Wärmebehandlung meistern: Härten & Anlassen von Werkzeugstahl

Lernziele

Nach Abschluss dieser Einheit sollten Sie in der Lage sein:

• Ein Stück Werkzeugstahl korrekt zu härten und die Arbeit zu bewerten
• Das gehärtete Stück Werkzeugstahl korrekt anzulassen und die Arbeit zu bewerten
• Die richtigen Wärmebehandlungsverfahren für andere Werkzeugstähle zu beschreiben

Sicherheit

Für einen sicheren Wärmebehandlungsbetrieb werden folgende Verfahren empfohlen:

1. Hitzebeständige Schutzkleidung, Handschuhe, Schutzbrille und Gesichtsschutz tragen, um Verbrennungen durch heißes Öl zu vermeiden.
2. Vor dem Anzünden des Ofens sicherstellen, dass Luftschalter, Abluftventilatoren, automatische Absperrventile und andere Sicherheitsvorkehrungen vorhanden sind.
3. Ausreichend Kühlmittel für den Job bereithalten. Kühlmittel nimmt die Wärme auf, die das Metall beim Abkühlen abgibt; bei unzureichendem Kühlmittel kühlt das Metall nicht mit der optimalen Geschwindigkeit ab.
4. Ausreichende Belüftung in den Abschreckbereichen sicherstellen, um die gewünschten Ölnebelwerte einzuhalten.
5. Beim Anzünden des Ofens die Herstellervorschriften befolgen.
6. Während des Anzündens eines öl- oder gasbefeuerten Ofens NICHT direkt davor stehen.
7. Sicherstellen, dass das Abschrecköl nicht mit Wasser verunreinigt ist. Feuchtigkeit im Kontakt mit Abschrecköl kann Explosionen verursachen.
8. Vor dem Entnehmen von Materialien aus dem flüssigen Aufkohlungstopf sicherstellen, dass die Zange nicht nass ist und die richtige Zange für den Job verwendet wird.
9. Sicherstellen, dass ein geeignetes Fungizid oder Bakterienhemmer in die Abschreckflüssigkeit gemischt wurde.
10. Abschreckbecken bei Nichtgebrauch immer abdecken.
11. Ein nicht brennbares Saugmittel zum Beseitigen von Lecks und Ölverschmutzungen verwenden – dies sofort tun.
12. Wenn möglich, Werkzeuge, Körbe, Vorrichtungen und Arbeitsbereiche frei von Ölverschmutzung halten.
13. Vor Pausen und vor dem nächsten Arbeitsschritt die Hände gründlich waschen.
14. Bei auftretenden oder vermuteten Hautproblemen dem Ausbilder melden und ärztliche Hilfe in Anspruch nehmen.
15. Dämpfe aus dem geschmolzenen Aufkohlungssalzbad nicht einatmen, da Kohlenmonoxid ein Produkt des Aufkohlungsprozesses ist.
16. Für gute Belüftung im Arbeitsbereich sorgen.
17. Auf Verunreinigungen durch Teile von aufkohltem Metall achten.
18. Keine ölgetränkte Kleidung oder Ausrüstung in Bereiche mitnehmen, in denen Lebensmittel oder Getränke sind.
19. Keine Lebensmittel oder Getränke in Bereiche mitnehmen, in denen Öle verwendet oder gelagert werden.

Verfahren

Das Wichtigste beim Härten eines Stahls ist seine Härtetemperatur. Viele Stähle, insbesondere gängige Werkzeugstähle, haben einen gut etablierten Temperaturbereich für das Härten. O-1 hat beispielsweise eine Härtetemperatur von 790–815 °C (1450–1500 °F).

Zum Beginn des Prozesses:

1. Sicherheit zuerst. Härtetemperaturen sind extrem heiß. Sich angemessen kleiden und den Bereich um den Ofen sauber halten, damit keine Rutsch- oder Stolpergefahr besteht. Auch die Zange vorheizen, bevor das erhitzte Probenteil gegriffen wird.
2. Ofen auf 650 °C (1200 °F) vorheizen.
3. Wenn der Ofen 650 °C erreicht hat, das Probenteil in den Ofen legen. Es in die Mitte des Ofens platzieren, um gleichmäßiges Erhitzen zu gewährleisten. Schließen und warten.
4. Sobald das Probenteil im Ofen ist, auf 815 °C (1500 °F) erhitzen. Nach Erreichen dieser Temperatur sofort die Haltezeit (Soak Time) von 15 Minuten bis zu einer Stunde starten (Haltezeiten variieren je nach Stahlstärke).

Tabelle 1: Ungefähre Haltezeiten für Härten, Weichglühen und Normalisieren von Stahl

Materialdicke (Zoll)	Aufheizzeit auf erforderliche Temperatur (Std.)	Haltezeit / Soak Time (Std.)
bis 1/8	0,06 – 0,12	0,12 – 0,25
1/8 – 1/4	0,12 – 0,25	0,12 – 0,25
1/4 – 1/2	0,25 – 0,50	0,25 – 0,50
1/2 – 3/4	0,50 – 0,75	0,25 – 0,50
3/4 – 1	0,75 – 1,25	0,50 – 0,75
1 – 2	1,25 – 1,75	0,50 – 0,75
2 – 3	1,75 – 2,25	0,75 – 1,0
3 – 4	2,25 – 2,75	1 – 1,25
4 – 5	2,75 – 3,50	1 – 1,25
5 – 8	3,50 – 3,75	1 – 1,50

Die Haltezeit (Soak Time) ist die Zeit, in der der Stahl auf der gewünschten Temperatur gehalten wird – in diesem Fall 815 °C (1500 °F).

