Wie härtet man Stahl aus? Methoden, Schritte und Tipps

Was Einsatzhärten tatsächlich mit Stahl macht

Einsatzhärten ist ein Wärmebehandlungsprozess, der die äußere Oberfläche eines Stahlteils härtet und gleichzeitig den inneren Kern zäh und duktil hält. Das Ergebnis ist ein Bauteil, das an der Außenseite Verschleiß und Oberflächenermüdung widersteht, aber an der Innenseite Stöße und Belastungen absorbieren kann, ohne zu reißen. Diese Kombination ist genau das, was Schmiedestahl und bearbeitete Komponenten in anspruchsvollen Anwendungen wie Zahnrädern, Nockenwellen, Achsen und Schneidwerkzeugen erfordern.

Die gehärtete Außenschicht – „Gehäuse“ genannt – reicht typischerweise von 0,1 mm bis über 3 mm tief , abhängig von der verwendeten Methodee und der Belichtungszeit. Der Kern bleibt relativ weich, normalerweise zwischen 20 und 40 HRC, während das Gehäuse dies erreichen kann 58–65 HRC in gut kontrollierten Prozessen. Diese Zwei-Zonen-Struktur ist durch Durchhärten allein nicht erreichbar, weshalb Einsatzhärten eine besondere und äußerst praktische Technik beim Schmieden und Herstellen von Stahl ist.

Es ist zu beachten, dass nicht alle Stähle gleichermaßen auf Einsatzhärtung reagieren. Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (0,1–0,3 % Kohlenstoff) werden am häufigsten einsatzgehärtet, da ihre Kerne nach der Behandlung duktil bleiben. Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt können ebenfalls behandelt werden, Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt werden jedoch in der Regel durchgehärtet, da ihre Kerne bereits in der Lage sind, eine hohe Härte zu erreichen.

Die wichtigsten Methoden zum Einsatzhärten von Stahl

Es gibt mehrere etablierte Methoden zum Einsatzhärten von Stahl, die jeweils für unterschiedliche Materialien, Einsatztiefenanforderungen und Produktionsumgebungen geeignet sind. Die Wahl des richtigen Stahls hängt von der Basisstahllegierung, der gewünschten Oberflächenhärte, den Maßtoleranzen und der verfügbaren Ausrüstung ab.

Aufkohlen

Aufkohlen ist die am weitesten verbreitete Einsatzhärtemethode für Schmiedeteile aus Stahl. Bei diesem Verfahren wird kohlenstoffarmer Stahl typischerweise einer kohlenstoffreichen Umgebung bei hohen Temperaturen ausgesetzt 850 °C bis 950 °C (1560 °F bis 1740 °F) – lange genug, damit Kohlenstoff in die Oberfläche diffundieren kann. Sobald ausreichend Kohlenstoff absorbiert wurde, wird das Teil abgeschreckt, um es in der gehärteten Schicht zu fixieren.

Es gibt drei gängige Varianten des Aufkohlens:

• Gasaufkohlung: Das Teil wird in einen Ofen mit einer kohlenstoffhaltigen Gasatmosphäre gebracht, in der Regel mit Erdgas oder Propan angereichertes endothermes Gas. Dies ist die am besten kontrollierbare und skalierbare Methode, die in der Automobil- und Stahlschmiedeindustrie weit verbreitet ist.
• Paketaufkohlung: Das Stahlteil wird in einen Behälter mit festem kohlenstoffhaltigem Material (wie Holzkohle gemischt mit Bariumcarbonat) gepackt und mehrere Stunden lang erhitzt. Dies ist eine Niedrig-Tech-Methode, die immer noch in kleinen Werkstätten oder für unregelmäßige Formen verwendet wird.
• Flüssiges (Salzbad-)Aufkohlen: Das Teil wird in ein geschmolzenes Salzbad auf Cyanidbasis getaucht. Es ist schnell und effektiv, beinhaltet jedoch gefährliche Chemikalien, weshalb seine Verwendung aufgrund von Umwelt- und Sicherheitsbedenken zurückgegangen ist.

