Härten von Stahl:
Passende Härteverfahren
für belastbare Bauteile
 

Die verschiedenen Härteverfahren unterscheiden sich unter anderem in der Art der Erwärmung, der Ofenatmosphäre, dem Abschreckmedium und den erreichbaren Werkstoffeigenschaften. Auch Oberflächenzustand, Einhärtungstiefe und mögliche Maßänderungen fallen je nach Verfahren unterschiedlich aus. Deshalb wird die Wärmebehandlung bei SWF auf den jeweiligen Werkstoff und die konkrete Bauteilanforderung abgestimmt.

Vakuumhärten für anspruchsvolle Werkstoffe und saubere Oberflächen

Beim Vakuumhärten werden die Bauteile in einer weitgehend sauerstofffreien Umgebung auf die werkstoffspezifische Härtetemperatur erwärmt und anschließend kontrolliert mit Gas abgeschreckt. Dadurch lassen sich Oxidation und Entkohlung weitgehend vermeiden. Die Bauteiloberfläche bleibt in der Regel metallisch blank, wodurch sich der Aufwand für nachfolgende Reinigungs- oder Bearbeitungsschritte reduzieren kann.

Das Verfahren eignet sich besonders für hochlegierte Werkzeugstähle, Schnellarbeitsstähle und bestimmte martensitische nichtrostende Stähle. Auch bei hochwertigen Werkzeugen, Formen und Präzisionsbauteilen mit hohen Anforderungen an Reproduzierbarkeit und Maßhaltigkeit ist das Vakuumhärten häufig die richtige Wahl.

Für große Querschnitte oder Stähle, die zur vollständigen Härtung eine besonders intensive Öl- oder Wasserabschreckung benötigen, kann eine Gasabschreckung dagegen nicht ausreichend sein. In solchen Fällen kommen je nach Werkstoff beispielsweise das Salzbadhärten oder das Schutzgashärten infrage.

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Vakuumhärten bei SWF

Salzbadhärten für eine schnelle und gleichmäßige Wärmeübertragung

Beim Salzbadhärten werden Bauteile in einer flüssigen Salzschmelze auf Härtetemperatur bzw. Austenitisierungstemperatur gebracht. Der unmittelbare Kontakt zwischen Bauteil und Salzbad ermöglicht eine besonders intensive und gleichmäßige Wärmeübertragung. Dadurch lassen sich auch komplex geformte Werkstücke kontrolliert erwärmen und vergleichsweise schnell auf Behandlungstemperatur bringen.

Das Verfahren kann für unterschiedliche unlegierte, legierte und hochlegierte Stähle eingesetzt werden. Es eignet sich insbesondere für kleinere bis mittlere Bauteile, Werkzeuge, Messer, Federn und Komponenten mit komplexen Konturen. Unterschiedliche Salzbadtemperaturen und Abschreckmedien ermöglichen eine flexible Anpassung an den jeweiligen Werkstoff.

Nach der Behandlung müssen Salzreste sorgfältig von den Bauteilen entfernt werden. Bestehen besonders hohe Anforderungen an eine metallisch blanke Oberfläche oder eine vollständig rückstandsfreie Behandlung, kann das Vakuumhärten die geeignetere Lösung sein.

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Salzbadhärten bei SWF

Schutzgashärten für wirtschaftliche Serien und geschützte Oberflächen

Beim Schutzgashärten werden die Bauteile in einer kontrollierten Ofenatmosphäre erwärmt. Das Schutzgas verhindert den Kontakt mit normaler Umgebungsluft und reduziert dadurch unerwünschte Reaktionen wie Oxidation und Entkohlung an der Oberfläche. Nach dem Durchwärmen werden die Bauteile in einem geeigneten Medium abgeschreckt und anschließend angelassen.

Das Verfahren eignet sich vor allem für unlegierte und niedriglegierte Stähle, die wirtschaftlich und reproduzierbar in größeren oder regelmäßig wiederkehrenden Chargen behandelt werden sollen. Typische Anwendungen finden sich im Maschinenbau, in der Fahrzeugtechnik und bei industriellen Serienbauteilen.

Bei hochlegierten Werkzeugstählen oder besonders hohen Anforderungen an Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit kann das Vakuumhärten vorteilhafter sein. Muss dagegen eine harte Randschicht mit einem zähen Kern kombiniert werden, ist das Einsatzhärten zu prüfen.

