Merkblatt 452

Einsatzhärten

Stahl-Informations-Zentrum

2

Um den Außenauftritt derVerbandsorganisationen der Stahl-industrie in Deutschland für alleZielgruppen einheitlicher zu ge-stalten und die Aktivitäten in denBereichen Information und Kom-munikation zusammenzuführen,hat sich das Stahl-Informations-Zentrum zu Beginn 2014 in dieWirtschaftsvereinigung Stahl inte-griert. Die bekannten Leistungen,insbesondere die firmenneutralensowie markt- und anwenderorien-tierten Informationen über Ver -arbeitung und Einsatz des Werk-stoffs, werden innerhalb der Orga-nisation weitergeführt.

Verschiedene Schriftenreihenbieten ein breites Spektrum praxis -naher Hinweise für Planer, Kon-strukteure und Verarbeiter vonStahl. Sie finden auch Anwendungin Ausbildung und Lehre.

Vortragsveranstaltungenbieten ein Forum für Erfahrungs-berichte aus der Praxis. Die The-men reichen von Konstruktionüber Anwendung und Verarbei-tung bis hin zur Ökologie.

Messen und Ausstellungendienen der Präsentation spezifi-scher Leistungsmerkmale von Stahl.Neue Werkstoffentwicklungen so-wie innovative, zukunftsweisendeStahlanwendungen werden exem-plarisch dargestellt.

Bei Anfragen vermitteln wirauch als in dividuellen Service Kon-takte zu Instituten, Fachverbändenund Spezialisten aus Forschung undIndustrie.

Die Pressearbeit richtet sichin erster Linie an Fachmedien undinformiert kontinuierlich über neueWerkstoffentwicklungen und -an-wendungen.

Marketing-Aktivitäten die-nen der Förderung des Stahlein-satzes in verschiedenen Märkten,beispielsweise im Automobilbausowie im Industrie- und Wirt-schaftsbau.

Der Newsletter informiertAbonnenten per E-Mail über Neu-erscheinungen, Veranstaltungenund Wissenswertes.

Seit 1989 zeichnet die Orga-nisation besonders innovative An-wendungen mit dem Stahl-In-novationspreis aus. Der Wett -bewerb dient dazu, Innovationenaus Stahl zu fördern und die Qua-litäten des Werkstoffs einer brei-teren Öffentlichkeit ins Bewusst-sein zu bringen. Er ist einer derbedeutendsten Wettbewerbe sei-ner Art und wird alle drei Jahreausgelobt.

Die Internet-Präsentationunter der Adresse www.stahl-online.de informiert über aktuelleThemen und Veranstaltungen undbietet u. a. einen Überblick überVeröffentlichungen. ZahlreichePublikationen sind als PDF-Filesabrufbar, Schriftenbestellungensind online möglich.

Impressum

Merkblatt 452„Einsatzhärten“Ausgabe 2008ISSN 0175-2006

Herausgeber:Wirtschaftsvereinigung Stahl,Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf

Autor:Dr.-Ing. Dieter Liedtke, 71636 Ludwigsburg

Redaktion:Stahl-Informations-Zentrum

Die dieser Veröffentlichung zu -grunde liegenden Informationenwurden mit größter Sorgfalt re-cherchiert und redaktionell be -arbeitet. Eine Haftung ist jedochausgeschlossen.

Ein Nachdruck – auch auszugs-weise – ist nur mit schriftlicherGenehmigung des Herausgebersund bei deutlicher Quellenangabegestattet.

Titelbild:Einsatzgehärtetes Zahnrad

Merkblatt 452

3

InhaltSeite

1 Zweck des Einsatz-härtens, Begriffe ............ 4

2 Das Verhältnis Eisen – Kohlenstoff ....... 4

3 Das Aufkohlen ............... 53.1 Die Kohlenstoff-

aktivität ......................... 53.2 Der Kohlenstoffpegel ... 53.3 Der Aufkohlungs-

vorgang ......................... 73.4 Berechnen des

Kohlenstoffprofils ......... 93.5 Ermitteln der

Aufkohlungstiefe At ...... 9

4 Carbonitrieren ............ 11

5 Das Härten auf-gekohlter Werkstücke . 12

5.1 Allgemeines ................ 125.2 Direkthärten (Typ A) ... 135.3 Einfachhärten

(Typ B) ........................ 145.4 Härten nach

isothermischem Umwandeln (Typ C) ... 15

5.5 Doppelhärten (Typ D) ....................... 15

5.6 Warmbadhärten .......... 15

6 Tiefkühlen ................... 16

7 Anlassen einsatzge-härteter Werkstücke ... 17

13 Stähle zum Einsatzhärten .............. 33

14 Hinweise für die Praxis des Einsatzhärtens ............. 34

14.1 Vorbereiten und Vorbehandeln der Werkstücke ................. 34

14.1.1 Vorangehende Wärme-behandlungen ............. 34

14.1.2 Reinigen der Werkstücke ................. 35

14.1.3 Vorbereiten für ein örtlich begrenztes Einsatzhärten .............. 35

14.2 Chargieren der Werkstücke ................. 35

14.3 Erwärmen auf Behandlungs-temperatur ................... 36

14.4 Regeln des C-Pegels .... 3614.5 Öfen zum

Einsatzhärten ............... 3714.6 Zeichnungsangaben .... 3814.7 Hinweise zur

Fehlersuche ................. 39

15 Anwendungs-beispiele ..................... 39

16 Literaturangaben ......... 39

Einsatzhärten

8 Diffusionsbehandeln ... 17

9 Voraussetzungen zum Härten – die Härtbarkeit ............ 18

10 Eigenschaften einsatzgehärteter Werkstücke ................. 21

10.1 Struktur einsatzge-härteter Werkstücke ... 21

10.2 Härte und Härtetiefe ... 2310.3 Formänderungs-

vermögen, Zähigkeit ... 2310.4 Festigkeitsverhalten .... 2410.5 Verschleißverhalten .... 26

11 Mittel zum Aufkohlen und Carbonitrieren ..... 27

11.1 Pulver und Granulat ... 2711.2 Salzschmelzen ............. 2711.3 Gase ............................ 27

12 Messen und Regeln beim Aufkohlen .......... 30

12.1 Pulver und Granulat .... 3012.2 Salzschmelzen ............. 3012.3 Gase ............................ 3012.3.1 Ermitteln des

C-Pegels aus der Taupunkttemperatur ... 31

12.3.2 Ermitteln des C-Pegels über den CO2-Anteil .................. 31

12.3.3 Ermitteln des C-Pegels aus dem Sauerstoff-partialdruck ................. 33

12.4 Allgemeines zum Festlegen des C-Pegels beim Gasaufkohlen und -carbonitrieren ..... 33

Seite Seite

4

1 Zweck des Einsatzhärtens, BegriffeBauteile und Werkzeuge lassen

sich dann besonders wirtschaftlichzerspanen und umformen, wennsie aus Stählen mit niedrigen Koh-lenstoffgehalten hergestellt wer-den. In Frage kommende Stählesind hauptsächlich die so bezeich-neten Einsatzstähle, siehe DIN EN10084, oder die Automatenein-satzstähle, siehe DIN EN 10087,mit Massenanteilen an Kohlenstoffim Bereich zwischen 0,1 und 0,3%.

Sollen Werkstücke aus diesenStählen durch Härten eine hoheHärte und Festigkeit erhalten, istes notwendig, sie entsprechendder Gesetzmäßigkeit der Aufhärt-barkeit, vgl. Kapitel 9, mit einemhöheren Kohlenstoffgehalt zu ver-sehen. Dies geschieht durch einthermochemisches Behandeln, dasAufkohlen. Anschließend daranfolgt ein Härten. Diese beiden zu-sammengehörigen Behandlungs-schritte werden als Einsatzhärtenbezeichnet. In Bild 1 ist die Ein-

ordnung innerhalb der industriellwichtigsten Wärmebehandlungs-verfahren zur gezielten Beeinflus-sung der Randschichteigenschaf-ten dargestellt.

Wird die Werkstückrand-schicht simultan zum Kohlenstoffauch mit Stickstoff angereichert,was von der Art und Zusammen-setzung des zum Aufkohlen ver-wendeten Aufkohlungsmittels ab-hängt, wird die Behandlung alsCarbonitrieren bezeichnet. Ein-satzhärten besteht demnach ausAufkohlen oder Carbonitrierenund Härten, vgl. DIN EN 10052.

2 Das Verhältnis Eisen – KohlenstoffDie Kohlenstoffatome sind

etwa halb so groß wie die Eisen-atome. Das ermöglicht, sie aufZwischenplätzen des Eisengitterseinzulagern. Aus energetischenGründen sind dies vorzugsweisedie Oktaederlücken. Die inter-stitiell lösbare Menge Kohlenstoff

ist nicht beliebig, sondern ergibtsich aus dem Lösungsvermögender beiden Strukturen Ferrit undAustenit. Im Ferrit sind bei 723 ºChöchstens 0,02 % Massenanteilean Kohlenstoff löslich, im Auste-nit des reinen Eisens je nachTemperatur 0,8 (723 ºC) bis 2,06 %(1147 ºC). Anwesende Legierungs-elemente wie z.B. Chrom oderNickel verändern das Lösungsver-mögen zu geringeren oder größe-ren Mengen.

Kohlenstoff besitzt außerdemdie Fähigkeit, mit dem Eisenoder den metallischen Legierungs-elementen wie Chrom, Molybdän,Vanadin u.a. Verbindungen, dieCarbide, zu bilden. Das Eisencar-bid Fe3C wird metallkundlich alsZementit bezeichnet. Dabei ent-stehen auch vielfach Mischcarbideder Form FexMyCz. Diese habenim Vergleich zu den Eisenmisch-kristallen Ferrit und Austenit einenvöllig anderen Kristallaufbau, sindz.T. sehr schwer löslich und besit-zen eine relativ hohe Härte.

Merkblatt 452

Wärmebehandlungsverfahrenzum Verbessern der Lebensdauer von Werkstücken und Werkzeugen

durch Ändern der Randschicht

Thermochemische DiffusionsbehandlungVerfahren, bei denen

die chemische Zusammensetzung der Randschicht verändert wird

RandschichthärtenVerfahren, bei denen die chemische Zusammensetzung der Randschicht

nicht verändert wird

Induktionshärten

FlammhärtenAluminieren

Borieren

Chromieren

Nitrocarburieren

Nitrieren

Silicieren

Aufkohlen

Borieren

Carbonitrieren

Chromieren

Vanadieren

Sulfidieren

Sulfonitrieren

Sulfonitrocarburieren

Vanadieren

* Zwecks Härtung der Randschicht und gegebenenfalls des Grundwerkstoffs.

Härten mittels konduktiver Erwärmung der Randschicht

ohne weitere anschließende oder nachfolgende Wärmebehandlung*

mit weiterer anschließender oder nachfolgender Wärmebehandlung*

Härten mittels Hoch-energieerwärmung der

Randschicht: Impuls-, Elektronen-strahl-, Laserstrahlhärten

Bild 1: Übersicht über die Verfahren zum Ändern der Randschichteigenschaften

5

3 Das Aufkohlen

3.1 Die Kohlenstoffaktivität

Zum Aufkohlen werden dieWerkstücke in einem Gas, in flüs-sigen oder in körnigen, Kohlen-stoff enthaltenden Mitteln beiTemperaturen geglüht, bei denendas Stahlgefüge austenitisch ist.In diesem Zustand ist das Lösungs-vermögen für Kohlenstoff beson-ders groß. Dabei diffundiert Koh-lenstoff aus dem Aufkohlungsmit-tel in die Werkstückrandschicht.Die Behandlungsdauer richtet sichprinzipiell nach der erforderlichenAufkohlungstiefe (kurz: At).

Die Triebkraft für die Kohlen-stoffaufnahme im Eisen ist die Dif-ferenz zwischen dem Potentialdes Kohlenstoffs im Austenit unddem chemischen Potential desreinen Kohlenstoffs. Diese Poten-tialdifferenz entspricht der freienEnthalpie des Kohlenstoffs undhängt daher auch von der Tempe-ratur und der Kohlenstoffaktivi-tät ac ab. Diese ist thermodyna-misch definiert als:

Aus der Beziehung ist zu ent-nehmen, dass die Aktivität desKohlenstoffs bei gleichbleibenderTemperatur mit seiner Konzentra-tion steigt bzw. bei gleichbleiben-dem C-Massenanteil mit zuneh-mender Temperatur abnimmt.Im Bild 2 sind in den für das Auf-kohlen relevanten Ausschnitt desEisen-Kohlenstoff-Zustandsschau-bildes die Kurven gleicher Koh-lenstoffaktivität für verschiedeneac-Werte in Abhängigkeit von derKohlenstoffkonzentration einge-zeichnet.

Wichtig für das Aufkohlen inder industriellen Praxis ist dieLinie S’-E. Sie ist die temperatur-abhängige Grenze der Löslichkeitdes Austenits für Kohlenstoff. Wirdsie überschritten, kann es zumAusscheiden von Kohlenstoff alsGraphit kommen. Normalerweisetritt dies jedoch wegen stark er-schwerter Keimbildung für eineGraphitausscheidung nicht ein.Entlang dieser Grenze befindet

sich der im Austenit gelöste Koh-lenstoff im Gleichgewicht, derAustenit ist maximal mit Kohlen-stoff gesättigt und die Kohlenstoff-aktivität ist ac = 1,0.

Wird die Linie S-E überschrit-ten, so bildet sich bei unlegiertenStählen das Eisencarbid Zementit.Anwesende Legierungselementeverschieben diese Grenze undkönnen in das entstehende Carbideingebaut werden, so dass Misch-carbide entstehen oder sie bildeneigene Carbide.

Legierungselemente beeinflus-sen die Kohlenstoffaktivität: Sili-cium, Nickel, Bor und Stickstoff er-höhen die Aktivität, Chrom, Man-gan, Molybdän, Wolfram, Titan,Vanadium und Aluminium verrin-gern sie. Dies wirkt sich auf dieKohlenstoffkonzentration aus, diesich im Stahl einstellt, vgl. Kapitel3.2.

3.2 Der Kohlenstoffpegel

Während das Werkstück derWirkung des Aufkohlungsmittelsausgesetzt ist, ist die Kohlenstoff-aktivität des Stahls bestrebt, sichan diejenige des Aufkohlungsmit-tels anzugleichen. Handelt es sichbei dem Werkstück um eine Folieoder einen dünnen Draht aus Rein-eisen, so wird dessen Kohlenstoff-gehalt bereits nach relativ kurzerZeit, d.h. etwa 15 bis 20 min, imGleichgewicht mit dem Aufkoh-lungsmittel stehen. Der dann er-reichte Kohlenstoffgehalt ist alsKohlenstoffpegel, C-Pegel oder C-Pegel-Wert, kurz Cp, festgelegt. Erwird als Maß für die Wirkung desAufkohlungsmittels, in dem derKohlenstoff fast immer in gebun-dener Form vorliegt, betrachtet.

Nach DIN EN 10052 ist derC-Pegel der Kohlenstoffgehalt, an-gegeben in Massenanteilen anKohlenstoff in %, den eine Probeaus Reineisen innerhalb des Lös-lichkeitsgebiets des Austenits beieiner bestimmten Temperatur imGleichgewicht mit dem umgeben-den Mittel annimmt [1].

Einsatzhärten

Bild 2: Eisen-Kohlenstoff-Zustandsschaubild mit den Kohlenstoff-Isoaktivitäts-Linien

5287,38 %Cac = exp [––––––––––––––– + 0,347 · %C + ln (–––––––––––––––––––––––––––––––) – 1,989] (1)

T 0,785 · %C + 21,5

0Massenanteil Kohlenstoff [%]

Tem

pera

tur

[°C]

700

900

1000

1200

1300

1500

1600

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,8 2,2 2,41,4 1,6 2,0

800

1100

1400

AB

IH

N

E

SS´P

Ferritund AustenitP´

ac =0,05 0,1 0,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,25

Austenit und Zementitbzw. Graphit

Schmelze

Austenit undSchmelze

G

6

Der Kohlenstoffpegel wird inder Praxis des Aufkohlens dazubenutzt, den Aufkohlungsvorgangzu regeln. Mit ihm wird die Auf-kohlungswirkung des Aufkohlungs-mittels so eingestellt, dass sichin der Werkstückrandschicht beigegebener Temperatur der er-forderliche RandkohlenstoffgehaltCR bzw. ein vorgegebenes Kohlen-stoffprofil einstellt. Dabei ist da-von auszugehen, dass das obenbeschriebene Gleichgewicht in deräußersten Randschicht von Werk-stücken bei der in der Praxis üb-lichen Aufkohlungsdauer nichtvollständig erreicht wird. Tatsäch-lich kommt es lediglich zu einerAnnäherung zwischen dem Rand-kohlenstoffgehalt CR und dem C-Pegel-Wert.

Beim Aufkohlen legierterStähle führen Legierungselemente,welche die Kohlenstoffaktivitätdes Stahls erhöhen, bei gegebe-nem C-Pegel und konstanter Koh-lenstoffaktivität des Aufkohlungs-mittels zu einem geringeren Rand-kohlenstoffgehalt als bei Reineisen.Legierungselemente, welche dieAktivität verringern, führen da-gegen zu einem höheren Kohlen-stoffgehalt. Am Beispiel eines Le-gierungsgehaltes von 1,2 % Massen-anteilen an Silicium bzw. 2 % Mas-senanteilen an Chrom ist dies inBild 3 dargestellt.

