Vakuumhärten:
Präzise, verzugsarm, reproduzierbar

Beim Vakuumhärten erfolgt die Wärmebehandlung in einem geschlossenen Ofensystem, dessen Innenraum evakuiert oder mit hochreinem Stickstoff beaufschlagt wird. Durch diese nahezu sauerstofffreie Umgebung werden Oxidation, Entkohlung und andere unerwünschte Oberflächenreaktionen vollständig verhindert. Das Bauteil behält dadurch seine metallisch blanke Oberfläche und kann häufig ohne weitere Nacharbeit verwendet werden.

Der eigentliche Härteprozess gliedert sich in drei Hauptphasen:

1. Austenitisieren: Das Werkstück wird auf eine werkstoffspezifische Temperatur zwischen etwa 870 °C und 1250 °C erhitzt. Dabei bildet sich das austenitische Gefüge, das Voraussetzung für die anschließende Härtung ist.
2. Abschrecken: Nach Erreichen der Haltezeit wird das Werkstück im selben Ofenraum mit Stickstoffgas unter hohem Druck (typischerweise 1–15 bar) abgeschreckt. Diese Hochdruck-Gasabschreckung sorgt für gleichmäßige Abkühlung und minimiert thermische Spannungen.
3. Anlassen & Tiefkühlen: Im Anschluss folgt meist ein mehrstufiges Anlassen, um innere Spannungen abzubauen und die geforderte Gebrauchshärte einzustellen. Optional kann ein Tiefkühlzyklus integriert werden, um Restaustenit in Martensit umzuwandeln und die Maßstabilität zu erhöhen.

Der Prozess wird vollständig elektrisch betrieben und präzise geregelt. Temperatur, Haltezeiten und Gasdruck werden kontinuierlich überwacht, was eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ermöglicht.

Das Vakuumhärten bietet im Vergleich zu klassischen Verfahren wie Öl- oder Salzbadhärten eine Reihe klarer technischer und wirtschaftlicher Vorteile. Durch den Prozess unter Hochvakuum bzw. in einer hochreinen Stickstoffatmosphäre bleibt die Oberfläche der Bauteile frei von Oxidations- oder Diffusionsschichten. Die Werkstücke können daher unmittelbar nach der Wärmebehandlung und ohne zusätzliche Schritte wie Strahlen oder Polieren weiterverarbeitet bzw. montiert werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt in der hohen Maß- und Formbeständigkeit. Da die Abkühlung im Gasstrom gleichmäßig erfolgt, treten nur geringe Temperaturgradienten zwischen Rand- und Kernbereich auf. Der dadurch minimierte Verzug reduziert den Aufwand für nachträgliches Schleifen oder Richten deutlich. Gleichzeitig wird die Gefahr von Härterissen, insbesondere bei komplexen Geometrien oder massiven Werkstücken, stark verringert.

Auch die Prozessführung selbst ist hochstabil und exakt reproduzierbar. Jeder Härtezyklus wird dokumentiert und bei Bedarf identisch wiederholt werden – ein entscheidender Faktor für gleichbleibende Qualität bei Serienfertigungen. Zudem arbeitet das Verfahren aufgrund der elektrisch betriebenen Öfen und 

Einsatzgrenzen des Vakuumhärtens

Das Vakuumhärten eignet sich besonders für legierte Werkzeug- und Edelstahlqualitäten, deren chemische Zusammensetzung eine hohe Härtbarkeit gewährleistet. Entscheidend ist, dass der Werkstoff beim Abschrecken im Gasstrom die für die Martensitbildung erforderliche Abkühlgeschwindigkeit erreicht. Hochlegierte Stähle mit Chrom-, Molybdän- oder Vanadiumanteilen reagieren hier besonders günstig, da sie auch bei moderater Kühlrate zuverlässig durchhärten.

Typische Werkstoffgruppen sind:

• Kaltarbeitsstähle (z. B. 1.2379, 1.2436, 1.2080): hohe Verschleißfestigkeit, gleichmäßige Härteverteilung.
• Warmarbeitsstähle (z. B. 1.2343, 1.2344): hohe Warmfestigkeit, Formstabilität bei thermischer Belastung.
• Martensitische rostfreie Stähle (z. B. 1.4112, 1.4034): Härten ohne Beeinträchtigung der Oberflächenqualität.
• Schnellarbeitsstähle (HSS) (z. B. 1.3343, 1.3247): sehr gute Ergebnisse bei reproduzierbaren Härtewerten.
• Sonderwerkstoffe und PM-Stähle (z. B. Sleipner, K360, ASP20XX): durch die homogene Gefügestruktur besonders gut für das Vakuumhärten geeignet.