Ein typischer Gasaufkohlungszyklus zum Erreichen von a 1 mm Gehäusetiefe Bei einem kohlenstoffarmen Stahl wie AISI 8620 dauert die Bearbeitung bei 930 °C etwa 8–10 Stunden. Nach dem Aufkohlen wird das Teil in Öl oder Wasser abgeschreckt und dann bei 150–200 °C angelassen, um Abschreckspannungen abzubauen und gleichzeitig die Oberflächenhärte über 60 HRC zu halten.

Nitrieren

Beim Nitrieren wird Stickstoff anstelle von Kohlenstoff in die Stahloberfläche eingebracht. Es arbeitet bei deutlich niedrigeren Temperaturen – 480 °C bis 590 °C (900 °F bis 1095 °F) — was bedeutet, dass die Verformung minimal ist und kein Abschrecken erforderlich ist. Dadurch eignet sich das Nitrieren besonders für Präzisionsbauteile und Fertigteile, bei denen es auf die Maßhaltigkeit ankommt.

Der resultierende Fall ist flacher als beim Aufkohlen (typischerweise). 0,1 mm bis 0,6 mm ), die Oberflächenhärte kann jedoch überschritten werden 70 HRC-Äquivalent (1100 HV) in legierten Stählen, die nitridbildende Elemente wie Chrom, Molybdän, Aluminium und Vanadium enthalten. Zu den gängigen Nitriersorten gehören AISI 4140, 4340 und Nitrallegierungsstähle.

Beim Gasnitrieren wird dissoziiertes Ammoniak in einem Ofen verwendet. Beim Plasmanitrieren (Ionennitrieren) wird Stickstoff mithilfe einer elektrischen Glimmentladung eingebracht, wodurch komplexe Geometrien gleichmäßiger behandelt werden können. Salzbadnitrieren (ferritisches Nitrocarburieren) ist schneller und verbessert sowohl die Verschleißfestigkeit als auch die Korrosionsbeständigkeit.

Induktionshärten

Beim Induktionshärten kommt es nicht zu einer chemischen Diffusion. Stattdessen wird elektromagnetische Induktion genutzt, um die Oberfläche eines Stahlteils schnell auf über seine Austenitisierungstemperatur zu erhitzen und anschließend sofort abzuschrecken. Der Prozess ist extrem schnell – es kann zu einer Oberflächenerwärmung kommen 1 bis 10 Sekunden – und erzeugt eine harte martensitische Hülle, ohne den Kern zu beeinträchtigen.

Für diese Methode sind Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,35–0,55 % Kohlenstoff) oder legierte Stähle erforderlich, die bereits über ausreichend Kohlenstoff verfügen, um beim Abschrecken Martensit zu bilden. Es wird häufig für Wellen, Zahnräder, Kurbelwellen und Schienenkomponenten in der Stahlschmiede- und Automobilbranche verwendet. Die Falltiefen reichen typischerweise von 1 mm bis 6 mm abhängig von der verwendeten Frequenz und der Aufheizzeit.

Höhere Induktionsfrequenzen erzeugen flachere Fälle; Niedrigere Frequenzen dringen tiefer ein. Eine 10-kHz-Frequenz könnte einen Durchmesser von 3–5 mm erreichen, während eine 200-kHz-Frequenz möglicherweise nur 0,5–1 mm erreicht. Die Härte erreicht typischerweise 55–62 HRC auf richtig ausgewählten Stählen.

Flammhärten

Beim Flammhärten wird die Stahloberfläche mit einer direkten Oxy-Acetylen- oder Oxy-Propan-Flamme schnell erhitzt und anschließend mit Wasser abgeschreckt. Es handelt sich um eine der ältesten Methoden zur selektiven Oberflächenhärtung und erfordert keine spezielle Ofenausrüstung. Die Technik funktioniert bei Stählen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und legierten Stählen und wird häufig bei großen oder unhandlichen Teilen angewendet – wie großen Schmiedeteilen, Maschinenführungen und Kettenrädern –, die nicht einfach in Öfen oder Induktionsspulen passen.

