Was ist Einsatzhärten?

Die Fähigkeit, Verschleiß und Eindrücken zu widerstehen, sind zwei sehr wichtige Eigenschaften bestimmter Metallarten. Die Härte, das Maß dieser Eigenschaften, ist ein wichtiger Aspekt bei der Entscheidung für das zu wählende Metall. Um sicherzustellen, dass die Härte des Metallsubstrats angemessen ist, ändern einige Metalle ihre Oberflächenhärte durch ein Verfahren, das als Oberflächenhärtung bezeichnet wird.

Einsatzhärten ist eine Technik zur Verbesserung der Haltbarkeit und des Aussehens einer Metalloberfläche, bei der die Metalloberfläche durch Hinzufügen einer dünnen Schicht einer anderen Metalllegierung auf der oberen Oberfläche verstärkt wird. Die dünne Legierungsschicht ist normalerweise härter und haltbarer als das ursprüngliche Metall.

Was ist Einsatzhärten?

Das Einsatzhärten wird auch als „Oberflächenhärten“ bezeichnet. Es ist ein Wärmebehandlungsprozess, der die Oberfläche des Metallteils härtet, während das Innere des Teils relativ weich bleibt.

Bei Eisen oder Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt beinhaltet das Einsatzhärteverfahren normalerweise das Hinzufügen von zusätzlichem Kohlenstoff oder Stickstoff zur Oberfläche. Feste Metalle enthalten Moleküle und Atome, die dicht in eine kristalline Struktur gepackt sind. Wenn Kohlenstoff aus dem kohlenstoffhaltigen Material auf der Oberfläche von kohlenstoffarmem Stahl oder legiertem Stahl in die Kristallstruktur diffundiert, nehmen die Festigkeit und Härte der Außenschicht stark zu. Die Schalentiefe der Kohlenstoffdiffusion kann fein gesteuert werden, um die mechanischen Eigenschaften der Schale zu bestimmen.

Warum einsatzhärten?

Es gibt viele Gründe dafür, ein Material oberflächenzuhärten, anstatt zu versuchen, ein ganzes Metallobjekt zu härten. Ein Grund ist die Effizienz. Verglichen mit dem gesamten Querschnitt des Metalls wird weniger Energie und Zeit benötigt, um die äußerste Oberfläche des Metalls zu erhitzen. Diese Effizienzen können bei großen Herstellungsvorgängen eine Menge Kosten sparen.

Einsatzgehärtete Teile eignen sich sehr gut für Teile, die in ständigem Kontakt mit harten oder abrasiven Teilen stehen, da oberflächengehärtete Teile verschleißfester und normalerweise stärker sind als Teile, die dem „Durchhärtungsverfahren“ unterzogen wurden, da der Kern von oberflächengehärteten Teilen ist weich, sodass es größeren Belastungen standhalten kann, ohne zu reißen. Während des Oberflächenhärtungsprozesses werden auch verschiedene Metalle (z. B. dünne Stahlschichten) während des Herstellungsprozesses niedrigeren Temperaturen ausgesetzt, um Verformungen zu vermeiden.

Arten von Einsatzhärtemethoden

Erhitzen und Abschrecken

Auch Flamm- oder Induktionshärtung genannt. Wie der Name schon sagt, beinhaltet dieser Härtungsprozess von Metalloberflächen Flamme oder Hitze. Bei diesem Verfahren werden Teile aus Kohlenstoffstahl durch Sauerstoffflamme oder Induktionserwärmung auf extreme Temperaturen erhitzt, und dann werden die erhitzten Teile aus Kohlenstoffstahl schnell durch ein Kühlmittel (normalerweise Wasser) abgekühlt. Diese Flammlöschung hat nur bei Stahl oder Eisen mit ausreichendem Kohlenstoffgehalt eine gute Wirkung. Der Kohlenstoffgehalt muss 0,3–0,6 Gew.-% C betragen. Für Stahl- oder Eisenwerkstoffe mit einem Kohlenstoffgehalt unter diesem Wert gibt es andere Verfahren, wie Nitrieren und Aufkohlen.

