Wärmebehandlungen von Edelstahl

Was sind Wärmebehandlungen?

Unter Wärmebehandlungen versteht man eine Vielzahl von industriellen und metallverarbeitenden Verfahren, die dazu dienen, die physikalischen und manchmal auch die chemischen Eigenschaften eines Werkstoffs zu verändern. Durch sorgfältig kontrolliertes Erhitzen und Abkühlen zielen diese Verfahren darauf ab, dem behandelten Werkstoff die gewünschten Eigenschaften zu verleihen. Wärmebehandlungen sind in verschiedenen Industriezweigen unerlässlich, um die Leistung und Haltbarkeit von Werkstoffen zu verbessern.

Zu den wichtigsten Wärmebehandlungsverfahren gehören

1. Glühen: Das Material wird auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, bei der Temperatur gehalten und dann langsam abgekühlt. Dieser Prozess reduziert die Härte, erhöht die Duktilität und hilft, innere Spannungen zu beseitigen.
2. Abschrecken: Das Werkstück wird auf eine hohe Temperatur erhitzt und dann schnell abgekühlt, überwiegend in Wasser, Öl, Polymeren oder Luft. Diese schnelle Abkühlung verändert die Gitterstruktur und erhöht dadurch dessen Härte (Martensitbildung).
3. Anlassen: Nach dem Abschrecken wird das gehärtete Werkstück auf eine niedrigere Temperatur erneut erhitzt und dann wieder abgekühlt. Dieser Prozess stellt einen guten Kompromiss von Härte und Zähigkeit ein.

Arten der Wärmebehandlung

Wärmebehandlungen gibt es in verschiedenen Formen, die jeweils darauf abzielen, spezifische Eigenschaften in Stählen zu erreichen. Hier beleuchten wir einige der gängigsten Wärmebehandlungsverfahren und ihre Anwendungen im Detail.

Glühen

• Definition: Glühen ist ein Wärmebehandlungsprozess, der die Härte reduziert, die Duktilität erhöht und hilft, innere Spannungen zu beseitigen.
• Prozess: Das Metall wird auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, für eine festgelegte Zeit auf dieser Temperatur gehalten und dann langsam abgekühlt. Diese allmähliche Abkühlung ermöglicht es dem Stahl, seine Mikrostruktur neu anzuordnen, innere Spannungen abzubauen und seine Duktilität zu erhöhen.
• Anwendungen: Glühen wird verwendet, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern und den Stahl für nachfolgende Verarbeitungsprozesse vorzubereiten. 

Abschrecken

• Definition: Abschrecken umfasst das schnelle Abkühlen eines Materials, um dessen Gitterstruktur zu ändern und dadurch die Härte zu erhöhen.
• Prozess: Das Metall wird auf eine hohe Temperatur erhitzt, normalerweise auf Austenitisierungstemperatur, und dann schnell in einem Medium wie z.B. Wasser, Öl oder Luft abgekühlt. Diese plötzliche Abkühlung sorgt dafür, dass der Kohlenstoff zwangsgelöst wird und sich von Austenit in Martensit umwandelt. Dadurch wird der Werkstoff sehr hart, aber spröde.
• Anwendungen: Abschrecken wird typischerweise verwendet, um die Härte und Festigkeit von Metallkomponenten zu erhöhen und sie widerstandsfähiger gegen Verschleiß zu machen. Allerdings erhöht es auch die Sprödigkeit, weshalb oft eine weitere Wärmebehandlung wie Anlassen erforderlich ist.