Nicht jeder Stahl lässt sich wirtschaftlich sinnvoll im Vakuum härten. Bei niedriglegierten Stählen wie 1.2842 (90MnCrV8) ist die kritische Abkühlgeschwindigkeit so hoch bzw. wird eine so hohe solche benötigt, dass ein Salzbad- oder Ölabschreckverfahren meist die sicherere Wahl darstellt.

Unser Team berät Sie bei der Auswahl geeigneter Werkstoffe und erstellt auf Wunsch auch bei Sonderlegierungen und Prototypen anwendungsspezifische Prozessparameter für reproduzierbare Härteergebnisse.

1.4112 Vakuumhärten (X90CrMoV18)

Der martensitische, rostfreie Stahl 1.4112 zählt zu den klassischen Werkstoffen für das Vakuumhärten. Mit rund 18 % Chrom und Zusatz von Molybdän und Vanadium bietet er hohe Härtewerte (bis ca. 58 HRC) bei gleichzeitig guter Korrosionsbeständigkeit. Der Werkstoff wird häufig für Messer, Schneidplatten, medizintechnische Instrumente und Präzisionsteile eingesetzt.

Im Vakuumofen zeigt 1.4112 ein sehr gleichmäßiges Abkühlverhalten und bleibt nach der Wärmebehandlung metallisch. Durch auf den Werkstoff abgestimmte Parameter kann die Korrosionsbeständigkeit erhalten bleiben. Dank der geringen Verzugstendenz lassen sich auch maßkritische Komponenten ohne aufwändige Nacharbeit härten.

1.2379 Vakuumhärten (X155CrVMo12-1)

Der Kaltarbeitsstahl 1.2379 ist einer der am häufigsten vakuumgehärteten Werkstoffe. Seine hohe Legierung mit Chrom, Vanadium und Molybdän führt zu ausgezeichneter Verschleißbeständigkeit und stabiler Härte über den gesamten Querschnitt.

Im Vakuumverfahren lässt sich der Werkstoff reproduzierbar auf Härtewerte von rund 60 HRC einstellen. Gleichzeitig bleibt die Oberfläche frei von Anlassfarben oder Zunderschichten. Durch die gleichmäßige Wärmeverteilung und kontrollierte Gasabschreckung ist das Risiko für Maßänderungen minimal.

Sonderfall: 1.2842 Vakuumhärten (90MnCrV8)

Der Werkzeugstahl 1.2842 ist für das klassische Vakuumhärten nur bedingt geeignet, da seine chemische Zusammensetzung eine schnelle Abkühlung erfordert, die mit Stickstoffgas oft nicht erreicht wird. In der Praxis wird dieser Werkstoff daher bevorzugt im Salzbad oder Öl abgeschreckt, um eine vollständige Martensitbildung sicherzustellen.

Ein Einsatz des Vakuumverfahrens kann jedoch in Ausnahmefällen sinnvoll sein (etwa bei sehr kleinen Werkstücken oder wenn eine blanke Oberfläche zwingend gefordert ist). Wir prüfen in solchen Fällen individuell, ob dies mit einer Kombination von spezieller Chargierung, Sonderparametern für das Aufheizen und alternativer Abschreckstrategie möglich ist.

Das Vakuumhärten bietet eine hohe Flexibilität in der Prozessführung. Temperatur, Haltezeit, Gasdruck und Anströmrichtung werden individuell auf den jeweiligen Werkstoff und die Bauteilgeometrie abgestimmt. Durch diese präzise Steuerung lassen sich sowohl gleichmäßige Härteverteilungen als auch spezifische Gefügeeigenschaften gezielt einstellen.

Hochdruck-Gasabschrecken (HPGQ)

Das Abschrecken erfolgt im selben Ofenraum durch Stickstoff, welcher mit Hochdruck durch Düsen oder Kühlkanäle auf die Oberfläche der Bauteile bzw. die Werkstücke trifft und diese somit abkühlt. Moderne Anlagen ermöglichen maximale Drücke zwischen 10 und 15 bar, wodurch eine kontrollierte Abkühlrate bei gleichzeitig geringer Belastung der Bauteile erreicht wird. Durch die regelbare Gaszirkulation (Drehzahl des Kühlgebläses) können Temperaturunterschiede im Ofenraum minimiert werden, was besonders bei dicht bestückten Chargen oder massiven Werkstücken entscheidend ist.

