Härtbarkeit von Stahl – Prüfung und Einflussfaktoren
Die Härtbarkeit von Stahl oder einer anderen Metalllegierung ist ein wichtiges Merkmal für viele Fertigungsverfahren. Insbesondere das Schweißen wird von der Härtbarkeit eines Materials beeinflusst, da sie umgekehrt proportional zur Schweißbarkeit eines Werkstoffs ist.
Härte und Härtbarkeit – Was ist der Unterschied?
Obwohl sie sich von derselben Wortherkunft ableiten, haben Härte und Härtbarkeit eine sehr unterschiedliche Bedeutung. Kurz gesagt, während die Härte eine Eigenschaft von Stahl ist, beschreibt die Härtbarkeit eine Fähigkeit von Metall.
Härte
Die Härte ist eine Stahleigenschaft und spielt bei vielen Verfahren eine wichtige Rolle. Einfach ausgedrückt, ist Härte der Widerstand, den ein Werkstoff einem härteren, beim Eindringen, entgegenbringt. Die Härte kann durch verschiedene Verfahren bestimmt werden, wobei Brinell, Rockwell und Vickers die bekanntesten Härteprüfungen sind.
Die Härte wird als Index und nicht in Einheiten gemessen. Je höher der Härteindex ist, desto widerstandsfähiger ist die Oberfläche des Materials. Das bedeutet, dass Vorgänge wie Schneiden und Bearbeiten schwieriger auszuführen sind.
Härtbarkeit
Ein Stahl ist erst ab einem Kohlenstoffgehalt von > 0,25% härtbar. Diese Härtbarkeit bezieht sich allerdings nur auf die Härtung durch eine Gefügeumwandlung. Bei einer Wärmebehandlung wird der Werkstoff auf Austenitisierungstemperatur gebracht und austenitisiert. Von dieser Temperatur wird er dann, mittels geeignetem Abschreckmediums, abgeschreckt. Zur Härtbarkeit gehören die Aufhärtbarkeit und Einhärtbarkeit. Als Härtbarkeit wird letztendlich die Fähigkeit eines Werkstoffes bezeichnet, beim Abschrecken Martensit zu bilden. Es gibt aber auch andere Verfahren, um die Härte zu steigern, wie z. B. BORINOX® für das Härten von rostfreiem Stahl, NICKELCOAT® oder Nitrieren.
Wie testet man die Härtbarkeit von Stahl?
Eine der gebräuchlichsten Methoden zur Prüfung der Härtbarkeit von Stahl ist der Jominy-Stirnabschreckversuch nach DIN EN ISO 642. Dieser Test wurde nach dem Metallurgen Walter E. Jominy benannt, der diesen entwickelte.
Das Vorgehen beim Jominy-Test ist wie folgt kurz zusammengefasst: Ein normalisierter, runder Metallstab von normgerechter Größe wird austenitisiert. Die Haltedauer beträgt 30 – 35 min. Eine Entkohlung darf nicht stattfinden. Nach der Wärmebehandlung wird die Probe an einem Ende mit Wasser bei Raumtemperatur abgeschreckt. Die Abkühlgeschwindigkeit variiert mit der Länge des Stabes. Während sie am abgeschreckten Ende am höchsten ist, nimmt die Abkühlungsgeschwindigkeit mit zunehmender Entfernung ab. Nach der Abkühlung wird eine ebene Fläche an der Probe geschliffen und die Härtbarkeit durch Messung der Härte (HRC) entlang der Stange bestimmt. Die Härtbarkeit ist umso höher, je weiter die Härte vom abgeschreckten Ende zugenommen hat.
Die Härtbarkeit kann mithilfe der Jominy-Tabellen (H-Band) gemessen werden. Diese Tabellen sagen die Härte eines Produkts von der Oberfläche bis zum Kern voraus.
Neben dem Jominy-Test gibt es noch andere Methoden zur Bestimmung der Härtbarkeit von Metallen, wie z. B. den Grossmann-Test.
Die 4 Einflussfaktoren der Härtbarkeit
Die Härtbarkeit von Stahl wird von vier Hauptfaktoren beeinflusst:
- Korngröße
- Austenitisierungstemperatur und -zeit
- Kohlenstoffgehalt des Stahls
- Legierungselemente im Stahl.
Korngrenze
Die Härtbarkeit von Stahl korreliert positiv mit der Korngröße. Das heißt, sie steigt mit zunehmender Korngröße. Grobe Körner haben schädliche Auswirkungen wie erhöhte Sprödigkeit und eine höhere Neigung zu Abschreckrissen. Daher wird diese Methode zur Beeinflussung der Härtbarkeit unter normalen Umständen vermieden.
Austenitisierungstemperatur und -zeit
Um die Härtbarkeit von Stählen positiv zu beeinflussen, müssen die Legierungselemente in Lösung gebracht werden. Außerdem muss der Stahl auf die richtige Austenitisierungstemperatur erwärmt und dieser Temperatur ausreichend lange ausgesetzt werden, damit sich ein homogenes Gefüge bildet. Bei diesem Verfahren ist Vorsicht geboten, da eine zu lange Haltezeit zu einem groben Austenitkorn führt.
Kohlenstoffgehalt
Der Kohlenstoffgehalt wirkt sich sowohl auf die Härte als auch auf die Härtbarkeit des Stahls aus. Kohlenstoff hat die Eigenschaft, die Härtbarkeit zu erhöhen, wenn sein Gehalt bis zu 0,77 % beträgt. Darüber hinaus nimmt die Härtbarkeit jedoch ab.
Legierungselemente
Legierungselemente vermindern die Diffusionsgeschwindigkeit vom Kohlenstoff, wodurch die kritische Abkühlgeschwindigkeit herabgesetzt wird, welche für die Martensitbildung erforderlich ist. Dadurch wird die Stabilität des Austenits erhöht, was eine Steigerung der Härtbarkeit zur Folge hat. Ungelöste Einschlüsse wie Nitride oder nichtmetallische Einschlüsse verringern jedoch die Härtbarkeit von Stahl.
