Härten ist auch ohne Wärmebehandlung möglich

Als Fertigungsleiter kennen Sie das Problem: Die Wärmebehandlung verschlingt einen Großteil Ihrer Produktionsenergie – und bindet wertvolle Kapazitäten. Dabei benötigen Sie oft nur eine lokale Oberflächenhärte, keine Durchhärtung. In diesem Beitrag zeigen wir Ihnen alternative Verfahren, mit denen Sie bis zu 30% der eingesetzten Energie sparen – ohne Kompromisse bei der Bauteilqualität. Ein Verfahren sticht dabei besonders hervor, dass die meisten nicht mit einer Härtesteigerung verbinden: das Festwalzen.

Die Härte eines Werkstoffs ist definiert als der Widerstand, der dem Eindringen eines anderen Körpers entgegenwirkt. Sie ist also eine sehr elementare Werkstoffeigenschaft, wenn es darum geht, ein Bauteil belastungsgerecht auszulegen. Vor allem ist hier auch der Zusammenhang zwischen Härte und Festigkeit relevant. 

Die Härte kann sehr lokal an der Oberfläche gebraucht werden, oder aber auch n, um die Festigkeit des Gesamtbauteils zu erhöhen. Aus diesem Grund ist es für jeden Konstrukteur und auch Fertigungsplaner wichtig zu wissen, warum ein Bauteil überhaupt gehärtet werden muss. 

Beim Härten wird eine gezielte Gefügeumwandlung erzwungen, die die Widerstandsfähigkeit des Werkstoffs erhöht. Bei Stahlwerkstoffen wird dabei vor allem der Effekt ausgenutzt, dass Eisen je nach Temperatur zwei unterschiedliche Gittertypen aufweist: kubisch-raumzentriert und kubisch-flächenzentriert. 

Durch das Einbringen von Wärme funktioniert das Gitter um, wodurch größere Lücken zwischen den Eisenatomen entstehen. In diese Lücken diffundiert Kohlenstoff ein. Wird der Werkstoff dann schlagartig abgeschreckt, funktioniert das Eisengitter zurück und der Kohlenstoff ist eingeschlossen. Dies verspannt das Gefüge und behindert das Wandern von Versetzungen. Der Werkstoff ist härter.

Bei der klassischen Wärmebehandlung wird das Bauteil auf eine zuvor definierte Temperatur erwärmt und bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend erfolgen ein gesteuertes Abschrecken und ein erneutes Anlassen, um das Gefüge wieder zu entspannen und dem Bauteil etwas mehr Elastizität zurückzugeben.

Vorteile der Wärmehandlung

Aufgrund der klaren physikalischen Zusammenhänge zwischen Gitteraufbau und Temperatur ist dieser Prozess sehr gut steuerbar. Vereinfacht gesagt, solange die Größen Temperatur und Haltezeit eingehalten werden, wird das gewünschte Ergebnis erreicht. 

Für das Erwärmen selbst gibt es unterschiedliche Methoden. Es kann beispielsweise in einem Durchgangsofen stattfinden, oder jedes Teil kann einzeln induktiv erwärmt werden. Damit ist das Verfahren auch sehr gut skalierbar und für die Massenfertigung geeignet. 

Nachteile der Wärmehandlung

Nachteilig bei der Wärmebehandlung ist aber ganz eindeutig der sehr hohe Energieaufwand. Die Bauteile müssen auf Temperaturen über mehr als 700°C erwärmt und bei dieser Temperatur für einen gewisse Zeit gehalten werden. Die dafür benötigen Energiemengen sind groß. Das zeigt sich auch bei einer LCA (Life-Cycle-Assessment). Hier sind die Positionen „Herstellung des Rohmaterials“ und „Wärmebehandlung“ meistens die Treiber für den CO₂-Fußabdruck. Außerdem fallen damit sehr hohe Energiekosten an. Die Klimaschutz- und Energieagentur Niedersachsen beziffert den Energieeinsatz für eine Wärmebehandlung in einer Prozesskette aus Erwärmung, Umformung, Wärmebehandlung und Zerspanung auf 26% [1]. 

Ein weiterer Nachteil der Wärmebehandlung ist die mangelnde Flexibilität. Gerade bei Durchlauföfen in der Massenfertigung können diese nicht einfach ein- oder ausgeschaltet werden. Es muss also eine kontinuierliche Auslastung gewährleistet sein. 

Neben der klassischen Härtung durch eine Wärmebehandlung gibt es eine Reihe von alternativen Verfahren, um die Härte einer Oberfläche zu steigern. Je nach erforderlicher Härte und Einhärtetiefe können unterschiedliche Prozesse genutzt werden. 

Härtesteigerung kann jedoch auch dadurch erreicht werden, dass das Gefüge ohne Temperatur plastisch verformt wird. Durch die Kaltverfestigung wird im Gefüge die Versetzungsdichte gesteigert, was ebenfalls dem Wandern von Versetzungen entgegenwirkt und damit auch die Härte und Festigkeit steigert. 

Ein sehr wirtschaftliches und einfaches Verfahren dafür ist das Festwalzen, auch als Rollieren bezeichnet. Dabei wird eine Walzrolle mit einer definierten Kraft so auf die Oberfläche gepresst, dass es lokal zu einer plastischen Verformung der oberflächennahen Bereiche kommt. 

Durch diese plastische Deformation werden nicht nur starke Druckeigenspannungen eingebracht, sondern auch die Härte des Bauteils gesteigert. Beispielsweise hat das Festwalzen mit einem hydrostatischen Festwalzwerkzeug vom Typ HG6 bei C60-Stahl (AISI 1060) dazu geführt, dass die Oberflächenhärte von 290 HV0,5 auf 340 HV0,5 gesteigert werden kann. Das bedeutet eine Härtesteigerung von 17% (Bild 3, links). 

In den gleichen Untersuchungen wurde auch gezeigt, dass diese Härtesteigerung ebenfalls bei einem bereits gehärteten Stahl möglich ist. Für den wärmebehandelten Zustand (QT) wurde gezeigt, dass die Härte von ca. 755 HV0,5 auf 810 HV0,5 gesteigert werden kann (Bild 3, rechts). Es ist also möglich eine bereits gehärtete Oberfläche zusätzlich noch einmal zu verbessern [2]. 

Wenn Sie jetzt mehr über das Verfahren des Festwalzens erfahren möchten, dann schauen Sie sich doch gerne einen der beiden weiteren Artikel an: 

• Prozesssicheres Festwalzen mit hydrostatischen Walzwerkzeugen

• Bauteile durch harte Oberflächen vor Verschleiß schützen

Quellen: