- Behandlungsverfahren -

Härten

Unter Härten versteht man eine Wärmebehandlung bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in der Regel in Martensit erfolgt. Das Autenitisieren ist der Behandlungsschritt, in dem das Werkstück auf Austenitisierungstemperatur gebracht wird und durch vollständige Phasenumwandlung und Carbisauflösung die Matrix des Stahls austentisch wird. Nach dem Austenitisieren erfolgt das Abkühlen. Damit das gesamte Werkstück ein martensitisches Gefüge annimmt, muss die Geschwindigkeit des Temperatursturzes größer sein als die kritische Abkühlgeschwindigkeit des jeweiligen Stahls. Das Abkühlen kann in verschiedenen Medien erfolgen, die sich charakteristisch durch ihre Abkühlwirkung in den verschiedenen Temperaturbereichen unterscheiden. Nach dem Härten besteht das Gefüge sogenannter übereutekoider Stähle üblicherweise aus Martensit + Restaustenit + Carbid. Dem Anteil dieser Phasen ist Z. B. bei der Wärmebehandlung von Werkzeugstählen große Bedeutung beizumessen, da Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit vom Gefügezustand nach dem Härten beeinflusst werden.

Geeignete Wekstoffe

Im Prinzip ist jeder Stahl mehr oder weniger gut härtbar. Die Härtbarkeit ist aber entscheidend von der chemischen Zusammensetzung des Stahls abhängig. Unter Härtbarkeit versteht man die Fähigkeit eines Stahls, in der oberflächennahen Zone mehr oder weniger tiefgreifend eine Härte anzunehmen. Der Begriff "Härtbarkeit" beinhaltet die Höhe sowie die Verteilung der Härtezunahme im Werkstück (Einhärtbarkeit).

Zweck dieser Wärmebehandlung

Das Härten wird angewendet, um Bauteile und Werkzeuge eine ausreichende Härte und Festigkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen - z. B. statischer oder dynamischer Verformung durch Zug, Druck, Biegung, Verschleiß - zu verleihen.

Kundenangaben zur Wärmebehandlung

Auf jeden Fall anzugeben sind:

• Werkstoff

• gewünschte Härte mit Toleranzbereich

• bei Anlieferung bereits erfolgt Bearbeitung des Werkstückes

• ggf. Prüfpunkte und Prüfverfahren

Ob die gewünschte Härte mit dem angelieferten Werkstoff überhaupt realisierbar ist, muss vorher überprüft werden. Außerdem sollte geklärt werden, ob nur das Härten wie hier beschrieben oder (wie allgemein üblich) Härten und Anlassen gewünscht wird (4 siehe Anlassen).

Quelle: www.iht.wsm-net.de

Carbonitrieren

Das Carbonitrieren zählt zu den thermochemischen Verfahren. Im Rahmen dieses Verfahrens wird die Randschicht von Bauteilen mit Kohlen- und Stickstoff angereichert und die mechanischen Eigenschaften der Bauteilrandschicht (z. B. Verschleiß) verbessert. Es nimmt praktisch die Mittelstellung zwischen Einsatzhärten und Nitrieren ein. Die Carbonitriertemperaturen sind niedriger als die bei der Einsatzhärtung, jedoch höher als die Nitriertemperaturen. Die Temperaturen bei der Carbonitierhärtung im Gas liegen im allgemeinen zwischen 760°C und 900°C. Während bein Einsatzhärten Kohlenstoff und bein Nitrieren Stickstoff in die Stahloberfläche eindringt, beruht die Wirkung der Carbonitrierung auf Kohlenstoff- und gleichzeitig Stickstoffdiffusion. Durch Anreicherung von Stickstoff wird die Härtetemperatur und die kritische Abkühötemperatur herabgesetzt, so dass milder abgeschreckt werden kann. Beide Faktoren verringern das Risiko des Verzugs. Mit einer anschließenden Anlassbehandlung wird die gewünschte Oberflächenhärte eingestellt. Durch geeignete Isoliertechniken ist es möglich, partielle Bereiche vor dem Aufkohlen zu schützen.