Soll dieselbe Gleichgewichts-konzentration bzw. derselbe Rand-kohlenstoffgehalt wie bei unlegier-tem Eisen erreicht werden, mussdaher der C-Pegel, mit dem dasAufkohlen vorgenommen, d.h. ge-regelt wird, entsprechend ange-passt werden. Die Korrektur ge-schieht mit dem so bezeichnetenLegierungsfaktor kL, der die Wir-kung der Legierungselemente be-rücksichtigt. Es gilt:

Gleichgewichts-kohlenstoffgehalt CL = kL · Cp

bzw.CL

Cp-erforderlich = ––––– (2)kL

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Stahl Legierungsfaktor kL

alter neuer Streubreite MittelwertKurzname Kurzname

C 10/Ck 10 –/C10EC 15/Ck 15 –/C15E 0,95 bis 1,02 0,99

– C16E

17 Cr 3 17Cr3 0,99 bis 1,12 1,06

20 Cr 4 –1,05 bis 1,16 1,10

– 28Cr4

16 MnCr 5 16MnCr5 1,05 bis 1,16 1,11

– 16MnCrB5 (ähnlich 16MnCr5)

20 MnCr 5 20MnCr5 1,07 bis 1,19 1,13

– 18CrMo4 1,05 bis 1,17 1,11

– 20MoCr3 1,00 bis 1,12 1,06

20 MoCr 4 20MoCr4 1,00 bis 1,11 1,05

22 CrMoS 3-5 22CrMoS3-5 1,04 bis 1,16 1,10

– 16NiCr4 0,99 bis 1,12 1,06

– 18NiCr5-4 1,04 bis 1,15 1,10

21 NiCrMo 2 20NiCrMo2-2 0,98 bis 1,10 1,04

– 17NiCrMo6-4 1,00 bis 1,13 1,06

– 20NiCrMoS6-4 0,98 bis 1,10 1,04

15 CrNi 6 – 1,05 bis 1,17 1,11

– 17CrNi6-6 1,05 bis 1,18 1,12

– 15NiCr13 1,04 bis 1,15 1,10

17 CrNiMo 6 18CrNiMo7-6 1,06 bis 1,19 1,13– 14NiCrMo13-4 0,94 bis 1,01 0,98

Tabelle 1: Legierungsfaktoren für die Korrektur des C-Pegels

Bild 3: Einfluss von Legierungselementen auf die Kohlenstoffaktivität

0Massenanteil Kohlenstoff [%]

Kohl

enst

offa

ktiv

ität

0

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,61,4

Rein-eisen

2 % Massenanteile Chrom

1,2 % Massenanteile Silicium

Aufkohlungstemperatur 950 ºC

7

CL ist der Kohlenstoffmassen-anteil, der sich im Gleichgewichts-zustand in einer Folie aus dem je-weiligen legierten Stahl einstellenwürde. Die für das Aufkohlen vonEinsatzstählen nach DIN EN 10084erforderlichen Legierungsfakto-ren sind in Tabelle 1 aufgeführt.Darin ist neben dem Streubereich,der sich ergibt, wenn die Grenz-werte der nach der Norm zulässi-gen Legierungsanteile berücksich-tigt werden, auch der jeweiligeMittelwert angegeben. Für prakti-sche Belange genügt es im Allge-meinen, mit diesem Mittelwert zuarbeiten.

3.3 Der Aufkohlungsvorgang

Das Übertragen des Kohlen-stoffs läuft in mehreren Teilschrit-ten ab:• Heranbringen des Aufkohlungs-

mittels an die Werkstückober-fläche. Die Kohlenstoff über-tragenden Komponenten desAufkohlungsmittels gelangen andie Werkstückoberfläche undbilden dort eine Übergangs- oderGrenzschicht.

• Die Komponenten zerfallen un-ter der katalytischen Wirkungdes Eisens. Dabei werden Koh-lenstoffatome frei und von derWerkstückoberfläche adsorbiert.Bestimmte beim Zerfall entste-hende Radikale oder Elemente

können miteinander unter Bil-dung neuer Verbindungen rea-gieren (Phasengrenzreaktion).Teilweise werden sie von derWerkstückoberfläche auch wie-der entfernt.

• Freigesetzte Kohlenstoffatomedurchdringen die Werkstück-oberfläche (Absorption) undwerden im Eisen gelöst.

• Kohlenstoffatome diffundieren/wandern im Eisen, bevorzugtentlang der Korngrenzen, indas Werkstückinnere. Dabeientsteht ein nach innen abfal-lendes Konzentrationsgefälle.

Vorausgesetzt, der Transportder Kohlenstoff übertragendenStoffe an die Werkstückoberflächeund die Diffusion durch die Grenz-schicht erfolgen rasch genug, dannbestimmt der Vorgang, durch denKohlenstoffatome freigesetzt wer-den, die Geschwindigkeit, mit derKohlenstoff übertragen wird.

Für das Freisetzen von Kohlen-stoffatomen und deren Absorptionan der Werkstückoberfläche sindchemische Reaktionen der im Auf-kohlungsmittel enthaltenen Kom-ponenten sowohl untereinanderals auch mit der Werkstückober-fläche maßgebend. Darüber hin-aus beeinflusst der Zustand derWerkstückoberfläche, z.B. dieRauheit, Rückstände von Fremd-stoffen, Oxidschichten, das Reak-tionsgeschehen.

In Bild 4 sind die Vorgängeschematisch dargestellt und essind die für die mathematischesowie mess- und regelungstechni-sche Behandlung des Aufkohlensmaßgeblichen Größen eingetragen:neben dem C-Pegel auch dieKohlenstoffverfügbarkeit, die Koh-lenstoffübergangszahl β und derDiffusionskoeffizient D.

Die ausreichende Versorgungmit dem Kohlenstoffspender ist inflüssigen und festen Mitteln durchden direkten Kontakt mit derWerkstückoberfläche gegeben.Gase müssen ausreichend umge-wälzt und ausgetauscht werden.Die Eignung der verschiedenenAufkohlungsmittel lässt sich anihrer Kohlenstoffverfügbarkeit ab-lesen. Das ist diejenige Kohlen-stoffmenge in Gramm, die vomMittel abgegeben werden kann,wenn sein C-Pegel von 1,0 auf 0,9abfällt. In Bild 5 ist die C-Verfüg-barkeit verschiedener Aufkoh-lungsmittel in Abhängigkeit vonder Temperatur gegenübergestellt.Daraus ist zu entnehmen, dassreines Kohlenmonoxid vergleichs-weise die höchste C-Verfügbarkeitbesitzt [2].

Die Absorption des Kohlen-stoffs ist maßgebend dafür, wierasch die Kohlenstoffkonzentra-tion in der äußeren Randschichtansteigt und sich dem Wert desC-Pegels des Aufkohlungsmittelsannähert. Sie beeinflusst also dieGeschwindigkeit des Aufkohlens.Kennzeichnende Größe für die-sen Vorgang ist die Kohlenstoff-übergangszahl β. Sie gibt an, wie-viel Gramm Kohlenstoff durcheine Werkstückoberfläche von1 cm2 pro Sekunde eindiffundie-ren, bezogen auf die jeweilige Dif-ferenz zwischen dem C-Pegel imAufkohlungsmittel und dem Rand-kohlenstoffgehalt.

Je nach Art und Zusammen-setzung des Kohlenstoffspenderssind unterschiedliche Reaktionenfür die Kohlenstoffübertragungmaßgebend. In Gasen und im Pul-ver oder Granulat erfolgt das Frei-setzen von Kohlenstoff hauptsäch-

Einsatzhärten

Bild 4: Modell der Vorgänge beim Gasaufkohlen (schematisch)

C-Pegel Cp

HeranführenAdsorbieren

CO

C-Verfügbarkeit

Aufkohlungsmittel Werkstückoberfläche Adsorptionsschicht

Diffusionskoeffizient D

C-Übergangszahl β

WeiterwandernDiffundieren

EindringenAbsorbieren

8

lich aus dem Zerfall von Kohlen-monoxid (Boudouard-Reaktion):

2 CO ↔ (C) + CO2 (3)

Im Vergleich zu den übrigenReaktionen, die sich je nach derArt des Aufkohlungsmittels erge-ben, verläuft diese Reaktion aberauch am schnellsten. Zum Kenn-zeichnen der Kinetik des Auf-kohlens ist es jedoch zweckmäßig,nicht die Reaktionen zu betrach-ten, die den Kohlenstoff freisetzen,sondern den Kohlenstoffmassen-strom

.m. Dieser ergibt sich aus

der Beziehung:

. M gm = ––––––– = β · (Cp – CR) –––––––––– (4)

A · dt cm2 · s

In dieser Gleichung ist M dieKohlenstoffmenge in g, die durchdie Fläche A in cm2 hindurchdif-fundiert, dt ist das Zeitintervall ins, β ist die Kohlenstoffübergangs-zahl in cm/s. Cp ist der Kohlen-stoffpegel und CR der jeweiligeKohlenstoffgehalt der äußerstenRandschicht des aufzukohlendenWerkstücks.

Die Differenz Cp–CR in g Koh-lenstoff/cm3 ist die thermodyna-mische Triebkraft für die Kohlen-stoffdiffusion innerhalb der Werk-stückrandschicht. Die Kohlenstoff-übergangszahl β fasst die Aufkoh-

lungskinetik der verschiedenenden Kohlenstoff freisetzendenReaktionen zusammen. Sie ist da-her auch mitbestimmend für dieGeschwindigkeit, mit der sich derRandkohlenstoffgehalt eines Werk-stücks dem Gleichgewichtskohlen-stoffgehalt nähert.

Die Kohlenstoffübergangszahllässt sich mit Hilfe von Folien oderdünnen Drähten, die bis zumGleichgewichtskohlenstoffgehaltaufgekohlt werden, oder aus denKohlenstoffprofilen unterschied-lich lange aufgekohlter Eisenpro-ben und der Kohlenstoffmenge,die innerhalb eines bestimmtenZeitintervalls aufgenommen wur-de, bestimmen. Der im Gleichge-wichtszustand erreichte Kohlen-stoffgehalt entspricht dann demC-Pegel, der bei legierten Eisen-werkstoffen mit dem Legierungs-faktor zu korrigieren ist. In derPraxis wurden beim Gasaufkoh-len für β Werte zwischen 1,0 und4,0 · 10–5 cm/s gemessen.

Die in der Werkstückrand-schicht ansteigende Konzentrationdes Kohlenstoffs begünstigt seinefortwährende Diffusion in dasWerkstückinnere. Die Kohlen-stoffatome sind nur etwa halb so

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Bild 6: Zeitabhängige Kohlenstoffkonzentration in einem aufgekohlten Werkstück (schematisch) [3]

850Temperatur [ºC]

Effe

ktiv

e Ko

hlen

stof

fver

fügb

arke

it [g

/Nm

3 ]

0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

900 950 1000 1050

Kohlenmonoxid

Methan

Methanol

Endogas

Stickstoff + 10 % Methan

N2 + 5 % CO+ 10 % H2

A

B

C

D

FE

Bild 5: Gegenüberstellungder Kohlenstoff-verfügbarkeit ver-schiedener Gase[24]

Abstand von der Oberfläche

Mas

sena

ntei

l Koh

lens

toff

0,35

Cp

D/β

CR

CKAt 0,35

t3 > t2 > t1

ΔC

t1 t2 t3

ΔX

9

groß wie die Eisenatome, so dasssich der Kohlenstoff relativ leichtdurch Lücken und über Fehlstel-len im Eisengitter, aber auch ent-lang der Korngrenzen bewegenkann. Die Diffusionsgeschwindig-keit wird im Wesentlichen durchdie Temperatur und die jeweiligeDifferenz zwischen der Kohlen-stoffkonzentration am Rand undim Kern des Werkstücks bestimmt.Je höher die Temperatur und jegrößer das Konzentrationsgefälle,umso rascher diffundiert der Koh-lenstoff.

Im zeitlichen Verlauf des Koh-lenstoffmassenstroms entstehenKohlenstoffverlaufskurven, wiesie schematisch in Bild 6 für diedrei Zeiten t1, t2 und t3 wiederge-geben sind. Mit zunehmendem Ab-stand von der Oberfläche nimmtdie Kohlenstoffkonzentration mehroder weniger stetig bis auf denAusgangswert (= Kernkohlenstoff-gehalt CK) ab.

3.4 Berechnen des Kohlenstoffprofils

Während des Aufkohlens stelltsich an der Werkstückoberflächeein stationärer Zustand ein, beidem die übertragene Menge Koh-lenstoff gleich der durch die Dif-fusion in das Werkstückinnere ab-wandernden ist. Die eindiffundie-rende Menge Kohlenstoff ist nachdem 1. Fick’schen Diffusionsgesetzdurch die Beziehung

M dC––––––– = D · –––– (5)A · dt dx

gegeben. Darin ist D der Diffu-sionsbeiwert oder Diffusionskoef-fizient in cm2/s und dC/dx dasKohlenstoffkonzentrationsgefällein x-Richtung. Zusammen mit derBeziehung für die Kohlenstoffüber-gangszahl ergibt sich daraus dieGleichung:

dCD · –––– = β · (Cp – CR) (6)

dx

Da sich während des Aufkoh-lens der Randkohlenstoffgehalt imzeitlichen Verlauf ändert, ist dasAufkohlen in Wirklichkeit keinstationärer Vorgang und es mussdas 2. Fick’sche Diffusionsgesetzherangezogen werden:

∂C ∂2C–––– = D · –––– (7)∂t ∂x2

Dabei ist angenommen, dassder Diffusionskoeffizient unabhän-gig vom Kohlenstoffgehalt ist unddie Diffusion nur in x-Richtungverläuft. Die Lösung dieser Diffe-rentialgleichung lautet dann:

xC = C0 · [1 – Ψ (––––––––––––––––)] (8)

2 · √D · t

Ψ oder erf(x/2 · √ D · t) ist hier-bei das Gauß’sche Fehlerintegral,C0 ist die Kohlenstoff-Gleichge-wichtskonzentration unmittelbaran der Werkstückoberfläche. Unterder Berücksichtigung, dass deraufzukohlende Werkstoff im Aus-gangszustand den Kohlenstoff-gehalt CK besitzt, ist C0 durchCR – CK zu ersetzen. Mit Hilfe derfür Werte (x/2 · √ D · t) tabellier-ten Gauß’schen Fehlerfunktionkann für bekannte Werte von Ddas Konzentrationsprofil für vor-gegebene Werte von x und t be-rechnet werden.

Dabei muss jedoch berücksich-tigt werden, dass der Randkohlen-stoffgehalt CR nicht sofort nachBeginn des Aufkohlens seine end-gültige Höhe erreicht, da diePhasengrenzreaktion nicht mit un-endlich großer Geschwindigkeitabläuft. Stattdessen steigt der Rand-kohlenstoffgehalt allmählich mitfortschreitender Aufkohlung an.Aus diesem Grund muss die Glei-chung korrigiert werden und er-hält die Form (9).

Auch der Diffusionsbeiwert Dändert sich während des Aufkoh-lens, da er vom örtlich jeweils vor-liegenden Gefälle der Kohlenstoff-konzentration abhängt. In derFachliteratur sind für die Ermitt-lung von D unterschiedliche An-gaben zu finden. Eine für die Pra-xis im Allgemeinen befriedigendeBerechnung mit einem gemittel-ten Diffusionsbeiwert kann nachWünning [3] mit der Beziehung(10) vorgenommen werden. MitHilfe der heute verfügbaren Rech-ner ist es leicht möglich, den Ab-lauf des Aufkohlens „online“ zuverfolgen und das Kohlenstoff-Konzentrationsprofil zu jedem ge-wünschten Zeitpunkt zu berech-nen und auf einem Monitor anzu-zeigen.

3.5 Ermitteln der Aufkohlungstiefe At

Für die Praxis ist neben demKohlenstoff-Konzentrationsprofildie Aufkohlungstiefe von beson-derem Interesse. Sie ist die eigent-liche Zielgröße des Aufkohlensund ist gekennzeichnet als der-jenige Abstand von der Oberflächeeines aufgekohlten Werkstücks, andem der Kohlenstoffgehalt einemvorgegebenen Grenzmerkmal ent-spricht (DIN EN 10052). Es hatsich im Allgemeinen bewährt, alsGrenzmerkmal einen Kohlenstoff-massenanteil von 0,35 % zu be-nutzen. Er würde nämlich, ent-sprechend der Aufhärtbarkeit, beivollmartensitischem Gefüge zueiner Härte von 52,5 HRC respek-tive 550 HV führen. Dieser Wertwird nach DIN EN ISO 2639 imRegelfall als Grenzhärte zum Ermit-teln der Einsatzhärtungstiefe Eht

Einsatzhärten

x + Dβ–––

C(x,t) = CK + (CK – CR) · [1 – Ψ (–––––––––––––––––)] (9)2 · √ D · t

4300 · Cp1,5 – 18900 cm2

D = (1 – 0,23) · exp [–––––––––––––––––––––––––––––––––––– – 2,63 · Cp1,5 – 0,38]–––––– (10)

T s

10

benutzt. Vom Fachausschuss 5der AWT angestellte Untersuchun-gen haben ergeben, dass zumErzielen einer Härte von 550 HVbzw. 52,5 HRC in der Randschichtaufgekohlter Werkstücke je nachStahl auch ein geringerer C-Mas-senanteil ausreichen kann [4].

Die Aufkohlungstiefe At kanndamit aus dem Kohlenstoff-Kon-zentrationsprofil abgelesen wer-den. Rechnerisch lässt sie sich mitder im Abschnitt 3.4 angegebenenFormel für die Kohlenstoffkonzen-tration C(x,t) nach entsprechen-dem Umstellen ermitteln:

Näherungsweise lässt sichstattdessen eine quadratischeGleichung der Form

DAt = K · √t – ––– [mm] (12)

β

benutzen. Darin ist K ein Faktor,der die Aufkohlungstemperatur,den C-Pegel, das Aufkohlungsmit-tel und die Stahllegierung berück-sichtigt. Die Beziehung bringt zumAusdruck, dass die Aufkohlungs-tiefe zur Quadratwurzel aus derAufkohlungsdauer proportional ist.Wird die Dauer t in h eingesetzt,D in mm2/s und β in mm/s, ergibtsich die Aufkohlungstiefe in Milli-metern.

In den Bildern 7 und 8 sindfür das Beispiel des Gasaufkoh-lens nach dem Endoträgergasver-fahren Werte für K und das Ver-hältnis D/β angegeben [3].

Werden die Werte K und D/βnicht aus den Bildern 7 und 8 ent-nommen und stattdessen die Zah-lenwerte für D in cm2/s bzw. fürβ in cm/s eingesetzt, muss dieFormel (12) lauten:

DAt = K · √t – 0,1· ––– [mm] (12 a)

β

In Bild 9 sind nach dem zuvorBeschriebenen die Aufkohlungs-tiefen in Abhängigkeit vom C-Pegelfür bestimmte Temperaturen dar-

gestellt. Daraus wird die Rolle derAufkohlungstemperatur für dasAufkohlungsgeschehen deutlich:Eine Erhöhung der Temperaturz.B. um 50 ºC verringert die Auf-kohlungsdauer um rd. 30 bis 40 %.

Für die bisher dargestelltenZusammenhänge wird davon aus-gegangen, dass die Oberfläche deraufzukohlenden Werkstücke eben

ist. Bei konvex gekrümmten Ober-flächen ist die Einsatzhärtungstiefeallerdings etwas größer und beikonkav gekrümmten etwas gerin-ger als die rechnerisch zu erwar-tende. Auf Versuchsergebnisse von[5] geht die Darstellung in Bild 10zurück, womit die Aufkohlungs-dauer entsprechend korrigiertwerden kann.