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Schutzgashärten bei SWF

Einsatzhärten für eine harte Randschicht und einen zähen Kern

Das Einsatzhärten verbindet zwei Prozessschritte: Zunächst wird die Randschicht eines kohlenstoffarmen Einsatzstahls bei erhöhter Temperatur mit Kohlenstoff angereichert. Anschließend wird das Bauteil gehärtet und angelassen. Dadurch entsteht eine harte, verschleißbeständige Oberfläche, während der kohlenstoffärmere Kern vergleichsweise zäh bleibt.

Diese Eigenschaftskombination ist besonders bei Bauteilen sinnvoll, deren Oberflächen hohen Reibungs-, Druck- oder Ermüdungsbelastungen ausgesetzt sind. Typische Beispiele sind Zahnräder, Wellen, Bolzen, Buchsen und weitere Getriebekomponenten. Die Tiefe der gehärteten Randschicht kann innerhalb werkstoff- und prozessbedingter Grenzen gezielt eingestellt werden.

Das Einsatzhärten ist nicht die richtige Wahl, wenn eine gleichmäßig hohe Härte über den gesamten Bauteilquerschnitt benötigt wird. Dafür kommen abhängig vom Werkstoff beispielsweise Vakuum-, Salzbad- oder Schutzgashärten infrage. Bei dynamisch belasteten Bauteilen, bei denen vor allem Festigkeit und Zähigkeit entscheidend sind, kann auch das Vergüten geeigneter sein.

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Einsatzhärten bei SWF

Vergüten für hohe Festigkeit bei ausreichender Zähigkeit

Beim Vergüten wird ein geeigneter Vergütungsstahl zunächst gehärtet und anschließend bei einer vergleichsweise hohen Temperatur angelassen. Anders als bei einer Behandlung auf maximale Härte steht dabei ein ausgewogenes Verhältnis aus Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität im Vordergrund.

Der zum Vergüten erforderliche Härteschritt kann bei SWF – abhängig von Werkstoff, Bauteilgeometrie, Abmessungen und den Anforderungen an Oberfläche und Maßhaltigkeit – im Vakuum, unter Schutzgas oder im Salzbad erfolgen. Anschließend werden die Bauteile bei einer auf den Werkstoff und die gewünschten mechanischen Eigenschaften abgestimmten Temperatur angelassen.

Das Verfahren eignet sich insbesondere für Bauteile, die im späteren Einsatz hohen statischen, dynamischen oder wechselnden Belastungen standhalten müssen. Dazu zählen beispielsweise Wellen, Achsen, Bolzen, Verbindungselemente und stark beanspruchte Maschinenkomponenten. Die gewünschten Eigenschaften werden durch die aufeinander abgestimmten Härte- und Anlassbedingungen gezielt eingestellt. 

Wenn vor allem eine extrem harte und verschleißbeständige Oberfläche benötigt wird, ohne dass der gesamte Querschnitt entsprechend hart sein soll, ist das Vergüten nicht immer die optimale Lösung. Für solche Anforderungen kann beispielsweise das Einsatzhärten geeigneter sein.

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Vergüten bei SWF

Auslagern für ausscheidungshärtbare Werkstoffe

Beim Auslagern werden Härte und Festigkeit nicht durch eine klassische martensitische Gefügeumwandlung erhöht. Stattdessen entstehen bei einer definierten Temperatur fein verteilte Ausscheidungen im Werkstoffgefüge, die die Bewegung von Versetzungen behindern und den Werkstoff dadurch verfestigen.

Das Verfahren ist ausschließlich für Werkstoffe geeignet, deren chemische Zusammensetzung eine solche Ausscheidungshärtung ermöglicht. Dazu gehören unter anderem bestimmte hochlegierte und korrosionsbeständige Stähle. Je nach Werkstoff kann vor dem Auslagern eine geeignete Lösungsbehandlung erforderlich sein.

Besonders sinnvoll ist das Verfahren, wenn ein definierter Festigkeitszustand bei vergleichsweise gut kontrollierbaren Maßänderungen eingestellt werden soll. Konventionelle unlegierte oder klassische Werkzeugstähle lassen sich dagegen nicht allein durch Auslagern härten. Für sie sind andere Härteverfahren erforderlich.