Nitrieren

Nitrieren ist eine weitere Form der Oberflächenhärtungstechnologie. Dabei werden Stahlteile in einer Umgebung aus Ammoniak und dissoziiertem Ammoniak auf 484-621°C erhitzt. Die Tiefe der gehärteten Oberfläche hängt davon ab, wie lange das Stahlteil in der Ammoniakumgebung bleibt. Dieses Verfahren muss Elemente wie Chrom, Molybdän und Aluminium verwenden, um Nitride zu bilden, um die Oberfläche von Stahlteilen zu härten. Erhöhte Temperatur und Einwirkung von Stickstoff fördern die Bildung von Nitriden, die von Natur aus sehr hart und verschleißfest sind. Dieser Prozess ist nur effektiv, wenn das Metall mit Elementen härtet, die Nitride bilden können (wie Chrom und Molybdän). Das Nitrieren erfordert normalerweise eine niedrigere Temperatur als das Erhitzen und Abschrecken und erfordert keinen Abschreckprozess, wodurch die Verformung verringert wird.

Aufkohlung

Das Aufkohlen ist eine weitere Form der Oberflächenhärtung, die weit verbreitet ist, um die mechanischen Eigenschaften von Stahlsubstraten zu verbessern. Beim Aufkohlungsprozess wird die Stahllegierung auf eine hohe Temperatur erhitzt und dann an ihrer Oberfläche einer großen Menge Kohlenstoff ausgesetzt. Abhängig von den Anwendungsanforderungen kann die externe Kohlenstoffquelle gasförmig, flüssig oder fest sein. Eine große Menge an externem Kohlenstoff bildet dann mit anderen Elementen auf der Stahloberfläche Karbide. Diese Karbide bieten eine höhere Härte und Verschleißfestigkeit. Ähnlich wie beim Nitrieren sind die Erwärmungsanforderungen normalerweise geringer und können zu einer geringeren Verformung führen.

Vorteile des Einsatzhärtens

1. Die Oberflächenhärtung verbessert die Haltbarkeit und den wirtschaftlichen Einsatz von Stahlteilen

Einer der Hauptvorteile des Einsatzhärtens besteht darin, dass es eine verbesserte Haltbarkeit für Stahlkomponenten bietet. Die durch die Oberflächenhärtung erzeugte mechanische Festigkeit und Oberflächenhärte sowie der Erhalt des weichen Kerns verbessern die Verschleißfestigkeit und Lebensdauer des Bauteils erheblich. Die Beibehaltung eines weicheren Kerns kann die Fähigkeit verbessern, die durch die Stoßbelastung freigesetzte Energie zu absorbieren, wodurch die Lebensdauer und die wirtschaftlichen Vorteile verlängert werden.

2. Durch Oberflächenhärtung kann Stahl mit ausgezeichneter Bearbeitbarkeit für Hochleistungsanwendungen verwendet werden

Im Allgemeinen haben Legierungen, die für Hochleistungsanwendungen verwendet werden, eine geringe Bearbeitbarkeit, da sie härter und fester sein müssen. In diesem Fall ermöglicht der Oberflächenhärtungsprozess die Verwendung von kohlenstoffarmem Stahl mit präziser Bearbeitbarkeit in Waffen- und Pistolenanwendungen sowie in anderen ähnlichen Hochleistungsanwendungen, die mechanische Festigkeit, feine Oberflächenbehandlung und präzise Geometrie erfordern. Die anschließende Oberflächenhärtung nach der Bearbeitung bietet eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Härte für die Oberfläche von präzisionsgefertigten Teilen.

3. Oberflächenhärtung verbessert die Schweißbarkeit von Stahl

Die Oberflächenhärtung verbessert die Schweißbarkeit von Stahl, was für bestimmte technische Anwendungen wichtig ist.

4. Oberflächenhärtung durch Nitrieren kann Verformungen minimieren

Die Oberflächenhärtung von Stahl durch Nitrieren kann eine kostengünstige, verschleißfeste tragende Oberfläche mit minimaler Verformung erzeugen. Bei Temperaturen um 150 °C (302 °F) verliert die nitrierte Oberfläche nicht an Härte wie aufgekohlter Stahl.

Schlussfolgerung

In Anwendungen, in denen Bauteile Stoßbelastungen, Vibrationen und Fluchtungsfehlern ausgesetzt sind, ist einsatzgehärteter Stahl die erste Wahl. Anders als durchgehärteter Stahl werden oberflächengehärteter kohlenstoffarmer Stahl und legierter Stahl zäh, stark, hart und nicht spröde. Die Oberflächenhärtung erzeugt auch eine verschleißfeste Oberfläche, die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit bietet.