Härten von Stahl

Das Härten von Stahl ist ein Teilbereich der Wärmebehandlung.

Es besteht aus einem Erwärmen bis zu einer werkstoffabhängigen Temperatur, dem Aufrechterhalten der Temperatur der Werkstücke und anschließendem raschen Abkühlen (Abschrecken) unter Beachtung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit.

Als Abschreckmedien dienen unter anderem Wasser, Öl, Salzbad, Luft oder Gase, z.B. Stickstoff (N2) oder, beim Härten im Vakuum, Argon (Ar). Gänzlich ohne Abschreckmedien funktioniert das Laserstrahlhärten. Hierbei wird jeweils nur ein kleiner Bereich einer dünnen Oberflächenschicht erhitzt und die Abkühlung erfolgt durch die Abfuhr der Wärme in das Werkstück.

Hintergründe

Basis der Wärmebehandlung ist das Phasendiagramm für Stahl. Es zeigt grafisch an, welche Temperaturen bis zur Erwärmung im so genannten Austenitgebiet erforderlich sind. Diese liegen oberhalb einer charakteristischen Linie im Phasendiagramm, dessen Temperaturwerte als Umwandlungspunkte A3 bzw. A1 gekennzeichnet sind. Sie liegen bei 723 °C oder höher.

Je nach Legierung des Stahles bzw. dem Anteil an Legierungselementen im Stahl muss die kritische Abkühlgeschwindigkeit berücksichtigt werden, bei Überschreiten besteht Gefahr von Rissbildung.

Anlassen des gehärteten Stahls

Beim Abschrecken bildet sich eine Außenschicht von Martensit, während sich in der Mitte des Werkstückes (Kern) das Gefüge noch im Zustand des Austenits befindet. Die Umwandlung des Kern-Austenits erfolgt verzögert und wird von einer Volumenvergrösserung begleitet. Dies führt zu beträchtlichen Spannungen im Werkstück. Verzug und Risse können die Folge sein.

In einem zweiten Schritt, dem so genannten Anlassen, können diese Spannungen abgebaut und die gewünschten Gebrauchseigenschaften (Härte, Zugfestigkeit und Zähigkeit) des Stahls eingestellt werden. Dabei wird der Stahl, je nach Legierungsanteilen und gewünschten Eigenschaften, nochmals erwärmt. Der kombinierte Vorgang des Härtens und des Anlassens nennt man Vergüten. Beim nur Härten spricht man in der Regel nicht vom Anlassen sondern vom Entspannen, was bei Temperaturen von ca. 200-300°C durchgeführt wird.

Definition nach DIN 17014

Abkühlen von einer Temperatur oberhalb der Umwandlungspunkte A3 bzw. A1 mit solcher Geschwindigkeit, dass oberflächlich oder durchgreifend eine erhebliche Härtesteigerung, in der Regel durch Martensitbildung, eintritt. Das Erwärmen muss auf eine Temperatur über die Umwandlungspunkte Ac1 oder Ac3 und das Abkühlen von einer Temperatur oberhalb der Umwandlungspunkte Ar3 oder Ar1 vorgenommen werden.