Atmosphärisches Härten

Die Werkstoffe werden in einer Schutzgasatmosphäre, bestehend aus Stickstoff, Methanol und Erdgas, gehärtet. Die Atmosphäre wird genau auf den Kohlenstoffgehalt des jeweiligen Werkstoffs abgestimmt. Bei Temperaturen, die üblicherweise über 780°C liegen, wird das Ausgangsgefüge des Bauteils zunächst in ein austenitisches Gefüge umgewandelt. Das Werkstück wird auf dieser Temperatur gehalten, damit die Legierungselemente homogen in dieses austenitische Gefüge eingelagert werden können. Anschließend wird das Werkstück abgeschreckt, so dass ein sogenanntes martensitisches Gefüge entsteht. Das Abschrecken ist eine schnelle Abkühlung des Werkstücks und erfolgt in Öl, Gas oder anderen Abschreckmedien. Das anschließende Anlassen stellt die gewünschten Eigenschaften des Bauteils, vor allem die notwendige Härte und Zähigkeit ein. Das Anlassen erfolgt bei hohen Temperaturen. Nach dem Schutzgashärten kann optional eine Tiefkühlbehandlung durchgeführt werden, um den Restaustenit umzuwandeln und den Martensit zu stabilisieren. Aufgrund der hohen Temperaturen kommt es zwangsläufig zu einem gewissen Verzug.

Härten bedeutet das vollständige Durchhärten eines Werkstoffes. Härten und Anlassen unterscheiden sich daher deutlich vom Oberflächenhärten oder Ausscheidungshärten.

Die meisten Prozesse werden in hochentwickelten Ofenanlagen durchgeführt, die speziell dafür ausgelegt sind, bestmögliche Ergebnisse zu erzielen.

Atmosphärisches Härten ist das Härten von Bauteilen in einer inerten Atmosphäre. Die Oberfläche des Bauteils wird vor Verzunderung und Oxidation sowie vor Aufkohlung und Entkohlung geschützt. Durch ein geregeltes Kohlenstoffpotential in der Schutzgasatmosphäre können Entkohlungs- und Aufkohlungsprozesse rückgängig gemacht werden.

Die Theorie hinter der Gefügeumwandlung

Stahl hat im ungehärteten Zustand ein kubisch-raumzentriertes (krz oder auch bcc) Gitter, in dem es nur sehr wenig Kohlenstoff lösen kann. Nach Erwärmung über ca. 720 °C entsteht Austenit, der eine kubisch-flächenzentriertes (kfz oder auch fcc) Gitter hat (und dazu ein kleineres Volumen einnimmt). Er kann wesentlich mehr Kohlenstoff lösen, was bei Härtetemperatur stattfindet. Kühlt man das Material dann schnell genug ab und wandelt es von einem kubisch-flächenzentrierten Gitter wieder in ein kubisch-raumzentrierte Gitter um, bleibt übersättigter Kohlenstoff zurück und es entsteht Martensit. Durch die Anwesenheit von übersättigtem Kohlenstoff wird das krz-Gitter zu einem tetragonalen Gitter gestreckt. Der Martensit besitzt somit hohe Eigenspannungen und ein größeres Volumen als ungehärteter Stahl bei Raumtemperatur. Die hohen Eigenspannungen haben eine hohe Härte des Werkstoffs zur Folge.

Beim anschließenden Anlassen diffundiert ein wenig Kohlenstoff aus dem tetragonalen Würfel. Dadurch nehmen Spannung und Volumen ab Ebenso aber auch die Härte und die Zähigkeit nimmt deutlich zu.