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Auslagern bei SWF

Tiefkühlen zur Reduzierung von Restaustenit

Beim Abschrecken härtbarer Stähle wird das zuvor austenitische Gefüge möglichst weitgehend in Martensit umgewandelt. Abhängig von Werkstoff und Prozessbedingungen kann jedoch ein bestimmter Anteil Restaustenit im Gefüge verbleiben. Dieser kann sich später unter mechanischer Belastung oder bei Temperaturschwankungen weiter umwandeln und dadurch Maßveränderungen verursachen. Ein hoher Restaustenitanteil kann außerdem dazu führen, dass die für den jeweiligen Werkstoff angestrebte Härte nicht vollständig erreicht wird.

Beim Tiefkühlen werden die bereits gehärteten Bauteile kontrolliert auf deutlich unter 0 °C liegende Temperaturen abgekühlt. Dadurch lässt sich ein weiterer Teil des Restaustenits in Martensit umwandeln. So können der Restaustenitanteil reduziert, die Härte erhöht und die Maßstabilität verbessert werden. Je nach Werkstoff und Anwendung kann sich zudem die Verschleißbeständigkeit positiv entwickeln.

Das Tiefkühlen eignet sich besonders für ausgewählte Werkzeugstähle, hochpräzise Komponenten und Bauteile mit hohen Anforderungen an die langfristige Maßbeständigkeit. Es ist jedoch kein eigenständiges Härteverfahren, sondern ergänzt eine geeignete Härtungs- und Anlassbehandlung. Nicht jeder Werkstoff profitiert in gleichem Maße davon.

Anforderungen an Maßhaltigkeit und Oberfläche

Jede Wärmebehandlung kann Maß- und Formänderungen verursachen. Wie stark diese ausfallen, hängt unter anderem von Werkstoff, Ausgangsgefüge, Geometrie, Chargierung und Abschreckintensität ab. Verzug lässt sich durch eine angepasste Prozessführung reduzieren, aber nicht bei jedem Bauteil vollständig ausschließen.

Bei engen Toleranzen sollte deshalb frühzeitig geklärt werden, welche Bereiche besonders maßkritisch sind und ob nach dem Härten noch geschliffen, erodiert oder anderweitig nachbearbeitet wird. Auch ausreichende Bearbeitungszugaben können erforderlich sein.

Für die Oberfläche ist entscheidend, ob Oxidation, Entkohlung oder anhaftende Prozessrückstände zulässig sind. Das Vakuumhärten bietet Vorteile, wenn eine metallisch blanke Oberfläche erhalten bleiben soll. Das Schutzgashärten reduziert ebenfalls unerwünschte Reaktionen mit der Umgebungsluft, während salzbadbehandelte Bauteile anschließend sorgfältig gereinigt werden müssen.

Die passende Prozessauswahl kann damit nicht nur die Bauteilqualität verbessern, sondern auch den Aufwand nachfolgender Fertigungsschritte reduzieren.

Welche Behandlung zu einem Bauteil passt, hängt nicht allein von seiner Bezeichnung ab. Zwei äußerlich ähnliche Wellen oder Werkzeuge können aufgrund unterschiedlicher Werkstoffe, Abmessungen und Einsatzbedingungen verschiedene Wärmebehandlungen benötigen. Die folgenden Beispiele geben daher eine erste Orientierung.

• Werkzeuge, Matrizen und Stempel: 
  Diese Bauteile benötigen häufig eine hohe Härte, Verschleißbeständigkeit und gute Maßhaltigkeit. Für hochlegierte Werkzeugstähle ist häufig das Vakuumhärten geeignet. Je nach Werkstoff, Geometrie und Chargengröße kann auch das Salzbadhärten infrage kommen.
   
• Zahnräder und Getriebeteile: 
  Zahnflanken sind hohen Reibungs- und Druckbelastungen ausgesetzt, während der Kern stoßartige und wechselnde Kräfte aufnehmen muss. Das Einsatzhärten verbindet dafür eine harte Randschicht mit einem vergleichsweise zähen Kern.
   
• Wellen, Achsen und Bolzen: 
  Abhängig von Werkstoff und Belastung können diese Bauteile vergütet, durchgehärtet oder einsatzgehärtet werden. Bei dynamischen Belastungen steht häufig das Vergüten im Vordergrund. Bei hohem Oberflächenverschleiß kann dagegen das Einsatzhärten sinnvoll sein.
   
