Häufig gestellte Fragen zum Thema Metall härten
Wie funktioniert das Metall härten?
Unter Härte wird die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen das Eindringen eines festen Stoffes und nicht die Festigkeit von Stahl verstanden. Das Härten von Metall verbessert die mechanische Widerstandskraft von Stahl deutlich. Wird ein Werkstück aus Metall plastisch bearbeitet, verursacht dies eine Unregelmäßigkeit des Kristallgitters im Inneren. Durch das Härten von Metall wandelt sich das Gefüge im Metall um. So entsteht mittels eines Wärmebehandlungsverfahrens im Inneren des Werkstoffs eine neue Struktur. Prinzipiell besteht das Härten von Metall aus drei Arbeitsvorgängen. Das Werkstück wird zuerst erhitzt und danach wieder schnell abgekühlt. Nach dem Abschrecken ist der Werkstoff hart und spröde. Kommt nach dem Erwärmen und Abschrecken als dritter Arbeitsgang das Anlassen hinzu, spricht man von Vergütung. Anlassen geschieht bei einer Temperatur von 100° bis 300° Celsius. Durch das Anlassen verliert der Stahl die Sprödigkeit, behält aber die Härte. Durch diesen Vorgang entsteht vergüteter Stahl. Metall zu härten ist vor allem bei stark belasteten Bauteilen und Verschleiß beanspruchten Werkstücken, wie beispielsweise Werkzeug, wichtig. Nach dem Metall härten können die Bauteile nur mehr durch Schleifen bearbeitet werden. Deshalb müssen sie vor der Wärmebehandlung schon ihre endgültige Form haben.
Welche Verfahren werden von Härtereien zur Härtung von Stahl genutzt?
Alle Verfahren, die Dienstleister zum Härten von Metall nutzen, benötigen den Einsatz von Wärme. Zum Erwärmen können unterschiedliche Quellen verwendet werden. Je nach eingesetzter Wärmequelle wird der Vorgang als Induktionshärten, Flammhärten, Tauchhärten, Laserhärten oder Elektronenstrahlhärten bezeichnet.
Auch für das Abschrecken können verschiedene Medien verwendet werden. Anlassen muss bei einer bestimmten an den Werkstoff angepassten Temperatur erfolgen, damit die gewünschten Eigenschaften erzielt werden. Beim Härten von Metall spricht man von Durchhärtung, wenn sich der Härtungsprozess über den gesamten Querschnitt des Werkstücks auswirkt. Um Metall zu härten, werden von Firmen drei Verfahren angewendet. Diese sind das Umwandlungsverfahren, Aushärtungsverfahren und die Kalthärtung. Die bedeutendste Härtungstechnik ist das Umwandlungsverfahren. Hierbei wird Ferrit in Austenit umgewandelt.
Im ersten Schritt wird der Stahl beim Härten erhitzt. Hat er die Härtetemperatur erreicht, wird diese gehalten. Dadurch findet im Stahl eine Gitterumwandlung statt. Aus dem Ferrit-Gefüge wird ein Austenit-Gefüge. Durch die Zustandsveränderung kann sich der Kohlenstoff besser vom Eisen lösen.
Der zweite Schritt beim Metall härten ist das Abschrecken in Öl oder Wasser. Beim schlagartigen Zusammenziehen des Stahls verspannt sich der Kohlenstoff. Er kann sich nicht rechtzeitig in das neue Gefüge einbinden. Aus dem Austenit wird ein Martensit-Gefüge. Bei dieser Art, Metall zu härten, ist die richtige Abkühlungsgeschwindigkeit besonders wichtig. Je höher der Temperaturunterschied ist, umso mehr Martensit wird gebildet.
Eine Variante des Umwandlungsverfahrens ist das Oberflächenhärteverfahren. Dieses konzentriert sich auf den Randbereich des Werkstücks. Die Funktionsweise ist gleich, jedoch geschieht das Härten von Metall nur in der Randzone. Dadurch wird beim Einsatzhärten eine verschleißfeste Oberfläche geschaffen. Der Kern bleibt weich und zäh. Eine weitere Möglichkeit, Metall zu härten, ist das Ausscheidungsverfahren. Hier wird genutzt, dass die Löslichkeit von Legierungselementen mit der Senkung der Temperatur abnimmt. Fremdatome werden beim Abschrecken ausgeschieden und führen zur Spannung im Kristallgitter. Es entsteht ein eigenes Kristallsystem, das keine Ähnlichkeit mit dem Basissystem aufweist. Ein wichtiges Anwendungsgebiet dieses Verfahrens ist das Härten von Aluminiumlegierungen.