Merkblatt 452

At0,35 + D(0,35 – CK) β

–––

––––––––––––––––– =1 – Ψ (––––––––––––––––––) (11)(CR – CK) 2 · √ D · t

0Aufkohlungstemperatur [ºC]

K-W

ert [

mm

/ √ h]

0

0,2

850 900 950 1000

0,4

0,6

0,8

C-Pegel:1,3

1,2

1,1

1,00,90,8

Verhältnis [mm]

Tem

pera

tur [

ºC]

800

850

0,1 0,5D–β

900

950

1000

0 0,2 0,3 0,4

C-Pegel 0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

Bild 7: K-Werte für dasGasaufkohlen mitEndoträgergas aus Propan undPropanzugabe beieinem Kernkohlen-stoffmassenanteilvon 0,15% [24]

Bild 8: Werte für das Verhältnis D/β fürdas Gasaufkohlenmit Endoträgergasaus Propan undPropanzugabe [24]

11

Einsatzhärten

Aufkohlungstiefe [mm]

Aufk

ohlu

ngsd

auer

[h]

0

2

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4

4

6

8

10

12

14

16

18

20850 ºC 900 ºC 950 ºC 1000 ºC

Stahl C15Cp = 1,0

1050 ºC

Bild 9: Zusammenhangzwischen Aufkoh-lungstiefe, Auf-kohlungstemperaturund -dauer

Radius bzw. halbe Wanddicke [mm]

Eins

atzh

ärtu

ngst

iefe

Eht

[mm

]

0,6

0,8

1 102 3 4 5 6 7 8 90

0,7

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

Platte

Zylinder

Kugel

Hohlzylinder

Hohlkugel

(C – C0) : (CS – C0) = 0,25

Bild 10: Einfluss der Ober-flächenkrümmungauf die Einsatz-härtungstiefe [5]

4 Carbonitrieren

Werden Behandlungsmittelverwendet, welche der Werk-stückrandschicht nicht nur Koh-lenstoff, sondern auch Stickstoffanbieten, kommt es zu einer simul-tanen Eindiffusion von Kohlen-stoff und Stickstoff. Das trifft ins-besondere auf die Cyanid oderCyanat enthaltenden Salzschmel-zen oder Ammoniak enthaltendeGase zu. In diesem Fall wird anstattvon Aufkohlen von Carbonitrierengesprochen.

Grundsätzlich kann das Carbo-nitrieren im gleichen Temperatur-bereich wie das Aufkohlen durch-geführt werden. Es ist jedoch mög-lich, auch unterhalb des Ac3-Punk-tes, bis herab zu rd. 720 ºC, zuarbeiten. In diesem Fall wird durchdie Stickstoffanreicherung dieGleichgewichtslinie Ac3 zu niedri-geren Temperaturen verschoben.Ein Randschichtgefüge, das zu Be-ginn des Carbonitrierens aus denbeiden Phasen Ferrit und Austenitbestand, wird somit vollständigaustenitisch, wodurch sich auchdas Lösungsvermögen für Kohlen-stoff erhöht.

Die beiden unterschiedlichenTemperaturbereiche führen zuverschiedenen Ergebnissen. DasCarbonitrieren oberhalb des Ac3-Punktes des Ausgangszustandsunterscheidet sich vom Aufkohlendarin, dass die Randschicht infol-ge der zusätzlichen Stickstoffauf-nahme ein deutlich trägeres Um-wandlungsverhalten erhält. Darausresultiert eine höhere Härtbarkeit.Andererseits wächst damit auchdas Risiko, dass in der gehärtetenRandschicht größere Mengen vonRestaustenit auftreten.

Beim Carbonitrieren unter-halb des Ac3-Punktes des Aus-gangszustandes wird deutlich mehrStickstoff aufgenommen, so dassdie Randschicht auch mehr oderweniger vollständig austenitischwird. Das nicht von der Auf-stickung erfasste Kerngefüge be-steht jedoch aus den beiden Pha-sen Austenit und Ferrit und nach

12

5 Das Härten aufgekohlter Werkstücke

5.1 Allgemeines

Die gewünschten Gebrauchs-eigenschaften erhalten aufgekohlteoder carbonitrierte Werkstückeerst durch ein Härten und gege-benenfalls Anlassen.

Das Härten kann in unter-schiedlicher Weise durchgeführtwerden und sich direkt oder nachZwischenschalten einer Bearbei-tung (z. B. Zwischenrichten, Zer-spanen) an das Aufkohlen anschlie-ßen. Nach dem Carbonitrierenwird jedoch meist direkt gehärtet.

Entsprechend dem Kohlen-stoff-Konzentrationsprofil unter-scheidet sich das Umwandlungs-verhalten innerhalb der aufgekohl-

ten Randschicht gegenüber demnicht aufgekohlten Kern. Dies er-fordert eigentlich graduell abge-stufte, unterschiedliche Tempera-turen, von denen aus zum Härtenabgeschreckt wird. Der höhereRandkohlenstoffgehalt benötigteine niedrigere Temperatur als derim Kohlenstoffgehalt unveränderteKern. Unterschiedlich sind außer-dem Start- und Endtemperatur derMartensitbildung in Rand undKern. Im Kern beginnt und endetdie Austenitumwandlung bei höhe-rer Temperatur als im Rand. Dasin Bild 11 als Beispiel wiederge-gebene Zeit-Temperatur-Umwand-lungs-Schaubild für den Kern undin Bild 12 für den auf einen Koh-lenstoffmassenanteil von 1,0 %aufgekohlten Bereich der Rand-schicht des Stahls 16MnCr5 las-

Merkblatt 452

Bild 11: Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild (ZTU) für kontinuierliches Abkühlen des Stahls 16MnCr5 [6]

Tem

pera

tur [

ºC]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,1 1 10 102 103 104

1000

Martensit

Ms

Austenit

Bainit

austenitisiert 870 ºCHaltedauer: 10 min

5

Ferrit

Perlit

60

6065

3525

12

7

2 51

20

60 65 65 72

510

23

Ac3

Ac1

= Härtewerte in HV 1–72 = Gefügeanteile in %

Zeit [s]

5062 35

28

423 412 305 268 260 229 207 182 165

181188

27

dem Härten aus Martensit undFerrit; es ist: „unterhärtet“.

Für die Aufkohlungstiefe beimCarbonitrieren gelten prinzipielldie gleichen Gesetzmäßigkeitenwie beim Aufkohlen, siehe Kapitel3.5. Das Regeln erfolgt ebenfallsüber den C-Pegel, da ein dem C-Pegel analoger Kohlenstoff-Stick-stoff-Pegel nicht definierbar ist.Jedoch muss beim Carbonitrierenin Gasen berücksichtigt werden,dass durch den höheren Wasser-stoffanteil ein anderer CO2-An-teil vorliegt und sich ein andererC-Pegel-Wert ergibt.

13

sen dies deutlich erkennen. Außer-dem besitzt die aufgekohlte Rand-schicht gegenüber dem Kern einehöhere Härtbarkeit.

Daraus ergibt sich die Möglich-keit, zum Härten von einer ent-weder an den Rand- oder an denKernkohlenstoffgehalt angepass-ten Temperatur aus abzuschre-cken. Für den Rand genügen z.B.bei den Einsatzstählen Temperatu-ren zwischen 780 und 860 ºC, fürden Kern sind 800 bis 900 ºC not-wendig. Die erforderliche Abkühl-geschwindigkeit hängt davon ab,welche Gefügezustände in Randund Kern erreicht werden sollen,und richtet sich nach der Werk-stückabmessung und der Härtbar-keit des verwendeten Stahls. InBild 13 sind die allgemein übli-chen Verfahrensweisen gegen-

übergestellt. Daraus geht hervor,dass für den Prozess des Härtensauch die Aufkohlungstemperaturund das geforderte Gefüge inRand und Kern für das Festlegender Prozessparameter maßgebendsind.

5.2 Direkthärten (Typ A)

Die Temperatur beim Aufkoh-len ist meist auch identisch mitder erforderlichen Härtetempera-tur oder sogar höher. Daher liegtes nahe, nach Abschluss des Auf-kohlens unverzüglich von dieserTemperatur aus abzukühlen bzw.abzuschrecken. Dies wird alsDirekthärten bezeichnet. Nachdem Carbonitrieren ist dies dieübliche Vorgehensweise.

Damit bei den niedrig kohlen-stoffhaltigen ferritisch-perlitischenEinsatzstählen auch im nicht auf-gekohlten Kernbereich beim Här-ten ein vollmartensitisches Gefügeentsteht, ist zum Austenitisiereneine Temperatur von ca. 900 ºCnotwendig. Wird bei einer höhe-ren Temperatur aufgekohlt undanschließend abgeschreckt, ent-spricht dies einem Direkthärtenvon Kernhärtetemperatur, kurz:Kernhärten. Das dabei entste-hende Randgefüge ist relativgrob ausgebildet, wie bei einem„überhitzten“ Härten zu erwarten.Außerdem können größere An-teile von Restaustenit im Gefügeder Randschicht auftreten.

Einsatzhärten

Bild 12: ZTU-Schaubild für kontinuierliches Abkühlen des auf 1,0 % Masseanteile aufgekohlten Randschichtbereichs des Stahls 16MnCr5 [6]

Tem

pera

tur [

ºC]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,1 1 10 102 103 104

1000

Martensit

Ms

Austenit

austenitisiert 930 ºCHaltedauer: 30 min

RA 60 RA 60 RA 60 45

100

P

12

Ac1e

Accm

Ac1b

= Härtewerte in HV 45–60 = Restaustenitanteil in %, übrige Zahlenwerte: Gefügeanteile in %

100100

770 735 720 705 500 440 330

Zeit [s]

Carbide

CHärten nachisotherm.Umwandeln

DDoppelhärten

BEinfachhärten

ADirekthärtenTe

mpe

ratu

r

Zeit

Ac3 Kern

Ac1 Rand

Aufkohlen

Härten

Anlassen

Aufkohlen

Härten

AnlassenUmwandeln

Aufkohlen

Härten

Anlassen

Aufkohlen

Härten

Anlassen

14

Deutlich feiner wird das Rand-gefüge ausgebildet, wenn vordem Abschrecken die Temperaturan den aufgekohlten Rand ange-passt wird, wozu die Temperaturauf ca. 780 bis 840 ºC abzusenkenist. Dies entspricht einem Direkt-härten von Randhärtetempera-tur, kurz: Randhärten. Hierbeiwird der Kern „unterhärtet“, dasich bereits durch das Absenkender Temperatur das beim Aufkoh-len zunächst austenitische Kern-gefüge teilweise in Ferrit, Perlitund/oder Bainit umwandelt unddann nur der Rest in Martensit.

Das Direkthärten ist eine be-sonders wirtschaftliche Methode.Es setzt jedoch voraus, dass mög-lichst nicht bei höheren Tempera-turen als 950 ºC und nicht zu langeaufgekohlt wurde. Anderenfallsmuss während des Aufkohlensmit einem Wachsen des Austenit-korns und einem dementspre-chend gröberen Gefüge gerechnetwerden, was ungünstigere Festig-keitseigenschaften zur Folge habenkann. In solchen Fällen sollten mitspeziellen Elementen gegen einKornwachstum legierte Stähle ver-wendet werden → Feinkornstähle.

5.3 Einfachhärten (Typ B)

Beim Einfachhärten wird nachdem Aufkohlen zunächst so aufRaumtemperatur abgekühlt, dasskeine Härtung eintritt. Das aufge-kohlte Werkstück kann in diesemZustand leichter zwischenbearbei-tet oder gerichtet werden. Danacherfolgt das Erwärmen auf Härte-temperatur und Abschrecken zumHärten. Auch hierbei besteht dieMöglichkeit, die Härtetemperaturdem aufgekohlten Rand oder demnicht aufgekohlten Kern anzupas-sen und ein Rand- oder Kernhärten

Merkblatt 452

Bild 13: Mögliche Verfah-rensabläufe fürdas Härten auf-gekohlter Teile

15

vorzunehmen. Im letztgenanntenFall enthält das Kerngefüge je nachTemperatur mehr oder wenigerviel Ferrit, der sich beim Austeni-tisieren nicht in Austenit umge-wandelt hat („Unterhärtung“).

Das Unterschreiten der Auste-nitumwandlungstemperatur (Ac3-Punkt) beim Abkühlen nach demAufkohlen und das Überschreitenbeim Wiedererwärmen auf Härte-temperatur bewirken eine Umkris-tallisation, das Gefüge wird neuformiert. Ein beim Aufkohlen even-tuell zu grob gewordenes Gefügekann dadurch verfeinert werden→ „Rückfeinen“. Dieser Verfah-rensablauf wird deshalb bevor-zugt nach einem Aufkohlen beiTemperaturen oberhalb von 950 ºCangewendet.

5.4 Härten nach isothermischemUmwandeln (Typ C)

Bei diesem Verfahren wird dasWerkstück nach dem Aufkohlenauf eine Temperatur, meist imUmwandlungsbereich des Perlits,d.h. also ca. 600 bis 650 ºC, abge-kühlt und auf dieser Temperaturisothermisch bis zum Ende derUmwandlung des Austenits inPerlit gehalten. Je nach dem Koh-lenstoffgehalt in der Randschicht

werden dabei mehr oder wenigerviele – relativ sehr feine – Carbideausgeschieden und der Austenitwandelt sich in Perlit um. Nachdem Umwandlungsende wird wie-der auf die gewünschte Härtetem-peratur erwärmt und dabei ange-strebt, nicht sämtliche Carbidaus-scheidungen wieder aufzulösen.Anschließend wird auf Raumtem-peratur abgeschreckt.

Ähnlich wie beim Einfachhär-ten wird auch bei diesem Verfah-rensablauf das Gefüge verfeinert.Im Unterschied zum Einfachhär-ten ist aber der Energieaufwandgeringer, da nicht bis auf Raum-temperatur abgekühlt wird.

5.5 Doppelhärten (Typ D)

Beim Doppelhärten wirdzweimal gehärtet. Das erste Malmeist direkt von Kernhärtetem-peratur nach dem Aufkohlen undein zweites Mal von Randhärte-temperatur. Damit soll zweierleierreicht werden: ein homogenesKerngefüge nach dem ersten Här-ten und ein optimales Randgefügenach dem zweiten Härten. Dernicht aufgekohlte Kern wird beimWiedererwärmen zum abschlie-ßenden Randhärten nur zum Teilaustenitisiert und ist dann „unter-

härtet“. Das Randschichtgefügewird durch das zweimalige Um-wandeln verfeinert und ist opti-mal ausgebildet.

Gegenwärtig wird das Doppel-härten in der industriellen Pra-xis nur wenig angewendet. Daskommt nicht zuletzt daher, dassder Aufwand für die notwendigeAnlagentechnik und die Energierelativ hoch sind. Auch sind dieMaß- und Formänderungen größerals nach den zuvor beschriebenenVerfahren. Vor einem Anwendenist es daher zweckmäßig, die Vor-und Nachteile sorgfältig gegenein-ander abzuwägen.

5.6 Warmbadhärten

Mit diesem Begriff wird eineVorgehensweise beim Abschre-cken gekennzeichnet, die darinbesteht, dass zunächst nicht bisauf Raumtemperatur abgekühltwird, sondern auf eine Tempera-tur, die zweckmäßigerweise dichtoberhalb der Martensit-Starttem-peratur der aufgekohlten Rand-schicht liegen sollte. Dies ist jenach Stahl und Kohlenstoffgehalteine Temperatur zwischen 180und 220 ºC, vgl. Bild 14. Im Kern-bereich findet dagegen bereitseine Umwandlung statt, da wegen

Einsatzhärten

Bild 14: Zeit-Temperatur-Folge beim Warm-badhärten auf-gekohlter Teile

0Massenanteil Kohlenstoff [%]

Tem

pera

tur [

ºC]

0

100

500

0,5

200

300

400

1,0 1,5Zeit

Rand

Ms = f (%C)Martensitpunkt Msfür den Kern

Kern

Martensitpunkt Msfür den Rand

Abkühlung an Luftoder in Öl

Temperatur desWarmbades

16

des niedrigeren Kohlenstoffge-haltes die Martensit-Starttempera-tur, die etwa bei 400 ºC liegt, be-reits unterschritten wird.

Durch isothermisches Haltender Temperatur des Warmbadessollen Temperaturunterschiede imWerkstück ausgeglichen werden,so dass die beim Abkühlen undUmwandeln des Kernbereichs ent-stehenden Eigenspannungen mög-lichst niedrig bleiben. Nach demTemperaturausgleich wird das Ab-kühlen fortgesetzt. Erst nach demUnterschreiten der Martensit-Start-temperatur im Randbereich er-folgt dann hier die Umwandlungdes Austenits in Martensit. Damitlassen sich umwandlungsbedingteSpannungen und daraus resultie-rende Maß- und Formänderungenminimieren.

Prinzipiell kann das Warmbad-härten bei allen zuvor beschriebe-nen Verfahren angewendet wer-den. In der Praxis werden zumWarmbadhärten meist Salzschmel-zen oder thermisch entsprechendbelastbare Öle benutzt.

6 Tiefkühlen

Liegt in der aufgekohlten Rand-schicht ein höherer Kohlenstoff-massenanteil vor als der zum Er-reichen der Höchsthärte mindes-tens erforderliche von rd. 0,60 %,muss nach dem Härten in derRandschicht mit der Anwesenheitvon Restaustenit gerechnet wer-den. Aus Bild 15 kann dieser Zu-sammenhang für unlegierte Stähleabgelesen werden. Bei legiertenStählen kann Restaustenit auchschon bei geringeren Kohlenstoff-massenanteilen entstehen. Auchein Abschrecken von relativ hoherHärtetemperatur begünstigt dieRestaustenitmenge.

Restaustenit im Gefüge verrin-gert die Härte und beeinträchtigtdas Verschleißverhalten. Je nachden späteren Betriebsbedingungenbzw. -beanspruchungen kann sichdurch tiefe oder hohe Betriebs-temperaturen, Temperaturwech-sel, Verformungen oder Lastspan-nungen zu einem späteren Zeit-punkt der Restaustenit noch mehroder weniger vollständig in Bainitund/oder Martensit umwandeln.Daraus resultieren u.U. weitere

Maß- und Formänderungen, diez.B. bei Bauteilen mit geringenMaßtoleranzen zu einem Festsitzenführen können. Restaustenit inder Einsatzhärtungsschicht führtzu Zugeigenspannungen und da-mit zu einer niedrigeren Schwing-festigkeit.

Damit diese negativen Folgennicht eintreten, ist es erforderlich,so aufzukohlen, dass sich ein aus-reichend niedriger Randkohlen-stoffgehalt einstellt. Wo dies nichtgelingt oder auch kein Diffusions-behandeln nach dem Aufkohlenmöglich ist, kann es zweckmäßigsein, nach dem Abschrecken aufRaumtemperatur weiter auf nochniedrigere Temperaturen abzu-kühlen, um dem Ende der Marten-sitbildung möglichst nahe zu kom-men, vgl. Bild 15. Das Tiefkühlensollte möglichst unmittelbar nachdem Erreichen der Raumtempera-tur vorgenommen werden, umden Restaustenit vollständig um-zuwandeln. In der Praxis kann esgegebenenfalls notwendig sein,dazu flüssigen Stickstoff mit einerTemperatur von ca. –195 ºC zuverwenden.

