Einsatzhärten (Carburizing) erklärt: Definition, Verfahren & Prozess der Stahloberflächenhärtung

Was ist Einsatzhärten (Carburizing)?

Einsatzhärten ist ein thermochemisches Randschichthärtungsverfahren, bei dem Kohlenstoff bei hoher Temperatur (typ. 850–950 °C) in die Oberflächenschicht eines Stahlbauteils diffundiert. Die Temperatur muss hoch genug sein, um das Gefüge in Austenit umzuwandeln (γ-Eisen), das Kohlenstoff gut löst. Ergebnis: Eine verschleißfeste, harte Randzone („Einsatz“) bei zähem, duktilem Kern.

Das Verfahren eignet sich für niedriglegierte, kohlenstoffarme Stähle (C < 0,25 %). Der Kern behält seine Zähigkeit (Ferrit/Perlit), der Rand wird durch Abschrecken zu Martensit gehärtet. Einsatzhärtetiefen (EHT) bis 6,4 mm (0,25 Zoll) sind üblich. Auch als Korrektur für unbeabsichtigtes Entkohlen früherer Prozessschritte nutzbar.

Verfahren der Einsatzhärtung

Kohlenstoffquelle (fest, flüssig, gasförmig) bei kontrollierter Ofentemperatur und -atmosphäre. Diffusion der C-Atome in das Kristallgitter des Stahls: Entweder verbleiben sie in fester Lösung (→ Martensit/Bainit nach Härten) oder bilden Karbide mit Legierungselementen (Cr, Mo, V, W). Beide Mechanismen härten die Oberfläche.

Gas-Einsatzhärten typisch bei 900–950 °C. In der Autogen-Schweißtechnik: „Einsatzflamme“ (sauerstoffarm, rußend, niedrigere Temperatur) zum Weichglühen/Anlassen während des Schweißens.

Arten der Einsatzhärtung

Klassisch nach Kohlenstoffquelle: Fest (Pulver), Flüssig (Salzbad), Gasförmig. Heute dominieren Gas- und Vakuumverfahren. Alle basieren auf Austenit→Martensit-Umwandlung beim Abschrecken. Ziel: Randzonen-C-Gehalt 0,8–1,0 % für ~700 HV Härte. Geeignet für C-Stähle, Legierungsstähle, Gusseisen (Massen-C max. 0,4 %, meist < 0,25 %). Falsche Wärmebehandlung → Oxidation/Entkohlung. Trotz relativ langsamer Diffusion für Serienfertigung als Continuous-Prozess geeignet.

1. Gas-Einsatzhärten (Gas Carburizing)

Werkstück wird in austenitisierter Temperatur in kohlenstoffreicher Atmosphäre gehalten. Trägergas (endothermes „Endo-Gas“: N₂, CO, CO₂, H₂, CH₄) + Anreicherung mit Kohlenwasserstoff (Erdgas/Propan/Methan). An der Bauteiloberfläche zersetzt sich CH₄/C₃H₈ zu atomarem C + H₂; C diffundiert ein.

Typisch: 925 °C, 2 h für 1 mm EHT bis 36 h für 4 mm EHT. Abschreckmedium: Öl (Standard), Wasser, Salzlaugen, Polymer.

2. Vakuum-Einsatzhärten (Low-Pressure Carburizing / LPC)

Sauerstofffreie Umgebung bei niedrigem Druck (1–10 mbar). Kohlenwasserstoffe (Methan, Propan, Acetylen) als C-Quelle. Keine Oxidation → höhere Temperaturen (bis 1050 °C) möglich → höhere C-Löslichkeit & Diffusionsgeschwindigkeit → drastisch kürzere Prozesszeiten für gleiche EHT. Gleichmäßige Beschichtung auch bei komplexen Geometrien. Umweltfreundlich (keine Emissionen).