Anlassen

• Definition: Anlassen ist ein Wärmebehandlungsprozess, der darauf abzielt, die Zähigkeit zu erhöhen, während die Härte vom abgeschrecktem Stahl verringert wird.
• Prozess: Abgeschreckter Stahl wird erneut auf eine niedrigere Temperatur erhitzt und für eine festgelegte Zeit dort gehalten, bevor er wieder abgekühlt wird. Dieses erneute Erhitzen erlaubt es, einige der inneren Spannungen abzubauen und die Sprödigkeit zu verringern, während ein gewisser Härtegrad beibehalten wird.
• Anwendungen: Anlassen wird verwendet, um die Sprödigkeit von abgeschrecktem Stahl zu reduzieren und ein Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit zu erreichen. Dies macht das Material haltbarer und weniger anfällig für Brüche unter Belastung.

Normalisieren

• Definition: Beim Normalisieren wird der Stahl auf eine Temperatur oberhalb der GSK-Linie erhitzt und dann langsam an der Luft abgekühlt. Dieser Prozess verfeinert und homogenisiert das Gefüge.
• Prozess: Der Stahl wird auf eine Temperatur ca. zwischen 800 und 950°C erhitzt, auf dieser Temperatur gehalten, um die Umwandlung in Austenit zu ermöglichen, und dann an der Luft abgekühlt. Die langsamere Abkühlrate im Vergleich zum Abschrecken führt zu einem homogenen und verfeinerten Gefüge, das “normalisiert” ist.
• Anwendungen: Normalisieren wird verwendet, um die Bearbeitbarkeit von Stahl zu verbessern, die mechanischen Eigenschaften wie Zähigkeit und Festigkeit zu erhöhen, innere Spannungen zu reduzieren und den Stahl für nachfolgende Wärmebehandlungen vorzubereiten.

Nitrieren und Nitrocarburieren

• Definition: Nitrieren und Nitrocarburieren sind Oberflächenhärtungsverfahren, bei denen Stickstoff und Kohlenstoff in die Oberfläche des Metalls diffundieren.
• Prozess: Diese Behandlungen werden im Vergleich zu anderen Wärmebehandlungen bei einer relativ niedrigen Prozesstemperatur  durchgeführt. Nitrieren führt Stickstoff in das Metall ein, wodurch eine harte, verschleißfeste Oberfläche entsteht. Nitrocarburieren führt sowohl Stickstoff als auch Kohlenstoff ein und bietet ähnliche Vorteile mit zusätzlicher Korrosions- und Dauerfestigkeit.
• Anwendungen: Diese Methoden verbessern die Verschleißfestigkeit, Dauerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit und eignen sich ideal für Komponenten, die hohen Belastungen und rauen Umgebungen ausgesetzt sind. Durch die niedrigen Prozesstemperaturen ist das Verfahren nahezu verzugsarm. 

Das Expertenwissen von Bortec bei diesen Verfahren gewährleistet optimale Ergebnisse und sorgt für eine überlegene Verschleißfestigkeit und eine verlängerte Lebensdauer von Edelstahlkomponenten.

Einsatzhärten

• Definition: Das Einsatzhärten ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem die Randzone des Stahls mit Kohlenstoff angereichert und daraufhin gehärtet wird. Dabei wird eine harte Randzone und ein weicher, duktiler Kern erzeugt. Beim Einsatzhärten wird nochmal in drei Verfahren unterteilt: Einfachhärten; Direkthärten und Doppelhärten
• Prozess: Der Stahl wird bei hohen Temperaturen einer kohlenstoffreichen Umgebung (gasförmig, flüssig oder fest) ausgesetzt, wodurch der Kohlenstoff in die Randschicht diffundieren kann. Danach erfolgt beim Direkthärten das Abschrecken, bei dem die äußere Schicht gehärtet wird, während der Kern zäh und duktil bleibt. Der Grund dafür ist der Unterschied der Kohlenstoffgehälter im Rand und Kern.
• Anwendungen: Einsatzhärten wird für Komponenten verwendet, die eine verschleißfeste Oberfläche und einen zähen Kern erfordern, wie Zahnräder, Nockenwellen und andere stark beanspruchte Teile.