Geeignete Werkstoffe

Für das Carbonitrieren eignen sich unlegierte und niedrig legierte Einsatzstähle sowie Automaten- und Baustähle. Dies sind im allgemeinen Stähle mit einem Kohlenstoffmassenanteil von rund 0,1 % bis 0,3 %.

Zweck dieser Wärmebehandlung

Das Carbonitrieren dient dazu, der Randschicht von Werkstücken und Werkzeugen aus Stahl eine wesentlich höhere Härte und den Werkstücken und Werkezeugen bessere mechanische Eigenschaften zu verleihen. Durch das Carbonitrieren entsteht ein erhöhter Verschleißwiderstand.

Kundenangaben zur Wärmebehandlung

Zur Durchführung des Carbonitrierens benötigt der Wärmebehandler folgende Angaben:

• Werkstoffbezeichnung

• Einsatzhärtetiefe mit Toleranzbereich

• Sollwerte Randhärte mit Toleranzbereich

• ggf. Isoliervorschrift (z. B. Werkstückbezeichnung mit Angaben der Stellen, die nicht aufgekohlt werden sollen)

• ggf. festgelegte Prüfpunkte

Quelle: www.iht.wsm-net.de

Vergüten

Das Vergüten wird den thermischen Wärmebehandlungsverfahren zugeordnet. Es handelt sich hierbei um ein kombiniertes Wärmebehandlungsverfahren von Härten mit einem nachfolgenden Anlassen.

Härten ist ein Wärmebehandlungsverfahren, dass aus Austenitisieren und schnellem Abkühlen besteht. Dabei erfolgt eine Härtezunahme durch eine mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in Martensit und gegebenfalls in Bainit. Ergänzende Informationen über das Härten können Sie beim 4 Härten entnehmen.

Beim Anlassen handelt es sich um ein- oder mehrmaliges Erwärmen eines gehärteten Werkstücks zur Erzielung vorgegebener mechanischer Eigenschaften. Ergänzende Informationen über das Anlassen kännen Sie beim 4 Anlassenentnehmen.

Geeignete Werkstoffe

Alle härtbaren Stähle.

Zweck dieser Wärmebehandlung

• hohe Standfestigkeit

• hohe Dauerschwingfestigkeit

• gute Zug- und Kerbschlagzähigkeit

• gute Biegwechselfestigkeit

• ideale Voraussetzung für spätere thermochemische Wärmebehandlung

Erforderliche Prüfungen

Im Rahmen der Vergütung sind folgende Prüfungen Wunsch:

• Härteprüfung und auf besonderen Wunsch

• Zugfestigkeitsprüfung

• Ermittlung der Kerbschlagfähigkeit

• Dauerschwing- und Biegewechselfähigkeit

Kundenangaben zur Wärmebehandlung

Zur Durchführung des Vergütens benötigen wir folgende Angaben:

• Werkstoffbezeichnung

• Angabe zur Härteprüfstelle

• Angabe zur Probeentnahme für Zug- und Kerbschlagversuche

• Angabe zu den mechanischen Eigenschaften

• Härteangaben mit Toleranzbereich

Quelle: www.iht.wsm-net.de

Nitrocarburieren

Nitrocarburieren ist eine thermochemische Behandlung eines Stahls in Stickstoff- und Kohlenstoffabgebender Umgebung zur Erzeugung einer harten und verschleißbeständigen Randschicht. Beim Nitrocarburieren werden die Werkstücke in Stickstoff- und Kohlenstoffabgebender Umgebung auf Temperaturen zwischen 500°C und 590°C erwärmt und je nach Verfahren, wenige Minuten bis etwa 5 h gehalten.
Die zu erreichende Randhärte ist Werkstoffabhängig.

Im Vergleich zum Nitrieren gelangt beim Nitrocarburieren zusätzlich Kohlenstoff in die Randschicht des Werkstückes. Die Diffusion des Kohlenstoffes beschränkt sich auf die (äußere) Verbindungsschicht. Die (innere) Diffusionsschicht nimmt damit nur Stickstoff auf. Die Schichten bauen sich beim Nitrocarburieren in kurzer Zeit auf und besitzen teilweise bessere Eigenschaften wie die Einsatzhärteschicht.
Die Randschichthärte, die nur im µm Bereich besteht, wird nicht durch Martensitbildung, sondern durch die Bildung harter Nitride, bzw. Carbonitrit erzeugt. Um eine hohe Randhärte zu erzeugen, werden die Bauteile, wenn es der Werkstoff zulässt, vorher vergütet.