• Messer und Schneidwerkzeuge: 
  Für eine gute Schneidhaltigkeit sind hohe Härte und ein zum Einsatzzweck passendes Anlassgefüge erforderlich. Geeignete Werkzeug- und Messerstähle können abhängig von Legierung und Abmessungen im Vakuum oder Salzbad gehärtet werden.
   
• Formen und Präzisionsbauteile: 
  Bei diesen Komponenten sind häufig sowohl eine hohe Verschleißbeständigkeit als auch geringe Oberflächenveränderungen und kontrollierbare Maßänderungen gefragt. Das Vakuumhärten bietet dafür günstige Voraussetzungen.
   
• Maschinen- und Antriebskomponenten: 
  Hoch belastete Bauteile müssen Kräfte aufnehmen, ohne spröde zu versagen. Für geeignete Vergütungsstähle lässt sich durch das Vergüten ein belastbares Verhältnis aus Festigkeit und Zähigkeit einstellen.
   
• Bauteile aus ausscheidungshärtbaren Stählen: 
  Bei diesen Werkstoffen werden die mechanischen Eigenschaften durch eine gezielte Auslagerungsbehandlung eingestellt. Das klassische Abschrecken eines härtbaren Werkzeug- oder Vergütungsstahls ist auf diese Werkstoffgruppe nicht unmittelbar übertragbar.
   
• Maßkritische Werkzeugteile: 
  Wenn nach dem Härten vorhandener Restaustenit die langfristige Maßstabilität beeinflussen könnte, kann das Tiefkühlen den gewählten Härteprozess ergänzen.

Sie haben Ihr Bauteil nicht gefunden? Nehmen Sie jetzt Kontakt auf und lassen Sie sich zur passenden Wärmebehandlung beraten.

Der genaue Ablauf hängt vom gewählten Verfahren, Werkstoff und Behandlungsziel ab. Das klassische Härten von Stahl lässt sich grundsätzlich in sechs Phasen unterteilen.

1. Anforderungen und Werkstoff prüfen
Zu Beginn werden Werkstoffbezeichnung, Lieferzustand, Bauteilgeometrie und spätere Belastung bewertet. Zusätzlich werden die gewünschte Härte, mögliche Einhärtungstiefen, Toleranzen und Anforderungen an die Oberfläche abgestimmt.

2. Härteverfahren und Prozessparameter festlegen
Auf Grundlage der Bauteildaten werden das geeignete Härteverfahren sowie Behandlungstemperatur, Haltezeit, Ofenatmosphäre und Abschreckmedium bestimmt. Auch die anschließende Anlasstemperatur und mögliche ergänzende Prozessschritte werden festgelegt.

3. Bauteile vorbereiten und chargieren
Die Werkstücke werden gereinigt und passend im Ofen oder Behandlungssystem positioniert. Eine geeignete Chargierung unterstützt die gleichmäßige Erwärmung und kann helfen, vermeidbare Maß- und Formänderungen zu reduzieren. Bei Bedarf werden empfindliche Bereiche geschützt.

4. Erwärmen und Halten
Die Bauteile werden kontrolliert auf die werkstoffspezifische Härtetemperatur erwärmt. Die erforderliche Haltezeit stellt sicher, dass der relevante Bauteilquerschnitt ausreichend durchgewärmt ist und sich das für die anschließende Härtung benötigte Ausgangsgefüge bildet.

5. Abschrecken und Anlassen
Durch ausreichend schnelles Abkühlen wird das Gefüge umgewandelt und die Härte erhöht. Anschließend werden die Bauteile angelassen. Das Anlassen reduziert Spannungen und Sprödigkeit und stellt die für den späteren Einsatz benötigte Gebrauchshärte und Zähigkeit ein.

6. Prüfen und dokumentieren
Nach Abschluss der Behandlung können je nach Vereinbarung Härte, Einhärtungstiefe, Oberfläche, Gefüge oder Maßhaltigkeit geprüft werden. Die Ergebnisse lassen sich entsprechend den kundenspezifischen Anforderungen dokumentieren.

Beim Einsatzhärten, Auslagern oder Tiefkühlen weicht der konkrete Prozess von diesem allgemeinen Ablauf ab. Die einzelnen Verfahrensschritte werden deshalb stets werkstoff- und bauteilbezogen festgelegt.