5. Wenn die Haltezeit abgelaufen ist, das Probenteil sehr schnell, aber vorsichtig mit der Zange entnehmen. In ein Ölbad zum Abschrecken legen. Das Probenteil während des Abschreckens so viel wie möglich bewegen.
6. Sobald das Probenteil auf ca. 50 °C (125 °F) abgekühlt ist, den Anlassvorgang beginnen. Dazu das Probenteil in den Ofen bei 190 °C (375 °F) legen. 2 Stunden halte lassen, dann entnehmen und auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Das Probenteil sollte nun eine Härte von ca. 60 HRC aufweisen.

Austenitisieren und Luftkühlen (Normalisieren)

1. Diese Wärmebehandlung wird meist vom Hersteller durchgeführt, weshalb sie als „as-received condition“ (Zustand bei Lieferung) bezeichnet wird.
2. Um diesen Zustand zu erreichen, wird ein Prozess namens Normalisieren (auch „thermische Geschichte“ genannt) durchgeführt. Das Normalisieren von 1045-Stahl besteht üblicherweise aus diesen Schritten:
   1. Austenitisieren: Den Stahl im Ofen bei 850 °C (1562 °F) in den Austenit-Bereich bringen und dort eine Stunde halten, bis das Metall seine Gleichgewichtstemperatur und die entsprechende Mischkristallstruktur erreicht hat.
   2. Luftkühlen: Den Stahl aus dem Ofen nehmen und an der Luft auf Raumtemperatur abkühlen lassen.

Austenitisieren und Ofenkühlen (Weichglühen / Annealing)

1. Dieser Prozess wird auch als Weichglühen bezeichnet. Während des Weichglühens durchläuft der Stahl folgende Temperaturgeschichte:
   1. Austenitisieren: Den Stahl im Ofen bei 850 °C (1562 °F) in den Austenit-Bereich bringen und dort eine Stunde halten.
   2. Ofenkühlen: Den Stahl langsam im Ofen abkühlen lassen. Temperatur von 850 °C (1562 °F) auf 700 °C (1292 °F) über einen Zeitraum von 10 Stunden absenken lassen.
   3. Luftkühlen: Den Stahl aus dem Ofen nehmen und an der Luft auf Raumtemperatur abkühlen lassen.

Austenitisieren und Abschrecken (Quenching)

1. Austenitisieren: Den Stahl im Ofen bei 850 °C (1562 °F) in den Austenit-Bereich bringen und dort eine Stunde halten.
2. Abschrecken: Den Stahl schnell aus dem Ofen entnehmen, in einen großen Behälter mit Wasser bei Raumtemperatur tauchen und kräftig umrühren. Bei 1045-Stahl wird Wasser bei Raumtemperatur als Abschreckmedium verwendet.

Abschrecken: Schnell Material aus dem Ofen entnehmen, in ein großes Reservoir mit Wasser bei Umgebungstemperatur tauchen und kräftig umrühren.

Für 1045-Stahl ist das Abschreckmedium Wasser bei Raumtemperatur (bei anderen Stählen andere Medien wie Öl oder Sole).

Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen

1. Austenitisieren: Den Stahl im Ofen bei 850 °C (1562 °F) in den Austenit-Bereich bringen und dort eine Stunde halten.
2. Abschrecken: Den Stahl schnell aus dem Ofen entnehmen, in einen großen Behälter mit Wasser bei Raumtemperatur tauchen und kräftig umrühren.
3. Anlassen:
   1. Den Stahl auf die Anlasstemperatur bringen und dort ca. 2 Stunden halten.
   2. Es gibt einen Bereich verschiedener Anlasstemperaturen. Für 1045-Stahl liegt der Bereich zwischen 200 °C (392 °F) und 500 °C (932 °F).
   3. Die verschiedenen Temperaturen führen zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften.
   4. Niedrigere Temperaturen geben höhere Streckgrenze, aber geringere Zähigkeit und Duktilität.
   5. Höhere Temperaturen geben geringere Festigkeit, aber erhöhen Zähigkeit und Duktilität.
4. Luftkühlen: Den Stahl aus dem Ofen nehmen und an der Luft auf Raumtemperatur abkühlen lassen.

Einheitstest

1. Nennen Sie fünf Sicherheitsvorkehrungen bei der Wärmebehandlung.
2. Was ist das Wichtigste, was man beim Härten eines Stahls wissen muss?
3. Wie lange beträgt die Haltezeit (Soak Time) für 1–2 Zoll Materialdicke?
4. Erklären Sie „Soak Time“ (Haltezeit).
5. Was ist der nächste Schritt, nachdem die Haltezeit abgelaufen ist?
6. Auf welcher Temperatur muss das Probenteil zum Anlassen in den Ofen?
7. Erklären Sie „Austenitisieren und Abschrecken“.
8. Was ist „Luftkühlen“ (Air-Cool)?
9. Erklären Sie die Rockwell-Methode.
10. Erklären Sie den Brinell-Härteprüfversuch.

Quellenangabe

Dieses Kapitel wurde aus folgenden Quellen abgeleitet:

• Wärmebehandlung abgeleitet aus „Heat Treatment of Plain Carbon and Low Alloy Steels“ vom Massachusetts Institute of Technology, CC:BY-NC-SA 4.0.
• Brinell-Härteprüfgleichung abgeleitet aus „Brinell Hardness“ von CORE-Materials Resource Finder, CC:BY.