Geeignete Werkstoffe

Das Nitrocarburieren wird in der Regel nur für legierte Stähle (Nitrierstähle) angewandt, da sich bei unlegierten Stählen eine spröde, zum Abplatzen neigende Nitrierschicht bildet.

Die Nitrierstähle sind legierte Stähle mit Kohlenstoffanteil zwischen 0,3 und 0,4 Masse - %, ähnlich den Vergütungsstählen, aber im Hinblick auf die angestrebten spezifischen Eigenschaften mit speziellen metallischen Elementen legiert. Damit können ähnliche Werkstoffzustände, wie nach dem Einsatzhärten erreicht werden.

Zweck der Wärmebehandlunge

Beim Nitrocarburieren wird eine Verbindungsschicht aufgebaut, die das Verschleiß-, Korrisionsv- und Festigkeitsverfahren des Werkstückes verbessert.

Kundenangaben zur Wärmebehandlung

• Werkstoffbezeichnung und Zustand (z. B. vergütet)

• Verbindungsschichtdicke in µm

• ggf. Randhärte mit Toleranzangabe (ist Werkstoffabhängig))

• ggf. Isoliervorschrift (z. B. Werkstückbezeichnung mit Angaben der Stellen, die nicht nitriert werden sollen)

• ggf. festgelegte Prüfpunkte

Quelle: www.iht.wsm-net.de

Nitrieren

Nitrieren ist eine thermochemische Behandlung ( DIN EN 10052) eines Stahls in stickstoffabgebender Umgebung zur Erzeugung einer harten, verschleißbeständigen Randschicht. Beim Nitrieren werden die Werkstücke in Stickstoffabgebender Umgebung, je nach Verfahren, auf Temperaturen zwischen 500°C und 550°C erwärmt und wenige Minuten bis zu 100 h auf Temperatur gehalten. Anschließend wird langsam, bei unlegierten Stählen auch schnell abgekühlt.

Die zu erreichende Randhärte ist Werkstoffabhängig.

Die Nitrierhärtetiefe ist abhängig von der Kernhärte.

Die Nitrierhärtetiefe hängt neben der Nitriertemperatur im wesentlichen von der Zusammensetzung des Werkstoffes und der Behandlungsdauer ab.

Die Nitrierhärtetiefe ist abhängig von der Kernhärte.

Geeignete Werkstoffe

Das Gasnitrieren wird in der Regel nur für legierte Stähle (Nitrierstähle) angewandt, da sich bei unlegierten Stählen eine spröde, zum Abplatzen neigende Nitrierschicht bildet.

Die Nitrierstähle sind legierte Stähle mit Kohlenstoffanteil zwischen 0,3 und 0,4 Masse - %, ähnlich den Vergütungsstählen, aber im Hinblick auf die angestrebten spezifischen Eigenschaften mit speziellen metallischen Elementen legiert. Damit können ähnliche Werkstoffzustände, wie nach dem Einsatzhärten erreicht werden.

Zweck der Wärmebehandlunge

Mit dem Nitrieren wird bezweckt, bei Werkstücken und Werkzeugen aus Eisenwerkstoffen das Verschleiß- Korrosions- und Festigkeitsverfahren zu verbessern.

Wegen der relativ geringen Dicke der Nitrierschicht können Maß und Formänderungen nicht durch ein nachträgliches Schleifen beseitigt werden. Andererseits sind die durch die Stickstoffaufnahme in der Randschicht verursachten Maß- und Formveränderungen relativ gering. Es ist deshalb besonders wichtig, dafür zu sorgen, dass die zu behandelten Werkstücke thermisch stabil und frei von Eigenspannungen sind. Gegebenenfalls ist vorher ein Spannungsarmglühen durchzuführen. Der Betrag der Maß- und Formveränderung sollte vor dem Nitrieren eingeplant und vorgehalten werden.

