Härten von Stahl

Artikel vom 07.02.2017 um 19:33


Hallo zusammen!

Im laufe der Zeit habe ich einige Werkstücke aus unterschiedlichsten Materialien gehärtet. Die dabei gewonnenen Erfahrungen werde ich versuchen durch diesem Artikel zu teilen.

Das Material


Es kann nicht jede Stahlsorte gehärtet werden. Des öfteren habe ich gelesen, dass oft die Frage im Raum steht welches Material zum Härten zu verwenden ist. Diese Frage kann jedoch nicht so einfach beantwortet werden, da es auf den Anwendungsfall ankommt.

Eine Grundbedingung zum Härten von Stählen ist, dass der Kohlenstoffanteil im Stahls mindestens 0,3 Prozent betragen sollte. Die meisten härtbaren Stähle haben ein Kohlenstoffgehalt zwischen 0,3 und 1,8 Prozent.

Der Grund dafür ist, dass zum Härten ein martensitisches Gefüge vorhanden sein muss. Dieses entsteht, wenn ein Material auf Austenitisierungstemperatur gebracht und gehalten wird. Danach muss es schlagartig abgekühlt werden, wodurch Martensit entsteht.

Bei Austenitisierungstemperatur bildet sich ein kubisch raumzentriertes Gefüge, wobei sich zwischen den Fe-Atomen jeweils ein C-Atom befinden kann. Wird nun ein abruptes Abkühlen verursacht, hat das Kohlenstoffatom keine Zeit aus dem kubisch raumzentrierten Gitter in ein kubisch flächenzantriertes Gitter überzugehen, wodurch sich im Gefüge Versetzungen bilden. Diese Versetzungen bilden die sogenannte Härte.

Unterschiedliche Materialien benötigen zum Teil auch unterschiedliche Härteverfahren. Am einfachsten können normale Kohlenstoffstähle gehärtet werden.

Werkstoffbezeichnungen sind zum Beispiel C45, C75, C100 (gibt jeweils den Kohlenstoffgehalt an). Diese Materialien haben keinen Chromanteil, wodurch sie Rostanfällig sind. Jedoch durch ihre geringen Legierungsanteile haben diese Stähle eine sehr hohe Härte. Ohne Anlassen können die Stähle bis auf 65 HRC (Härte nach Rockwell) anspringen.

Gehärtet werden diese Stähle bei Temperaturen zwischen 820-860°C. Aufgrund der geringen Legierungsanteile können sie ohne Zusatzstoffe gehärtet werden.

Benötigt man ein rostträges Werkstücken, müssen andere Materialien verwendet werden. Sie haben deutlich mehr Legierungsbestandteile, im besonderen in Chromgehalt zwischen 12-20 Prozent. Dieser sorgt für die angestrebte "rostbeständigkeit". Bei Messern habe ich hauptsächlich 1.2379, 1.4112 oder 1.4153.03 verwendet.

Diese Stahlsorten springen bei niedrigerer Härte als Kohlenstoffstähle an. Sie haben deutlich höhere Austenitisierungstemperaturen, meist zwischen 1020-1100°C. Sie benötigen meist einen Schutz vor Oxidation (Verzunderung) durch Härteschutzlack, Härteschutzfolie, Salzbadhärten oder Vakuumhärten.

Generell gilt: Sollte ein Stahl härtbar sein, so steht dies auch in dem Datenblatt des jeweiligen Stahls. Dort sind auch genaue Angaben bezüglich Eigenschaften, Haltedauer, Temperatur und Anlassverhalten (evtl. Sekundärhärtemaximum ) vorhanden.


Zuhause Härten


Um meine Werkstücke selbst zuhause härten zu können, habe ich mir einen Dentalofen gekauft. Dieser stammt aus der Zahntechnik und hat einen Brennraum von circa 22cm X 22cm x 16cm.



Er kann bis auf 1100°C aufheizen, was zum Härten der meisten Stahlsorten ausreichend ist.