Merkblatt 452

Bild 15: Beginn und Endeder Martensitbil-dung in Abhängig-keit vom Kohlen-stoffmassenanteilunlegierter Stählebeim Abschreckenvon Härtetempe-ratur

0Massenanteil Kohlenstoff [ %]

Umw

andl

ungs

tem

pera

tur [

ºC]

–200

0

400

0,4 1,60,8 1,2

200

0 % Martensit

~50 %

~80 %~100 %

Beginn derMartensitbildung (Ms)

Ende derMartensitbildung (Mf)

17

7 Anlassen einsatz-gehärteter WerkstückeEs ist üblich, einsatzgehärtete

Werkstücke oberhalb von 150 ºC,vorzugsweise aber bei 180 ºCoder höher anzulassen. Dadurchwird Kohlenstoff aus dem Marten-sit ausgeschieden und bildet mitdem Eisen und seinen metallischenLegierungselementen Carbide.Das verringert die Verzerrung desmartensitischen Gitters und damitauch die Härte. Durch Anlasstem-peraturen im Bereich zwischen180 und 250 ºC und eine Halte-dauer von einer Stunde ist miteiner Abnahme um 1 bis 5 HRCzu rechnen.

Das Anlassen bei Temperatu-ren um 180 ºC vermindert dieRissempfindlichkeit, ohne einewesentliche Abnahme der Eigen-spannungen. Das wirkt sich z.B.günstig auf das Verhalten bei ei-nem nachfolgenden Schleifen aus.Der Einfluss auf die Gebrauchs-eigenschaften, z.B. das Verschleiß-oder das Festigkeitsverhalten beiSchwingbeanspruchungen, kanndagegen positiv oder negativ sein.

Es ist daher zu empfehlen, gege-benenfalls durch entsprechendeVersuche zu ermitteln, ob ein An-lassen zweckmäßig ist oder nicht.

Müssen einsatzgehärtete Werk-stücke gerichtet werden, so ist esnach den bisher vorliegenden Er-fahrungen der Praxis günstiger, dasRichten vor dem Anlassen vorzu-nehmen.

8 Diffusionsbehandeln

Randkohlenstoffmassenanteileüber 0,60 % können beim Härtenzu einem unzulässig hohen Rest-austenitanteil im Gefüge führen,vgl. Kapitel 6. Besonders ausge-prägt ist dies bei Einsatzstählen,die mit Nickel, Chrom oder Molyb-dän legiert sind.

Beim Aufkohlen in Salzschmel-zen oder im Pulver ist das Kohlen-stoffangebot meist so hoch, dassein höherer Randkohlenstoffmas-senanteil erreicht wird. Ausgenom-

men hiervon sind spezielle Salz-schmelzen, deren Kohlenstoffan-gebot so weit reduziert ist, dassein Randkohlenstoffmassenanteilvon ca. 0,60 % erreicht wird. Nurbeim Aufkohlen in Gasen kann dasKohlenstoffangebot über den C-Pegel so eingestellt werden, dasssich kein zu hoher Randkohlen-stoffmassenanteil ergibt. Je nachVerfahrensablauf muss dies dannaber mit einer längeren Aufkoh-lungsdauer erkauft werden.

In der Praxis hat es sich beimGasaufkohlen bewährt, mit zweiunterschiedlichen C-Pegel-Wertenaufzukohlen. Auf eine erste Peri-ode mit einem höheren C-Pegel,um rasch die erforderliche Auf-kohlungstiefe zu erhalten, folgteine zweite Periode, in welcherder C-Pegel so weit abgesenktwird, dass sich ein Randkohlen-stoffmassenanteil in der gewünsch-ten Höhe einstellt → Zwei-Stufen-Aufkohlung. Dabei verändert sichdas Kohlenstoffprofil, wie es sche-matisch in Bild 16 zu sehen ist:Der Randkohlenstoffgehalt wirdreduziert und die Aufkohlungstiefenimmt weiter zu.

Einsatzhärten

Bild 16: Kohlenstoffprofilebeim Zwei-Stufen-Aufkohlen

Abstand von der Oberfläche

Mas

sena

ntei

l Koh

lens

toff

CK

At2

At1

CG

CR2

CR1

Im praktischenFall

ImIdealfall

Kohlenstoff-verlaufskurvenach dem1. Aufkohlungsabschnitt

Kohlenstoffverlaufskurve nachdem 2. Aufkohlungsabschnitt

CR1 = Randkohlenstoffgehaltnach dem 1. Aufkohlungsabschnitt

CR2 = Randkohlenstoffgehaltnach dem 2. Aufkohlungsabschnitt

CG = Grenzkohlenstoffgehaltzur Festigung der Aufkohlungstiefe

CK = Kernkohlenstoffgehalt

At1 = Aufkohlungstiefe nach dem1. Aufkohlungsabschnitt

At2 = Aufkohlungstiefe nach dem2. Aufkohlungsabschnitt

18

Das Gleiche lässt sich im Prin-zip auch erreichen, indem an-schließend an das Aufkohlen einso bezeichnetes Diffusionsbehan-deln durchgeführt wird. Es bestehtaus einem „Glühen“ der aufge-kohlten Werkstücke mit einemC-Pegel, der so gewählt wird, dassein zu hoher Randkohlenstoffge-halt verringert werden kann. DerKohlenstoff diffundiert dabei nachallen Richtungen weiter, also auchnach außen → Effusion. Einer da-durch zu starken Entkohlung amäußersten Rand muss durch Fest-legen geeigneter Behandlungs-bedingungen begegnet werden.Günstiger ist es dagegen, das Dif-fusionsbehandeln in einem Vaku-umofen vorzunehmen.

9 Voraussetzungen zum Härten – die Härtbarkeit

Die Härtbarkeit ist eine spezi-fische Eigenschaft der Stähle. Siekennzeichnet das Ansprechen aufdas Härten und ergibt sich ausder Stahlzusammensetzung. Dabeiwird zwischen der durch denKohlenstoff bestimmten Aufhärt-barkeit und der durch die Legie-rungselemente – hauptsächlichMolybdän, Chrom und Mangan –bestimmten Einhärtbarkeit unter-schieden. Da nach dem Aufkohlender Kohlenstoffgehalt in Rand undKern unterschiedlich hoch ist, istdementsprechend auch die Auf-härtbarkeit im Rand- und Kernbe-reich unterschiedlich.

Die Aufhärtbarkeit, gekenn-zeichnet durch die höchste er-reichbare Härte, kann mit derBeziehung (13) [7, 8] berechnetwerden.

Die Formel ist für einen Koh-lenstoffmassenanteil zwischen ca.0,10 und 0,60 % gültig; unter der

Voraussetzung, dass ein vollstän-dig martensitisches Gefüge vor-liegt. Der Zusammenhang gilt fürunlegierte und legierte Stähle.Anstelle der Formel (13) kannauch die Formel (14) benutztwerden. Nach Untersuchungendes AWT-Fachausschusses 5 ergibtsich eine noch bessere Treffsicher-heit, wenn mit der Formel (15) ge-rechnet wird [4].

Durch Umstellen ergeben sichdaraus die Beziehungen für denmindestens erforderlichen Kohlen-stoffmassenanteil:

und

Soll also eine Oberflächenhärtevon 65 HRC erreicht werden, mussdemnach so aufgekohlt werden,dass der Randkohlenstoffmassen-anteil mindestens 0,60 % beträgt.

Im Unterschied zu der durchden Kohlenstoffmassenanteil vor-gegebenen Aufhärtbarkeit be-stimmt die Einhärtbarkeit, welcheHärte im Inneren eines Werk-stückes erreicht werden kann,d.h., welchen Verlauf die Härteüber den Querschnitt nimmt. Diesergibt sich aus dem Umwandlungs-verhalten des Stahls. Wenn alsobeim Abschrecken von Härtetem-peratur die kritische Abkühlge-schwindigkeit für die Martensit-bildung nicht erreicht wird, ent-stehen neben Martensit auch dieGefügearten Bainit, Perlit und Fer-

Merkblatt 452

Erreichbare Höchsthärte = 20 + 60 · √ C-Massenanteil (%) HRC (14)

Erreichbare Höchsthärte = 32,87 + 83,86 · (%C) – 49,75 · (%C)2 HRC (15)

C-Massenanteil (%) · 100Erreichbare Höchsthärte = 35 + –––––––––––––––––––––––––––––– ± 2 HRC (13)

2

2 · (HRCerforderlich – 35)C-Massen-Mindestanteil = –––––––––––––––––––––––––––––– ± 0,04 % (13 a)

100

HRCerforderlich – 20 2

C-Massen-Mindestanteil = ( –––––––––––––––––––––––) % (14 a)60

rit, die weniger hart sind. Da dieAbkühlwirkung mit zunehmen-dem Abstand von der Werkstück-oberfläche abnimmt, ist dement-sprechend mit abnehmendemMartensitanteil und zunehmendenAnteilen von Bainit, Perlit und Fer-rit zu rechnen.

Mit zunehmender Einhärtbar-keit nimmt die Kernhärte zu undder Härteabfall zwischen Rand undKern wird geringer. Ist die Einhärt-barkeit niedriger, ergibt sich einegeringere Kernhärte und eine grö-ßere Differenz zwischen Rand-und Kernhärte.

19

Für das Umwandlungsverhal-ten sind die Legierungselementeverantwortlich, sie verzögern denBeginn der Umwandlung in Bainit,Perlit, Ferrit, wie man anhandder Zeit-Temperatur-Umwand-lungs-Schaubilder feststellen kann,sie machen den Stahl umwand-lungsträger. Um die Einhärtbar-keit gezielt zu erhöhen, werdenüblicherweise hauptsächlich dieLegierungselemente Molybdän,Chrom und Mangan benutzt. Wei-tere Elemente wie z.B. Siliciumoder Nickel erhöhen zwar eben-falls die Härtbarkeit, sie werdenaber legierungstechnisch aus an-deren Gründen verwendet.

Um die Härtbarkeit zu beur-teilen, wird üblicherweise der inDIN EN ISO 642 [9] genormteStirnabschreckversuch benutzt.Dabei werden zylindrische Probendes zu untersuchenden Stahls miteinem Durchmesser von 25 mmund einer Länge von 100 mm aus-tenitisiert und senkrecht in einerVorrichtung hängend, mit einemWasserstrahl definierter Stärke, derauf die untere Stirnfläche auftritt,abgeschreckt, vgl. Bild 17. Da-durch wird der Probe die Wärmenahezu ausschließlich in axialerRichtung entzogen und es stelltsich ein dementsprechender Ver-lauf der Abkühlgeschwindigkeitmit dem daraus resultierenden Um-wandlungsverlauf ein. Die höchsteHärte weist dabei die dem Was-

serstrahl direkt ausgesetzte Stirn-fläche auf. Die auf diese Weisefür verschiedene Schmelzen ei-ner Stahlsorte messbaren Stirnab-schreckkurven lassen sich in einemStreuband zusammenfassen. Siesind Bestandteil der TechnischenLieferbedingungen auch für dieEinsatzstähle (DIN EN 10084) undkönnen für die Gewährleistungder Härtbarkeit im nicht aufgekohl-ten Zustand, d.h. also für den Kern-bereich einsatzgehärteter Werk-stücke, herangezogen werden.

Einsatzhärten

Bild 17: Stirnabschreck-probe (unten) undHärtbarkeits-streuband (oben)

0

Abstand von der abgeschreckten Stirnfläche [mm]

Härt

e [H

RC]

0

Abkü

hlda

uer 8

00/5

00 ºC

[s]

20 100

40 200

60 300

010 20 30 40 50 60 70 80 90 100

100

Härte

Abkühldauer

Fläche für Härtemessung

ø 25

20

Im Bild 18 sind aus DIN EN10084 entnommene Mittelwerts-kurven der Streubänder einandergegenübergestellt. In der Praxissind die Stahlhersteller inzwischenallerdings dazu übergegangen,die Stirnabschreckkurven aus derStahlzusammensetzung zu berech-nen. Für verschiedene Stahlgrup-pen wurden vom VDEh-Werkstoff-ausschuss dazu Formelsätze er-stellt [10].

Die Einhärtbarkeit der aufge-kohlten Randschicht lässt sich aufähnliche Weise ermitteln. Hier-zu kann nach der von [11] vorge-schlagenen Methode vorgegangenwerden. Proben der in DIN ENISO 642 festgelegten Form, sieheBild 19, werden aufgekohlt undwie in der Norm beschriebengehärtet. Danach wird die Probeentweder längs oder quer, wie inBild 20 zu sehen ist, sorgfältig ge-

trennt und auf den Trennflächenan verschiedenen Stellen wird dasHärteprofil ermittelt. Eine Normhierzu existiert bisher nicht.

Merkblatt 452

Bild 18: Mittlere Stirn-abschreckkurven,entnommen denHärtbarkeits-streubändern inDIN EN 10084

Bild 19: Proben für den Stirnabschreckversuch nach DIN EN ISO 642

Bild 20: Vorgehensweise zum Ermitteln der Härtbarkeit einsatzgehärteter Proben [11]

Härte

[HRC

]

20

25

0 5

50

10 15 20 25 30 35 40 45

30

35

40

45

Abstand von der abgeschreckten Stirnfläche [mm]

17Cr3 16MnCr5 18CrNiMo7-614NiCrMo13-4 17CrNi6-6 20NiCrMoS6-4

Ø 32

3

Ø 25 + 0,5

Rz 25

Rz 6,3

100

± 0,

5

3

3

3

A) Längsschnitt

S1

S2 S3 S4

Härtemessung

S1 S2

Härtemessung

B) Querschnitt

abgeschreckteStirnfläche

21

10 Eigenschaften einsatzgehärteter Werkstücke

10.1 Struktur einsatzgehärteter Werkstücke

Die aufgekohlte bzw. einsatz-gehärtete Randschicht ist im ein-fachsten Fall an der Bruchflächevon Werkstücken oder Probenzu erkennen. Bild 21 zeigt Bruch-flächen einsatzgehärteter Rund-proben aus verschiedenen Einsatz-stählen. Die Einsatzhärtungsschichtist mehr oder weniger deutlich aneiner feinkörnigeren Bruchflächezu erkennen und ihre Dicke kannmit einer geeigneten Lupe ge-messen werden. Allerdings ist dieMessunsicherheit im Vergleichzum Ermitteln der Einsatzhärtungs-tiefe aus einer Härteverlaufskurverelativ groß.

Noch deutlicher erkennbarwird die Bruchfläche oder eineandere Trennfläche nach einemSchleifen, Polieren und Ätzen mitverdünnter Salpetersäure, z.B. Ni-tal, wie in Bild 22 zu erkennen ist.

Das Beurteilen des aufgekohl-ten, carbonitrierten oder einsatz-gehärteten Gefüges erfordert dasBetrachten mit einem Lichtmikro-skop. In Bild 23 ist die Aufnahmeder aufgekohlten Randschicht ei-ner nach dem Aufkohlen langsamauf Raumtemperatur abgekühltenProbe wiedergegeben. Direkt un-ter der Oberfläche besteht dasGefüge vollständig aus Perlit. Mitzunehmendem Abstand von derOberfläche nimmt der Perlitanteilab und der Ferritanteil zu. Ein Ab-schätzen der Aufkohlungstiefe istmit großer Messunsicherheit be-haftet, zumal das Verhältnis Per-lit :Ferrit von der Abkühlungsge-schwindigkeit abhängt.

Das Aussehen der Einsatz-härtungsschicht ist beispielhaft inBild 24 wiedergegeben. Das mar-tensitische Gefüge unmittelbarunter der Werkstückoberfläche istdeutlich feiner ausgebildet als imÜbergangsbereich zum Kern.

Einsatzhärten

Bild 21: Bruchflächen einsatzgehärteter Rundproben verschiedener Einsatzstähle

Bild 22: Makroschliff eineseinsatzgehärtetenWerkstücks

Bild 23: Randschicht eineraufgekohlten Probe unter demLichtmikroskop

Bild 24: Randschicht einereinsatzgehärtetenProbe unter demLichtmikroskop

0,2 mm

0,2 mm

22

Das lichtmikroskopische Aus-sehen eines carbonitrierten Werk-stücks zeigt Bild 25. Während dieRandschicht ein vollständig mar-tensitisches Gefüge aufweist, be-steht das Gefüge im Kernbereichaus Ferrit und Martensit. Folgeeiner für den niedrigeren Kohlen-stoffgehalt des Kerns zu niedrigenHärtetemperatur.

Wird bei gegebener Tempera-tur mit einem C-Pegel aufgekohlt,der höher ist als das Lösungsver-mögen des Austenits bei dieserTemperatur, kommt es bereitswährend des Aufkohlens zum Aus-scheiden von Carbiden, wie esin der lichtmikroskopischen Auf-nahme in Bild 26 zu sehen ist. Inden meisten Anwendungsfällenist diese Gefügeausbildung un-erwünscht. Insbesondere dann,

wenn die Werkstückoberflächez.B. durch Polieren feinbearbeitetwerden muss. Durch ein nach-trägliches Glühen bei einer Tem-peratur von mindestens 900 ºCmit ausreichender Dauer könnendie Carbide je nach Stahlzusam-mensetzung mehr oder wenigervollständig aufgelöst und der Koh-lenstoff zur Weiterdiffusion ver-anlasst werden, so dass sich derRandkohlenstoffgehalt verringert.Dabei ist es allerdings nicht zuvermeiden, dass die Aufkohlungs-tiefe zunimmt. In Anwendungs-fällen mit hohem Abrasionsver-schleiß kann sich ein Gefüge mitAusscheidungen z.B. von Chrom-carbiden aber auch durchaus posi-tiv auswirken.

Eine andere, ebenfalls meistunerwünschte Ausbildung der

Einsatzhärtungsschicht zeigt dielichtmikroskopische Aufnahme inBild 27. Hier wurde durch einenzu hohen Randkohlenstoffgehalt –Aufkohlen mit einem zu hohenC-Pegel – beim Härten ein Teil desAustenits nicht umgewandelt, derals Restaustenit zurückgebliebenist. Dies kann das Verhalten beiVerschleißbeanspruchung oderbei schwingender Beanspruchungbeeinträchtigen. Durch Tiefkühlenauf ausreichend niedrige Tempe-ratur lässt sich der Restaustenit-anteil mehr oder weniger vollstän-dig beseitigen.

Beim Aufkohlen in Pulver, Gra-nulat, Salzschmelzen oder Gaslässt es sich nicht vermeiden, dassim Kohlenstoffspender anwesen-der Sauerstoff ebenfalls in dieWerkstückrandschicht eindiffun-diert. Die Folge davon ist die sobezeichnete innere Oxidationoder Randoxidation. Sauerstoff-atome bilden mit dem Eisenoder seinen LegierungselementenChrom, Mangan, Silicium u.a.Oxide, die sowohl innerhalb derKörner als auch auf den Korn-grenzen ausgeschieden werden,wie in Bild 28 zu sehen ist.