Kundenangaben zur Wärmebehandlung

• Werkstoffbezeichnung und Zustand ( z. B. vergütet)

• Sollwerte Randbereich mit Toleranzangabe (ist Werkstoffabhängig)

• Nitrierhärtetiefe mit Toleranzbereich

• Verbindungsschicht

• ggf. Isoliervorschrift (Bereiche die nicht nitriert werden sollen)

• ggf. festgelegte Prüfpunkte

Spannungsarmglühen

Die Wärmebehandlung Spannungsarmglühen, besteht aus dem
Erwärmen und Halten bei ausreichend hoher Temperatur (bei Einsatzstählen ca. 620°C) und dem anschließenden, zweckentsprechendem Abkühlen, um innere Spannungen ohne wesentliche Änderung des Gefüges weitgehend abzubauen.

Eigenspannungen entstehen z. B. durch die Zerspanung. Die dadurch eintretenden Maß- und Formänderungen können durch eine nachfolgende spannende Bearbeitung beseitigt werden, wofür ein ausreichendes Aufmass vorzusehen ist.

Durch ein Spannungsarmglühen nach der Vorfertigung können spätere Maß- und Formveränderungen beim Nitrieren und Nitrocarburieren sowie zum Teil beim Einsatzhärten minimiert werden.

Anlassen

Das Anlassen schließt sich unmittelbar dem Härten an. Erst die Kombination Härten + Anlassen (4 Anlassen) erzeugt das Vergütungsgefüge mit den optimierten mechanischen Eigenschaften für den jeweiligen Einsatzfall.

Das Anlassen gehört wie das Härten zu den thermischen Verfahren, die das gesamte Bauteil, d. h. von der Randzone bis in die Kernbereiche, in ihren mechanischen Eigenschaften beeinflussen.

Im gehärteten Zustand weist das Bauteil, je nach Stahlzusammensetzung, eine sehr hohe Härte auf, ist aber gleichzeitig sehr spröde und kann im gehärteten Zustand nicht eingesetzt werden. Dabei gilt die Faustformel, dass mit steigender Härte die Zähigkeit sinkt.

Das Anlassen verfolgt den Zweck, die Härte eines gehärteten Bauteils so weit zu verringern, dass die geforderten Zähigkeitswerte erreicht werden. Der gleichzeitig auftretende Härteverlust wird in Kauf genommen. Welcher Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit eingestellt werden muss, entscheidet der Konstrukteur, denn nur er kennt den Verwendungszweck und die Belastung des Bauteils. Legt man ein Kriterium fest, z. B. die Anlasshärte, ist die Zähigkeit auch festgelegt. Es ist nicht möglich, beide Eigenschaften unabhängig voneinander einzustellen.

Bei manchen Stählen, z. B. Warmarbeitsstähle, Schnellarbeitsstähle, sind mehrfache Anlaßbehandlungen (bis zu 4 mal) notwendig, um optimale mechanische Eigenschaften zu erhalten. Die Dauer der Anlaßbehandlung richtet sich nach Bauteilquerschnitten und der Chargengröße, die minimale Haltezeit nach vollständiger Durchwärmung der Werkstücke ist 1 Stunde. Das Anlassen kann in Schutzgasanlagen, Vakuumanlagen, Salzbädern oder in Anlagen mit Luft (z. B. Induktionsanlage) durchgeführt werden. Die Wahl der Atmospähre beeinflusst die Oberfläche der Bauteile.

Geeignete Werkstoffe

Es werden alle Werkstoffe angelassen, die härtbar sind. Die Anlasstemperatur ist abhängig von der Stahlzusammensetzung und der gewünschten Endhärte. Die Stahlhersteller geben zu den verschiedenen Stählen sogenannte Anlassschaubilder heraus. Hier kann man den Härteverlauf in Abhängigkeit von Anlasstemperatur ablesen.

Zweck der Wärmebehandlunge

Eine Anlassbehandlung verbessert die Zähigkeit eines gehärteten Bauteils und sollte daher nach jeder Härtung durchgeführt werden.

Kundenangaben zur Wärmebehandlung

Zur Auswahl der richtigen Anlasstemperatur benötigt der Wärmebehandler entweder die direkte Angabe der Temperatur (eher unüblich) oder die Sollhärte. Es ist darauf zu achten, dass die Anlasstemperaturen selbst bei gleicher Stahlqualität nicht immer gleich hoch sind. Die Bauteilabmessung und die aktuelle Chargenzusammensetzung können sich ändern. Hierauf muss sich der Lohnhärter jeweils individuell einstellen.