Härten kann die Verschleißbeständigkeit, Festigkeit und Lebensdauer geeigneter Bauteile deutlich verbessern. Dennoch ist eine möglichst hohe Härte nicht in jedem Fall das technisch beste Ziel. Eine sorgfältige Bewertung ist wichtig, damit Werkstoff, Bauteilgeometrie, spätere Belastung und Fertigungsablauf zusammenpassen.

• Wenn hohe Maß- und Formstabilität gefordert ist
  Beim Erwärmen, Abschrecken und bei der Gefügeumwandlung entstehen thermische und strukturelle Spannungen. Dadurch können sich Maße und Formen verändern. Eine geeignete Chargierung, abgestimmte Prozessparameter und ein angepasstes Abschreckmedium können den Verzug reduzieren, aber nicht in jedem Fall vollständig verhindern.
   
• Wenn das Bauteil ungünstige Geometrien aufweist
  Scharfe Übergänge, starke Querschnittswechsel, dünne Wandungen, tiefe Nuten oder asymmetrische Formen erhöhen das Risiko von Verformungen und Härterissen. Kritische Bereiche sollten deshalb möglichst frühzeitig bei der Konstruktion und Verfahrensplanung berücksichtigt werden.
   
• Wenn starke Eigenspannungen im Bauteil vorhanden sind
  Eigenspannungen können beispielsweise durch Zerspanung, Umformung, Schweißen oder vorausgegangene Wärmebehandlungen entstehen. Sie können sich während des Härtens lösen und dadurch Verzug oder Rissbildung begünstigen. Je nach Ausgangszustand kann vor dem Härten ein geeignetes Glühverfahren sinnvoll sein.
   
• Wenn der Stahl nicht ausreichend durchhärtbar ist
  Nicht jeder Stahl lässt sich über den gesamten Querschnitt gleichmäßig härten. Reichen Härtbarkeit oder Abschreckwirkung nicht aus, kann der Kern eine geringere Härte erreichen als die Oberfläche. Wird lediglich eine harte, verschleißbeständige Randschicht benötigt, kann das Einsatzhärten die geeignetere Lösung sein.
   
• Wenn neben hoher Festigkeit eine gute Zähigkeit benötigt wird
  Mit zunehmender Härte kann die Zähigkeit sinken. Bei dynamisch, wechselnd oder stoßartig belasteten Bauteilen ist eine Behandlung auf maximale Härte daher häufig nicht sinnvoll. Für solche Anforderungen kann das Vergüten ein ausgewogeneres Verhältnis aus Festigkeit und Zähigkeit bieten.
   
• Wenn nur die Randschicht verschleißbeständiger werden soll
  Eine Durchhärtung verändert das Gefüge über einen größeren Bauteilquerschnitt und ist dafür nicht immer notwendig. Wenn eine harte, verschleißbeständige Randschicht bei vergleichsweise niedriger Behandlungstemperatur und geringen Maßänderungen gefragt ist, können abhängig vom Werkstoff unsere Nitrierverfahren eine sinnvolle Alternative darstellen.
   
• Wenn eine metallisch blanke Oberfläche erhalten bleiben soll
  Je nach Ofenatmosphäre und Verfahren können Oxidation, Entkohlung oder Prozessrückstände entstehen. Bei hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität und einem möglichst geringen Reinigungs- oder Nachbearbeitungsaufwand sollte geprüft werden, ob das Vakuumhärten gegenüber dem Salzbad- oder Schutzgashärten Vorteile bietet.
   
• Wenn nach dem Härten umfangreich nachbearbeitet wird
  Schleifen, Erodieren oder andere spanende Bearbeitungen können Maße, Oberflächenzustand und bei randschichtgehärteten Bauteilen auch die wirksame Härtetiefe verändern. Härteverfahren, Bearbeitungszugaben und Fertigungsreihenfolge sollten deshalb bereits vor der Wärmebehandlung aufeinander abgestimmt werden.

Welches Härte- oder Wärmebehandlungsverfahren die beste Lösung ist, lässt sich meist erst nach einer technischen Bewertung des konkreten Bauteils sicher bestimmen. Wir beraten Sie gerne persönlich und anwendungsbezogen zu Werkstoff, Geometrie, Belastung und geeigneter Prozessführung.