Die Einsatztiefen beim Flammhärten variieren stark 1,5 mm bis 6 mm Es sind Härtewerte von 50–60 HRC erreichbar. Allerdings ist der Prozess weniger kontrollierbar als das Induktionshärten, und um bei komplexen Formen eine gleichmäßige Härtetiefe zu erreichen, sind erfahrene Bediener erforderlich.

Cyanidieren und Carbonitrieren

Beim Carbonitrieren werden gleichzeitig Kohlenstoff und Stickstoff bei Temperaturen von 100 °C in die Stahloberfläche eingebracht 700°C bis 900°C . Es wird oft als eine Mischung aus Aufkohlen und Nitrieren betrachtet. Die Anwesenheit von Stickstoff verringert die erforderliche Abschreckhärte, verringert den Verzug und verbessert die Härtbarkeit. Die Einsatztiefen sind im Allgemeinen geringer als beim Vollaufkohlen – 0,07 mm bis 0,75 mm – und es wird häufig für dünnwandige Teile, Verbindungselemente und kleine Zahnräder verwendet.

Bei der Zyanidierung wird ein flüssiges Natriumcyanidbad verwendet, um gleichzeitig Kohlenstoff und Stickstoff einzuführen. Obwohl sie effektiv und schnell ist, hat die toxische Natur von Cyanidsalzen diese Methode aufgrund von Umweltvorschriften in den meisten Ländern weitgehend überflüssig gemacht.

Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Aufkohlen von Stahl zu Hause oder in der Werkstatt

Für diejenigen, die außerhalb eines industriellen Umfelds arbeiten – in einer Schmiede, einer kleinen Maschinenwerkstatt oder einer Heimschmiede – ist das Aufkohlen von Paketen die am besten zugängliche Methode. Hier finden Sie eine praktische Anleitung für den Prozess.

1. Wählen Sie den richtigen Stahl. Verwenden Sie einen kohlenstoffarmen Stahl wie 1018, 1020 oder A36. Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt profitieren nicht in gleicher Weise vom Aufkohlen. Gebräuchliche Ausgangsmaterialien sind Schmiedeknüppel aus kohlenstoffarmen Stahlsorten.
2. Reinigen Sie das Teil gründlich. Entfernen Sie sämtliches Öl, Zunder, Rost und Verunreinigungen von der Oberfläche. Verunreinigungen wirken als Barrieren für die Kohlenstoffdiffusion und führen zu einer ungleichmäßigen Gehäusetiefe.
3. Bereiten Sie die Aufkohlungsmasse vor. Mischen Sie Hartholzkohle (zerkleinert in 6–12 mm große Stücke) mit einem Karbonat-Energizer – Bariumkarbonat mit 10–20 Gewichtsprozent ist traditionell, obwohl Kalziumkarbonat (Kalksteinpulver) eine sicherere Alternative darstellt. Das Carbonat reagiert mit Kohlenmonoxid im Behälter und erzeugt CO₂, das wieder zu CO umgewandelt wird und die kohlenstoffreiche Atmosphäre aufrechterhält.
4. Packen Sie den Behälter. Legen Sie das Teil in eine Metallbox oder einen versiegelten Behälter (Gusseisen oder dicker Stahl). Packen Sie die Holzkohlemasse um das Teil herum und achten Sie darauf, dass auf allen Seiten mindestens 25 mm Masse vorhanden ist. Verschließen Sie den Deckel mit feuerfestem Zement oder Schamott, um den Gasaustritt zu minimieren.
5. In einem Ofen erhitzen. Stellen Sie den verpackten Behälter in einen Ofen und bringen Sie ihn zum Erhitzen 900 °C–950 °C (1650 °F–1740 °F) . Behalten Sie diese Temperatur für die erforderliche Einweichzeit bei. Als grober Richtwert gilt: 1 Stunde bei 900 °C ergibt eine Härtetiefe von etwa 0,25 mm; 8 Stunden ergeben ca. 1 mm.
6. Teil abschrecken. Das noch heiße Teil aus der Box nehmen und sofort in Öl (Motoröl oder Abschrecköl) abschrecken. Das Abschrecken mit Wasser ist schneller, erhöht jedoch das Risiko von Rissen. Das Abschrecken mit Öl ist für die meisten Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt geeignet und führt zu einer Einsatzhärte von 58–63 HRC.
7. Zustand nach dem Abschrecken. Erwärmen Sie das Teil erneut für 1–2 Stunden auf 150–200 °C (300–390 °F), um die innere Spannung durch das Abschrecken abzubauen. Dadurch wird die Sprödigkeit verringert und gleichzeitig die Oberflächenhärte erhalten. Wenn dieser Schritt übersprungen wird, besteht die Gefahr von Mikrorissen.