Rekristallisationsglühen

• Definition: Rekristallisationsglühen ist ein Wärmebehandlungsverfahren, das die Auswirkungen der Kaltverformung behebt und die Duktilität des Materials wiederherstellt und für eine Kornverfeinerung sorgt.
• Prozess: Der Stahl wird auf eine Temperatur im Rekristallisationsbereich erhitzt, ohne strukturelle Veränderungen zu verursachen. Dieser Prozess wird oft nach der Kaltverformung durchgeführt, um den Stahl für weitere Umformprozesse vorzubereiten.
• Anwendungen: Dieses Verfahren dient dazu, die Duktilität wiederherzustellen und die Härte zu verringern, so dass weitere Umformvorgänge ohne Rissbildung leichter durchgeführt werden können. Es ist besonders vorteilhaft für Stähle mit austenitischem Gefüge, da es dazu beiträgt, deren mechanische Eigenschaften und Umformbarkeit zu erhalten.

Zusätzliche Wärmebehandlungen

Neben den üblichen Wärmebehandlungen gibt es noch einige andere spezielle Verfahren, die für bestimmte Anwendungen und Materialeigenschaften notwendig sind. Dazu gehören zum Beispiel Flammhärten, Induktionshärten und Aufkohlen.

Flammhärten

• Definition: Das Flammhärten ist ein Verfahren zur Randschichthärtung, bei dem die Stahloberfläche mit einer Hochtemperaturflamme erhitzt und anschließend schnell abgeschreckt wird.

• Prozess: Die Stahloberfläche wird mit einer Sauerstoffgasflamme erhitzt, bis sie die gewünschte Temperatur erreicht. Der erhitzte Bereich wird dann schnell abgeschreckt, in der Regel mit Wasser, um die Oberflächenschicht zu härten, während der Kern weicher und duktiler bleibt.
• Anwendungen: Das Flammhärten wird in der Regel für große Teile wie Werkzeugmaschinen, Kurbelwellen und Eisenbahnräder verwendet, bei denen nur die Randzone gehärtet werden muss, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen.

Induktionshärten

• Definition: Das Induktionshärten ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem der Stahl durch elektromagnetische Induktion erhitzt und anschließend abgeschreckt wird.
• Prozess: Ein magnetisches Wechselfeld induziert im Stahl einen elektrischen Strom (Wirbelstrom), der den Stahl schnell auf die gewünschte Temperatur erhitzt. Anschließend wird der Stahl sofort abgeschreckt, um die Oberfläche zu härten und gleichzeitig einen zähen Kern zu erhalten.
• Anwendungen: Induktionshärten ist ideal für Komponenten, die eine harte Oberfläche und einen zähen Kern erfordern, wie Zahnräder, Wellen und Lager.

Aufkohlen

• Definition: Das Aufkohlen ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem Kohlenstoff in die Oberflächenschicht von kohlenstoffarmem Stahl eingebracht wird, um ihn härtbar zu machen (C-Gehalt > 0,2%).
• Prozess: Der Stahl wird einer kohlenstoffreichen Umgebung bei hohen Temperaturen ausgesetzt, wodurch Kohlenstoffatome in die Oberfläche diffundieren. 
• Anwendungen: Aufkohlen wird für Teile verwendet, die eine verschleißfeste Oberfläche und einen zähen Kern erfordern, wie Zahnräder, Nockenwellen und Befestigungselemente und einen Kohlenstoffgehalt von unter 0,2% aufweisen.

Spezialisierte Verfahren bei Bortec

Bortec setzt fortschrittliche Edelstahl-Wärmebehandlungsprozesse ein, um die Eigenschaften von Edelstahl zu verbessern und eine überlegene Leistung und Haltbarkeit zu gewährleisten. Diese spezialisierten Techniken – BORINOX®, BOROCOAT® und NICKELCOAT® – sind darauf ausgelegt, die höchsten Standards in Bezug auf Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsschutz zu erfüllen und eine Vielzahl von industriellen Anwendungen abzudecken.