Die als Oxide abgebundenenLegierungselemente können inder Randschicht nicht mehr dasUmwandlungsverhalten beim Här-ten beeinflussen, d.h., die Härt-barkeit wird verringert. Dadurchwird die Randschicht umwand-

Merkblatt 452

Bild 25: Lichtmikroskopi-sches Ausseheneines carbonitrier-ten Werkstücks

Bild 26: Überkohlte Randschicht mit Carbiden unter dem Lichtmikroskop

Bild 27: Überkohlte Randschicht mit Restaustenit und Carbiden

100 µm

10 µm10 µm

23

lungsfreudiger und beim Abkühlenwandelt sich der Austenit in Perlitund/oder Bainit um anstatt in Mar-tensit. Die Oberflächen- und dieRandhärte weisen niedrigere Wer-te auf → Weichhaut. Sofern dieWeichhaut nicht abgeschliffenwird, muss mit einem geringerenVerschleißwiderstand gerechnetwerden. Auch eine Beeinträchti-gung der Schwingfestigkeit istnicht auszuschließen, besondersdann, wenn die Randoxidationnetzförmig ausgebildet ist. Ver-meidbar ist die Randoxidation nurdurch Aufkohlen im Vakuumofenoder beim Plasmaaufkohlen.

10.2 Härte und Härtetiefe

Durch das Einsatzhärten wirddie Härte an der Werkstückober-fläche gegenüber dem Ausgangs-zustand im Normalfall auf ca. 60bis 65 HRC bzw. 700 bis 800 HVerhöht. Im Kern ergeben sich jenach der Stahlzusammensetzung,den Bedingungen beim Härten undder Werkstückabmessung 30 bis45 HRC. Für die Stahlauswahl nachder Einhärtbarkeit sind die Anga-ben in DIN EN 10084 heranzuzie-hen, vgl. Kapitel 9.

Der Übergang von der Härteam Rand zu der im Kern wirddurch die Härteverlaufskurverespektive das Härteprofil ge-kennzeichnet, vgl. Bild 29. Um siezu ermitteln, wird das zu prüfende

Werkstück unter Vermeidung vonWärmeentwicklung senkrecht zurOberfläche getrennt, die Trenn-fläche geschliffen und poliert undauf dieser Fläche in zunehmendemAbstand von der Oberfläche – imRegelfall mit einer Prüflast von9,8 N – die Vickershärte HV 1 ge-messen. Der Abstand von derOberfläche bis zu dem Punkt, andem die Härte noch – im Regel-fall – 550 HV 1 beträgt, war nachDIN 50190-1 als Einsatzhärtungs-Härtetiefe, kurz: Einsatzhärtungs-tiefe Eht, definiert. In DIN ENISO 2639 ist stattdessen das Kurz-zeichen „CHD“ (Case HardeningHardness Depth) – festgelegt.

Anhand der Einsatzhärtungs-tiefe werden die zu erwartendenGebrauchseigenschaften einsatz-

gehärteter Bauteile wie z.B. dieSchwingfestigkeit oder das Wälz-verschleißverhalten beurteilt.

10.3 Formänderungsvermögen, Zähigkeit

Das Einsatzhärten erhöht dieHärte und die Festigkeit im Randund im Kern einsatzgehärteterWerkstücke. Dadurch wird dasVermögen zu plastischen Form-änderungen deutlich verringertund es können schon bei relativgeringen Verformungen Anrisseentstehen. Verstärkt wird die An-rissneigung noch durch das Vor-handensein von Kerben, z.B. inForm von Gewinden, schroffenQuerschnittsübergängen oderQuerbohrungen an den Bautei-len. Gewindebereiche sollten des-halb möglichst nicht aufgekohltwerden.

Anrisse in der Randschichtverlaufen überwiegend interkris-tallin [12]. Das ist ein Zeichen da-für, dass die Korngrenzenfestigkeitgeringer ist als die Kornfestigkeit.Durch ein Anlassen, möglichstauf einer Temperatur von 180 ºCoder höher, eine Haltedauer vonmindestens zwei Stunden oderwiederholtes Anlassen kann dieKorngrenzenfestigkeit erhöht unddie Anrissneigung verringert wer-den.

Einsatzhärten

Bild 28: Lichtmikroskopisches Aussehen einer Einsatzhärtungsschicht mit Randoxidation(ungeätzt)

Bild 29: Härteprofil einsatzgehärteter Werkstücke (schematisch)

0Abstand von der Oberfläche [mm]

Härt

e [H

V 1]

0

100

900

0,2 1,40,4 0,6 0,8 1,0 1,2

200

300

400

500

600

700

800

Grenzhärte:550 HV

Einsatzhärtungstiefe

HärteverlaufskurveHärteprofil

10 µm

24

Wie rasch sich ein Anriss fort-pflanzt und ob er schließlich zumBruch führt, ergibt sich aus derHärte des Übergangs- und desKernbereichs des einsatzgehär-teten Bauteils, d. h. aus dem Zu-sammenwirken von Rand- undKerngefüge. Die in der Praxis weitverbreitete Ansicht, dass mit demEinsatzhärten eine optimale Kom-bination aus harter Randschichtund zähem Kern zu erreichen sei,trifft also nur bedingt zu.

Über die geringe Verformbar-keit der einsatzgehärteten Rand-schicht und die geringen bereitszu einem Anriss oder Bruch füh-renden Kräfte, geben z.B. die Er-gebnisse von Kerbschlagbiegever-suchen Aufschluss. Am Beispieleinsatzgehärteter Proben aus demStahl 16MnCr5 ist an den Kraft-Zeit-Kurven von Kerbschlagbiege-versuchen in Bild 30 die generelleVerringerung des Formänderungs-vermögens abzulesen.

Der Einfluss der Einsatzhär-tungstiefe auf das Zusammenwir-ken von Rand- und Kernbereicheinsatzgehärteter Bauteile geht ausBild 31 hervor. Hier ist aus Kerb-schlagbiegeversuchen die Schlag-kraft zum Trennen der Proben inAbhängigkeit von der hierzu erfor-derlichen Schlagarbeit für verschie-dene Einsatzhärtungstiefen am Bei-spiel des Stahls 16MnCr5 dar-

gestellt [13]. Es ist deutlich abzu-lesen, wie mit zunehmender Ein-satzhärtungstiefe die zum Trennender Proben erforderliche Schlag-kraft und Schlagarbeit abnehmen.

Für die praktische Anwendungdes Einsatzhärtens sollte dement-sprechend auf die zu erwartendeArt der Beanspruchung geachtetund sollten gegebenenfalls starkgekerbte, stoßartig beanspruchteWerkstücke nicht einsatzgehärtetwerden. Werkstücke, die sich in-folge des Einsatzhärtens stark ver-ziehen und gerichtet werden müs-sen, sollten schon zwischen demAufkohlen und dem Härten gerich-tet werden, um das Risiko des An-reißens zu verringern.

10.4 Festigkeitsverhalten

Entsprechend dem Kohlen-stoffverlauf über den Werkstück-querschnitt beginnt die Martensit-bildung beim Abkühlen von Härte-temperatur bei unterschiedlichenTemperaturen und damit zu unter-schiedlichen Zeitpunkten. DerKern mit seinem geringeren Koh-lenstoffgehalt wandelt sich zuerstum. Infolge der dabei eintreten-den Volumenvergrößerung wirdder noch austenitische, weichereRandbereich plastisch gedehnt.Beim anschließenden Umwandeln

der Randschicht und der dort ein-tretenden Volumenzunahme lässtsich der gehärtete Kern nicht mehrdehnen. Dadurch wird der Randunter Druck gesetzt. Wie hoch dieDruckeigenspannungen werden,hängt von der Martensitmenge ab:Restaustenit oder eine Randoxida-tion verringert die Druckspannun-gen, es können sogar Zugspannun-gen am Rand entstehen. Die in derRandschicht vorliegenden Druck-spannungen werden durch Zug-spannungen im Kernbereich kom-pensiert. Auch durch das Anlassenkönnen Druckeigenspannungenverringert werden.

Die Druckeigenspannungenvermindern die Kerbwirkung, sodass die Rissbildung an der Bau-teiloberfläche verzögert oder so-gar unterdrückt und ins Bauteil-innere verschoben wird. Dadurchkann auf eine stärkere Biegungoder Torsion belastet werden. InBild 32 sind die Verhältnisse sche-matisch dargestellt.

Im Fall zyklischer Beanspru-chungen durch Biegung oderTorsion ist dies von besonderemNutzen, weil dadurch die Dauer-festigkeit, d.h. die Anzahl der er-tragbaren Zyklen bis zu einemBruch, erhöht wird.

Beeinträchtigt wird dieSchwingfestigkeit durch Carbide,Restaustenit und Randoxidation.

Merkblatt 452

Zeit [μs]

Schl

agkr

aft [

kN]

0

5

0 100 900200 300 400 500 600 700 800

10

15

20

25

30Stahl: 16MnCr5(DVM-Längsproben,AN = 150 J)

einsatzgehärtet(gasaufgekohlt930 ºC,At ≈ 0,5 mm,abgeschreckt in Öl)angelassen 180 ºC

gehärtet(930 ºC/Öl)angelassen180 ºC 1 h

Bild 30: Vergleich des Formänderungsvermögens im Kerbschlag-biegeversuch gehärteter Proben aus dem Stahl 16MnCr5 mit undohne Aufkohlung [13]

Schlagarbeit Av [J]

Schl

agkr

aft F

k [k

N]

0

5

0 10 60

10

15

20

25

30

20 30 40 50

Stahl: 16MnCr5

1,00 mm

0,70 mm0,60 mm

0,25 mm0 mm

Eht

Bild 31: Einfluss der Einsatzhärtungstiefe auf die Schlagkraftim Kerbschlagbiegeversuch [13]

25

In dem Zusammenhang habenVersuche ergeben, dass z.B. Rest-austenitvolumenanteile von ca.30 % die Biegewechselfestigkeiteinsatzgehärteter Proben aus demStahl 16MnCr5 um rd. 15 % ver-mindern können [14].

In Bild 33 ist beispielhaft dieBiegewechselfestigkeit einsatz-gehärteter glatter und gekerbter

Proben in Abhängigkeit von derOberflächenhärte dargestellt. Dar-aus ist zu entnehmen, dass mit zu-nehmender Oberflächenhärte dieDauerfestigkeit zunimmt. Zuneh-mende Kerbwirkung verringertallerdings die festigkeitssteigern-de Wirkung eines Einsatzhärtens.Dabei ist zu beachten, dass dieWirkung einer Einsatzhärtung nur

dann optimal ist, wenn der Kerb-grund ebenfalls einsatzgehärtetist, vgl. die untere Hälfte derTabelle 2.

Die Tabelle 2 verdeutlichtaußerdem, dass die Höhe derDauerfestigkeit von der Einsatz-härtungstiefe bzw. dem Verhältnisder Dicke der einsatzgehärtetenRandschicht zum nicht aufgekohl-

Einsatzhärten

Bild 32: Reduzierung der durch Belastung erzeugten Zugspannungendurch Druckeigenspannungen

Druc

k

Z

ug

Einsatzhärtungs-schicht

Eigen-spannung

Last-spannung

resultierendeSpannung

Bild 33: Einfluss der Oberflächenhärte auf die Dauerfestigkeit bei Biegewechsel-beanspruchung [15]

0Härte [HV 5]

Bieg

ewec

hsel

fest

igke

it (σ

bw) [

N/m

m2 ]

0

200

1400

200 1100300 400 500 600 700 800 900 1000

400

600

800

1000

1200

αk = 1

αk = 2

Probe: d = ø 6 mmBelastung: Dreiecksmoment

Probenform Behandlung Biegewechsel- Torsionswechsel-festigkeit festigkeit[N/mm2] [N/mm2]

nicht aufgekohlt, gehärtet + angelassen 620 250

einsatzgehärtet, Eht entfernt 620 n. b.

einsatzgehärtet, Eht = 0,1 mm 660 n. b.einsatzgehärtet, Eht = 0,2 mm 700 320einsatzgehärtet, Eht = 0,3 mm 650 n. b.

einsatzgehärtet, Eht = 0,3 mm, 570 n. b.

jedoch ungleichmäßig tief

nicht aufgekohlt, gehärtet + angelassen 340 120

einsatzgehärtet, Eht = 0,3 mm, 210 100

Bohrung nach dem Einsatzhärten angebracht

einsatzgehärtet, Eht = 0,3 mm, 440 290

Bohrung vor dem Aufkohlen angebracht

Tabelle 2: Einfluss unterschiedlicher Ausbildung der Einsatzhärtungsschicht auf die Wechselfestigkeit

26

ten Kernbereich abhängt. Nochdeutlicher wird dies in Bild 34,in dem die Biegewechselfestigkeitin Abhängigkeit vom Verhältnisdes einsatzgehärteten Querschnittszum nicht aufgekohlten Quer-schnitt eines Bauteils wiedergege-ben ist. Neben dem festigkeitsver-mindernden Einfluss der Kerbwir-kung ist abzulesen, dass optimaleDauerfestigkeitswerte bei einemVerhältnis des einsatzgehärtetenQuerschnitts zum nicht einsatzge-härteten zwischen 10 und 20 % er-reicht werden [13], dies ist auchaus Bild 34 abzulesen.

Für das Festlegen der opti-malen Einsatzhärtungstiefe vonZahnrädern hat sich empirisch dieRegel: Eht ≈ 0,2 bis 0,3 · Modulbewährt.

Im Verhältnis zu anderen Ver-fahren zum Verfestigen der Rand-schicht nimmt das Einsatzhärteneine bevorzugte Stellung ein. Diesgeht aus Bild 35 hervor, in demnach DIN 3990 die Dauerschwing-festigkeit einsatzgehärteter im Ver-gleich zu randschichtgehärteten,nitrierten und vergüteten gerad-verzahnten Stirnrädern gegenüber-gestellt ist.

10.5 Verschleißverhalten

Die höhere Rand- und Ober-flächenhärte erhöht den Wider-stand gegen abrasiven Verschleiß(Furchungsverschleiß, Abrieb) so-

wie Prall- und Stoßverschleiß(Erosion). Die Wirkung bei adhä-sivem Verschleiß ist dagegenweniger ausgeprägt und nur nacheinem Carbonitrieren, auf Grundder Stickstoffanreicherung in derRandschicht, signifikant.

Die Einsatzhärtungsschichtbewährt sich besonders auch beiWälzverschleißbeanspruchungen,bei denen es infolge einer Ober-flächendruckbelastung zu hohenSchubspannungen unterhalb derWerkstückoberfläche kommt. Beiwechselnder oder schwellenderBelastung wird dadurch die Rand-

schicht örtlich verformt und imLaufe einer zyklischen Beanspru-chung die Randschicht allmählichzerrüttet → Randschichtzerrüt-tung, so dass ein Anriss entstehenkann. Dieser pflanzt sich bis zurOberfläche fort und führt bei wei-terer Wechselbeanspruchung zueinem Ausbruch von Werkstoff-partikeln und hinterlässt ein Grüb-chen oder Pitting. Das Einsatzhär-ten kann die Randschichtfestigkeitso weit erhöhen, dass der Wider-stand gegen Zerrüttung zunimmt,so dass eine höhere Lastamplitudeertragen und die Lebensdauer ver-längert wird.

Von wesentlicher Bedeutungfür das Verschleißverhalten ist ne-ben der Härte auch der Gefügezu-stand der Einsatzhärtungsschicht.Während in manchen Anwen-dungsfällen im Martensit ausge-schiedene Carbide den Abrasions-widerstand erhöhen, beeinträch-tigen Restaustenit, Entkohlungund Randoxidation das Verschleiß-verhalten. Dieses entzieht sich da-durch einer rechnerischen Behand-lung, weshalb es unerlässlich ist,das zu erwartende Gebrauchsver-halten im Einzelfall bauteilbezogendurch Versuche zu ermitteln.

Merkblatt 452

Bezogene Eht r [%]

Bieg

ewec

hsel

fest

igke

it ±

σbw

[N/m

m2 ]

0

100

10 60

600

200

300

400

500

0 20 30 40 50

αk ~ 1,5

αk ~ 2

Eht r = –––––– · 100D – dd

Dd

Bild 34: ZusammenhangzwischenSchwingfestigkeitund Einsatz-härtungstiefe [13]

Bild 35: Möglichkeit zum Erhöhen der Dauerschwingfestigkeit durch Einsatzhärten im Vergleich zu anderen Wärmebehandlungsverfahren (aus DIN 3990)

0Flankenhärte [HV 1]

Daue

rsch

win

gfes

tigke

it [N

/mm

2 ]

0

200

1600

100 800200 300 400 500 600 700

400

600

800

1000

1400

1200

legierter Einsatzstahl, einsatzgehärtet

Vergütungsstahl,randschichtgehärtet

Stahl,nitriert odernitrocarburiert

Vergütungsstähle

legiert, vergütet

unlegiert, vergütet odernormal geglüht

allgemeine Baustähle

27

11 Mittel zum Aufkohlenund Carbonitrieren

Die zum Aufkohlen oder Car-bonitrieren benützten Kohlen-stoffspender können pulverförmig,granulös, flüssig oder gasförmigsein.

11.1 Pulver und Granulat

Die pulvrigen oder granulösenMittel bestehen im Wesentlichenaus Holzkohle unterschiedlicherKörnung und können mit aktivie-renden Zusätzen oder Streckmit-teln versetzt sein. Die aufzukohlen-den Werkstücke werden in Kästenaus hitzebeständigem Stahl ge-packt, die mit dem Pulver oderGranulat gefüllt und mit einemDeckel verschlossen werden, derjedoch nicht gasdicht schließensollte. Die Kästen werden in Kam-meröfen geglüht.

Bei Temperaturen über 800 ºCbildet sich aus der Holzkohle mitdem Sauerstoff der Luft, die sichzwischen den körnigen Partikelnbefindet, gegebenenfalls auchaus einem zugesetzten Aktivator,Kohlenmonoxid gemäß:

2 · C + O2 ↔ 2 · CO (16)

Das Kohlenmonoxid ist dereigentliche Lieferant für den indie Werkstückrandschicht ein-diffundierenden Kohlenstoff. Diedafür maßgebende Reaktion – dieBoudouard-Reaktion – lautet:

2 · CO ↔ (C) + CO2 (17)

Der Stoffumsatz ist bei Granu-laten auf Grund ihrer gegenüberden Pulverkörnern erheblich grö-ßeren Oberfläche sehr viel inten-siver. Durch Abrieb und die Koh-lenstoffabgabe verbraucht sich dasPulver teilweise, außerdem ent-steht Asche. Dies kann durch Aus-sieben der Asche und der kleinergewordenen Körner und durchZugabe von frischem Pulver wie-der ausgeglichen werden, so dasseine mehrfache Verwendung mög-

lich ist. Granulate sind dagegenabriebfester und zum Regenerierenmuss nicht unbedingt frischesGranulat zugegeben werden.

