Edelstahl härten

Wie kann man Edelstahl härten ?

Edelstahl kann man einteilen in legierte und unlegierte Stähle. Kennzeichnend für einen Edelstahl sind der sehr niedrige Anteil von Schwefel und Phosphor (weniger als 0,025%) sowie das Fehlen von Aluminium und Silizium, die in einem besonderen Verfahren aus der Schmelze ausgeschieden werden. Zu den Edelstählen zählen auch hochlegierte Werkzeugstähle. Wichtige Bestandteile eines Edelstahls sind Chrom, Nickel, Molybdän, Titan und Niob. Je nach Einsatzgebiet ist es erforderlich, den Edelstahl in einem Härteverfahren zu härten.

Härten bedeutet, dass man mittels einer Wärmebehandlung eine Änderung bzw. Umwandlung des Gefüges erreicht. Ziel des Härtens ist die Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Werkstoffs. Der Vorgang, um eine hohe Härte zu erhalten, umfasst folgende Schritte: das Erwärmen auf eine bestimmte Temperatur, das Halten der Temperatur, das Abschrecken mit bestimmten Abschreckmitteln und das nachfolgende Anlassen mit einer niedrigeren Temperatur. Bevor man jedoch das Verfahren Härten anwendet, müssen folgende Punkte beachtet werden: der zu härtende Edelstahl muss über einen Mindestkohlenstoffanteil von 0,3% verfügen, die richtige Temperatur sowie eine komplette Durchwärmung, das sofortige Abschrecken mit dem richtigen Abschreckmittel, die Abkühlungsgeschwindigkeit.

Bei C-armen Stählen, welche nur wenig Härte annehmen würden, werden diese zunächst im sog. Einsatzhärteverfahren mit Einsatzmitteln aufgekohlt. Dadurch erhält man eine kohlenstoffreiche und somit härtbare Randzone. Der später enthaltene Kohlenstoffgehalt ist u.a. abhängig vom Einsatzmittel, der Temperatur als auch der Glühzeit. Man unterscheidet zwischen folgenden Verfahren: Pulveraufkohlung, Salzbadaufkohlung und Gasaufkohlung. Mit diesen Verfahren wird ein Kohlenstoffgehalt in der Randzone von 0,65 bis 0,8% angestrebt.

Beim Härten wird das zu behandelnde Werkstück so weit erwärmt, dass sich der Ferrit in Austenit umwandelt. Dies ist notwendig, da im Austenit wesentlich mehr Kohlenstoff gelöst werden kann. Hierbei löst sich der Zementit auf, dessen Kohlenstoff an das Austenit abgegeben wird. Durch das nachfolgende Abschrecken wird verhindert, dass sich der Austenit wieder in Ferrit und Zementit umwandelt. Vor dem Härten weist der Werkstoff ein kubisch-raumzentrieres Eisengitter auf. Nach dem Abschrecken wird ein tetragonal-verzerrtes Eisengitter erreicht, in dem der Kohlenstoff eingelagert ist. Dieses Eisengitter wird auch als Martensit bezeichnet. Die Bildung des Martensit ist abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit. Als Richtlinie gilt, je größer die Temperaturdifferenz zwischen Durchwärmung und Abkühlung, desto mehr Martensit bildet sich. Dieser Vorgang wird auch als Abschreckhärten bezeichnet. Siehe hierzu auch das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, welches man in Tabellen für Metalle findet.

Die Temperatur, welche für das Härten benötigt wird, liegt zwischen 723 °C und 1030 °C. Richttemperaturwerte findet man in Tabellen über die Wärmebehandlung von Stahl. Diese sind abhängig von den Legierungsbestandteilen, welche im Edelstahl vorhanden sind. Beim Erwärmen des Werkstücks ist darauf zu achten, dass dieses gleichmäßig durchwärmt ist und dass diese Temperatur über einen bestimmten Zeitraum gehalten wird, so dass der vorher genannte Umbau von Ferrit in Austenit vonstatten gehen kann. Wenn diese Punkte erfüllt sind, wird das Werkstück umgehend abgeschreckt.

Beim Härten werden verschiedene Abschreckmittel verwendet wie z.B. Wasser, Öle, Metall- oder Salzschmelzen, Luft oder Gase, usw. Die Höhe der Härte ist abhängig davon, wie schnell das Abschreckmittel die Wärme aus dem Werkstoff abführt, wobei Wasser die schnellste Reaktion hervorruft. Verstärken kann man diesen Effekt, in dem das zu abschreckende Werkstück im Abschreckmittel bewegt wird.

Da beim Abschrecken hohe Temperaturunterschiede auftreten, können Härteverzug sowie Härterisse auftreten. Dies passiert, da sich die Oberfläche zusammenzieht, während der Kern noch eine hohe Temperatur aufweist. Durch die weitere Abkühlung will sich der Kern des Werkstücks zusammenziehen, wird aber vom Rand behindert, der bereits erstarrt ist. Deshalb können Zugrisse an der Oberfläche sowie Schalenrisse unter der Oberfläche entstehen. Vermieden werden kann dies durch eine Einteilung des Abschreckens in zwei Intervalle, um den Temperatursprung von Abschreck- auf Raumtemperatur zu vermindern.

Bei diesem Punkt ist das Härten jedoch noch nicht beendet. Gehärtete Werkstücke sind nach dem Abschrecken sehr spröde (sog. Glashärte). Des Weiteren treten Spannungen im Werkstück auf, die die Eigenschaften des Edelstahls beeinflussen können. Aufgrund dessen wird direkt nach dem Härten das sog. Anlassen durchgeführt. Beim Anlassen sind folgende Punkte zu beachten: die Anlasstemperatur, die Haltezeit und die anschließende Abkühlung. Des Weiteren ist die Art des Anlassens davon abhängig, welcher Werkstoff verwendet wird sowie von dessen späterem Verwendungszweck.

Die Anlasstemperatur liegt in der Praxis zwischen 300 °C und 550 °C. Die Anlasstemperaturen sind anhand der sog. Anlassfarben feststellbar, welche man in Tabellen für Metalle findet. Die Anlassdauer (Haltezeit der Temperatur) ist abhängig vom Werkstoff und Verwendungszweck. Richtwerte findet man in den vorher genannten Tabellen. Wurde das Werkstück ausreichend erwärmt, erfolgt wiederum eine Abschreckung mit den oben genannten Abschreckverfahren und –mitteln.