Warmbadsimulation

Für große oder geometrisch komplexe Werkstücke bietet die Siegener Werkzeug- und Härtetechnik GmbH (SWF) die Option einer sogenannten Warmbadsimulation. Dabei sorgen mehrere Thermoelemente und eine dynamische Ofensteuerung dafür, dass Temperaturunterschiede zwischen Rand und Kern während des Abkühlens ausgeglichen werden. Dieses Verfahren reduziert Eigenspannungen, verringert die Rissgefahr und gewährleistet eine besonders homogene Gefügestruktur – ähnlich den Ergebnissen eines realen Warmbadverfahrens, jedoch vollständig unter Vakuumbedingungen.

Nachbehandlungen

Je nach Werkstoff und Anwendungsbereich können zu dem eigentlichen Härtevorgang im Vakuum ergänzende Wärmebehandlungen integriert werden:

• Mehrstufiges Anlassen zur Einstellung der Gebrauchshärte und zur Spannungsreduzierung
• Tiefkühlbehandlung (−80 °C bis −196 °C) zur Reduktion von Restaustenit und Verbesserung der Maßstabilität
• Nachfolgende Oberflächenbehandlungen, z. B. Plasmanitrieren zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit

Diese Prozessoptionen machen das Vakuumhärten von der Einzelteilbearbeitung bis zur Serienproduktion zu einer universell einsetzbaren Technologie.

Kombinationen: Plasmanitrieren nach dem Vakuumhärten (Plasma-Vakuum-Härten)

Obwohl der Begriff „Plasma-Vakuum-Härten“ gelegentlich verwendet wird, handelt es sich dabei nicht um ein eigenständiges Verfahren. In der industriellen Praxis bezeichnet er meist eine Prozesskombination aus zwei aufeinanderfolgenden Wärmebehandlungen: dem Vakuumhärten zur Durchhärtung des Werkstoffs und einem anschließenden Plasmanitrieren zur gezielten Oberflächenhärtung.

Beim nachgelagerten Plasmanitrieren wird die zuvor vakuumgehärtete Oberfläche in einer ionisierten Gasatmosphäre mit Stickstoff angereichert. Dadurch entsteht eine dünne, harte und verschleißbeständige Randschicht, während der bereits gehärtete Kern seine Zähigkeit beibehält. Diese Kombination vereint also hohe Oberflächenhärte mit maßstabilem Grundgefüge und eignet sich besonders für Werkzeuge, Formen und Bauteile mit hohen tribologischen Belastungen.

Ein wesentlicher Vorteil des Vakuumhärtens bei SWF liegt in der lückenlosen Prozessüberwachung und Dokumentation. Alle wesentlichen Parameter – Temperaturverlauf, Haltezeit, Gasdruck, Abkühlrate – werden digital aufgezeichnet und können für jede Charge nachvollzogen werden. Dadurch lassen sich identische Härtezyklen exakt reproduzieren, was insbesondere für Serienfertigungen und qualitätskritische Anwendungen von Bedeutung ist.

Zur Sicherstellung gleichbleibender Ergebnisse werden sämtliche Anlagen regelmäßig einer Temperaturgleichmäßigkeitsuntersuchung (TUS) unterzogen und mit mehreren kalibrierten Thermoelementen überwacht. Jedes dieser Messsysteme erfasst lokale Temperaturverteilungen im Ofenraum, sodass selbst kleinste Abweichungen zwischen Rand- und Kernzonen erkannt und ausgeglichen werden können.

Unser Team unterstützt Sie umfassend bei der Auswahl des passenden Härtungsverfahrens und bei der Auslegung aller prozessrelevanten Parameter. Bereits in der Planungsphase kann durch eine enge Abstimmung zwischen Konstruktion, Werkstoffwahl und Wärmebehandlung entscheidend zur Maßhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit des Endprodukts beigetragen werden. So lassen sich spätere Korrekturen oder Toleranzprobleme von Beginn an vermeiden.

Für eine präzise Angebotskalkulation und eine gezielte Prozessplanung sind folgende Informationen hilfreich:

• Werkstoffbezeichnung (z. B. 1.2379, 1.4112) und gewünschte Zielhärte mit Toleranz
• Abmessungen und Gewicht des Bauteils
• Technische Zeichnung
• vorgesehene Einsatzbedingungen bzw. Belastungsarten
• benötigte Stückzahl oder Seriengröße
• etwaige Anforderungen an Oberfläche oder Nachbehandlung (z. B. Nitrieren, Polieren)

Anhand dieser Angaben können wir eine auf Ihren Anwendungsfall abgestimmte Verfahrensempfehlung aussprechen. Auf Wunsch werden auch Musterteile vorab geprüft, um das Härteergebnis unter realen Bedingungen zu validieren.