Das Kohlendioxid kann durchKohlenstoff aus dem Pulver wiederzu Kohlenmonoxid regeneriertwerden. Nach Ablauf der Aufkoh-lungsdauer, wobei bei 900 ºC ineiner Stunde eine Aufkohlungstiefevon ca. 0,1 mm erreicht wird,werden die Kästen dem Ofen ent-nommen und meist langsam, d.h.an ruhender Luft, abgekühlt. Da-nach können die Werkstücke ent-nommen, gegebenenfalls zwischen-bearbeitet, zur Veränderung desKohlenstoffprofils diffusionsbehan-delt oder gehärtet werden.

Das Pulveraufkohlen wird vor-zugsweise für Aufkohlungstiefenab 0,8 mm angewendet. Mit Über-zügen aus Kupfer, keramischenPasten oder anderen geeignetenMitteln kann das Aufkohlen ört-lich begrenzt verhindert werden.

11.2 Salzschmelzen

Salzschmelzen enthalten Koh-lenstoff- und Stickstoffspendersowie Barium- oder Strontium-chlorid als Aktivatoren. Sie wer-den in von außen beheizten Stahl-tiegeln oder durch Einhängen vonElektroden aufgeschmolzen undgewärmt.

Die aufzukohlenden Werk-stücke werden in die flüssige Salz-schmelze eingetaucht. Die maß-gebenden chemischen Reaktionensind das Umsetzen von Cyanidmit Sauerstoff zu Carbonat, Koh-lenmonoxid und Stickstoff [16]:

2 · CN– + 2 · O2 →CO3

2– + N2 + CO (18)

Das Kohlenmonoxid zerfälltan der Werkstückoberfläche nachder Boudouard-Reaktion und gibtKohlenstoff an den Stahl ab.

Gegenwärtig werden bevor-zugt Salzschmelzen benutzt, beidenen das Cyanid durch Zugabeeines Regenerators auf Kunst-stoffbasis erst unter Temperatur-

einwirkung in der Salzschmelzeentsteht, was besonders umwelt-freundlich ist:

CO32– + Regenerator →

2 · CN + CO2/H2O (19)

Die den Kohlenstoff lieferndenKomponenten verbrauchen sichund müssen ersetzt werden. Diesgeschieht durch Ausschöpfen vonverbrauchtem Salz und Nachfül-len von Frischsalz. Bei den auf be-sondere Umweltverträglichkeit ent-wickelten Salzschmelzen wird nurder Regenerator zugegeben, derdas Carbonat wieder reduziert. DieSalzschmelzen sind hinsichtlichihrer Wirkung auf Randkohlen-stoffmassenanteile von 0,5, 0,8oder 1,1 % eingestellt.

Beim Aufkohlen in Salzschmel-zen handelt es sich genau genom-men um ein Carbonitrieren, da derWerkstückrandschicht neben Koh-lenstoff auch Stickstoff angebotenwird. Die aufkohlende Wirkungüberwiegt jedoch. Die Stickstoff-aufnahme wird durch die Behand-lungstemperatur bestimmt. Bis zuTemperaturen von 750 ºC über-wiegt das Aufsticken. Dies kanndurch eine entsprechende Aktivie-rung der Salzschmelze noch ver-stärkt werden. Bei höheren Tem-peraturen nimmt die Stickstoffauf-nahme dagegen deutlich ab.

Die Arbeitstemperaturen zumAufkohlen liegen vorzugsweise imBereich zwischen 900 und 930 ºC,wobei eine Aufkohlungstiefe von0,1 mm in ca. 20 min erreichtwird. Zum Carbonitrieren sindTemperaturen von 650 bis 850 ºCüblich.

11.3 Gase

Grundsätzlich kommen allekohlenstoffhaltigen gasförmigenStoffe als Kohlenstoffspender inBetracht. Für den praktischen Ein-satz haben sich jedoch nur wenigeund zwar solche bewährt, die ther-misch rasch genug zerfallen undbei denen das Kohlenstoff-Wasser-stoff-Verhältnis nicht zu hoch ist.

Einsatzhärten

28

Besonders geeignet sind Propan,Erdgas oder Methan, Ethin, Metha-nol, Aceton oder Isopropanol.

Bei den Kohlenwasserstoffenentstehen aus dem thermischenZerfall Kohlenstoff und Wasser-stoff, bei den C-O-H-Verbindun-gen kommt hierzu noch Kohlen-monoxid. Letzteres hat eine be-sondere Bedeutung, da es wesent-lich rascher als z.B. Methan oderPropan dissoziiert, gemäß der obenangegebenen Boudouard-Reaktion.

In der Praxis wird nicht mitreinem Kohlenmonoxid gearbei-tet, da die freigesetzte Kohlenstoff-menge nicht rasch genug von derWerkstückoberfläche aufgenom-men wird, so dass Ruß entstehenkann. Auch wäre es schwierig,die entstehende Menge Kohlen-dioxid rasch genug aus der Atmo-sphäre zu entfernen. Hinzu kommtaußerdem, dass aus Sicherheits-gründen ein ausreichend hoherOfendruck vorhanden sein muss,damit in den Ofen keine Luft ein-dringt. Hierzu wären unwirtschaft-lich große Mengen Kohlenmono-xid erforderlich.

Es ist daher zweckmäßiger,Gasgemische mit lediglich 20 bis35 Vol.-% Kohlenmonoxid zu be-nutzen. Dadurch lässt sich dasKohlenstoffangebot auch leichterregeln. Das Regeln erfolgt durchErhöhen oder Reduzieren der Zu-gabe von Kohlenwasserstoffen zueinem Basis- oder Trägergas, dasden Ofen mit konstanter Mengedurchströmt.

Das Trägergas kann auf unter-schiedliche Weise hergestellt wer-den. In Tabelle 3 sind die derzeitindustriell üblichen Methodeneinander gegenübergestellt. Da-bei wird unterschieden zwischenAtmosphären, die über den C-Pe-gel regelbar und solchen, die nichtregelbar sind.

Am weitesten verbreitet istdas Herstellen des Trägergases ausPropan oder Erdgas. Dies erfolgtmeist in einem separaten Reak-tionsbehälter. Die eingeleitetenKohlenwasserstoffe werden mitLuftzusatz bei rd. 1050 ºC mit Hilfe

eines nickelhaltigen Katalysatorszu einem unvollständig verbrann-ten Rauchgas umgesetzt. Dieendotherme, d.h. wärmeverbrau-chende Reaktion führte zu derBezeichnung Endoträgergas:

Daraus ergibt sich die in Ta-belle 4 angegebene Zusammen-setzung der beiden Trägergasarten.Das Trägergas enthält außerdemgeringe Mengen Kohlendioxid,Wasserdampf und Spuren vonfreiem Sauerstoff. Bevor das Trä-gergas in den Ofen eingeleitet wird,wird es auf Raumtemperatur abge-kühlt, damit die Gaskomponentenuntereinander nicht weiterreagie-ren und die Zusammensetzungverändern.

Anstatt das Trägergas in einemEndogasgenerator zu erzeugen,kann es auch synthetisch erzeugtwerden, wozu beispielsweise gas-förmiges Methanol und Stickstoffim Verhältnis 60:40 gemischt wer-

Merkblatt 452

2 · C3H8 + 12 · N2 + 3 · O2 → 6 · CO + 8 · H2 + 12 · N2 bzw. (20)

2 · CH4 + 4 · N2 + O2 → 2 · CO + 4 · H2 + 4 · N2 (21)

Mit Generator/Endoretorte: Ohne Generator:Endogas/Endoträgergas synthetische Atmosphären

Verbrennen von Propan, Erdgas oder Spalten von Methanol → Spaltgas,Methan mit Luft, Zugabe von Propan, Mischen mit Stickstoff (60:40), Erdgas oder Methan Zugabe von Propan, Erdgas oder Methan

Erdgas, Methan, Propan oder Butan Eintropfverfahren:und Kohlendioxid, Methanol und Aceton, Alkohole Zugabe von Propan, Erdgas oder Methan oder Ethylacetat

Niederdruckaufkohlen: Direktbegasung:– Methan, Erdgas, Propan, Ethin – Methan, Erdgas, Propan oder – Methan, Erdgas, Propan Butan und Kohlendioxid,

und Wasserstoff und Argon Zugabe von z.B. Propanmit Plasmaunterstützung – Propan, Erdgas oder Methan und Luft

– Isopropanol oder Sauerstoffderivate und Luft

– Methanol und Stickstoff, Zugabe von Propan

Trägergas aus: Kohlenmonoxid Wasserstoff Stickstoff

Propan 23,7 Vol.-% 31,5 Vol.-% 44,8 Vol.-%

Erdgas/Methan 20,4 Vol.-% 40,9 Vol.-% 38,7 Vol.-%

Tabelle 3: Übersicht über die industriell angewendeten Aufkohlungsatmosphären

Tabelle 4: Zusammensetzung der aus Propan bzw. Methan hergestellten Endoträgergase

den. Das Methanol zerfällt ther-misch zu einem Drittel in Kohlen-monoxid und zu zwei Dritteln inWasserstoff. Dadurch ergibt sicheine Gaszusammensetzung wiedie von Trägergas aus Erdgas oderMethan. Eine weitere industriellnutzbare Methode zur Trägergas-herstellung besteht darin, Erdgasund Luft direkt in den Ofen einzu-leiten, um das Aufbereiten im Gas-generator zu umgehen („Direkt-begasen“).

29

Dem Ofen wird das Trägergaskontinuierlich in einer Menge zu-geführt, die ausreicht, um im Ofen-raum einen Überdruck gegenüberder Außenatmosphäre von ca. 1,5bis 2,5 mbar zu erzeugen. Damitwird dem Eindringen von Luft inden Ofen vorgebeugt, die mit demWasserstoff Knallgas bilden kann.

Die Trägergase besitzen gegen-über reinem Kohlenmonoxid einegeringere Kohlenstoffverfügbarkeit,wie aus Bild 5 zu entnehmen ist.

Der C-Pegel der Trägergaseliegt bei Temperaturen zwischen900 und 930 ºC etwa bei 0,3 bis0,4 %. Dies würde zum Aufkohlender Stähle auf einen Randkohlen-stoffmassenanteil von z.B. 0,6 %nicht ausreichen. Deshalb mussdem Trägergas ein Zusatzgas zu-gegeben werden. Hierfür kommenebenfalls Kohlenwasserstoffe wiePropan, Erdgas oder Methan inBetracht. Durch Zugabe von z.B.2 bis 3 Vol.-% Propan zum Träger-gas ergibt sich die zum Aufkohlenerforderliche Wirkung. Mit derZusatzgasmenge wird der C-Pegelgeregelt.

In der Aufkohlungsatmosphärebestimmen im Wesentlichen fol-gende Reaktionen das Freisetzenvon Kohlenstoff:

2 CO ↔ (C) + CO2

(Boudouard-Reaktion) (22)

CO + H2 ↔ (C) + H2O (Heterogene Wasser-gasreaktion) (23)

CO ↔ (C) + 1/2 O2 (24)CH4 ↔ (C) + 2 H2 (25)

Das Gas durchströmt den Ofenund das im Ofen befindliche Wär-mebehandlungsgut. Dieses mussso gepackt werden, dass alle Werk-stücke in ausreichendem Maßevom Aufkohlungsgas umströmtwerden.

Die beschriebenen Aufkoh-lungsatmosphären werden beieinem gegenüber dem Normal-druck geringfügig höheren Druckbetrieben. Im Unterschied dazukann das Aufkohlen jedoch auchunterhalb des Normaldrucks in

Vakuumöfen erfolgen. Dazu wirdüblicherweise Methan oder Propanin einen evakuierten Ofen einge-leitet und bei einem Ofendruckvon ca. 5 bis 10 mbar aufgekohlt.Im Vergleich zu den Trägergas-atmosphären lässt sich jedochbei dieser Technik kein C-Pegeldefinieren und regeln. Stattdessenwird der Prozess über den Druckund die Durchflussmenge desGases gesteuert. Beim Plasmaauf-kohlen wird zum Intensivieren derAufkohlungswirkung eine strom-starke Glimmentladung zum ver-stärkten Aufspalten der Kohlen-wasserstoffe aufgeschaltet.

Das zum Carbonitrieren er-forderliche Stickstoffangebot er-fordert die Zugabe von Ammoniak-gas (NH3) zum Aufkohlungsgas,üblich sind 0,7 bis 10 Vol.-%. Dabeiist zu beachten, dass der durchdie Ammoniakspaltung entste-hende Wasserstoff die oben auf-geführten Reaktionen beeinflusst,so dass sich der Wasserstoffanteilerhöht und der Kohlenmonoxid-und Kohlendioxidanteil verringert.Dies muss bei der Sollwertvorgabe

für den C-Pegel entsprechend be-rücksichtigt werden. Anhaltswertehierfür können aus dem Bild 36entnommen werden.

Das Gascarbonitrieren erfolgtim Temperaturbereich von etwa750 bis 930 ºC. Der obere Tempe-raturbereich wird bevorzugt, wenndurch die Stickstoffanreicherungdie Härtbarkeit erhöht werden soll.Dies gilt insbesondere für unle-gierte Stähle oder Sinterformteileaus Eisenlegierungen.

Die Ammoniakgas-Zugabemen-ge ist sorgfältig auf die jeweiligeCarbonitriertemperatur abzustim-men. Bei zu hoher Zugabe kön-nen durch eine innere OxidationPoren entstehen und nach demHärten in der Randschicht größereMengen von Restaustenit auftre-ten. Dies verringert die maximalerreichbare Härte und kann statt-dessen zu einem Härteabfall amäußeren Rand der Werkstückeführen. In Bild 37 sind die Ergeb-nisse eines Versuchs wiederge-geben, bei dem der Stahl C15 bei785 bzw. 815 ºC mit unterschied-lichen Ammoniakanteilen gas-

Einsatzhärten

Bild 36: Einfluss des Ammoniaks auf dieRegelgrößen [17]

C-Pegel [%]

CO2-

Volu

men

ante

il [%

]

0,60,4

0,1

1,0

0,2

0,4

0,6

0,8

0,8 1,0 1,2

850 ºC

875 ºC

900 ºC

925 ºC

ohne NH3

5 % NH3

30

carbonitriert wurde. Aus den Härte-profilen ist zu entnehmen, dassbei niedrigeren Temperaturen mitgeringerer Ammoniakzugabe ge-arbeitet werden sollte, um einenzu großen Härteabfall am Rand zuvermeiden.

12 Messen und Regeln beim AufkohlenDie Zielgrößen für das Auf-

kohlen sind die Aufkohlungstiefe,der Randkohlenstoffgehalt undeventuell die Form des Kohlen-stoff-Konzentrationsprofils. Wie imKapitel 3 dargestellt, sind die fürdas Aufkohlungsergebnis maßgeb-lichen Prozessparameter – die Temperatur – die Dauer– der C-Pegel– die Werkstoffzusammensetzung– die Art des Aufkohlungsmittels.

Die Aufkohlungstiefe lässt sichüber den C-Pegel, die Tempera-tur und die Dauer steuern. Da-bei kommt dem C-Pegel beson-

dere Bedeutung zu, da er dieAufkohlungsgeschwindigkeit undden Randkohlenstoffgehalt beein-flusst.

12.1 Pulver und Granulat

Während des Aufkohlens inPulver oder Granulat lässt sich derC-Pegel nicht verändern. Bei denüblicherweise benutzten Pulvernist bei Temperaturen von 900 bis930 ºC ein C-Pegel von 1,0 bis 1,2zu erwarten. Dadurch stellt sichein Randkohlenstoffmassenanteilmeist von 0,8 % und mehr ein,was nach dem Härten zu einemRandschichtgefüge führt, das Rest-austenit und – insbesondere bei

legierten Stählen – Carbidausschei-dungen enthält. Ein zu hoher Rand-kohlenstoffmassenanteil erfordertdaher ein Nachbehandeln, z.B.durch ein Diffusionsbehandeln ineiner Atmosphäre mit geringeremC-Pegel.

12.2 Salzschmelzen

Auch bei Salzschmelzen ist einRegeln während des Aufkohlensbzw. Carbonitrierens nicht mög-lich. Der C-Pegel ergibt sich ausder Zusammensetzung der Salz-schmelze. Es gibt Salzschmelzenmit unterschiedlich hohen C-Pe-geln zwischen 0,5 und über 1,0 %.

Bei den Salzschmelzen ist eszweckmäßig, mit der Folien-methode den C-Pegel und die Zu-sammensetzung der Salzschmelzechemisch zu kontrollieren. Diesermöglicht es, die Streubreite derAufkohlungswirkung möglichstklein zu halten.

12.3 Gase

In Gasen lässt sich der C-Pegeloptimal regeln. Entsprechend derZusammensetzung der Aufkoh-lungsatmosphäre wird dabei da-von Gebrauch gemacht, dass diePartialdrucke der Gasbestandteileund die Kohlenstoffaktivität mit-einander verknüpft sind. Mit Hilfeder im Kapitel 3.1 angegebenenBeziehung zwischen der Kohlen-stoffaktivität und dem C-Pegellassen sich dann folgende ther-modynamische Beziehungen, For-meln (26), (27) und (28) aufstel-len [18].

Merkblatt 452

Bild 37: Einfluss der Ammoniakzugabe beim Gascarbonitrieren auf das Härteprofil [17]

0Abstand von der Oberfläche [mm]

Härt

e [H

V 10

]

0

1000

0,1 0,5

240

300

400

500

600

700

800

0,2 0,3 0,4

900

0 %

785 ºC/2,5 h815 ºC/2,5 h

gascarbonitriert

5 % NH310 % NH3 5 % NH3

10 % NH3

6521 p2CO · (0,785 · Cp + 21,5)

lgpCO2= –––––– – 8,21 – 0,15 · Cp + lg [–––––––––––––––––––––––––––––––] (26)

T Cp

4807 pCO · pH2 · (0,785 · Cp + 21,5)lgpH2O = –––––– – 6,63 – 0,15 · Cp + lg [–––––––––––––––––––––––––––––––––––––] (27)

T Cp

16446 pCO · (0,785 · Cp + 21,5)lgpO2

= – ––––––– – 7,36 – 0,30 · Cp – 2 · lg [––––––––––––––––––––––––––––––] (28)T Cp

31

Aus diesen ergibt sich, dassdurch Messen der Partialdrucke(Volumenanteile) der in der Ofen-atmosphäre anwesenden Gaskom-ponenten Kohlendioxid, Wasser-dampf und Sauerstoff der jeweiligeC-Pegel ermittelt werden kann.Umgekehrt lässt sich damit einbestimmter C-Pegel über die Gas-zusammensetzung einstellen.