Ein häufig verwendeter Feldtest für die Gehäusehärte ist der Feilentest: Eine neue, scharfe Feile sollte ohne Schneiden von der Oberfläche gleiten, wenn das Gehäuse vollständig ausgehärtet ist. Für eine genauere Messung sind die Rockwell-Härteprüfung (HRC-Skala) oder die Vickers-Mikrohärteprüfung an einem Querschnitt Standardansätze.

Vergleich von Einsatzhärtungsmethoden: Ein praktischer Überblick

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zwischen den gängigsten Einsatzhärtungsmethoden zusammen, um bei der Auswahl des richtigen Prozesses für eine bestimmte Anwendung zu helfen.

Für das Einsatzhärten am besten geeignete Stahlsorten

Nicht jede Stahlsorte reagiert auf die Einsatzhärtung gleich. Die Wahl des Grundmaterials beeinflusst maßgeblich die erreichbare Härtetiefe, Kernzähigkeit und Dimensionsstabilität nach der Behandlung. Bei Stahlschmiedeanwendungen ist die Abstimmung der richtigen Sorte auf den Einsatzhärtungsprozess von entscheidender Bedeutung für die Leistung des Teils.

Kohlenstoffarme Stähle zum Aufkohlen

• AISI 1018 / 1020: Die gebräuchlichste und wirtschaftlichste Wahl. Wird für Wellen, Stifte und allgemeine Schmiedeteile aus Stahl verwendet, bei denen Oberflächenverschleißfestigkeit erforderlich ist, die Kosten jedoch kontrolliert werden müssen. Vor der Behandlung leicht zu bearbeiten.
• AISI 8620: Ein legierter Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl, der häufig bei der Herstellung von Zahnrädern und Wellen verwendet wird. Es karburiert zuverlässig und bietet nach der Wärmebehandlung eine hervorragende Kernzähigkeit, was es zu einer Benchmark-Sorte für das Stahlschmieden von Antriebsstrangkomponenten macht.
• AISI 9310: Wird in Hochleistungsanwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in Schwerlastgetrieben eingesetzt. Bietet außergewöhnliche Kernfestigkeit und Einsatzhärtbarkeit aufgrund des hohen Nickelgehalts.
• AISI 4118 / 4320: Chrom-Molybdän-Sorten mit guter Härtbarkeit. Wird in Getriebegetrieben und Schmiedeteilen verwendet, die größere Einsatztiefen und eine bessere Ermüdungsbeständigkeit erfordern.

Legierte Stähle zum Nitrieren

• AISI 4140: Ein vielseitiger Chrom-Molybdän-Stahl, der gut auf Gasnitrieren reagiert. Wird häufig für Werkzeughalter, Spindeln und Präzisionswellen in Stahlschmiedeanlagen verwendet.
• AISI 4340: Ein hochfester legierter Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl. Nach dem Nitrieren wird eine hervorragende Kombination aus Oberflächenhärte und Kernzähigkeit erreicht. Häufig in Schmiedeteilen und Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt.
• Nitralloy 135M: Speziell für das Nitrieren entwickelt und enthält Aluminium als nitridbildendes Element. Erzeugt einige der höchsten Oberflächenhärtewerte, die durch Nitrieren erreichbar sind, oft über 1000 HV.

Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt für Induktions- und Flammhärten

• AISI 1045: Ein weit verbreiteter Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt zum Induktionshärten. Häufig in Wellen, Achsen und Schmiedeteilen für landwirtschaftliche Geräte. Erreicht nach der Induktionsbehandlung eine Oberflächenhärte von 55–60 HRC.
• AISI 4140 / 4340: Auch zum Induktionshärten geeignet, wenn es bei hohen Oberflächentemperaturen abgeschreckt wird. Wird in Kurbelzapfen, Bohrmanschettenschmiedestücken und schweren technischen Bauteilen verwendet.
• AISI 1060 / 1080: Aufgrund des höheren Kohlenstoffgehalts eignen sie sich für Schienen- und Federanwendungen, bei denen Flammhärten auf Kontaktflächen mit hohem Verschleiß durchgeführt wird.

Wie Case Hardening mit dem interagiert Stahlschmieden Prozess

In der industriellen Fertigung erfolgt das Einsatzhärten fast immer nach dem Schmieden. Das Schmieden von Stahl – ob Freiform-, Gesenk- oder Walzenschmieden – verfeinert die Kornstruktur des Stahls und richtet den Kornfluss an der Teilegeometrie aus. Diese Kornverfeinerung verbessert die mechanischen Eigenschaften des Stahls, bevor eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.

Nach dem Schmieden von Stahl werden die Teile typischerweise normalisiert oder geglüht, um Schmiedespannungen abzubauen, und dann auf nahezu endgültige Abmessungen vorbearbeitet. In dieser Phase wird die Einsatzhärtung angewendet. Die Reihenfolge ist wichtig: Wenn ein Teil vor dem Einsatzhärten fertig bearbeitet wird, kann der Härteprozess zu geringfügigen Maßänderungen (Verzerrungen) führen, die das Teil aus der Toleranz bringen. Die meisten Hersteller belassen das Schleifen oder Fertigbearbeiten als letzten Schritt nach dem Härten.

Beim Aufkohlen von Schmiedestücken trägt die feine Kornstruktur, die beim Stahlschmieden entsteht, dazu bei, die Variabilität der Kohlenstoffdiffusion zu begrenzen und unterstützt eine gleichmäßigere Härtetiefe über komplexe Geometrien hinweg. Schmiedestücke mit dichter Kornstruktur zeigen auch eine bessere Ermüdungsbeständigkeit in der Übergangszone zwischen Gehäuse und Kern, wo bei zyklischer Belastung häufig Ermüdungsrisse entstehen.

Beispielsweise werden Getrieberäder für Kraftfahrzeuge, die durch Gesenkschmieden aus 8620-Stahl hergestellt werden, routinemäßig auf eine Einsatztiefe von aufgekohlt 0,8–1,2 mm , abgeschreckt, angelassen und anschließend fertig geschliffen. Durch diese Kombination aus Schmieden und Aufkohlen entstehen Bauteile, die Kontaktbelastungen von mehr als 100 % standhalten 1500 MPa über Millionen von Ladezyklen – Leistung, die kein Verfahren alleine erreichen könnte.

Kontrolle der Einsatztiefe und Härtekonsistenz

Eines der häufigsten Probleme beim Einsatzhärten ist die inkonsistente Einsatztiefe. Dies kann im Betrieb zu vorzeitiger Oberflächenermüdung, Abplatzungen oder Rissen führen. Mehrere Variablen bestimmen die Konsistenz der Härtetiefe, und ihre Kontrolle ist es, was eine qualitativ hochwertige Wärmebehandlung von einer schlechten Praxis unterscheidet.

Temperaturgleichmäßigkeit im Ofen

Temperaturgradienten innerhalb eines Ofens führen direkt zu Schwankungen der Gehäusetiefe innerhalb einer Charge. Eine Charge von Zahnrädern, die in einem Ofen mit a verarbeitet wurden ±15°C Temperaturschwankung Es kommt zu Unterschieden in der Einsatztiefe von 10–15 % über die gesamte Ladung hinweg. Industrielle Gasaufkohlungsöfen sind in der Regel auf Wartung ausgelegt ±5°C Gleichmäßigkeit im gesamten Arbeitsbereich. Die Kalibrierung von Thermoelementen und die Ofenqualifizierung (gemäß Standards wie AMS 2750 oder CQI-9) gehören zur Standardpraxis in qualitätskontrollierten Wärmebehandlungsanlagen.