3. Flüssig-Einsatzhärten / Salzbad-Einsatzhärten (Liquid Carburizing)

Teile in geschmolzenem Salz (845–955 °C), das C (und oft N via Cyanid) liefert. Zyanidhaltige Bäder (CN⁻) führen C und N ein → zusätzlicher Härtezuwachs. Schnellstes Verfahren, aber giftig (Zyanide), nur für kleine Losgrößen geeignet. Umweltauflagen schränken Nutzung stark ein.

4. Fest-Einsatzhärten / Pulver-Einsatzhärten (Pack / Solid Carburizing)

Ältestes Verfahren. Werkstücke in gasdichten Boxen mit Pulvergemisch (Koks/Kohle + BaCO₃ als Aktivator) umbettet. Bei 790–845 °C zersetzt sich BaCO₃ → BaO + CO₂; CO₂ + C → 2 CO; CO → C (naszierend) + CO₂ (Boudouard-Gleichgewicht). Naszierender C diffundiert ein. Eigentlich Gas-Einsatzhärten via in-situ Gaserzeugung. 2–36 h. Weniger kontrollierbar, aber einfache Ausrüstung → weiterhin verbreitet für Einzelteile/Großbauteile.

Carbonitrieren (Carbonitriding)

Modifikation des Gas-Einsatzhärtens: Ammoniak (NH₃) wird zum Kohlenwasserstoff zugegeben → Stickstoffdiffusion zusätzlich zu Kohlenstoff. Geeignet für Bauteile, die auch im Kern gehärtet sein sollen (Zahnräder, Wellen). C-Gehalt der Masse bis 0,4–0,5 %. Bildet carbonitridische Randzone (höhere Warmhärte, bessere Anlaßbeständigkeit).

FAQ

Was ist Einsatzhärten?

Randschichthärtung: C diffundiert in Stahloberfläche bei Temperatur, die Austenit bildet. Stahl nimmt C auf → harte, verschleißfeste Randschicht.

Was ist der Einsatzhärteprozess?

Thermochemischer Prozess: C-Diffusion in niedriglegierte Stähle, um C-Gehalt an Oberfläche für Härtbarkeit (Martensitisierung) anzuheben. Drei Hauptarten: Gas, Flüssig, Fest. Moderne: Vakuum (LPC).

Welche drei Arten der Einsatzhärtung gibt es?

Klassisch: Fest (Pulver), Flüssig (Salzbad), Gas. Heute: Gas, Vakuum (LPC), Flüssig (eingeschränkt), Fest (Spezialanwendungen).

Arten der Einsatzhärtung (Übersicht)?

• Pulver-Einsatzhärten (Pack)
• Gas-Einsatzhärten
• Vakuum-Einsatzhärten (LPC)
• Salzbad-Einsatzhärten (Flüssig)

Zweck der Einsatzhärtung?

Stahl härter und verschleißfester machen. Niedrigkohlenstoffstahl erhält harte Randzone, Kern bleibt zäh.

Warum Einsatzhärten bei Stahl?

Erhöht Festigkeit & Verschleißfestigkeit der Oberfläche (Einsatz) bei Erhalt der Kernzähigkeit. Angewandt an niedriglegierten Stählen nach Bearbeitung, auch an hochlegierten Wälzlagerstählen, Zahnrädern, Wellen.

Unterschied Einsatzhärten vs. Nitrieren?

Einsatzhärten: C-Diffusion bei hoher T (850–950 °C), Austenitbildung, Abschrecken nötig. Nitrieren: N-Diffusion bei niedriger T (500–580 °C), im Ferritbereich, kein Abschrecken, geringe Verzug, aber geringere EHT.

Unterschied Randschichthärten vs. Einsatzhärten?

Randschichthärten = Oberbegriff (Einsatzhärten, Nitrieren, Nitrokarburieren, Flammhärten, Induktivhärten, Laserhärten). Einsatzhärten = spezifisch C-Diffusion + Abschrecken.

Temperatur der Einsatzhärtung?