12.3.1 Ermitteln des C-Pegelsaus derTaupunkttemperatur

Durch Messen der Taupunkt-temperatur lässt sich der Wasser-dampfanteil oder -partialdruckeines Gases bestimmen [19]. Dieskann kontinuierlich über dasBeschlagen der Oberfläche einesgekühlten Spiegels oder mittels derelektrischen Leitfähigkeit einerSalzlösung erfolgen. Dazu mussdem Ofengas über eine Mess-gaspumpe Gas entnommen wer-

den. Die Sorgfalt, mit der dies ge-schieht – undichte Gasleitungen,Kondensation von Wasserdampfoder Gasreaktionen in der Mess-gasleitung –, bestimmt die Größeder Messunsicherheit. Das Regelndes C-Pegels beim Gasaufkohlenüber die Taupunkttemperatur istderzeit industriell kaum nochüblich.

Für Atmosphären aus Endo-trägergas, das aus Propan herge-stellt wird, ist der Zusammenhangzwischen Taupunkttemperaturund C-Pegel in Abhängigkeit vonder Temperatur in Bild 38 undin Bild 39 für Endoträgergas ausErdgas (Methan) oder Methanol-Stickstoff, dargestellt.

12.3.2 Ermitteln des C-Pegels über den CO2-Anteil

Hierfür hat sich fast ausschließ-lich die Infrarot-Absorptionsmes-sung bewährt. Das Prinzip gestat-

tet ein kontinuierliches Messen,was eine entsprechende Gasent-nahme aus dem Ofen bedingt [19].Beim Entnehmen des Messgasesmögliche Fehler beeinträchtigen,genau wie beim Taupunktmessen,das Ergebnis. Insbesondere mussauf die Querempfindlichkeit desim Gas enthaltenen Kohlenmono-xids, dessen Anteil, je nachdem,ob zum Herstellen des Endoträger-gases Propan oder Methan/Erdgasverwendet wird, geachtet werden.Nach dem beschriebenen Prinziplässt sich auch der Kohlenmono-xid-, der Methan- oder der Ammo-niakanteil von Gasen messen.

Für Atmosphären aus Endo-trägergas, das aus Propan herge-stellt wird, ist der Zusammenhangzwischen CO2-Anteil und C-Pegelin Abhängigkeit von der Tempe-ratur in Bild 40 und in Bild 41für Endoträgergas aus Erdgas(Methan) oder Methanol-Stickstoffdargestellt.

Einsatzhärten

Bild 38: Zusammenhang zwischen Taupunkt, Temperatur und C-Pegel für ein Ofengas mit Trägergas aus Propan

Bild 39: Zusammenhang zwischen Taupunkt, Temperatur und C-Pegel für ein Ofengas mit Trägergas aus Erdgas (Methan) oderMethanol-Stickstoff (60 : 40)

Temperatur [ºC]

Taup

unkt

tem

pera

tur [

ºC]

–28,01050900850

– 26,0

0,0C-Pegel-Wert

– 24,0

– 22,0

–20,0

–18,0

–16,0

–14,0

–12,0

–10,0

– 8,0

– 6,0

– 4,0

– 2,0

950 1000

1,41,51,6

1,31,21,1

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

Rußgrenze (ac = 1,0)

Temperatur [ºC]

Taup

unkt

tem

pera

tur [

ºC]

–28,01050900850

– 26,0

0,0C-Pegel-Wert

– 24,0

– 22,0

–20,0

–18,0

–16,0

–14,0

–12,0

–10,0

– 8,0

– 6,0

– 4,0

– 2,0

950 1000

1,41,51,6

1,31,21,11,00,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

Rußgrenze (ac = 1,0)

32

Merkblatt 452

Bild 40: Zusammenhang zwischen CO2-Anteil, Temperatur undC-Pegel für ein Ofengas mit Trägergas aus Propan

Temperatur [ºC]

Kohl

endi

oxid

volu

men

ante

il [%

]

01050900850

0,25C-Pegel-Wert

0,05

0,1

0,15

0,2

950 1000

1,6

1,00,90,80,7

0,6

0,5

0,4

0,3

Rußgrenze

1,5

1,3

1,2

1,1

1,4

Bild 41: Zusammenhang zwischen CO2-Anteil, Temperatur undC-Pegel für ein Ofengas mit Trägergas aus Erdgas (Methan) oderMethanol-Stickstoff (60 : 40)

Temperatur [ºC]

Kohl

endi

oxid

volu

men

ante

il [%

]

01050900850

0,25C-Pegel-Wert

0,05

0,1

0,15

0,2

950 1000

1,5

0,90,80,7

0,5

0,4

0,3

1,6

0,6Rußgrenze

1,3

1,2

1,1

1,0

1,4

Temperatur [ºC]

Sond

ensp

annu

ng [m

V]

11001050900850

1110

1240C-Pegel-Wert

1120

1130

1140

1150

1160

1170

1180

1190

1200

1210

1220

1230

950 1000

1,0

0,9

1,1

1,21,31,41,51,6

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

Rußgrenze (ac = 1,0)

Bild 43: Zusammenhang zwischen Sondenspannung, Temperaturund C-Pegel für ein Ofengas mit Trägergas aus Erdgas (Methan)oder Methanol-Stickstoff (60 : 40)

Temperatur [ºC]

Sond

ensp

annu

ng [m

V]

10901050900850

1100

1230C-Pegel-Wert

1110

1120

1130

1140

1150

1160

1170

1180

1190

1200

1210

1220

950 1000

1,0

0,9

1,11,21,31,41,51,6

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

Rußgrenze (ac = 1,0)

Bild 42: Zusammenhang zwischen Sondenspannung, Temperaturund C-Pegel für ein Ofengas mit Trägergas aus Propan

33

12.3.3 Ermitteln des C-Pegels aus dem Sauerstoffpartialdruck

Der Sauerstoffpartialdruck inGasen kann elektrochemisch mitHilfe eines Festkörperelektrolytengemessen werden. Bewährt hatsich hier die so bezeichnete Sauer-stoffsonde, die direkt in die Auf-kohlungskammer des Ofens ein-geführt werden kann [19, 20].Damit entfallen die Notwendigkeiteiner Gasentnahme aus dem Ofenund eine Reihe von Fehlermög-lichkeiten.

Durch den unterschiedlichenSauerstoffanteil zwischen derAußenluft und dem Ofengas ent-steht in der Sonde eine elektrischeSpannung in der Größenordnungvon bis zu 1,5 V. Der Zusammen-hang zwischen der Spannungund dem Sauerstoffpartialdruckist durch die nachstehende Bezie-hung gegeben:

pO2E = 0,0496 · T · lg (–––––––) mV (29)pO

02

Dabei entspricht pO2 demSauerstoffpartialdruck in der Ofen-atmosphäre und p0

O2dem Sauer-

stoffpartialdruck der Umgebungs-luft. Für Gleichgewichtsatmosphä-ren oder Atmosphären aus CO,H2, H2O und CO2 wie der Endo-gasatmosphäre, die annähernd imthermodynamischen Gleichge-wicht sind, lässt sich die Span-nung der Sauerstoffsonde und derC-Pegel zueinander in folgendeBeziehung setzen:

12.4 Allgemeines zum Festlegendes C-Pegels beim Gasauf-kohlen und -carbonitrieren

Der beim Aufkohlen zu re-gelnde C-Pegel ergibt sich primäraus der Höhe des erforderlichenRandkohlenstoffgehalt, der un-mittelbar vor dem Härten nur sohoch sein sollte, dass möglichstkein Restaustenit übrig bleibt, vgl.Kapitel 5 und 6 und Bild 15.Außerdem ist die Stahlzusammen-setzung zu berücksichtigen undgegebenenfalls die Sollwertvor-gabe für den C-Pegel nach denDaten von Tabelle 1 zu korrigieren.Um bei großen Aufkohlungstiefendie Aufkohlungsdauer zu verkür-zen, kann es zweckmäßig sein, dieZweistufenmethode anzuwenden,d.h., zu Beginn des Aufkohlenseinen höheren C-Pegel vorzugebenund anschließend mit einem nie-drigeren den erforderlichen Rand-kohlenstoffgehalt einzustellen, vgl.Bild 16 [21, 22].

Die Zugabe von Ammoniakerhöht den Wasserstoffanteil undverringert den Kohlenmonoxid-und -dioxidanteil. Dies muss beimFestlegen des C-Pegel-Sollwertsbzw. des CO2-Anteils für das Re-geln berücksichtigt werden. Ausden Kurven in Bild 36 ist zu ent-nehmen, dass der CO2-Sollwertbei einer Ammoniakzugabe von5 Vol.-% zum Ofengas niedrigereingestellt werden muss, um den-selben C-Pegel zu erhalten wieohne Ammoniakzugabe. Wird diesnicht berücksichtigt, ergibt sichein niedrigerer C-Pegel. Wird da-

13 Stähle zum Einsatzhärten

Obwohl grundsätzlich alleEisenwerkstoffe mit niedrigenKohlenstoffgehalten einsatzgehär-tet werden können, sind es dochin erster Linie die so bezeichnetenEinsatzstähle, die zum Einsatzhär-ten verwendet werden. Sie sindnach DIN EN 10084 gekennzeich-net durch Kohlenstoffmassen-anteile von rd. 0,10 bis 0,30 %.Daneben finden auch die Auto-mateneinsatzstähle nach DINEN 10087 Verwendung, die denVorteil einer leichteren Zerspan-barkeit bieten, sowie die in DINEN 10263 beschriebenen Stählezum Kaltstauchen und Kaltpres-sen. Außerdem gibt es nach DINEN ISO 4759 einsatzhärtbare Werk-zeugstähle.

Für die Auswahl sind unter-schiedliche Gesichtspunkte maß-gebend, die sich hauptsächlichaus der Werkstückform und -ab-messung, den Bearbeitungsbedin-gungen, dem Verhalten beim Ein-satzhärten und den gefordertenEigenschaften ergeben. WichtigesKriterium für das Einsatzhärten istdie chemische Zusammensetzung,welche die Härtbarkeit und dieAnlassbeständigkeit bestimmt unddarüber hinaus auch die Neigungzum Überkohlen in Form vonRestaustenit und Carbidbildung. InTabelle 5 sind die für das Einsatz-härten empfohlenen Temperaturennach DIN EN 10084 aufgeführt.

Einsatzhärten

T pCO · (0,785 · Cp + 21,5) E = 815 + ––––––– · {33,3 + 1,5 · Cp + 9,92 · lg [––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––]} mV (30)

100 Cp

gegen der C-Pegel über den Tau-punkt geregelt, dann lässt sichkein signifikanter Einfluss derAmmoniakzugabe auf den C-Pegelfeststellen.

Für Atmosphären aus Endo-trägergas, das aus Propan herge-stellt wird, ist der Zusammenhangzwischen Sondenspannung undC-Pegel in Abhängigkeit von derTemperatur in Bild 42 und inBild 43 für Endoträgergas aus Erd-gas (Methan) oder Methanol-Stick-stoff dargestellt.

Tabelle 5: Anhaltsangaben für die Bedingungen zum Wärmebehandeln der Einsatzstähle nach DIN EN 10084

34

14 Hinweise für die Praxis des Einsatzhärtens

14.1 Vorbereiten und Vorbehandeln der Werkstücke

Das Vorbereiten bzw. Vor-behandeln der Werkstücke dientdazu, unerwünschte Einflüsse vonEigenspannungen oder des Ober-flächenzustandes auf den Endzu-stand zu beseitigen, den Behand-

lungsablauf abzusichern oder ge-gebenenfalls das Aufkohlen oderEinsatzhärten örtlich zu begrenzen.

14.1.1 Vorangehende Wärmebehandlungen

In den aufzukohlenden Werk-stücken vorhandene Eigenspan-nungen werden beim Aufkohlenweitgehend reduziert. Dadurchkönnen unerwünscht große Form-und Maßänderungen entstehen.

Dies lässt sich durch ein vorange-hendes Spannungsarmglühen beica. 600 bis 650 ºC mit einer Halte-dauer nach dem Durchwärmenvon mindestens 30 min und lang-sames Abkühlen vorwegnehmen.Die dabei entstehenden Maß- undFormänderungen können danndurch ein spanendes Bearbeitenbeseitigt werden, wozu ein aus-reichendes Aufmaß vorgesehenwerden muss. Das Glühen solltein einer inerten Atmosphäre erfol-gen, um Verzundern zu vermeiden.

Merkblatt 452

Stahlbezeichnung Stirnabschreck- Aufkohlungs- Kernhärte- Randhärte- Anlass-versuch temperatur temperatur temperatur temperatur

Kurzname Werkstoff- Abschrecktemperatur nummer [ºC] [ºC] [ºC] [ºC] [ºC]

C10E 1.1121 –

C15E 1.1141 – 880 bis 920

C16E 1.1148 –

17Cr3 1.7016 880

28Cr4 1.7030 850

16MnCr5 1.7131 870

16MnCrB5 1.7160 870

20MnCr5 1.7147 870 880 bis 980 860 bis 900 780 bis 820

18CrMo4 1.7243 880

22CrMoS3-5 1.7333 900

20MoCr3 1.7320 880

20MoCr4 1.7321 910 150 bis 200

16NiCr4 1.5714 880 850 bis 890

10NiCr5-4 1.5805 880 875 bis 925 830 bis 860 780 bis 810

18NiCr5-4 1.5810 880 840 bis 880

17CrNi6-6 1.5918 870 830 bis 870

15NiCr13 1.5752 880 840 bis 880

20NiCrMo2-2 1.6523 920 880 bis 980 860 bis 900 780 bis 820

17NiCrMo6-4 1.6566 880

20NiCrMoS6-4 1.6571 880 830 bis 870

18CrNiMo7-6 1.6587 860

14NiCrMo13-4 1.6657 880 840 bis 880

35

Bei kaltumgeformten Werk-stücken ist stattdessen ein Normal-glühen vorzuziehen, wenn infolgeRekristallisation in unterkritischverformten Bereichen eine Grob-kornbildung eintreten kann. Diezum Normalglühen erforderlichenBehandlungsdaten sind den Tech-nischen Lieferbedingungen für dieStähle oder entsprechenden Unter-lagen der Stahlhersteller zu ent-nehmen.

14.1.2 Reinigen der Werkstücke

Rückstände von der spa-nenden oder spanlosen Bearbei-tung, z.B. Kühlschmiermittel,Oxidschichten, Rückstände vonWasch- und Konservierungsmit-teln, Zunder, Rost, Farb- oder Löt-flussmittel, können je nach ihrerBeschaffenheit die Kohlenstoff-aufnahme, speziell beim Pulver-oder Gasaufkohlen, be- oder sogarverhindern. Salzschmelzen kön-nen durch diese Rückstände so-wie Späne, Grate, Rost, Zunderoder Nichteisenmetalle in ihrerZusammensetzung und damit inihrer Wirkung beeinträchtigt wer-den. Deshalb ist es notwendig,die Werkstücke vor dem Aufkoh-len oder Carbonitrieren je nachVerschmutzungsgrad auf geeig-nete Weise zu reinigen. Dies kanndurch Waschen, Entgraten, Beizen,Strahlen, Voroxidieren, Zerspanenoder andere geeignete Maßnahmengeschehen. Üblich ist das Waschenin heißem Wasser mit geeignetenReiniger-Zusätzen. Um einen aus-reichenden Reinigungseffekt zuerreichen, kann es zweckmäßigsein, den Waschvorgang mecha-nisch zu unterstützen (Druckstrah-len, Ultraschall, Spritzen usw.).Nach dem Waschen müssen dieWerkstücke und die Werkstück-träger oder Chargiervorrichtungengetrocknet werden. Bolzen oderSchrauben, die zum Verschließenvon Bohrungen oder Löchernangebracht wurden, sind vordem Reinigen unbedingt zu ent-fernen.

Grate, Zunder, Rost, Walz-oder Schmiedehaut, Farb- oder Löt-flussmittelreste lassen sich durchStrahlen, chemisches oder ther-misches Entgraten entfernen. Esist jedoch zu beachten, dass beimthermischen Entgraten die Werk-stückoberfläche oxidiert wird undbeim chemischen Entgraten derWerkstoff mit dem Elektrolytenreagieren kann, was die Koh-lenstoffdiffusion beeinträchtigenkann. Strahlmittelreste sollten mög-lichst vollständig von der Werk-stückoberfläche entfernt werden,da sie die Wirkung der Auf-kohlungsmittel beeinträchtigenkönnen.

Beizen eignet sich ebenfallszum Entfernen von Zunder, Rost,Walz- oder Schmiedehaut oderLötflussmittelresten. Die Rück-stände des Beizmittels sollten je-doch vollständig entfernt werden,damit die Werkstücke nicht ros-ten. Auch sollte darauf geachtetwerden, dass die Beizwirkungnicht intensiver als unbedingt not-wendig ist, damit Beiznarben ander Werkstückoberfläche vermie-den werden.

In manchen Anwendungsfällenhat es sich als nützlich erwiesen,die Werkstücke vor dem Gasauf-kohlen gezielt zu oxidieren. Damitkönnen u.U. gewisse Rückständeabdampfen und die Werkstück-oberfläche aktiviert werden, wasdie Kohlenstoffaufnahme verbes-sern kann.

14.1.3 Vorbereiten für ein örtlich begrenztes Einsatzhärten

Ein örtlich begrenztes Ein-satzhärten verursacht zusätzlicheKosten, ist jedoch nicht immer zuumgehen. Sollen bestimmte Berei-che eines Werkstücks nicht aufge-kohlt, carbonitriert oder einsatz-gehärtet sein, kann ein schützen-der Überzug, z. B. eine Paste odereine galvanisch erzeugte Kupfer-schicht, aufgebracht oder einSchutzkörper in Form einer Hülseangebracht werden. Letzteres ist

allerdings nur beim Aufkohlenoder Carbonitrieren im Gas oderPulver wirksam. Schutzkörperbesitzen darüber hinaus nur einebegrenzte Wirksamkeit. Beim Be-handeln in Salzschmelzen könnendie Werkstücke u. U. unvollstän-dig eingetaucht werden. Die Breitedes Übergangs vom aufgekohltenzum nicht aufgekohlten Bereichhängt von der gewählten Schutz-methode ab. Die schmalsten Über-gänge ergeben sich durch Schutz-überzüge. Im nicht aufgekohltenoder nicht carbonitrierten Bereichergibt sich nach dem Härten eineOberflächenhärte entsprechenddem Kohlenstoffgehalt des Aus-gangszustands des verwendetenStahls.