Kontrolle des Kohlenstoffpotenzials bei der Gasaufkohlung

Beim Gasaufkohlen muss das Kohlenstoffpotential der Ofenatmosphäre sorgfältig reguliert werden. Ein zu hohes Kohlenstoffpotential führt zur Bildung von Oberflächenkarbidnetzwerken – spröde, plattenförmige Eisenkarbide an den Korngrenzen, die die Ermüdungslebensdauer erheblich verkürzen. Ein zu niedriges Kohlenstoffpotential führt zu unzureichendem Oberflächenkohlenstoff und einer unzureichend harten Hülle. Die meisten Ofensysteme verwenden Sauerstoffsonden (Shim-Stock-Sonden oder Lambda-Sonden), um das Kohlenstoffpotenzial kontinuierlich zu überwachen und gezielt anzupassen 0,8 %–1,0 % Oberflächenkohlenstoff für die meisten Getriebe- und Wellenanwendungen.

Quench-Schweregrad und Vorrichtungsdesign

Ungleichmäßiges Abschrecken ist eine weitere Hauptursache für Verformungen und ungleichmäßige Härte. Teile, die in unterschiedlicher Ausrichtung in die Abschreckung gelangen oder bei denen das Abschreckmedium das Teil ungleichmäßig umströmt, kühlen unterschiedlich schnell ab und erzeugen in verschiedenen Zonen unterschiedliche Mikrostrukturen. Richtig konstruierte Vorrichtungen halten die Teile während des Abschreckens sicher und ermöglichen einen gleichmäßigen Zugang des Abschreckmediums zu allen Oberflächen. Die Öltemperatur während des Abschreckens wird typischerweise auf diesem Wert gehalten 40°C–80°C (100°F–175°F) für die meisten Stahlschmiedeanwendungen – kaltes Öl härtet zu stark ab, heißes Öl härtet zu langsam ab.

Inspektion nach der Behandlung

Die Überprüfung der Ergebnisse der Einsatzhärtung erfolgt durch zerstörende und zerstörungsfreie Tests. Bei der zerstörenden Prüfung wird ein Querschnitt aus einem Probenstück geschnitten, das mit der Produktionscharge verarbeitet wurde, und dann die Härte in inkrementellen Tiefen mit einem Vickers-Mikrohärteprüfgerät gemessen, um ein Härteprofil zu erstellen. Die effektive Härtetiefe ist definiert als die Tiefe, auf die die Härte abfällt 550 HV (ca. 52 HRC) gemäß ISO 2639. Zu den zerstörungsfreien Methoden gehören die Analyse des magnetischen Barkhausen-Rauschens und die Wirbelstromprüfung, mit der Anomalien der Härtetiefe und der Oberflächenhärte erkannt werden können, ohne das Teil zu zerschneiden.

Häufige Fehler beim Case Hardening und wie man sie vermeidet

Die meisten Fehler beim Case Hardening in der Praxis lassen sich auf eine kleine Anzahl vermeidbarer Fehler zurückführen. Das Erkennen dieser Fehler im Voraus – egal ob in einer Produktionswerkstatt oder einer kleinen Schmiede – verhindert kostspielige Nacharbeiten und Teileausschuss.

