Wie Wärmebehandlung Metallteile verbessert: Festigkeit, Spannungsarm & Zerspanbarkeit

Wärmebehandlung verbessert mechanische Werkstoffeigenschaften, baut Eigenspannungen ab und erhöht die Zerspanbarkeit von Metallen. Je nach Zweck unterteilt man in vorbereitende und endgültige Wärmebehandlung.

Vorbereitende Wärmebehandlung

Ziel: Bearbeitbarkeit verbessern, innere Spannungen beseitigen, günstiges Gefüge für Endwärmebehandlung schaffen. Verfahren: Glühen, Normalisieren, Altern, Vergüten.

(1) Glühen und Normalisieren

Für warmgeformte Rohlinge. C > 0,5 % (C-Stahl, Legierungsstahl) → Weichglühen zur Herabsetzung der Härte für gute Zerspanbarkeit. C < 0,5 % → Normalisieren, um zu niedrige Härte (Aufkleben am Werkzeug) zu vermeiden. Beide verfeinern Korn und vereinheitlichen Gefüge für spätere Wärmebehandlung. Meist nach Rohlingherstellung, vor Rohbearbeitung eingeplant.

(2) Altern (Aging)

Hauptzweck: Beseitigung innerer Spannungen aus Rohlingherstellung und Bearbeitung.

• Allgemeine Präzision: Ein Altern vor Feinbearbeitung, um Transportaufwand zu begrenzen.
• Hohe Präzision (z. B. Koordinatenbohrwerk-Gehäuse): Zwei oder mehrere Altern-Schritte.
• Einfache Teile: Kein Altern.

Zusätzlich zu Gussteilen: Bei präzisionskritischen, steifigkeitsarmen Teilen (z. B. Präzisionsgewindespindeln) werden mehrere Altern zwischen Roh- und Halbfertigbearbeitung eingeschoben, um Bearbeitungsspannungen abzubauen und Genauigkeit zu stabilisieren. Wellen erhalten oft Altern nach dem Richten.

(3) Vergüten (Quenching & Tempering)

Hochanlassen nach dem Härten. Erzeugt feines, gleichmäßiges Anlassgefüge (Troostit) – vorbereitend für nachfolgendes Randschichthärten/Nitrieren zur Verzugsminimierung. Vergüten kann also auch vorbereitende Wärmebehandlung sein.

Wegen guter Gesamteigenschaften nach Vergüten dient es bei Teilen ohne hohe Härte-/Verschleißanforderung auch als endgültige Wärmebehandlung.

2. Endgültige Wärmebehandlung

Ziel: Verbesserung mechanischer Eigenschaften – Härte, Verschleißfestigkeit, Festigkeit.

(1) Härten (Quenching)

Unterscheidung: Randschichthärten und Durchhärten. Randschichthärten weit verbreitet: geringer Verzug, Oxidation/Entkarburisierung; hohe Randfestigkeit, gute Verschleißfestigkeit, Kern bleibt zäh und schlagzäh. Zur Verbesserung der Eigenschaften randgehärteter Teile oft vorbereitend Vergüten oder Normalisieren. Typischer Prozessweg:

Rohling – Schmieden – Normalisieren (Glühen) – Rohbearbeitung – Vergüten – Halbfertigbearbeitung – Randschichthärten – Fertigbearbeitung

(2) Einsatzhärten (Carburizing & Quenching)

Für niedriglegierte Stähle (C < 0,25 %). Zunächst Kohlenstoffanreicherung der Randschicht. Nach Härten: harte Randzone, Kern behält Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität. Unterscheidung: Gesamteinsatz und Teil-Einsatz. Bei Teil-Einsatz: Nicht-Einsatzbereiche schützen (Kupferbeschichtung oder Anti-Eintrittsbeschichtung). Da Einsatzhärten großen Verzug verursacht und Einsatztiefe 0,5–2 mm beträgt, wird es meist zwischen Halb- und Fertigbearbeitung eingeplant.

Prozessweg: Rohling – Schmieden – Normalisieren – Roh- & Halbfertigbearbeitung – Einsatzhärten – Fertigbearbeitung

Bei Teil-Einsatz mit Aufmaßstrategie (übermäßige Einsatzschicht nachträglich entfernen): Entfernungsbearbeitung nach Einsatzhärten, vor Härten anordnen.

(3) Nitrieren

Stickstoffdiffusion in Metalloberfläche → nitridhaltige Verbindungsschicht. Erhöht Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit. Niedrige Behandlungs-temperatur → geringer Verzug, dünne Schicht (≤ 0,6–0,7 mm) → Nitrieren so spät wie möglich einplanen. Zur Verzugsminimierung vor Nitrieren meist spannungsarmglühen (hochtemperatur) nach der Bearbeitung.