Oberflächenhärtung

Die Oberflächenhärtung, auch Randschichthärtung, ist eine Methode um bei metallischen Bauteilen die äußersten Schichten zu härten.

Der Begriff Randschichthärtung umfasst nach DIN 10 052 jedoch nur die Verfahren, bei denen die Randschicht austenitisiert wird: Flammhärten, Induktionshärten, Laserstrahl- und Elektronenstrahlhärten.

Beim Austenitisieren kommt es zu einer Gefügeumwandlung, da der Stahl bis in den Austenitbereich erhitzt wird.

Beim Nitrieren findet die Härtung hingegen in der Regel ohne Gefügeumwandlung statt.

Allgemeines

Bei einigen Anwendungen ist es durchaus erforderlich, im Inneren eines Werkstückes eine hohe Zähigkeit, die Oberfläche aber hart und verschleißfest zu haben. Anwendungsbeispiele sind beispielsweise Nockenwellen und Zahnräder. Ein weiterer wichtiger Vorteil des Randschichthärtens ist, dass Druckeigenspannungen in der Oberfläche des Bauteils entstehen, die die Schwingfestigkeit der Bauteile beträchtlich verbessern. Nach dem Oberflächenhärten wird das Werkstück angelassen, um die durch das Härten entstandene Sprödigkeit – bei geminderter Härte – herabzusetzen.

Verfahren

Induktiv

Beim induktiven Verfahren wird das Werkstück eine kurze Zeit lang einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt. Dadurch erhitzt sich das Werkstück an der Oberfläche bis hin zur Rotglut. Die Schichttiefe ist abhängig von der Frequenz, je höher die Frequenz ist desto geringer ist die Schichttiefe die ausreichend erwärmt wird. Anschließend wird es abgeschreckt und so gehärtet.

Das Verfahren kommt sehr häufig in der Massenfertigung zur Anwendung weil es sich bei hohen Durchsatz und sehr guter Steuerungsmöglichkeit zuverlässig in automatisierte Abläufe einbinden lässt.

Flammhärten

Ähnlich wie beim Induktivhärten wird beim Flammhärten die Randschicht mit starken Brennerflammen rasch auf Härtetemperatur erwärmt und mit einer Wasserbrause abgeschreckt. Dazu führt man die hintereinander angeordneten Heizflammen und Wasserbrausen langsam über das Werkstück. Die Tiefe der gehärteten Randschicht kann durch die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners eingestellt werden. Der Abstand zwischen Brenner und Brause bestimmt die Haltezeit, diese beeinflusst auch die Härte. Die Form des Brenners und der Brause sind der Werkstückform angepasst.

Einsatzhärten

Nitrier- und Einsatzhärten beruht auf dem Vorgang der Festkörperdiffusion.

Um ein Werkstück so zu härten, wird es in einem abgedichteten Ofen bis mindestens zur halben Schmelztemperatur erwärmt, um die Diffusion durch die Temperaturerhöhnung zu beschleunigen. Dann erzeugt man im Innern des Ofens eine Stickstoff- (Nitrierhärten, Aufsticken) oder Kohlenstoffatmosphäre (Aufkohlen). Die Stickstoff- oder Kohlenstoffatome diffundieren dann in die äußersten Schichten des Werkstückes ein. Die Einhärtetiefe hängt quadratisch von der Zeit ab. Um eine doppelte Einhärtetiefe zu erreichen, muss man das Werkstück viermal so lange im Ofen belassen.

Die so als Zwischengitteratome im Metallgitter eingelagerten Diffusionsatome erzeugen bei der Abkühlung dreidimensionale Gitterfehler, die wiederum durch ihre von der Matrix abweichende Kristallstruktur die Bewegung von Versetzungen behindern und so die Festigkeit im Randbereich der Werkstückoberfläche erhöhen.

Laser- und Elektronenstrahlhärten

Wird zum Randschichthärten für kleine Teilbereiche und geringe Härtetiefen eingesetzt.

Hochenergetische Laser- oder Elektronenstrahl ermöglichen eine zu härtende Oberfläche punktförmig (bzw. gerastert flächig) in sehr kurzer Zeit auf Austenitisierungstemperatur zu erhitzen. Der Abschreckvorgang erfolgt wegen der sehr schnellen Erwärmung direkt im Anschluss durch das Werkstück selbst das wegen der Trägheit der Wärmeleitung in der kurzen Zeit nicht miterhitzt wird.

Elektronenstrahlhärten muss im Vakuum durchgeführt werden. Durch die leichte Ablenkbarkeit des Elektronenstrahls können Bereiche oder Muster mit hoher Präzision gehärtet werden. Anwendungsbeispiel: Technische Messer.

Nachteil des Verfahrens ist die erforderliche, aufwändige Anlagentechnik und die entsprechend hohen Kosten.

Literatur

• Linke, Heinz: Stirnradverzahnung. Hanser Verlag, München 1996, ISBN 3-446-18785-5.
• Liedtke, Dieter: Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen I. Expert Verlag, Renningen 1991, ISBN 978-3-8169-2735-8.