperaturen lassen sich z.B. von sogenannten Anlassschaubildern oder Tabellen zur Stahlhärte ablesen.

Je höher die Anlasstemperatur und je länger die Anlassdauer (siehe ZTU, Zeit- Temperatur Umwandlung), desto höher wird die Zähigkeit bei gleichzeitiger Abnahme von Härte und Festigkeit. Grundsätzlich unterscheidet sich an dieser Stelle, ob der Stahl gehärtet oder vergütet wird. Vergüten bedeutet, dass der Stahl, abhängig von seiner Legierung, bei höheren Temperaturen von bis zu 700 °C angelassen wird. Auf diesem Weg wird sichergestellt, dass der Stahl sowohl eine hohe Festigkeit als auch hohe Zähigkeit aufweist. Sie können verglichen zu normalgeglühtem Stahl eine hohe Verformungsenergie aufnehmen. Das ist z.B. bei Bauteilen wie Wellen relevant.

Neben der Anlasstemperatur ist hier das langsame Abkühlen besonders wichtig.

Bei Anlasstemperaturen im Bereich von bis zu 400 °C bleibt der gehärtete Stahl weiterhin spröde, weist aber auch eine hohe Härte auf. Von Vorteil kann das z.B. sein, wenn Zähigkeit nicht im Vordergrund steht, dafür aber Verschleißfestigkeit. Gehärtete Stähle sind sehr widerstandsfähig gegen Abrieb und Verformungen. Diese Eigenschaft machen sich Schneidwerkzeuge zunutze. Grundsätzlich ist aber zu beachten, dass gehärtete Stähle wirklich nur dann eingesetzt werden können, wenn eine Verformung praktisch ausgeschlossen ist, da sie mitunter schon bei geringer Verformung brechen.

Ziel des Einsatzhärtens ist es, in den Randschichten des Stahls eine Anreicherung des Kohlenstoffgehaltes zu erreichen. Dies wird durch Aufkohlen, also Eindiffundieren von Kohlenstoff in das Gefügegitter erreicht. Das Eindiffundieren des Kohlenstoffs benötigt einige Zeit, weshalb der Stahl länger auf Temperatur gehalten werden muss.

Um die Verschleißfestigkeit weiter zu erhöhen, kann beim Einsatzhärteprozess zusätzlich zum Kohlenstoff noch Stickstoff eingebracht werden. Diesen Prozess nennt man Carbonitrieren. Das Carbonitrieren eignet sich z.B. für niedriglegierte Stähle:

Übersicht zu Härteverfahren

Je nach Anforderung an Stahlhärte, Zähigkeit und Einsatzbereich gibt es verschiedene Stahlhärtungsverfahren. Viele zielen vor allem darauf ab, die Randschicht des Stahls zu härten. Die Oberflächenhärtung ist vor allem dann ausreichend, wenn Bauteile eine verschleißfeste und harte Oberfläche benötigen, der Kern aber noch vergleichsweise zäh bleiben soll.

Typische Anwendungsbeispiele sind Linearwellen oder Zahnräder. Die Kombination aus harter Oberfläche und zähem Kern erhöht die Schwingfestigkeit.

Folgende Härteverfahren zielen darauf ab:

• Induktionshärten: Beim Induktionshärten wird die Oberfläche des Stahls gezielt mittels Induktionsspulen erwärmt. Es folgt eine rasche Abkühlung zur Erzeugung einer harten Randschicht.
• Flammhärten: Mit dem Flammhärten lassen sich große Oberflächen oder spezifische Bereiche eines Bauteils schnell mithilfe von starken Brennerflammen erwärmen und durch anschließendes Abschrecken härten.
• Einsatzhärten: Beim Einsatzhärten wird das Werkstück zunächst aufgekohlt (mit einem kohlenstoffgebenden Medium mit Kohlenstoff angereichert). Das geschieht z.B. in Gasatmosphäre oder im Unterdruck. Danach wird das Werkstück ebenfalls schnell abgekühlt, damit eine harte Randschicht entsteht.
• Nitrieren: Beim Nitrieren wird die Stahloberfläche mit Stickstoff angereichert, der ebenfalls dabei hilft, eine harte Randschicht zu erzeugen. Dieses Verfahren setzt voraus, dass bereits ausreichend Kohlenstoff im Stahl gebunden ist.

Die nachfolgenden Grafiken veranschaulichen neben den bereits erläuterten Verfahren des Flamm- und Induktionshärtens auch die Prinzipien und Anwendungen des Elektronenstrahl- sowie des Laserstrahlhärtens.

Häufige Fehler und Probleme bei der Stahlhärtung

Bei der Stahlhärtung können einige ungewünschte Nebeneffekte auftreten.

Spannungsrisse können z.B. entstehen, wenn das falsche Abschreckmedium gewählt wurde und daher der Stahl zu schnell oder einseitig abkühlt. Übliche Medien können hier Luft, Öl oder Wasser sein.

Es ist immer auf eine möglichst gleichmäßige Abnahme der Abkühltemperatur zu achten.

Ein Überhitzen während des Härtungsprozesses führt ebenfalls zu unerwünschten Ergebnissen. Wird der Stahl zu lange oder bei zu hoher Temperatur erhitzt, kann dies zu Kornwachstum führen, was die mechanischen Eigenschaften beeinflusst.

Die hohen Temperaturen beim Härteprozess können zu Oberflächenentkohlung führen. Die Härteannahme an der Oberfläche wird damit vermindert. Die negativen Auswirkungen dieses Einflusses können durch eine Schutzgasatmosphäre oder durch ein ausreichendes Härteaufmaß vermieden werden.

Auch für das Erreichen des Martensit-Zustands sind einige Voraussetzungen einzuhalten. Der Stahl muss einen ausreichenden Kohlenstoffgehalt aufweisen, da sonst keine ausreichend hohe Härte erzielt werden kann. Allgemein gilt, dass bei Stählen ein Kohlenstoffgehalt von 0.3 % für das Härten ausreicht.

Da bei Stählen neben Kohlenstoff oft weitere Legierungselemente eine bedeutende Rolle spielen werden von diesen bei der Härtung die Eigenschaften Härte und Zähigkeit sowie die Parameter des Härteprozesses ebenfalls beeinflusst.

Einige Legierungselemente beeinflussen die Martensitbildung mitunter derart, dass die Kohlenstofflöslichkeit unterdrückt wird und der Stahl im austenitischen bzw. ferritischen Zustand verharrt. Solche Stähle sind generell nicht mit thermischen Verfahren härtbar.

Die Auswahl des richtigen Stahls ist daher entscheidend für den Härteprozess.