Der Temperaturfühler des Ofens ist ein Thermoelement Typ K, welcher in der linken oberen Ecke des Ofens angebracht ist. Da ich gerne eine zweite Messung in der Mitte der Brennkammer haben wollte, habe ich selbst ein weiteres Thermoelement vom Typ K nachgerüstet. Dieses kann mittels Spannungsmessgerät überprüfen, wie die Temperatur in der Mitte der Brennkammer ist. Meist haben die beiden Anzeigen eine Temperaturdifferenz von circa 20°C, wobei ich der digitalen Anzeige über dem Messgerät mehr Vertraue als der analogen Anzeige.

Das zusätzliche Thermoelement habe ich beim genau 100°C getestet und kalibriert.



Da ich hauptsächlich Messerklingen in meinem Vorwärmofen härte, habe ich mir aus einem Ofenstein eine Auflage gebaut, sodass die Messerklingen mit dem Klingenrücken nach unten in der Kammer stehen.



Schutz vor Oxidation


Ich habe zum Schutz vor dem Oxidieren der Messerklingen zwei verschiedene Methoden ausprobiert. Zuerst habe ich Zunderschutzpaste von einer Spezialfirma bestellt. Diese hat mich jedoch sehr enttäuscht.

Sobald das Werkstück im Ofen war, hat die Zunderschutzpaste angefangen zu verbrennen. Dies hat die gesamte Brennkammer verrußt. Zuerst habe ich gedacht, dass ich die Paste bzw den Lack nicht lange genug ausgehärtet habe. Also habe ich nach jedem Fehlversuch noch länger gewartet, bis ich gehärtet habe. Am Ende habe ich sogar versucht die Härteschutzpaste eine Woche lang Auszuhärten bei einer angegebenen Trockenzeit von 30 Minuten.



Jedoch führte alles zum gleichen Ergebnis: Sobald das Messer im Ofen war, hat es Schlagartig angefangen zu brennen und die Werkstücke waren nach dem Härten verkohlter und verbrannter als ohne zusätzliche Behandlung.



Danach habe ich Härteschutzfolie zum schützen vor Oxidation verwendet. Diese hat meine Erwartungen übertroffen. Man packt das Werkstück mit der Folie ein und verschließt die Ecke mittels mehrmaligen Abkanten. Sofort danach kann das Werkstück gehärtet werden und es entstehen nahezu keinerlei Oxidationsspuren.



Dabei muss jedoch beachtet werden, dass sich das Werkstück durch den Wärmeeinfluss ausdehnen wird. Daher sollte man das Werkstück etwas großzügiger einpacken, da sonst spitze Ecken oder Kanten aus der Härtefolie herausstechen und so Luft in die Folie eindringen kann.

Dies habe ich leider bei den ersten Versuchen nicht beachtet. Man kann dabei schön den Verlauf der Luft und die Stellen sehen, wo die Härtefolie durch das Ausdehnen der Messerklinge beschädigt wurde. Auffällig dabei eine spitze Ecke am Griffende und die Messerspitze.



Das eigentliche Härten


Nun noch abschließend kurz zum eigentlichen Härten. Zuerst wird der Ofen auf Temperatur gebracht. Dies dauert aufgrund meines großen Ofensteines in der Brennkammer zwischen einer und zwei Stunden.



Ist die zum Härten erforderliche Temperatur erreicht, so wir das Werkstück in die Ablage in der Kammer eingelegt. Die Haltezeit der jeweiligen Stahlsorte wird nun beachten. Sobald diese Verstrichen ist, kann das Werkstück aus dem Ofen genommen werden und wird in einem Ölbad abgeschreckt.



Das Abkühlen des Werkstücks sollte möglichst schnell erfolgen, damit möglichst wenig Phasenumwandlung stattfinden kann.

Nach dem Härten muss das Werkstück meist noch angelassen werden, da es sonst zu Spröde für die meisten Anwendungen ist. Dabei sollte genau das Datenblatt des Stahles befolgt werden.




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