Wärmebehandlung ist das kontrollierte Erwärmen und Abkühlen eines Werkstoffs – meist Metall –, um seine physikalischen oder mechanischen Eigenschaften zu verändern, ohne seine Form wesentlich zu ändern. So kann dieselbe Grundlegierung im einen Teil hart und verschleißfest und im anderen weich und duktil enden, je nachdem, wie sie erwärmt und abgekühlt wird.
Der dreistufige Prozess
Jeder Wärmebehandlungsprozess folgt derselben Grundfolge:
- Erwärmen – den Werkstoff auf eine Zieltemperatur bringen.
- Halten – ihn lange genug auf dieser Temperatur halten, damit sich das innere Gefüge gleichmäßig durch das ganze Teil umwandelt.
- Abkühlen – die Temperatur mit kontrollierter Geschwindigkeit wieder senken. Diese Geschwindigkeit bestimmt tatsächlich das Endergebnis: Schnelles Abkühlen (Abschrecken) fixiert Härte; langsames Abkühlen (Ofenabkühlung) lässt das Gefüge entspannen und weich werden.
Wichtige Wärmebehandlungsverfahren
| Verfahren | Zweck | Methode |
|---|---|---|
| Glühen | Werkstoff erweichen, Duktilität/Zerspanbarkeit verbessern | Über die kritische Temperatur erhitzen, dann sehr langsam im Ofen abkühlen |
| Normalglühen | Kornstruktur verfeinern, Gleichmäßigkeit der Festigkeit verbessern | Etwas höher als die Glühtemperatur erhitzen, an freier Luft abkühlen |
| Abschrecken / Härten | Härte und Verschleißfestigkeit maximieren | Erhitzen, dann schnell abkühlen (Wasser, Öl oder Druckluft) |
| Anlassen | Sprödigkeit nach dem Abschrecken verringern und dabei nutzbare Härte behalten | Nach dem Abschrecken bei niedrigerer Temperatur erneut erwärmen, dann an der Luft abkühlen, um innere Spannungen abzubauen |
| Einsatzhärten (Aufkohlen/Nitrieren) | Harte Oberfläche, zäher Kern | Kohlenstoff oder Stickstoff in die Oberfläche eines weichen Stahls diffundieren lassen, um eine gehärtete Außenschicht zu bilden |
Warum es wichtig ist
Dieselbe Legierung kann auf unterschiedliche Weise wärmebehandelt werden, um völlig verschiedenen Aufgaben zu genügen. Eine Messerklinge braucht Vergüten (Härten und Anlassen), um die Schneide zu halten, ohne auszubrechen; ein Karosserieblech muss zuerst geglüht und erweicht werden, damit es ohne Rissbildung tiefgezogen werden kann. Die Wärmebehandlung ist der Schritt, der entscheidet, welches dieser beiden Ergebnisse ein bestimmtes Stahlteil erhält.
Nitrierter Kohlenstoffstahl: ein Beispiel für Einsatzhärten
Nitrieren ist ein spezielles Einsatzhärteverfahren – ein Zweig der Zeile „Einsatzhärten“ in der obigen Tabelle, keine eigene Kategorie außerhalb des Wärmebehandlungsrahmens. Das Verfahren: Kohlenstoffstahl wird in stickstoffreicher Umgebung (Ammoniakgas oder Plasma) erhitzt, und Stickstoffatome diffundieren in die Stahloberfläche und bilden eine harte Nitridschicht, während der Kern zäh und duktil bleibt.
Wirkungen:
- Höhere Oberflächenhärte (bessere Kratz- und Verschleißfestigkeit)
- Verbesserte Dauerfestigkeit
- Bessere Verschleißfestigkeit
- Relativ gute Maßhaltigkeit – anders als Abschrecken braucht Nitrieren keine schnelle Abkühlung, daher ist das Verzugsrisiko geringer
Einschränkungen:
- Einfacher Kohlenstoffstahl profitiert nur begrenzt vom Nitrieren – die besten Ergebnisse erfordern meist Stahl, der bereits nitridbildende Elemente wie Chrom, Aluminium, Molybdän oder Vanadium enthält
- Die gehärtete Schicht ist relativ flach – es ist ein Oberflächenverfahren, kein Durchhärteverfahren
Typische Anwendungen: Zahnräder, Wellen, Kurbelwellen, Nockenwellen, Matrizen und Spritzgusskomponenten – Teile, die wiederholter Oberflächenreibung oder zyklischer Belastung ausgesetzt sind.
Ein verwandter Begriff: Nitrocarburieren diffundiert gleichzeitig Stickstoff und Kohlenstoff und ist ein eigenes Verfahren gegenüber dem reinen Nitrieren – man sollte wissen, dass beide Begriffe nicht austauschbar sind.
Weitere Artikel: Was ist Kohlenstoffstahl?