Kalthärtung ist das dritte Verfahren zum Härten von Metall. Die Kaltumformung findet durch Gleitvorgänge in den Kristallen statt. Dieses Verfahren wird besonders bei Buntmetalllegierungen wie beispielsweise Bronze verwendet. Zum Abschrecken dienen Wasser oder Öl. Auch andere Möglichkeiten wie Salzbad, Luft oder Gase können zum Abkühlen verwendet werden. Metall zum Härten muss einen Mindestgehalt von 0,3 Prozent Kohlenstoff aufweisen. Ohne ein Abschreckmedium funktioniert die Laserstrahl-Härtung. Bei dieser Methode wird durch den Strahl nur ein kleiner Bereich des Werkstücks erhitzt. Die Wärmeabfuhr in das restliche Werkstück sorgt für die notwendige Abkühlung. Im abgeschreckten Zustand ist das Metall hart und sehr spröde. Der Zustand wird als glashart bezeichnet. Für technische Verwendungen ist es unbrauchbar. Darum folgt im nächsten Schritt das Anlassen. Der Stahl wird hierbei nochmals auf eine Temperatur von 100 bis 350 Grad Celsius erwärmt. Die Temperaturwahl hängt von den Legierungselementen und vom Kohlenstoffgehalt ab. Bei hoch legierten Stählen beträgt die Anlasstemperatur bis zu 600° C. Höher legierte Stähle weisen oft erst nach dem dritten Anlassen die gewünschten Eigenschaften auf.
Kann Hartmetall beschichtet werden?
Für die Hartmetallbeschichtung wird hauptsächlich das Verfahren der chemischen oder der physikalischen Gasphasenabscheidung genutzt. Beschichtet werden die Schneiden von Werkzeugen zum Drehen und Fräsen. Das chemische Verfahren CVD arbeitet mit einem gasförmigen Stoffgemisch, das bei Temperaturen um 1000 Grad Celsius mit der Oberfläche eine Reaktion eingeht. Der Vorgang erfolgt im Vakuum. Das Ergebnis ist eine gleichmäßige, sehr dünne und fest haftende Schicht aus Titannitrid, Aluminiumoxid oder Titankarbonitrid. Die Beschichtung eignet sich gut für komplizierte Werkstücke. Da es aber aufgrund der hohen Temperaturbelastung zu Verformungen kommen kann, wird das physikalische Verfahren häufiger verwendet. Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung PVD werden die Stoffe für die Schichtbildung zuerst verdampft und dann im Vakuum kondensiert. Beim Abkühlen entsteht dann die Beschichtung. Dieser Vorgang benötigt Temperaturen von maximal 600 °C.
Wozu dient die Härteprüfung?
In der modernen Qualitätssicherung ist beim Metall härten eine Härteprüfung unverzichtbar. Mit der Härteprüfung kann die Härte eines Werkstoffs, Bauteils oder einer Beschichtung bestimmt werden. Nur mit der Überprüfung der Härte nach dem Metall härten kann sichergestellt werden, dass die gewünschte Härte erreicht worden ist. Nicht immer wird die größtmögliche Härte im Produktionsprozess angestrebt. Kugellager beispielsweise müssen extrem hart sein, damit der Verschleiß bei den unzähligen Umläufen möglichst gering ausfällt. Soll aber ein Metall später formbar sein, darf die Härte nicht zu hoch sein. Es würde sonst brechen oder es würden Risse beim Umformen entstehen. Wird ein Bauteil mechanischen Belastungen ausgesetzt, darf das Material nicht zu hart sein. Entsteht beim Metall härten zu hartes Metall, ist es zu wenig zäh und bildet vorzeitig Risse. Vorzeitige Materialermüdung mit all ihren gefährlichen Auswirkungen wäre die Folge. Schon kleinste Veränderungen beim Metall härten machen sich im Endergebnis bemerkbar. Fehlt bei der Wärmebehandlung beispielsweise ein Temperatursensor aus, ändert sich die Härte dramatisch. Die Härteprüfung ist deshalb in allen Stadien des Fertigungsprozesses unabdingbar. Um die Zug- und Verschleißeigenschaften eines Materials zu beurteilen, ist die Härte ein guter Indikator. Die Härte zählt zu den Werkstoffeigenschaften. Sie gibt den Widerstand eines Materials gegen Verformung an.
Im Bereich der Wärmebehandlungstechnik ist die Härteprüfung der wichtigste Teil bei der Qualitätssicherung. Für die Härtebestimmung kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz. Die Methoden arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip. Ein genormter Prüfkörper wird auf die Oberfläche eines Werksstücks gedrückt und dann wird die Eindringtiefe gemessen. Beim Metall härten werden die Oberflächenhärte und der Verlauf der Härte in die Tiefe ermittelt. Für jedes Material und jede Wärmebehandlung muss das geeignete Verfahren angewendet werden. Es gibt kein Härteprüfverfahren, das für alle zu prüfenden Werkstoffe geeignet ist. Die Vickers-Prüfung eignet sich für geringe bis sehr hohe Härten. Messungen von Härte-Tiefen im Kleinlastbereich können mit dem Universalverfahren ebenfalls durchgeführt werden. Diese Härtemessung wird bei Metallen und Werkstücken mit Oberflächenbehandlung angewendet. Bei der Prüfung wird eine Diamantpyramide auf den Prüfkörper gedrückt.
Das Rockwellverfahren kommt häufig beim Metall härten zur Überprüfung der Härteeigenschaften von Werkstoffen im gehärteten Zustand zum Einsatz. Es eignet sich besonders zur Messung der Oberflächenhärte. Bei dieser Messung wird die Härte mithilfe einer Vorlast berechnet. Die Brinell-Prüfung wird bevorzugt bei Gusseisen und Aluminium- und anderen Legierungen verwendet. Hierbei wird eine Hartmetallkugel verwendet. Das Prüfverfahren eignet sich nur für weiche bis mittelharte Werkstücke. Mit dem Leeb-Verfahren können sehr große Bauteile mit einem mobilen Handgerät geprüft werden.
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