• Falsches Grundmaterial: Der Versuch, kohlenstoffreichen Stahl aufzukohlen, bietet kaum Vorteile und kann zu spröden Karbidnetzwerken führen. Bestätigen Sie immer den Kohlenstoffgehalt des Basisstahls, bevor Sie eine Einsatzhärtungsmethode auswählen.
• Das Temperament überspringen: Vergüteter Stahl ohne Anlassen steht unter enormer innerer Spannung. Teile können Stunden nach dem Abschrecken Risse bekommen, wenn sie nicht rechtzeitig angelassen werden. Tempern Sie immer innerhalb weniger Stunden nach dem Abschrecken, auch wenn es sich nur um ein einstündiges Einweichen bei 160 °C handelt.
• Ungleichmäßige Erwärmung vor dem Abschrecken: Ein Teil, das beim Abschrecken keine gleichmäßige Austenitisierungstemperatur aufweist, weist eine ungleichmäßige Mikrostruktur auf. Stellen Sie vor dem Abschrecken eine ausreichende Einwirkzeit bei der Verarbeitungstemperatur sicher. Dünne Abschnitte benötigen möglicherweise nur 15–20 Minuten Einweichen; Bei dicken Schmiedestücken kann es eine Stunde oder länger dauern.
• Oberflächenverschmutzung: Durch Öl, Fett oder Oxidation auf der Teileoberfläche vor dem Aufkohlen entstehen tote Zonen, in denen Kohlenstoff nicht diffundieren kann. Teile müssen vor der Bearbeitung entfettet und leicht sandgestrahlt oder gereinigt werden.
• Unterdimensioniertes Gehäuse für die Anwendung: Ein dünnes Gehäuse (0,2 mm) an einem stark belasteten Zahnrad bricht unter Kontaktbelastung durch, legt den weichen Kern frei und führt zu schnellem Verschleiß oder Lochfraß. Passen Sie die Gehäusetiefenspezifikation an den Kontaktdruck und die Belastung an, denen die Komponente im Betrieb ausgesetzt ist.
• Überkohlen: Übermäßige Zeit oder Kohlenstoffpotential erzeugen eine dicke, spröde weiße Schicht aus Restaustenit und Karbiden an der Oberfläche. Diese Schicht kann abplatzen und die Ermüdungsfestigkeit drastisch verringern, anstatt sie zu verbessern.

Anwendungen, bei denen Schmiedekomponenten aus einsatzgehärtetem Stahl Standard sind

Einsatzhärtung ist keine Nischenbehandlung. Es ist in vielen Industriezweigen in Standardproduktionsprozesse eingebettet, die auf das Schmieden von Stahl für strukturelle und mechanische Komponenten angewiesen sind.

• Kfz-Getriebe und Differenziale: Hohlräder, Ritzel und Sonnenräder in Automatikgetrieben werden aus 8620- oder 4320-Stahl geschmiedet und auf Einsatztiefen von 0,9–1,4 mm aufgekohlt. Die Kombination aus Oberflächenhärte und Kernzähigkeit bewältigt die wiederholten Kontaktbelastungen und Stoßbelastungen von Fahrzeugantriebssträngen über Hunderttausende von Kilometern.
• Strukturschmiedeteile für die Luft- und Raumfahrt: Fahrwerkskomponenten, Stellantriebswellen und Lagerzapfen in Flugzeugen werden oft aus 4340-Stahl hergestellt, nitriert oder aufgekohlt, um Verschleißfestigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig die hohe Festigkeit und Zähigkeit beizubehalten, die in Luft- und Raumfahrtspezifikationen wie AMS 6415 gefordert werden.
• Bergbau- und Baumaschinen: Kettenbolzen, Buchsen, Schaufelzähne und Baggerauslegerbolzen sind aus legiertem Stahl geschmiedet und einsatzgehärtet, um abrasivem Verschleiß durch Kontakt mit Gestein und Erde standzuhalten. Gehäusetiefen von 2–4 mm sind in diesen Anwendungen üblich, um eine Haltbarkeit unter extrem rauen Bedingungen zu gewährleisten.
• Kurbelwellen und Nockenwellen: Automobilkurbelwellen, die häufig aus 1045- oder mikrolegierten Stählen geschmiedet werden, werden an den Zapfenoberflächen induktionsgehärtet, um eine lokale Oberflächenhärte zu erreichen, während der Rest der Welle ihre Zähigkeit behält. Eine Zapfenhärte von 55–60 HRC verlängert die Lagerlebensdauer im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen erheblich.
• Handwerkzeuge und Schneidwerkzeuge: Meißel, Stempel und Matrizen aus 1020-Stahl können zu Hause karburiert werden, um eine harte Schneidkante zu erzeugen. Dies ist eine der ältesten Anwendungen des Einsatzhärtens und bleibt für Schmiede und Werkzeughersteller relevant, die außerhalb industrieller Umgebungen arbeiten.