Wärmebehandlung Grundlagen: Arten, Verfahren & Anwendungen erklärt

In diesem Artikel lernen Sie, was der Wärmebehandlungsprozess ist: seine Methoden, Arten, Zweck, Vorgehen und Anwendung. Wärmebehandlung ist ein unverzichtbarer Schritt in der Fertigung von Maschinenteilen und Werkzeugen.

Was ist Wärmebehandlung?

Wärmebehandlung ist eine Operation, bei der ein Metall oder eine Legierung im festen Zustand erhitzt und abgekühlt wird, um bestimmte erwünschte Eigenschaften zu erzielen, ohne die chemische Zusammensetzung zu verändern.

Der Prozess dient dazu, die Korngröße zu ändern, die Struktur des Materials zu modifizieren und Spannungen abzubauen, die nach Warm- oder Kaltumformung im Material entstanden sind.

• Verbesserung der Zerspanbarkeit.
• Verbesserung magnetischer und elektrischer Eigenschaften.
• Erhöhung der Beständigkeit gegen Verschleiß, Hitze und Korrosion u. v. m.

Wärmebehandlung besteht darin, das Metall nahe oder über seine kritische Temperatur zu erhitzen, dort für eine bestimmte Zeit zu halten und schließlich in einem Medium abzukühlen – Luft, Wasser, Sole oder Schmelzsalze. Zu den Verfahren gehören Glühen, Einsatzhärten, Anlassen, Normalisieren, Härten, Nitrieren, Zyanidieren etc.

Arten von Wärmebehandlungsprozessen

Folgende verschiedenen Arten von Wärmebehandlungsprozessen gibt es:

1. Glühen (Annealing)
2. Normalisieren (Normalizing)
3. Härten (Hardening)
4. Anlassen (Tempering)
5. Nitrieren (Nitriding)
6. Zyanidieren (Cyaniding)
7. Induktionshärten (Induction Hardening)
8. Flammenhärten (Flame Hardening)

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Arten der Wärmebehandlung im Detail

1. Glühen (Annealing)

Glühen ist einer der wichtigsten Wärmebehandlungsprozesse. Es ist einer der am häufigsten angewendeten Prozesse bei Eisen und Stahl und wird als Weichglühen definiert.

Erhitzen auf 30–50 °C über die obere kritische Temperatur (Ac3/Accm) und sehr langsames Abkühlen im Ofen (Ofenabkühlung). Hauptziel: Stahl duktiler und formbarer machen, innere Spannungen beseitigen. Der Stahl wird weich, sodass er leicht zerspanbar wird.

1.1 Zweck des Glühens

• Stahl weich machen und Zerspanbarkeit verbessern.
• Korngröße verfeinern und Gase entfernen.
• Interne Spannungen aus vorangegangenen Prozessen beseitigen.
• Gewünschte Duktilität, Formbarkeit und Zähigkeit erreichen.
• Elektrische und magnetische Eigenschaften modifizieren.

1.2 Glühverfahren

Je nach Kohlenstoffgehalt wird der Stahl auf ca. 50–55 °C über seinen kritischen Temperaturbereich erhitzt. Er wird dort für eine bestimmte Zeit gehalten (abhängig von Ofentyp und Werkstück). Anschließend kühlt der Stahl im Ofen langsam ab.

1.3 Anwendung des Glühens

Anwendung an Guss- und Schmiedeteilen.

2. Normalisieren (Normalizing)

Normalisieren: Hauptziel ist, interne Spannungen nach Kaltumformung abzubauen. Stahl wird 30–50 °C über die obere kritische Temperatur erhitzt und an der Luft abgekühlt.

Es verbessert mechanische und elektrische Eigenschaften, Zerspanbarkeit und Zugfestigkeit. Normalisieren stellt die Struktur in den Normalzustand zurück.

2.1 Zweck des Normalisierens

• Gleichmäßige Struktur fördern.
• Kornverfeinerung sichern.
• Wünschenswerte Änderungen der Stahleigenschaften bewirken.

2.2 Normalisierverfahren

Stahl wird auf ca. 40–50 °C über die obere kritische Temperatur erhitzt. Kurze Haltezeit. Anschließend Abkühlung in ruhender Luft bei Raumtemperatur (Luftabschreckung / Air Quenching).