Eine andere Möglichkeit be-steht darin, nach dem Aufkohlenoder Carbonitrieren die Diffusions-schicht spanend abzuarbeiten, z.B.um Löcher oder Gewinde anzu-bringen. Des Weiteren ist ein ört-lich begrenztes Anlassen nach demEinsatzhärten z.B. induktiv odermit der Flamme oder ein örtlichbegrenztes Entfernen der Einsatz-härtungsschicht durch Schleifenoder Hartdrehen möglich.

Für welche Methode man sichentscheidet, hängt von den gefor-derten Eigenschaften und der Be-schaffenheit des Werkstücks, demWärmebehandlungsverfahren undden betrieblichen Gegebenheitenab und kann von Fall zu Fall unter-schiedlich sein.

14.2 Chargieren der Werkstücke

Beim Chargieren sind dieWerkstücke so anzuordnen, dassalle aufzukohlenden bzw. zu car-bonitrierenden Werkstückbereichevom Behandlungsmittel ungehin-dert erreicht und beim Abschre-cken vom Abschreckmittel mög-lichst gleichmäßig und mit aus-reichender Strömungsgeschwin-digkeit beaufschlagt werden.

Schüttgut sollte nicht zu hochund nicht zu dicht geschüttet wer-den. Gegebenenfalls ist das Hauf-

Einsatzhärten

36

werk durch Zwischengitter aufzu-lockern bzw. sind die Werkstückemit ausreichendem Zwischen-abstand anzuordnen. FlächigesBerühren der Werkstücke ist zuvermeiden. Auch linienförmigesBerühren kann nachteilig sein;punktförmiges Berühren ist da-gegen meist unbedenklich.

Einseitig geschlossene odernapfförmige Werkstücke müssenbeim Abschrecken so angeordnetsein, dass ihre Öffnungen mög-lichst nach oben weisen, damitverdampfende Feuchtigkeit ent-weichen kann.

Die Werkstücke sind so zupacken, dass sie durch das Gewichtaufliegender anderer Teile nichtverformt werden.

14.3 Erwärmen auf Behandlungstemperatur

Der Zeit-Temperatur-Verlaufim Rand und im Kern eines Werk-stücks wird beim Erwärmen vonseiner Geometrie und der Erwärm-geschwindigkeit bestimmt. Beiunterschiedlichen Querschnitts-abmessungen ergeben sich in je-dem Querschnitt andere Erwär-mungskurven für den Rand undden Kern. Die dabei entstehendenTemperaturunterschiede sind um-so größer, je größer die Abmes-

sung und je höher die Erwärm-geschwindigkeit ist. Dies kann inVerbindung mit den beim Erwär-men gleichzeitig stattfindendenGefügeänderungen Spannungenhervorrufen, weshalb es vorteil-haft sein kann, das Erwärmen stu-fenförmig vorzunehmen.

14.4 Regeln des C-Pegels

Das Regeln des C-Pegels er-folgt entsprechend der vorgegebe-nen Zielgrößen Aufkohlungstiefe,Randkohlenstoffgehalt und Koh-lenstoff-Konzentrationsprofil. Wirdmit einem konstanten C-Pegelaufgekohlt, ergeben sich je nachdem Verhältnis von Kohlenstoff-übergangszahl zur Diffusionsge-schwindigkeit und Höhe des C-Pegels unterschiedliche Kohlen-stoffprofile. Im Bild 44 ist diesschematisch dargestellt.

Typ A und B der Aufkohlungs-kurven sind dadurch gekennzeich-net, dass der C-Pegel kleiner ist alsdie – von der Temperatur abhän-gige – Löslichkeit des Austenits fürKohlenstoff Cs. Im Fall von Typ Cund D ist der C-Pegel höher. Auf-kohlungskurven des Typs A und Dergeben sich, wenn der Kohlen-stoffübergang im Verhältnis zurDiffusion des Kohlenstoffs imWerkstück stärker ist. Dann wird

bereits unmittelbar nach Beginndes Aufkohlens der größtmöglicheRandkohlenstoffgehalt erreicht.Kurven des Typs A entstehen instark aktivierten Salzschmelzen.In schwach aktivierten Salzschmel-zen, beim Granulatgasaufkohlenund in regelbaren Gasatmosphärenerhält man dagegen Kurven desTyps B. Hier erreicht der Rand-kohlenstoffgehalt erst allmählichWerte in der Nähe des C-Pegels.In den Fällen C und D ist der C-Pegel rein fiktiv. Das heißt, bereitsunmittelbar nach Beginn des Auf-kohlens (Typ D) oder erst nacheiniger Zeit (Typ C) wird ein Rand-kohlenstoffgehalt erreicht, der grö-ßer ist als die Löslichkeit des Aus-tenits, so dass es zu einer Zemen-tit- bzw. Carbidbildung kommt.Aufkohlen im Pulver oder in sehrschwach oder niedrig aktiviertenSalzschmelzen führt zu Kurvendes Typs C. Kurven des Typs Dentstehen z. B. beim Vakuumauf-kohlen.

Das Aufkohlen verläuft umsoschneller, je eher ein hoher Rand-kohlenstoffgehalt erreicht wirdund je höher der C-Pegel bei ge-gebener Temperatur ist. Damitlässt sich die Aufkohlungsdauer ge-zielt verkürzen. Andererseits darfder Randkohlenstoffgehalt nichtso hoch werden, dass Carbideausgeschieden werden oder beim

Merkblatt 452

Mas

sena

ntei

l Koh

lens

toff

[%]

0CK

0,4

0,8

6,7

Cp

Cs C-PegelSättigungswert

Zementit

5

4

321

C-Pegel 5

4

321

5

43

21

5

4

321

Aufkohlungstiefe

C-Pegel ≤ Sättigungswert CsC-Übergangszahl ≥Diffusionsgeschw.

Typ A

C-Übergangszahl <Diffusionsgeschw.

Typ B

C-Übergangszahl <Diffusionsgeschw.

Typ C

C-Übergangszahl >Diffusionsgeschw.

Typ D

C-Pegel > Sättigungswert Cs

Aufkohlungsdauer 1< 2 < 3 < 4 < 5

Bild 44: Zusammenhang zwischen Kohlenstoffübergangszahl, Sättigungswert des Austenits für Kohlenstoff, C-Pegel, Aufkohlungsdauer, Diffusionsgeschwindigkeit und Aufkohlungskurven [23]

37

Härten Restaustenit übrig bleibt.Um dennoch das Aufkohlen wirt-schaftlich zu machen, ist es sinn-voll, den Aufkohlungsvorgang inzwei Schritte zu unterteilen. Imersten wird mit einem möglichsthohen C-Pegel – in der Nähe desKohlenstoff-Sättigungsgehalts desAustenits – aufgekohlt, bis die vor-gegebene Aufkohlungstiefe nahe-zu erreicht ist. In einem zweitenSchritt wird der C-Pegel auf einenniedrigeren Wert eingestellt, sodass der gewünschte Randkohlen-stoffgehalt und die vorgegebeneAufkohlungstiefe erreicht werden,vgl. Bild 16.

14.5 Öfen zum Einsatzhärten

Die beiden Teilprozesse Auf-kohlen oder Carbonitrieren undHärten werden entweder in einund derselben Anlage oder in zweigetrennten Anlagen durchgeführt.Die erforderliche Anlage bestehtim Prinzip aus:– dem Ofen zum Aufkohlen oder

Carbonitrieren– dem Ofen zum Härten– der Ofensteuerung– den Mess-, Regel- und Registrier-

geräten– der Beschickungseinrichtung– den Werkstückträgern, Rosten,

ChargiervorrichtungenHinzu kommen gegebenenfalls:– die Gasversorgungs-/-aufberei-

tungsanlage– eine Reinigungsanlage– der Vorwärmofen– die Tiefkühleinrichtung– der Anlassofen

Nach dem Ofentyp ist zuunterscheiden zwischen diskonti-nuierlich arbeitenden Öfen, in de-nen die Aufkohlungscharge wäh-rend des Aufkohlens nicht bewegtwird, und kontinuierlich arbeiten-den Öfen, durch welche die Char-gen oder die Werkstücke kontinu-ierlich oder schubweise hindurch-geführt werden.

Die größte Vielfalt ist bei denzum Gasaufkohlen benutzten Öfen

anzutreffen, hier stehen Kammer-öfen, Topf- oder Vertikalretorten-öfen, Haubenöfen, Glockenöfenoder Vakuumöfen zur Verfügung.Für das Durchlaufprinzip könnenDurchstoßöfen, Förderbandöfen,Schwingretortenöfen, Drehretor-tenöfen, Drehherdöfen, Schub-schalenöfen u.a. benützt werden.In Bild 45 ist ein typischer Pro-zessgas-Kammerofen zum Einsatz-härten abgebildet. Charakteristischist bei Prozessgasanlagen die ex-terne Gasversorgungseinrichtung,gegebenenfalls mit einem Endo-gasgenerator, siehe Bild 46, oderFlüssiggastanks für Propan, Metha-nol und Stickstoff.

Vakuumöfen, siehe Bild 47,erfordern einen Vakuumpumpen-satz und einen Druckgas-Speicher;bei Plasmaanlagen ist neben einerVakuumpumpe noch ein Plasma-generator erforderlich.

Für das Aufkohlen mit Pulveroder Granulat ist ein Speicher-Silofür das Pulver oder Granulat zweck-mäßig und es werden ein Abstell-platz zum Abkühlen der Kästenund ein Packplatz benötigt. Es wirdüblicherweise in elektrisch beheiz-ten Kammeröfen durchgeführt.Ofenraum und Heizung sollten sobemessen sein, dass ein möglichstgleichmäßiges Erwärmen der nichtzu dicht gestellten, möglichst run-den Kästen erreicht wird.

Einsatzhärten

Bild 45: Prozessgas-Kammerofen zum Einsatzhärten (Fa. Ipsen)

Bild 46: Endogasgenerator (Fa. Ipsen)

Bild 47: Vakuumofen zum Einsatzhärten (Fa. Aichelin)

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Für das Aufkohlen bzw. Car-bonitrieren in Salzschmelzen wer-den Tiegel- oder Wannenöfen be-nutzt, die meist elektrisch, ent-weder von außen oder durch ein-getauchte Elektroden, beheizt wer-den. Es ist unerlässlich, die anfal-lenden Salzstäube und -dämpfe ab-zusaugen und zu filtern.

14.6 Zeichnungsangaben

Um die Qualität beim Einsatz-härten zu sichern, ist es notwen-dig, auch die Zeichnungsangabennormgerecht zu gestalten. Hierzuist die DIN 6773 „Wärmebehand-lung von Eisenwerkstoffen – Dar-stellung und Angaben wärmebe-handelter Teile in Zeichnungen“heranzuziehen. In dieser Norm istfestgelegt, dass in der Zeichnungfolgende Angaben enthalten seinsollen:• der Werkstoff und sein Aus-

gangszustand• die Verfahrensbenennung, z.B.

„aufgekohlt“, „carbonitriert“,„einsatzgehärtet“, „angelassen“

• gegebenenfalls die Aufkohlungs-tiefe mit zulässiger Grenzabwei-chung, z.B. beim Einfachhärten

• die Oberflächenhärte mit zu-lässiger Grenzabweichung

• die Einsatzhärtungstiefe mit zu-lässiger Grenzabweichung

• gegebenenfalls die Bereiche, diebei örtlich begrenztem Einsatz-härten einsatzgehärtet sein müs-sen, gegebenenfalls die Bereiche,die einsatzgehärtet sein dürfen

• der Hinweis darauf, auf welcheWeise ein örtlich begrenztesEinsatzhärten durchgeführt wird

• die Messstelle, an der die Härtegemessen oder die Einsatzhär-tungstiefe ermittelt werden muss

• gegebenenfalls Angaben überweitere Prüfkriterien, z.B. zuläs-siger Restaustenitanteil, zulässi-ge Randoxidationstiefe u.a.m.

• gegebenenfalls ein Hinweis aufergänzende Dokumente, z.B.Wärmebehandlungsanweisung(WBA) oder Wärmebehand-lungsplan (WBP)

Ein Beispiel für den einfachs-ten Fall einer Zeichnungsangabeist in Bild 48 dargestellt.

Zum Absichern der kom-pletten Wärmebehandlung ist eszweckmäßig, weitere Angaben,z.B. über die Wärmebehandlungs-einrichtung, Wärmebehandlungs-

mittel (z.B. Abschrecköl u.Ä.),Temperaturen, Behandlungsdauer,Parameter für das Einstellen derOfenregelung usw. in ergänzen-den Dokumenten wie WBA oderWBP festzuschreiben und in derZeichnung auf diese hinzuweisen.

Merkblatt 452

Bild 48: Beispiel für Angaben über eineinsatzgehärtetesTeil in der Zeich-nung nach DIN 6773

Tabelle 6: Zusammenhang zwischen Beanstandungen einsatzgehärteter Teile und möglichen Ursachen beim Wärmebehandeln

einsatzgehärtet und angelassen60 + 4 HRCEht = 0,8 + 0,4 mm

Beanstandung Mögliche Ursache

Härte zu niedrig – Randkohlenstoffgehalt zu niedrig– Weichhaut infolge Randoxidation– Härtetemperatur zu niedrig– Abkühlwirkung zu gering– Weichhaut durch beim langsamen Abkühlen

oder Härten entkohlte Randschicht– Hoher Restaustenitanteil– Nicht tiefgekühlt– Anlasstemperatur zu hoch– Anlassdauer zu lang– Einsatzhärtungstiefe zu niedrig– Falsche Prüfkraft für die Härtemessung

Einsatzhärtungstiefe – Isolierend wirkende Beläge auf der Werkstückoberflächezu gering – Aufkohlungstemperatur zu niedrig

– Aufkohlungsdauer zu kurz– C-Pegel falsch eingestellt– C-Verfügbarkeit des Aufkohlungsmittels zu gering– Teile in der Charge zu dicht gepackt oder flächige Auflage– Härtetemperatur zu niedrig– Austenitisiertemperatur zu niedrig– Austenitisierdauer zu kurz– Abschreckgeschwindigkeit zu niedrig– Anlasstemperatur zu hoch– Anlassdauer zu lang

Härte zu hoch – Anlasstemperatur zu niedrig– Nicht angelassen– Anlassdauer zu kurz

Einsatzhärtungstiefe – Aufkohlungstemperatur zu hochzu groß – Aufkohlungsdauer zu lang

– C-Pegel zu hoch– Anlasstemperatur zu niedrig– Anlassdauer zu kurz– Nicht angelassen

Bild 49: Beispiele für einsatzgehärtete Bauteile aus Einsatzstahl aus dem Bereich desAutomobilzubehörs

39

14.7 Hinweise zur Fehlersuche

Beanstandungen an wärmebe-handelten Teilen sind prinzipiellnicht ausschließlich auf Fehlerbeim Wärmebehandeln in derHärterei zurückzuführen, sondernoft auch ebenso auf Ursachen, diemit dem Wärmebehandeln selbstnichts zu tun haben. Dies kanneine falsche Werkstoffauswahl,eine nicht wärmebehandlungs-gerechte Werkstückgeometrie,Weichbearbeiten mit stumpfenWerkzeugen u.a.m. sein.

In Tabelle 6 sind einige deram häufigsten auftretenden Fehlerund ihre Ursachen zusammenge-stellt. Die Übersicht erhebt keinenAnspruch auf Vollständigkeit, abersie erleichtert die Zuordnung derErscheinungsformen verschiede-ner häufig vorkommender Fehlerzu den möglichen Ursachen. Da-mit ist es möglich, Maßnahmenfestzulegen, die Wiederholungenvermeiden helfen.

Darüber hinaus sind in DIN17022-3 Beispiele für eine wärme-behandlungsgerechte Formgestal-tung für einsatzgehärtete Werk-stücke zu finden.

15 Anwendungsbeispiele

Das Einsatzhärten zum Ver-bessern der Funktionseigenschaf-ten Verschleißwiderstand undSchwingfestigkeit wird heute innahezu allen industriellen Berei-chen für eine Vielzahl von Bautei-len und Werkzeugen angewendet.Es ist daher unmöglich, mehr alsein paar wenige typische Anwen-dungsbeispiele aufzuzeigen.

Bei den in Bild 49 abgebilde-ten Teilen handelt es sich beispiels-weise um Bauteile aus dem Bereichdes Automobilzubehörs. Charak-teristisch sind hier die große Stück-zahl der hergestellten Teile unddie meist komplizierte Bauteilgeo-metrie. Dies und die gefordertenFunktionseigenschaften zwingendazu, den Werkstoff, die Bearbei-

tung und die Wärmebehandlungsorgfältig aufeinander abzustim-men, um eine wirtschaftliche Fer-tigung zu erreichen.

Die Beanspruchung bestehtbei den gezeigten Teilen auseiner hohen Verschleißbeanspru-chung, kombiniert mit einerschwingenden Belastung in Formeiner Wechsel- oder Schwellbe-anspruchung.

Auf Grund der hohen Stück-zahlen und der Werkstückgeome-trie ist es zweckmäßig, einen imAusgangszustand leicht bearbeit-baren Stahl zu verwenden. Hierzueignen sich besonders die Einsatz-stähle, die sich relativ leicht auchkalt umformen lassen und, selbstwenn es sich um legierte Einsatz-stähle handelt, ein akzeptablesWeichbearbeiten gestatten. Diegegen den Verschleiß der Bauteileerforderliche hohe Härte, z.B. imBereich der Verzahnung bei Zahn-rädern und Ritzeln, der Nocken-flanken von Nockenwellen oderder Lagerstellen von Wellen, lässtsich durch Einsatzhärten errei-chen. Dadurch ergibt sich außer-dem, je nach den Wärmebehand-lungsbedingungen, auch einehöhere Kernfestigkeit. Die Druck-eigenspannungen in der Einsatz-härtungsschicht und deren hoheFestigkeit ergeben die erforder-liche Dauerfestigkeit für dieschwingende Beanspruchung.

16 Literaturangaben

Zitierte Literatur

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Einsatzhärten

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DIN 6773Wärmebehandlung von Eisenwerk-stoffen – Darstellung und Angabenwärmebehandelter Teile in Zeich-nungen

DIN 17022-3Wärmebehandlung von Eisenwerk-stoffen – Verfahren der Wärmebe-handlung – Einsatzhärten

DIN EN 10052Begriffe der Wärmebehandlungvon Eisenwerkstoffen

DIN EN 10084Einsatzstähle – Technische Liefer-bedingungen

DIN EN ISO 642Stahl – Stirnabschreckversuch (Jominy-Versuch)

DIN EN ISO 2639Stahl – Bestimmung und Prüfungder Einsatzhärtungstiefe

DIN EN ISO 6506Metallische Werkstoffe – Härteprü-fung nach Brinell

DIN EN ISO 6507Metallische Werkstoffe – Härteprü-fung nach Vickers

DIN EN ISO 6508Metallische Werkstoffe – Härteprü-fung nach Rockwell

Einsatzhärten

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