BORINOX®-Verfahren

Das BORINOX®-Verfahren ist ein Niedertemperatur-Diffusionsverfahren, das speziell für die Härtung von rostfreiem Stahl entwickelt wurde, ohne dessen Korrosionsbeständigkeit zu beeinträchtigen. Bei diesem Verfahren diffundieren Kohlenstoff und Stickstoff bei niedrigen Temperaturen in die Stahloberfläche, wodurch die Bildung von Chromkarbiden und Nitriden, die die Korrosionsbeständigkeit verringern könnten, verhindert wird.

• Eignung für komplexe Geometrien: Das BORINOX®-Verfahren eignet sich besonders für Komponenten mit komplexen Geometrien, da es eine gleichmäßige Härtung ohne Veränderung der Materialabmessungen gewährleistet. Dies macht es zur idealen Wahl für Präzisionsteile, die eine hohe Oberflächenhärte und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit erfordern.

BOROCOAT®-Verfahren

Das BOROCOAT®-Verfahren ist ein Borierungsverfahren, mit dem die Verschleißfestigkeit von Stahl deutlich erhöht werden kann. Bei diesem Verfahren diffundieren Boratome in die Stahloberfläche und bilden eine harte, verschleißfeste Schicht, die fest mit dem Träger verbunden ist.

• Hohe thermische Stabilität und chemische Beständigkeit: BOROCOAT® bietet eine außergewöhnliche thermische Stabilität und Beständigkeit gegenüber verschiedenen Chemikalien, einschließlich starker Säuren. Dies macht es geeignet für Anwendungen in Umgebungen, in denen hohe Temperaturen und korrosive Substanzen vorhanden sind, wie in der chemischen und petrochemischen Industrie.

NICKELCOAT®-Verfahren

NICKELCOAT® ist ein stromloser Vernickelungsprozess, der eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und eine gleichmäßige Beschichtung selbst auf komplexen Teilen bietet. Bei diesem Verfahren wird durch eine autokatalytische Reaktion eine Schicht aus einer Nickel-Phosphor-Legierung auf der Stahloberfläche abgeschieden, ohne dass elektrischer Strom benötigt wird.

• Anwendungen in hochkorrosiven Umgebungen: Die gleichmäßige und porenarme Beschichtung von NICKELCOAT® ist ideal für den Einsatz in hochkorrosiven Umgebungen, wie z. B. in der Öl- und Gasindustrie. Mit NICKELCOAT® behandelte Komponenten weisen eine hervorragende Beständigkeit gegen korrosive Gase, CO2-Injektionsbohrungen und andere raue Bedingungen auf und gewährleisten eine lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Geeignete Wärmebehandlungen für verschiedene Edelstahltypen

Für verschiedene Metallsorten sind spezifische Wärmebehandlungen erforderlich, um ihre Eigenschaften für unterschiedliche Anwendungen zu optimieren. Um die gewünschten Leistungsmerkmale zu erreichen, ist es notwendig zu wissen, welche Wärmebehandlung für die jeweilige Stahlsorte am besten geeignet ist. Die fortschrittlichen Wärmebehandlungsverfahren von Bortec, einschließlich BORINOX®, BOROCOAT® und NICKELCOAT®, sind so konzipiert, dass sie für eine breite Palette von Stahlsorten exzellente Ergebnisse liefern.

Austenitischer Edelstahl

Austenitische Edelstähle sind bekannt für ihre hervorragende Korrosionsbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften. Zu den gängigen Sorten gehören 304 und 316.

• Geeignete Wärmebehandlungen:
  • Lösungsglühen: Erhitzen auf etwa 950 – 1200°C, gefolgt von schnellem Abkühlen. Diese Behandlung homogenisiert das Gefüge und verbessert so die mechanischen Eigenschaften.
  • Spannungsarmglühen: Erhitzen auf 550 – 650°C, um Spannungen abzubauen, die durch eine thermische oder mechanische Bearbeitung entstanden sind.

