Oberflächenhärtung im Metallbau - wie und was?

Schälmesser eines Bohrkopfes

Beim Einsatzhärten oder Oberflächenhärten wird die Oberfläche eines Metallgegenstandes gehärtet, während das darunter liegende Metall weich bleibt, so dass sich an der Oberfläche eine dünne Schicht aus härterem Metall (genannt „Einsatz“) bildet. Bei Eisen oder Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der von sich aus eine schlechte bis gar keine Härtbarkeit aufweist, wird beim Einsatzhärten zusätzlicher Kohlenstoff oder Stickstoff in die Oberflächenschicht eingebracht. Das Einsatzhärten wird normalerweise durchgeführt, nachdem das Teil in seine endgültige Form gebracht wurde.

Das Härten ist für Metallteile, die einem Gleitkontakt mit harten oder abrasiven Materialien ausgesetzt sind, wünschenswert, da das gehärtete Metall widerstandsfähiger gegen Oberflächenverschleiß ist. Da gehärtetes Metall jedoch in der Regel spröder ist als weicheres Metall, ist das Durchhärten (d. h. das gleichmäßige Härten des Metalls im gesamten Teil) nicht immer eine geeignete Wahl. Unter solchen Umständen kann das Einsatzhärten ein Bauteil erzeugen, das nicht bricht (wegen des weichen Kerns, der Spannungen aufnehmen kann, ohne zu brechen), aber auch eine ausreichende Verschleißfestigkeit an der gehärteten Oberfläche bietet.

Chemischer Prozess

Der Kohlenstoff selbst ist bei Einsatzhärtungstemperaturen fest und somit unbeweglich. Der Transport an die Stahloberfläche erfolgt als gasförmiges Kohlenmonoxid, das durch den Abbau der Aufkohlungsverbindung und den in der geschlossenen Umgebung eingeschlossenen Sauerstoff entsteht. Dies geschieht mit reinem Kohlenstoff, aber zu langsam, um verarbeitbar zu sein. Obwohl Sauerstoff für diesen Prozess benötigt wird, wird er durch den CO-Kreislauf zurückgeführt und kann daher in einer abgedichteten Umgebung durchgeführt werden. Die Versiegelung ist notwendig, um zu verhindern, dass das CO entweder ausläuft oder durch überschüssige Außenluft zu CO2 oxidiert wird.

Sowohl Kohlenstoffstähle als auch legierte Stähle sind für das Einsatzhärten geeignet; typischerweise werden Weichstähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, üblicherweise weniger als 0,3 %, verwendet. Diese unlegierten Stähle sind normalerweise aufgrund der geringen Menge an Kohlenstoff nicht härtbar, daher wird die Oberfläche des Stahls chemisch verändert, um die Härtbarkeit zu erhöhen. Einsatzstahl entsteht durch Eindiffundieren von Kohlenstoff (Aufkohlung), Stickstoff (Nitrierung) und/oder Bor (Borierung) in die äußere Schicht des Stahls bei hoher Temperatur und anschließender Wärmebehandlung der Oberflächenschicht auf die gewünschte Härte.

Der Begriff Einsatzhärtung leitet sich aus den praktischen Gegebenheiten des Aufkohlungsprozesses ab, der im Wesentlichen dem alten Verfahren entspricht. Das Stahlwerkstück wird mit einem Kohlenstoff-abgebendem Medium umgeben – dies wird allgemein als Aufkohlung bezeichnet. Das Werkstück wird für eine variable Zeitspanne in einen heißen Ofen gelegt. Zeit und Temperatur bestimmen, wie tief die Härtung in die Oberfläche reicht. Die Tiefe der Härtung ist jedoch letztendlich durch die Unfähigkeit des Kohlenstoffs begrenzt, tief in den massiven Stahl zu diffundieren. Eine typische Tiefe der Oberflächenhärtung mit dieser Methode beträgt bis zu 1,5 mm. Beim modernen Aufkohlen werden auch andere Techniken verwendet, wie z. B. das Erhitzen in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre. Kleine Teile können durch wiederholtes Erhitzen mit einem Brenner und Abschrecken in einem kohlenstoffreichen Medium einsatzgehärtet werden.

Verschiedene Prozesse des Oberflächenhärtens

Flamm- oder Induktionshärten

Flamm- oder Induktionshärten sind Verfahren, bei denen die Stahloberfläche sehr schnell auf hohe Temperaturen erhitzt (durch direkte Anwendung einer Sauerstoff-Gasflamme oder durch Induktionserwärmung) und dann schnell wieder abgekühlt wird, im Allgemeinen unter Verwendung von Wasser. Für diese Art der Härtung ist ein Kohlenstoffgehalt von 0,3-0,6 Gew.-% C erforderlich.