2.3 Anwendung des Normalisierens

• Guss- und Schmiedeteile zur Kornverfeinerung und Spannungsarmierung.
• Nach Kaltumformung wie Walzen, Stanzen, Hämmern.

3. Härten (Hardening)

Härten: Hauptziel ist, Stahl hart und zäh zu machen. Stahl wird 30–40 °C über die obere kritische Temperatur erhitzt und durch kontinuierliche Abkühlung auf Raumtemperatur durch Abschrecken in Wasser oder Öl gehärtet. Es ist der umgekehrte Prozess zum Glühen.

3.1 Zweck des Härtens

• Härte des Stahls erhöhen.
• Verschleißfestigkeit erreichen.
• Stahl befähigen, andere Metalle zu schneiden.

3.2 Härteverfahren

Stahl wird über seinen kritischen Temperaturbereich erhitzt. Dort für eine bestimmte Zeit gehalten. Dann schnelles Abkühlen in einem Abschreckmedium.

Das Abschreckmedium wird nach gewünschtem Härtegrad gewählt. Luft, Wasser, Sole, Öle und Schmelzsalze dienen als Abschreckmedien. Dünne Abschnitte (Messerklinken) werden an Luft gekühlt. Wasser ist weit verbreitet, führt aber zu Blasenbildung auf der Metalloberfläche. Daher wird Sole verwendet, um dies zu verhindern. Öl bei Verzugs- oder Rissgefahr, geeignet für Legierungsstähle. Schmelzsalze für dünne Abschnitte für rissfreie, schlagzähe Produkte.

3.3 Anwendung des Härtens

Meißel, Vorschlaghammer, Handhammer, Körner, Gewindebohrer, Schneideisen, Fräser, Messerklingen, Zahnräder.

4. Anlassen (Tempering)

Anlassen: Nach dem Härten wird das Werkstück spröde und hat hohe Eigenspannungen. Anlassen modifiziert die Eigenschaften von durch Abschrecken gehärtetem Stahl, um die Verwendbarkeit zu erhöhen.

Anlassen reduziert Sprödigkeit und beseitigt innere Spannungen vom Härten. Stahl muss nach dem Härten angelassen werden.

Anlassen wird in drei Kategorien nach erforderlicher Stahlnutzbarkeit unterteilt:

• Tieftemperaturanlassen (Low-Temperature Tempering)
• Mitteltemperaturanlassen (Medium Temperature Tempering)
• Hochtemperaturanlassen (High-Temperature Tempering)

4.1 Zweck des Anlassens

• Interne Spannungen vom Härten abbauen.
• Sprödigkeit reduzieren.
• Duktilität, Festigkeit und Zähigkeit verbessern.
• Verschleißfestigkeit erhöhen.
• Gewünschte mechanische Eigenschaften erzielen.

4.2 Anlassverfahren

Der nach dem Härten abgeschreckte Stahl wird erneut auf eine Temperatur leicht über der Einsatztemperatur, aber unter der unteren kritischen Temperatur (Ac1) erhitzt. Temperaturbereich: 100 °C bis 700 °C.

Wiedererhitzen in Ölbad, Schmelzblei- oder Schmelzsalzbad. Werkstück so lange im Bad gehalten, bis es die Temperatur gleichmäßig angenommen hat (Dauer abhängig von Zusammensetzung und gewünschter Qualität). Dann Entnahme und langsames Abkühlen in ruhender Luft.

4.3 Anwendung des Anlassens

Schneidwerkzeuge, Werkzeuge und Zahnräder, die durch Härten gehärtet wurden.

5. Nitrieren (Nitriding)

Nitrieren ist ein Randschichthärteverfahren (Oberflächenhärtung), bei dem Stickstoffgas eingesetzt wird, um eine harte Randschicht zu erzeugen. Der Stahl wird in Ammoniakatmosphäre erhitzt.

Dadurch lagern sich Stickstoffatome an und härten das Material. Induktionshärten und Flammenhärten: Werkstücke werden durch Oxyacetylenflamme erhitzt.