Zur Durchführung des Anlassens sind folgende Angaben erforderlich:

• Werkstoff

• Sollhärte

• Prüfstelle

Quelle: www.iht.wsm-net.de

Schwärzen nach dem Black Rapid Verfahren

Um dekorative und korrosionsbeständige Deckschichten zu erzeugen, kommen heute aufwendige maßchemische Prozesse wie z. B. Brünieren oder Phosphatieren im Anschluß an die Wärmebehandlung zum Einsatz. All diese Verfahren arbeiten mit Säuren, Laugen, hochkonzentrierten Salzlösungen und Wachwässern, die erhebliche Mengen an Sonderabfällen und Emissionen verursachen.

Messer Griesheim bietet Härtereien in Lizenz das patentierte BlackRapid- Verfahren an, bei dem eine guthaftende und korrosionsbeständige Schutzschicht allein durch kontrollierte Oxidation entsteht. Dieses Verfahren schont die Umwelt.

Eigenschaften der Oxidation

Die Wärmebehandlung und die Oxidation der Metallteile laufen z. B. im Mehrzweckkammerofen in separaten, getrennt steuerbaren Verfahrensschritten, im gemeinsamen Behandlungsraum ab. Da sich Wärmebehandlung und Oxidation nicht gegenseitig beeinflussen, ist die Verfahrensführung jederzeit reproduzierbar.

Die Prozessführung erfolgt unter isothermen Bedingungen, wobei Eisen mit dem gebildeten Eisenoxid im Gleichgewicht steht. Dabei bildet sich Wüstit (FeO) nach folgender Reaktionsgleichung:

?-Fe + H2O --> FeO + H2

Innerhalb des kurzen Oxidationszeitraums und bei den üblichen Härtetemeraturen von 800 bis 900 °C, bildet sich die gewünschte FeO-Schicht mit einer Dicke von weniger als 10 µm. Die bei diesen hohen Temperaturen gebildete Oxidschicht ist kompakt und weist einen gleichmäßigen Aufbau auf. Weitere Eigenschaften sind unter anderem:

• gute Korrosionsbeständigkeit (Test nach DIN 50017)

• hohe Abtriebfestigkeit

• gute Haftung

• ansprechende, gleichmäßige Farbe

• hohe Gleichmäßigkeit und Homogenität

Vorteile von BackRapid

Verfahrenstechnik/ Ofenanlage

• Wärmebehandlung und Beschichten in der gleichen Ofenanlage bei gleicher Temperatur

• auch Schüttgüter von Kleinteilen und Teile mit großen Auflageflächen, werden gleichmäßig und kontaktstellenfrei geschwärzt

• der Oxidationsprozess läuft automatisch ohne Beeinflussung durch Bedienpersonal

• die vorhandene Regelung des Kohlenstoffpegels wird integriert

Kosteneinsparung/ Umweltschutz

• Investitions-, Betriebs- und Umrüstkosten sind gering, die Amortisationszeit ist kürzer als ein Jahr

• Verzicht auf chemische Behandlungsbäder

• keine Entsorgung von Reststoffen bzw. verbrauchten Stoffgemischen

• schnellere Verfügbarkeit der Teile

• Transport- und Handlingkosten entfallen

Schichtaufbau

• Bildung einer gleichmäßigen blauschwarzen Oxidschicht

• gleichmäßige, dekorative Schichten auch bei Anlaßtemperaturen unter 400 °C

• gute Reproduzierbarkeit der Oxidschicht

• Oxidschichtdicke durch Prozeßparameter einstellbar

• gute Korrossionsbeständigkeit der Passivschicht (Klima- und Salzsprühtest)

• kratzfeste und abriebfreie Schutzschicht

Nachoxidieren

Schwärzen --> Nachbehandlung beim Nitrieren und Nitrocarburieren

Zur weiteren Steigerung des Korrosionswiderstandes der Verbindungsschicht und der Schwarzfärbung der Bauteile hat es sich bewährt, nach dem Nitrieren oder Nitrocarburieren in Wasserdampf oder Luft die Werkstücke bei Temperaturen zwischen 350 und 550 °C zu oxidieren. Das Oxidieren kann je nach Ofenanlage auch mit dem Abkühlen kombiniert werden. Dabei wird eine bis etwa 1 Mikrometer dicke Oxidschicht angestrebt. Gleichzeitig werden auch die Poren der Verbindungsschicht mit Oxid gefüllt.

