Einsatzhärten

Das Einsatzhärten ist ein thermochemisches Verfahren zur Oberflächenhärtung. Bei dem Verfahren werden die mechanischen Eigenschaften von Werkstücken aus Stahl verbessert. Das Einsatzhärten besteht aus den Prozessschritten Aufkohlen, Härten und Anlassen.

Durch das Verfahren ist es möglich, einem Werksstück einen weichen, zähen Kern zu verleihen und gleichzeitig eine höhere Oberflächenhärte einzustellen. Werkstücke, die durch das Einsatzhärten bearbeitete werden, zeichnen sich durch einen erhöhten Verschleißschutz und verbesserte Biegewechselfestigkeit aus.

Die Arbeitsschritte beim Einsatzhärten

Die Grundlage des Verfahrens ist die Anreicherung der Randschicht eines Werksstücks mit Kohlenstoff. Dadurch ergibt sich ein Werksstück mit einem hohem Randkohlenstoffgehalt, welcher entlang der Aufkohlungstiefe auf das Kernniveau abnimmt. Die Prozessschritte beim Einsatzhärten heißen Aufkohlen, Härten und Anlassen.

Aufkohlen

Beim Aufkohlen liegt der Stahl im austenitischen Zustand vor. Die Prozesstemperatur liegt zwischen 880 und 950° C. Mithilfe eines geeigneten Medium zur Kohlenstoffabgabe wird durch die Wärmebehandlung die Randschicht des Werksstücks mit Kohlenstoff angereichert. Die Diffusion erfolgt dann von der Randschicht in Richtung des Kern, wobei im Normalfall der Kern seinen Kohlenstoffgehalt behält. Beim Aufkohlen wird die Aufkohlungstiefe eingestellt, die in der Regel zwischen 0,1 und 4 mm liegt. 

Geeignete Verfahren zur Aufkohlung sind:

  • Aufkohlen in der Salzschmelze.
  • Aufkohlen im Kohlungspulver oder -granulat.
  • Aufkohlen in der Gasatmosphäre
  • Aufkohlen im Niederdruckverfahren

Härten

Der zweiten Prozessschritt ist das eigentliche Härten, welches durch ein Abschrecken des Werkstücks erfolgt. Dabei wird die Randhärte vom Kohlenstoffgehalt in den obersten Schichten des Materials bestimmt. Entscheidend sind auch die eingestellte Aufkohlungstiefe, die Abschreckintesität (Abkühlungsgeschwindigkeit) und die Härtbarkeit des bearbeiteten Stahls.

Als Abschreckmedien dienen folgende flüssige und gasförmige Stoffe:

  • Wasser
  • Härteöl
  • Salzschmelze
  • Metallschmelze

Anlassen

Nach dem Härten erfolgt als letzter Prozessschritt das Anlassen. Das Ziel dieser Wärmebehandlung ist die Erhöhung der. Beim Einsatzhärten liegt die Prozesstemperatur bei diesem Schritt zwischen 160 und 220° C. Die Randschicht des Werkstücks gewinnt dabei an Duktilität.

Ziele und Vorteile des Verfahrens

Das Einsatzhärten ist eine Wärmebehandlung, welches zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eines Werkstücks aus Stahl eingesetzt wird. Dabei weist es folgende Vorteile auf:

  • Die erhöhte Randschichthärte führt zu einem verbesserten Verschleißwiderstand.
  • Ebenfalls erhöht sich dadurch die Belastbarkeit des Werkstücks.
  • Der weiterhin zähe Kern und die eingebrachten Druckeigenspannungen führen zu einer gesteigerten Biegewechselfestigkeit und Überlasttoleranz.
  • Mithilfe des Verfahrens ist eine partielle Härtung möglich.

Varianten des Einsatzhärten

Einfachhärten

Das Einfachhärten ist eine Variante des Einsatzhärtens. Häufig zum Einsatz kommt es bei Stählen, die zur Grobkornbildung tendieren. Bei dem Verfahren wird das Werkstück nach dem Aufkohlen zuerst langsam abgekühlt. Im folgenden Prozessschritt erfolgt eine weitere Wärmebehandlung. Dabei tritt ein Rekristallisationseffekt auf, der zu einer Kornverfeinerung führt. 

Das Einfachhärten zielt auf die gewünschten Eigenschaften der Randschicht des Werkstücks ab. Durch die geringen Prozesstemperaturen von etwa 750° C wird der im Verhältnis kohlenstoffarme Kern nicht vollständig austenisiert. Es bildet sich demnach nach dem Abschrecken kein vollständig martensitisches Kerngefüge. Dieser Vorgang wird auch Randhärten genannt.

Eine Härtung des Kerns ist ebenfalls möglich. Hier wird die Prozesstemperatur an die gewünschten Eigenschaften des Kerns angepasst und beträgt in etwa 900° C. Die höheren Temperaturen führen dazu, dass die Randschicht grobnadlig wird. Das Verfahren wird ebenfalls Kernhärten genannt.

Doppelhärten

Das Doppelhärten stellt eine Kombination aus Randhärten und Kernhärten dar. Hier werden zwei Härtevorgänge durchgeführt, der erste bei der Härtetemperatur des Kerns, der zweite bei einer Härtetemperatur der Randschicht. Durch die vielen Temperaturwechsel kann es jedoch zu einem Verzug des Werkstücks kommen.

Das Einfach- und Doppelhärten sind im Vergleich zum Direkthärten kostenintensiver, da sie zeit- und energieaufwendiger sind. Deshalb werden die Verfahren meistens bei Stählen angewendet, die zur Grobkornbildung neigen.

Für welche Werkstoffe eignet sich das Einsatzhärten

Das Ziel des Einsatzhärtens ist die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts. Aus diesem Grund kommen im Normalfall nur Stähle mit einem Basiskohlenstoffgehalt von weniger als 0,25 % Masseanteil in Betracht. Häufig sind die behandelten Werkstoffe unlegiert oder niedrig legiert. Für das Verfahren werden häufig folgende Stahlsorten verwendet:

  • 1.6587/18CrNiMo7-6
  • 1.0301/C10
  • 1.7131/16MnCr5
  • 1.7147/20MnCr5

Zu den typischen Einsatzbereichen des Einsatzhärtens zählen die Herstellung von Getriebeteilen und Zahnrädern, da diese einen hohen Verschleißschutz und eine gute Biegewechselfestigkeit voraussetzen.

Ein dem Einsatzhärten ähnliches Verfahren ist das Carbonitrieren. Hierbei wird neben Kohlenstoff auch Stickstoff in die Randschicht eindiffundiert.