Ein umfassender Leitfaden zur Materialauswahl und -anwendung

1. Materialien, die durch Wärmebehandlung eine hohe Härte erreichen

Die Wärmebehandlung ist ein kontrollierter Prozess, der das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen verändert, um deren Härte zu erhöhen.
Allerdings sprechen nicht alle Metalle gleichermaßen auf die Wärmebehandlung an, und das Ergebnis hängt maßgeblich von der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffs ab, insbesondere vom Kohlenstoffgehalt und den Legierungselementen.
Im Folgenden sind mehrere gebräuchliche Werkstoffe aufgeführt, die sich für das Erzielen hoher Härte durch Wärmebehandlung eignen:

Übliche Werkstoffe für hohe Härte

• Kohlenstoffstahl (Carbon Steel)
  Kohlenstoff ist das Schlüsselelement, das für die Härte in Stahl verantwortlich ist. Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto größer ist die erzielbare Härte nach der Wärmebehandlung. Mittel- und hochkohlenstoffhaltige Stähle werden typischerweise wärmebehandelt, um eine hohe Verschleißfestigkeit zu erzielen.
• Legierter Stahl (Alloy Steel)
  Legierter Stahl Das Hinzufügen von Legierungselementen wie Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Nickel (Ni) und Mangan (Mn) verbessert die Härtbarkeit des Stahls, während der Wärmebehandlung eine gleichmäßige Struktur zu bilden. Zum Beispiel wird SCM440 (Chrom-Molybdän-Stahl) häufig für hochfeste Schrauben, Wellen und Zahnräder verwendet und bietet ausgezeichnete Festigkeit und Zähigkeit.
• Werkzeugstahl (Tool Steel)
  Werkzeugstähle sind speziell für Werkzeuganwendungen wie Gesenke, Formen und Schneidwerkzeuge konzipiert. Mit hohem Kohlenstoffgehalt und mehreren Legierungselementen zeigen sie außergewöhnliche Härte, Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität. Ein bekanntes Beispiel ist SKD11 (ein hochkohlenstoffhaltiger, hochchromhaltiger Werkzeugstahl), der nach dem Abschrecken eine Härte von HRC 58–62 erreichen kann.
• Edelstahl (Stainless Steel)
  Obwohl primär für die Korrosionsbeständigkeit geschätzt, können martensitische Edelstähle – wie SUS420 – auch durch Wärmebehandlung gehärtet werden. Dies erhöht sowohl die Festigkeit als auch die Härte und macht sie für Anwendungen wie Messer, chirurgische Instrumente und Lager geeignet.
• Andere Legierungen (Other Alloys)
  Einige Nichteisenlegierungen, einschließlich spezifischer Aluminium- und Titanlegierungen, können ebenfalls durch Prozesse wie Lösungsglühen und Ausscheidungshärtung eine erhöhte Härte erreichen.

2. Effektive Wärmebehandlungsprozesse und Überlegungen

Die Erzielung optimaler Härte erfordert nicht nur das richtige Material, sondern auch eine präzise Kontrolle des Wärmebehandlungsprozesses. Gängige Wärmebehandlungstechniken umfassen:

• Abschrecken (Quenching)
  Abschrecken ist der Prozess, bei dem Stahl auf eine bestimmte hohe Temperatur (Austenitisierung) erhitzt und dann schnell in einem Medium wie Wasser, Öl oder Luft abgekühlt wird.
  Dies wandelt die innere Struktur in Martensit um, was die Härte dramatisch erhöht.
• Anlassen (Tempering)
  Abgeschreckter Stahl ist extrem hart und neigt dazu, spröde zu sein.
  Anlassen ist der Prozess des Erhitzens des Stahls auf eine bestimmte Temperatur und des Haltens über eine bestimmte Zeit, um innere Spannungen abzubauen, die Sprödigkeit zu reduzieren und eine ausgewogene Zähigkeit zu erzielen.
• Randschichthärten (Surface Hardening)
  Dies sind Methoden, die für Komponenten verwendet werden, die nur eine harte Außenschicht benötigen – wie Zahnräder –, z. B. durch Aufkohlen oder Induktionshärten.
  Diese erzeugen eine sehr verschleißfeste Oberfläche, während der Kern zäh bleibt.

3. Wichtige Punkte

• Vermeidung von Verzug und Rissbildung
  Die schnelle Abkühlung während des Abschreckens erzeugt innere Spannungen, die zu Verzug oder Rissbildung im Teil führen können. Eine sorgfältige Kontrolle der Abkühlraten ist entscheidend für die geometrische Präzision und Integrität des Teils.
• Bedeutung der Materialauswahl
  Das Verständnis der Härte und Eigenschaften jedes Materials ist entscheidend, um den richtigen Wärmebehandlungsplan zu erstellen und die gewünschten Leistungsergebnisse zu gewährleisten.
• Ausgleich von Härte und Zähigkeit
  Die Erhöhung der Härte durch Wärmebehandlung geht oft zu Lasten der Zähigkeit. Der Erfolg der Wärmebehandlung liegt darin, das optimale Gleichgewicht zwischen diesen beiden Eigenschaften für jede spezifische Anwendung zu finden.