Einsatzhärten - Grundlagen

Die Zähigkeit (auch Duktilität genannt) von Stählen nimmt mit abnehmendem Kohlenstoffgehalt zu, da sich dann weniger spröde Zementitanteile im Gefüge wiederfinden. Sollen Bauteile also sehr zäh sein, so müssen diese unweigerlich relativ kohlenstoffarm sein. Gleichzeitig sinkt aber durch den geringen Kohlenstoffgehalt die Härtbarkeit des Werkstoffs, da ja gerade der zwangsgelöste Kohlenstoff im Gitter zur notwendigen Martensitbildung führt. Als Richtwert gilt, dass für eine sinnvolle Härtung der Kohlenstoffgehalt mindestens 0,3 % betragen sollte. Bauteile wie bspw. Zahnrädern müssen jedoch beide widersprüchlichen Eigenschaften vereinen:

  • geringer Kohlenstoffgehalt im Kern für eine hohe Zähigkeit (Aufnahme dynamischer Belastungen)
  • hoher Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht für eine Härtbarkeit der Randschicht (Steigerung der Verschleißfestigkeit).

Für solche Anwendungsfälle bietet sich das Einsatzhärten an, welches sich im Allgemeinen wie folgt gliedert:

  1. Aufkohlen
  2. Abkühlen (entfällt beim Direkthärten)
  3. Härten
    3.1 Abschrecken
    3.2 Anlassen

Beim Einsatzhärten wird ein kohlenstoffarmer Stahl mit maximal 0,2 % Kohlenstoff (Einsatzstahl genannt) zunächst einer kohlenstoffhaltigen Umgebung ausgesetzt bzw. in diese "eingesetzt". Der enthaltene Kohlenstoff diffundiert in die Randschicht ein und führt dort zu einer Anreicherung des Kohlenstoffgehaltes auf ein härtbares Maß von etwa 0,8 % Kohlenstoff, während der Kern kohlenstoffarm bleibt. Diese Kohlenstoffanreicherung in der Randschicht wird auch als Aufkohlen bezeichnet. Da nur das Austenitgefüge in der Lage ist in ausreichenden Mengen Kohlenstoff aufzunehmen, liegt die Temperatur während des Aufkohlens oberhalb 900 °C bei mehreren Stunden Aufkohlungszeit. Aufkolhungstiefen von 0,1 bis etwa 5 mm sind mit diesem Verfahren wirtschaftlich erzielbar. Da das Aufkohlen ein diffusionsgesteuerter Prozess ist, können die Aufkohlungszeiten zwar durch höhere Temperaturen verringert werden, gleichzeitig steigt aber die Gefahr der Grobkornbildung.

Einsatzhärten, Oberflächen-Härten, Aufkohlen, Kohlenstoff, Direkthärten

Abbildung: Prinzip des Einsatzhärtens

Das Aufkohlen kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Bei der Gasaufkohlung wird das Bauteil einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt. Dies ist vor allem bei der Massenfertigung wirtschaftlich. Ebenfalls ist eine Aufkohlung in Salzbädern möglich. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit Bauteile in pulverförmigem Kohlegranulat aufzukohlen.

Nachdem die Randschicht auf das gewünschte härtbare Maß aufgekohlt wurde erfolgt der eigentliche Härtevorgang, wobei der relativ kohlenstoffarme Kern schwach vergütet wird. Das hierfür notwendige Abschrecken kann entweder

Nach dem Abschrecken werden die gehärteten Bauteile grundsätzlich angelassen und erhalten hierdurch ihre endgültigen Gebrauchseigenschaften. Vor allem die Erhöhung der Dauerfestigkeit macht das Einsatzhärten für dynamisch beanspruchte Bauteile wie eben Zahnräder oder auch Antriebswellen sehr interessant.