Zweck der Härtung
Zweck der Härtung ist immer, die Festigkeit von Stahl oder seine mechanische Widerstandsfähigkeit zu erhöhen. Das kann in manchen Fällen für bestimmte Anwendungen erforderlich sein, wenn die erzielbare Härte durch entsprechende Auswahl der Stahllegierung nicht erreicht werden kann.
Durchhärtung
Unter Durchhärtung versteht man eine Gefüge-Änderung des Stahls für größere Festigkeit, die über den ganzen Querschnitt des Werkstücks reicht. Bei anderen Härtungsverfahren ist das nicht zwingend der Fall. Bei der sogenannten Einsatzhärtung wird der Stahl dagegen nicht durchgehärtet, sondern lediglich die Oberfläche des Stahls gehärtet.
Wichtigste Härtungsverfahren
Abgesehen von der Einsatzhärtung, die eine spezielle Form der Härtung darstellt, gibt es einige wichtige andere Härtungsverfahren:
- Umwandlungshärtung
- Kaltverfestigung
- Ausscheidungshärtung
Umwandlungshärtung
Das Umwandlungshärtungs-Verfahren stellt die wichtigste und am häufigsten angewandte Form der Stahlhärtung dar. Sie funktioniert, indem das ferritische Eisen in eine andere Gefügestruktur, nämlich in austenitisches Eisen umgewandelt wird.
Vorgang bei der Umwandlungshärtung
Der Umwandlungsprozess ist chemisch sehr komplex. Am Ende des Vorgangs bildet sich im Eisen durch die höhere Menge frei verfügbaren Kohlenstoffs vermehrt sogenannter Martensit (eine besondere Gefügestruktur mit hoher Festigkeit) aus.
Die Martensitbildung kann über die Temperaturdifferenz (Abkühltemperatur) gesteuert werden. Je tiefer die Abkühltemperatur, und je höher die Abkühlgeschwindigkeit, desto mehr Martensit bildet sich, und desto härter wird der Stahl nach abgeschlossener Härtung. Verwendet werden dabei unterschiedliche Abkühlmedien:
- Wasser
- Öl
- Luft
- reine Gase
Voraussetzungen für die Härtbarkeit
Der Kohlenstoffgehalt der Stahlsorte bestimmt, wie gut sich Stahl härten lässt. Darum müssen unlegierte Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt zunächst aufgekohlt werden (wie unter Einsatzstahl beschrieben). Die Höhe des Chromgehalts in einer Stahlsorte bestimmt dagegen, wie tief sich ein Werkstück härten lässt. Je höher der Chromgehalt, desto besser die Durchhärtbarkeit.
Kaltverfestigung
Die Kaltverfestigung ist ein Verfahren, dass die Härte von Stahl vergleichsweise geringer beeinflusst. Wenn man Stahl durch bestimmte Methoden verformt, ändert sich seine Versetzungsdichte. Er lässt sich danach schwerer verformen, und nimmt an Festigkeit zu. Auch seine Dehngrenze steigt dabei. Eine solche Vorverformung kann beispielsweise durch Walzen des Stahls vorgenommen werden.
Ausscheidungshärtung
Ausscheidungshärtung funktioniert nur unter bestimmten Voraussetzungen, und nicht mit allen Legierungen. Die Legierungsmetalle müssen dabei bestimmte Eigenschaften aufweisen, damit diese Art der Härtung durchführbar ist.
Vorgehensweise
Zunächst wird die Legierung so weit erwärmt, dass sich die geplanten Ausscheidungselemente in Lösung begeben. Die Temperatur darf dabei weder zu hoch noch zu niedrig sein, damit das Ergebnis der Härtung oder der Zusammenhalt der Legierung nicht gefährdet wird. Danach wird abgeschreckt, und das Gefüge im Inneren verändert sich. Die zuvor gelösten Elemente liegen nun fein verteilt im Metall vor und behindern die Versetzungen in ihrer Bewegung. Dadurch steigt die Festigkeit des Metalls.
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