Tiefkühlen

Im wesentlichen bestimmen die Härte und der Verschleißwiderstand die Lebensdauer von Werkzeugen. Daneben sind Maßhaltigkeit und geringe Eigenspannungen bei vielen Werkzeugen unverzichtbare Voraussetzungen für eine einwandfreie Funktion. Gefügeveränderungen wie eine Restaustenitumwandlung während des Gebrauchs können zum Ausschuss des Werkzeugs führen, sie sind daher möglichst zu vermeiden.

Als Restaustenit wird der Austenitanteil bezeichnet, welcher nach dem Abschrecken bis auf RT im Gefüge verbleibt. In bestimmten Anwendungsfällen, insbesondere bei Verwendung hochlegierter Werkzeugstähle, kann der Austenitgehalt eines Stahls auf dessen Verwendbarkeit und Güte entscheidenden Einfluss nehmen.

Anwendungsbereich

In letzter Zeit wird vor allem für die hochlegierten ledeburitischen Werkzeugstähle das Tiefkühlen verstärkt in Erwägung gezogen. Hierbei wird neben dem Tiefkühlen unmittelbar nach dem Abschrecken aus Gründen möglicher Rissgefahr oftmals auch das Tiefkühlen nach dem ersten Anlassen favorisiert. Hervorzuheben ist, dass ein Tiefkühlen immer eine Rissgefahr in sich birgt und somit nicht ohne weiteres für alle Werkzeuge geeignet ist. Zusätzlich muss bedacht werden, dass ein Tiefkühlen nicht bei allen Stählen Sinn macht. Nicht in allen Stählen Restaustenit entstehen. Die Bildung von Restaustenit hängt hauptsächlich vom C-Gehalt ab. In unlegierten und schwachlegierten Stählen muss ein C-Gehalt von mindestens 0,5% vorhanden sein. Grundsätzlich kann der Restautenitgehalt auch durch ein mehrfaches, mindestens dreimaliges Anlassen abgesenkt werden.

Der bei RT nach dem Härten vorliegende Restaustenitanteil kann durch ein Tiefkühlen insbesondere bei ledeburitischen Chromstählen (z. B. 1.2379, 1.2080, 1.2436) sowie Schnellarbeitsstählen verringert werden. Auch bei eutekoiden Werkzeugstählen wie beispielsweise 1.2842 kann ein Tiefkühlen sinnvoll sein. Grundsätzlich sollte die Tiefkühlbehandlung unmittelbar nach dem Härten, also vor dem ersten Anlassen stattfinden.

Der Erfolg eines Tiefkühlens erst nach dem ersten Anlassen ist dagegen nach dem aktuellen Kenntnisstand zum Zweck der Restaustenitumwandlung zunächst zweifelhaft. Dennoch ergeben sich augenscheinlich auch nach einer solchen Prozessfolge Standzeitverbesserungen. Gründe hierfür können die Ausscheidung dispers verteilter n- Karbide sein.

Verfahrensweisen

Die gezielte Umwandlung von Restaustenit durch Kombination konventioneller Wärmebehandlungstechniken mit Tiefkühlen ist oft die technisch und wirtschaftlich sinnvollste Verfahrensweise, um die angestrebten Werkstoffeigenschaften zu erzielen.

Eine große Anwendungsvielfalt kennzeichnet die Entwicklung der letzten Jahre ebenso der Trend zu immer tieferen Temperaturen.
Temperaturen bis auf -60 °C lassen sich in gekühlter Luft (übliche Tiefkühltruhen oder -schränken) erreichen. Niedrigere Temperaturen als -60 °C können unter Verwendung von verflüssigten Gasen (flüssiger Stickstoff: -196 °C) erreicht werden.

Quelle: www.iht.wsm-net.de