Typische Anwendungen sind der Bügel eines Schlosses, bei dem die äußere Schicht gehärtet wird, um feuerfest zu sein, und mechanische Zahnräder, bei denen harte Zahnrad-Eingriffsflächen benötigt werden, um eine lange Lebensdauer zu erhalten, während die Zähigkeit erforderlich ist, um die Haltbarkeit und Beständigkeit gegen Bruch zu gewährleisten.

Nitrieren

Beim Nitrieren wird das Stahlteil in einer Atmosphäre aus Ammoniakgas und dissoziiertem Ammoniak auf 482 – 621 °C erhitzt. Die Zeit, die das Teil in dieser Umgebung verbringt, bestimmt die Tiefe der Härtung. Die Härte wird durch die Bildung von Nitriden erreicht. Damit dieses Verfahren funktioniert, müssen nitridbildende Elemente vorhanden sein. Zu diesen Elementen gehören Chrom, Molybdän und Aluminium. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es wenig Verzug verursacht. Nach dem Nitrieren wird kein Abschrecken durchgeführt.

Cyanisieren

Cyanisieren ist ein schnelles und effizientes Einsatzhärtungsverfahren. Es wird hauptsächlich bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt eingesetzt. Das zu härtende Teil wird in einem Natriumcyanidbad auf 871 – 954 °C erhitzt, dann abgeschreckt und in Wasser oder Öl gespült, um alle Cyanidreste zu entfernen.

Dieses Verfahren erzeugt eine dünne, harte Randschicht (zwischen 0,25 und 0,75 mm), die härter ist als die durch Aufkohlen erzeugte, und kann in 20 bis 30 Minuten abgeschlossen werden, so dass die Teile weniger Gelegenheit haben, sich zu verziehen. Es wird typischerweise bei kleinen Teilen wie Bolzen, Muttern, Schrauben und kleinen Zahnrädern eingesetzt. Der größte Nachteil des Zyanidierens ist, dass Zyanidsalze giftig sind. Entsprechender Arbeitsschutz ist also unbedingt notwendig.

Carbonitrieren

Das Carbonitrieren ähnelt dem Cyanisieren, mit dem Unterschied, dass anstelle von Cyanid eine gasförmige Atmosphäre aus Ammoniak und Kohlenwasserstoffen verwendet wird. Wenn das Teil abgeschreckt werden soll, wird es auf 775 – 885 °C erhitzt; wenn nicht, dann liegt die Einsatztemperatur bei 649 – 788 °C.

Nitrocarburieren

Beim (ferritischen) Nitrocarburieren diffundiert hauptsächlich Stickstoff und etwas Kohlenstoff in die Randschicht eines Werkstücks unterhalb der kritischen Temperatur von ca. 650 °C. Unterhalb der kritischen Temperatur wandelt sich das Gefüge des Werkstücks nicht in eine austenitische Phase um, sondern bleibt in der ferritischen Phase, weshalb das Verfahren auch als ferritisches Nitrocarburieren bezeichnet wird.

Generelle Anwendungen des Oberflächenhärtens

Teile, die hohen Drücken und scharfen Stößen ausgesetzt sind, werden nach wie vor üblicherweise einsatzgehärtet. Beispiele hierfür sind Schlagbolzen und Gewehrbolzenflächen oder Nockenwellen von Motoren. In diesen Fällen können die Oberflächen, die die Härte benötigen, selektiv gehärtet werden, während der Großteil des Teils in seinem ursprünglichen, zähen Zustand belassen wird.

Eine weitere häufige Anwendung des Einsatzhärtens betrifft Schrauben, insbesondere selbstbohrende Schrauben. Damit die Schrauben in andere Werkstoffe wie Stahl schneiden können, müssen die Bohrerspitze und die sich bildenden Gewinde härter sein als das Material bzw. die Materialien, in die gebohrt wird. Wenn jedoch die gesamte Schraube gleichmäßig hart ist, wird sie sehr spröde und bricht leicht. Dies wird überwunden, indem man dafür sorgt, dass nur die Oberfläche gehärtet wird und der Kern relativ weich und damit weniger spröde bleibt. Bei Schrauben und Verbindungselementen wird die Einsatzhärtung durch eine einfache Wärmebehandlung erreicht, die aus Erhitzen und anschließendem Abschrecken besteht.