870–940 °C (Gas), bis 1050 °C (Vakuum). Gasatmosphäre aus flüssigen/gasförmigen Kohlenwasserstoffen (Propan, Butan, Methan).

Was ist Salzbad-Einsatzhärten?

Für kleine/mittlere Teile. Schmelzsalzbad (NaCN + BaCl₂) als C-Quelle. Zyanid führt auch N ein. Schnell, aber toxisch.

Welche Stähle lassen sich einsatzhärten?

Hauptsächlich niedriglegierte Stähle (C < 0,25 %) und niedriglegierte Legierungsstähle. Nitrieren deckt breiteres Spektrum (auch Werkzeugstähle, Edelstähle). Nitrierte Stähle können höhere Verschleißfestigkeit/Härte erreichen.

Zwei Hauptschritte der Einsatzhärtung?

1. C-Bereitstellung in der Ofenatmosphäre (Zersetzung der C-Quelle). 2. C-Diffusion in das Werkstück (bestimmt Konzentrationsgradient & Härteprofil).

Warum BaCO₃ beim Pulver-Einsatzhärten?

BaCO₃ zersetzt sich zu BaO + CO₂. CO₂ reagiert mit Koks zu CO (Boudouard). CO liefert naszierenden C an der Stahloberfläche. Beschleunigt C-Diffusion.

Welches Gas wird beim Gas-Einsatzhärten verwendet?

Trägergas (Endogas) + Anreicherungsgas (Methan, Propan, Erdgas). Bei Carbonitrieren: zusätzlich Ammoniak (NH₃) für N.

Welche Metalle lassen sich nitrieren?

Al, Cr, Mo, Ti, W, V bilden stabile Nitride. Niedriglegierte Stähle mit diesen Elementen sind gute Nitrierkandidaten.

Unterschied Einsatzhärten vs. Carbonitrieren?

Einsatzhärten: nur C. Carbonitrieren: C + N (via NH₃). Carbonitrieren → höhere Warmhärte, bessere Anlaßbeständigkeit, für kernhärtbare Bauteile.

Ist Wärmebehandlung nach Einsatzhärten erforderlich?

Ja. Entweder Direktabschrecken aus Einsatztemperatur oder Wiedererhitzen auf Anlaßtemperatur + Abschrecken. Direktabschrecken spart Zeit/Kosten, aber bei Pulver-Einsatzhärten nicht möglich (Box muss abkühlen) → dort immer Wiedererhitzen + Abschrecken.

Ändert Einsatzhärten die Abmessungen?

Fast immer ja. Maßänderungen durch Phasenumwandlung (Austenit→Martensit: Volumenzunahme), thermische Ausdehnung, Spannungen. Ausmaß abhängig von Werkstoff, Verfahren, Geometrie, Ursprungsgröße.

Was ist Pulver-Einsatzhärten (Pack Carburizing)?

Älteste Methode: Teile in Box mit C-Trägern (Holzkohle, Hufe, Haut, Horn, Tierfett) + Aktivator, auf Einsatztemperatur erhitzt.

Welche Diffusionsart ist Einsatzhärten?

Interstitielle Diffusion von C-Atomen in das γ-Eisen-Gitter (Austenit). Bestimmt Konzentrationsgradient & Härteprofil. Zwei Hauptschritte: C-Erzeugung im Ofen + C-Diffusion ins Werkstück.

Schrumpft Metall beim Wärmebehandeln?

Komplex. Phasenumwandlungen verursachen Volumenänderungen. Beispiel: D-2 Werkzeugstahl 3,15″ Würfel: +0,08 % in einer Dimension, Schrumpfung in zwei anderen beim Härten. Jeder Werkstoff anders.

Warum Randschichthärten?

Härteverfahren mindern Umformbarkeit/Zerspanbarkeit. Daher Randschichthärten meist nach allen mechanischen Bearbeitungen als Finalschritt.