Hardenen

Härten (Oberflächenhärtung) – Verstärkung der Oberflächenbeständigkeit bei der CNC-Bearbeitung

Die Oberflächenhärtung basiert auf dem Prinzip der Veränderung der Mikrostruktur der Metalloberfläche durch Wärmebehandlung. Dies geschieht durch Diffusion von Elementen wie Kohlenstoff oder Stickstoff in die äußere Schicht des Metalls, gefolgt von einer kontrollierten Abkühlung (Abschrecken), um die Härte zu fixieren. Der Kern bleibt davon unberührt und behält seine ursprünglichen mechanischen Eigenschaften, wie Zähigkeit und Flexibilität.

Bei hohen Temperaturen dringen Kohlenstoff- oder Stickstoffatome in die äußere Schicht des Metalls ein. Bei schneller Abkühlung führt dies oft zur Bildung von Martensit, einer harten und spröden Phase. Diese Diffusion kann je nach Anwendung und Material durch verschiedene Methoden erreicht werden, wie z.B. Karbonisieren, Nitrieren und Carbonitrieren. Beim Karbonisieren zum Beispiel wird das Metall bei hohen Temperaturen einer kohlenstoffreichen Umgebung ausgesetzt und anschließend abgeschreckt, wodurch der Kohlenstoff im Oberflächengefüge eingeschlossen wird und eine gehärtete Außenschicht entsteht.

Die Temperatur für die Oberflächenhärtung variiert in der Regel zwischen 850°C und 950°C, abhängig von der Stahlsorte und den gewünschten Eigenschaften. Die Abschreckmedien, wie Öl, Wasser oder Gas, werden nach der gewünschten Abkühlungsgeschwindigkeit ausgewählt; eine schnellere Abkühlung führt in der Regel zu einer höheren Härte.

Arten & Varianten der Oberflächenhärtung

Es gibt verschiedene Arten der Oberflächenhärtung, jede mit spezifischen Vorteilen, abhängig von den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts:

• Karbonisierung: Bei diesem Verfahren wird das Teil in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre erhitzt, wodurch Kohlenstoffatome in die Oberfläche diffundieren. Es wird häufig für Teile aus kohlenstoffarmem Stahl verwendet und erzeugt eine gehärtete Außenschicht, während der Kern duktil bleibt.
• Nitrieren: Bei diesem Verfahren diffundiert Stickstoff bei niedrigeren Temperaturen als beim Karbonisieren in die Oberfläche, typischerweise zwischen 500°C und 550°C. Durch das Nitrieren entsteht eine sehr harte und verschleißfeste Außenschicht, ohne dass ein Abschrecken erforderlich ist. Daher eignet sich dieses Verfahren für Teile, die hohen Oberflächenbelastungen ohne Verformung standhalten müssen.
• Carbonitrieren: Ein Hybridverfahren, bei dem sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff in einem etwas niedrigeren Temperaturbereich (etwa 820°C bis 900°C) diffundiert werden. Karbonitrieren wird zum Härten von Materialien mit einer dünneren Hartschicht verwendet und erhöht die Verschleißfestigkeit von z.B. Befestigungselementen, Zahnrädern und kleinen Automobilteilen.
• Induktionshärtung: Bei dieser lokalisierten Oberflächenhärtung wird die Oberfläche des Metalls durch elektromagnetische Induktion erhitzt und anschließend abgeschreckt. Sie eignet sich für große Teile oder bestimmte Bereiche, wie z.B. Getriebezähne oder Lagerlaufringe.

Jedes dieser Verfahren bietet einzigartige Vorteile in Bezug auf die Aushärtungstiefe, das Oberflächenfinish und die Anwendungsmöglichkeiten.

Materialeignung & Vorbereitung

Die Oberflächenhärtung wird am häufigsten bei kohlenstoffarmen Stählen angewendet. Nach der Diffusion von Kohlenstoff oder Stickstoff bildet sich eine harte äußere Schicht, während der Kern weich bleibt. Stähle mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt können ebenfalls behandelt werden, aber die Wirkung ist aufgrund des höheren ursprünglichen Kohlenstoffgehalts schwächer.

Die richtige Vorbereitung ist entscheidend für einen erfolgreichen Härtungsprozess. Die Teile sollten gründlich gereinigt werden, um alle Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, die die Diffusion von Kohlenstoff oder Stickstoff beeinträchtigen könnten. In einigen Fällen ist ein Vorwärmen erforderlich, um die Gleichmäßigkeit der gehärteten Schicht zu gewährleisten.

Materialien wie Aluminium und die meisten Nichteisenmetalle sind für herkömmliche Oberflächenhärtungsverfahren ungeeignet, da sie nicht den notwendigen Kohlenstoff enthalten oder nicht die erforderlichen Phasenumwandlungen durchlaufen. Legierungen wie Titan können jedoch einer alternativen Oberflächenhärtung unterzogen werden, wie z.B. dem Nitrieren.

Leistungsverbesserungen & Vorteile

Der Hauptvorteil der Oberflächenhärtung ist die deutliche Erhöhung der Oberflächenhärte, die zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit führt. Das Verfahren kann die Härte von Stahlkomponenten auf bis zu 60 HRC (Rockwell-Härteskala) erhöhen. Dies macht oberflächengehärtete Komponenten unter abrasiven Bedingungen außergewöhnlich widerstandsfähig und verlängert ihre Lebensdauer in rauen Arbeitsumgebungen.

Neben der Härte verbessert die Oberflächenhärtung auch die Ermüdungsfestigkeit, da der zähe innere Kern Stöße absorbiert und verhindert, dass sich Risse im Material ausbreiten. Dies ist besonders vorteilhaft für Komponenten wie Zahnräder und Wellen, die zyklischen Belastungen und hohen Drehbeanspruchungen ausgesetzt sind.

Anwendungen & Relevanz nach Branche

Die Oberflächenhärtung ist in Industrien, in denen Komponenten rauen Bedingungen standhalten müssen, unerlässlich. In der Automobilbranche sorgen oberflächengehärtete Zahnräder, Nockenwellen und Kurbelwellen für eine langfristige Leistung unter ständiger Abnutzung und Belastung. In der Luft- und Raumfahrt profitieren Komponenten wie Lager und Fahrwerke von einer höheren Oberflächenhärte und Haltbarkeit, was für die Sicherheit und Zuverlässigkeit entscheidend ist. Gehärtete Teile, wie z. B. schwere Werkzeuge und Fahrzeugteile, werden aufgrund ihrer hohen Oberflächenbeständigkeit und Zähigkeit auch im Bauwesen und in der Verteidigung eingesetzt.

Personalisierung & Prozessoptimierung

Wir bieten umfangreiche Anpassungsmöglichkeiten für unsere Oberflächenhärtungsprozesse. Wir passen Temperaturprofile, Wartezeiten und Abschreckmedien an die spezifischen Anforderungen eines jeden Projekts an. Dank unserer präzisen Steuerung der Kohlenstoff- und Stickstoffdiffusion können wir die Tiefe und Härte der gehärteten Schicht genau auf die Bedürfnisse des Kunden abstimmen. Egal, ob Sie eine dünne, harte Schicht für kleine, schnelle Komponenten oder eine tief gehärtete Schicht für schwere Komponenten benötigen, wir können den Prozess maßschneidern.