Das BORINOX®-Verfahren eignet sich ideal zum Härten austenitischer Edelstähle unter Beibehaltung ihrer überragenden Korrosionsbeständigkeit und ist somit für Anwendungen geeignet, die eine hohe Oberflächenhärte und -beständigkeit erfordern.

Martensitischer Edelstahl

Martensitische Stähle zeichnen sich durch ihre hohe Härte und Festigkeit aus. Zu den gängigen Sorten gehören 410 und 420.

• Geeignete Wärmebehandlungen:
  • Härten (Abschrecken): Erhitzen auf 950-1050°C, gefolgt von schnellem Abkühlen in Öl oder Luft, um eine hohe Härte zu erreichen.
  • Anlassen: Erneutes Erhitzen des abgeschreckten Stahls, um die Härte anzupassen und die Zähigkeit zu verbessern.

Das BORINOX®-Verfahren bietet eine verbesserte Verschleißfestigkeit, ohne die mechanischen Eigenschaften des Stahls zu beeinträchtigen, was es zu einer ausgezeichneten Wahl für Komponenten macht, die hohe Festigkeit und Härte erfordern.

Ferritischer Edelstahl

Ferritische Edelstähle sind magnetisch und haben eine moderate Korrosionsbeständigkeit. Zu den gängigen Sorten gehören 430 und 446. Diese Stähle haben in der Regel einen geringeren Kohlenstoffgehalt als andere Arten von nichtrostendem Stahl, was sich auf die Anforderungen an die Wärmebehandlung auswirkt.

• Geeignete Wärmebehandlungen:
  • Glühen: Erhitzen auf 700-800°C, gefolgt von langsamem Abkühlen, um die Duktilität zu verbessern und die Sprödigkeit zu reduzieren.
  • Spannungsarmglühen: Erhitzen auf 200-300°C, um Restspannungen abzubauen.

Das BOROCOAT®-Verfahren verbessert die Verschleißfestigkeit ferritischer Edelstähle und bietet eine harte, verschleißfeste Schicht, die hohen Temperaturen und korrosiven Umgebungen standhält.

Duplex-Edelstahl

Duplex-Edelstähle haben eine gemischte Mikrostruktur aus Austenit und Ferrit und bieten hohe Festigkeit und hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Zu den gängigen Sorten gehören 2205 und 2507.

• Geeignete Wärmebehandlungen:
  • Lösungsglühen: Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 1020 und 1100°C, gefolgt von schnellem Abkühlen, um die Bildung schädlicher Phasen zu verhindern und das Gleichgewicht zwischen Austenit und Ferrit wiederherzustellen.

Das BORINOX®-Verfahren ist besonders effektiv für Duplex-Edelstähle und sorgt für eine gleichmäßige Härtung bei gleichzeitiger Erhaltung der Korrosionsbeständigkeit, die für Anwendungen in aggressiven Umgebungen entscheidend ist.

Ausscheidungshärtender Edelstahl

Ausscheidungshärtende Edelstähle können durch Wärmebehandlung eine hohe Festigkeit erreichen. Zu den gängigen Sorten gehören 17-4 PH und 15-5 PH.

• Geeignete Wärmebehandlungen:
  • Lösungsglühen: Erhitzen auf 1040-1065°C, gefolgt von schnellem Abkühlen.
  • Aushärten: Erhitzen auf 480-620°C, um sekundäre Phasen auszuprecipitieren, die die Festigkeit erhöhen.

Das BORINOX®-Verfahren bietet eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Härte und ist damit ideal für ausscheidungshärtende Edelstähle, die in anspruchsvollen Umgebungen wie der Luft- und Raumfahrt und im Schwermaschinenbau eingesetzt werden. Darüber hinaus sind die Verfahren von Bortec sehr effektiv für Werkzeugstahl und bieten eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit.

Vorteile und Anwendungen der Wärmebehandlung von Edelstahl