5.1 Zweck des Nitrierens

• Stahloberfläche bis zu einer bestimmten Tiefe härten.
• Verschleiß- und Ermüdungswiderstand erhöhen.
• Korrosionsbeständigkeit steigern.

5.2 Nitrierverfahren

Im Elektroofen bei 450–510 °C. Das Teil ist fertig bearbeitet und in einem gasdichten Behälter mit Ein- und Auslassrohren für Ammoniakgas platziert.

Behälter mit Teil in den Ofen, Ammoniakgas durchströmen lassen bei Erhitzung. Beim Erhitzen wird Stickstoff aus Ammoniak als atomarer Stickstoff freigesetzt, reagiert mit der Teileoberfläche und bildet Eisennitrid.

Eindringtiefe hängt von der Zeit bei Nitriertemperatur ab. Teil wird entnommen, kein Abschrecken oder weitere Wärmebehandlung nötig.

5.3 Anwendung des Nitrierens

• Oberflächenhärtung von mittellegierten Mittelkohlenstoffstählen.

6. Zyanidieren (Cyaniding)

Zyanidieren: Stahl wird in Natriumcyanid-Atmosphäre erhitzt. Dabei lagern sich Kohlenstoff- und Stickstoffatome an der Stahloberfläche an und härten sie.

6.1 Zweck des Zyanidierens

• Effektiv zur Erhöhung der Ermüdungsgrenze bei mittelgroßen und kleinen Teilen (Zahnräder, Wellen, Kolbenbolzen etc.).
• Oberflächenhärte erhöhen.
• Verschleißfestigkeit steigern.
• Sauberes, helles, ansprechendes Aussehen der gehärteten Oberfläche.

6.2 Zyanidierverfahren

Teile werden in ein geschmolzenes Cyanidsalzbad bei 950 °C getaucht. Verwendete Schmelzsalze: Natriumchlorid, Natriumcarbonat, Natriumcyanid, Soda.

Das Teil verbleibt 15–20 Min. bei 950 °C im Bad. Zersetzung von Natriumcyanid liefert Stickstoff und Kohlenstoff (aus Kohlenmonoxid), die in die Oberfläche diffundieren und diese härten. Teil wird entnommen und in Wasser oder Öl abgeschreckt.

6.3 Anwendung des Zyanidierens

• Kleine Teile wie Zahnräder, Buchsen, Schrauben, Stifte, kleine Handwerkzeuge, die eine dünne, harte, verschleißfeste Oberfläche benötigen.

7. Einsatzhärten / Karburieren (Carburising)

Karburieren: Stahl wird in Kohlenstoffatmosphäre erhitzt. Kohlenstoffatome lagern sich an der Metalloberfläche an und härten sie.

8. Randschichthärten / Gehäusehärten (Case Hardening / Surface Hardening)

Hauptziel: Nur die äußere Oberfläche des Stahls hart machen, den Kern weich lassen. Prozess der Karburisierung – Anreichern der Oberflächenschicht mit Kohlenstoff – oder anderes Verfahren, bei dem der Rand hart und der Kern weich bleibt.

8.1 Zweck des Randschichthärtens

• Harte, verschleißfeste Maschinenteile erhalten.
• Zähen Kern durch Randschichthärten erzielen.
• Höhere Ermüdungsgrenze und hohe mechanische Eigenschaften im Kern erreichen.

Zweck der Wärmebehandlung von Stahl

Zusammenfassend die Zwecke der Wärmebehandlung:

• Mechanische Eigenschaften verbessern: Zugfestigkeit, Härte, Duktilität, Schlagzähigkeit, Korrosionsbeständigkeit.
• Zerspanbarkeit verbessern.
• Interne Spannungen aus Kalt- oder Warmumformung abbauen.
• Korngröße ändern oder verfeinern.
• Magnetische und elektrische Eigenschaften verbessern.
• Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erhöhen.
• Oberflächenhärte erhöhen.

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Fazit

Wir hoffen, alle Ihre Fragen zum Wärmebehandlungsprozess geklärt zu haben. Falls noch Zweifel zu Wärmebehandlungsprozess, Methoden, Arten, Anwendungen bestehen, fragen Sie in den Kommentaren.

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