Die Fähigkeit, Abrieb und Einkerbungen zu widerstehen, sind zwei sehr wichtige Eigenschaften bestimmter Metallarten. Bei der Auswahl einer Metallart ist die Härte ein wichtiger Faktor, der berücksichtigt werden muss. Sie ist ein Maß für diese Eigenschaften. Die äußerste Oberfläche eines Metalls ist wohl der wichtigste Teil zur Bestimmung der idealen Härte. Dies liegt daran, dass es die Oberfläche ist, die am meisten direkt getroffen und abgerieben wird. Einige Metalle durchlaufen einen Prozess namens Einsatzhärtung, um ihre Oberflächenhärte zu verändern und so sicherzustellen, dass die Härte eines Metallsubstrats angemessen ist.
Was ist Einsatzhärtung?
Einsatzhärten ist ein Wärmebehandlungsprozess, der die Oberfläche eines Metallsubstrats härtet und gleichzeitig einen weicheren Kern erhält. Dies ermöglicht es, die besten Eigenschaften eines Weich- und Hartmetalls in einem Teil zu vereinen.
Im Vergleich zu einer harten Substanz hält ein weiches Material Stoßbelastungen weitaus besser stand. Darüber hinaus ist es fester, duktiler und zäher, aber seine Verschleißfestigkeit ist unzureichend. Damit sich das Material nicht durch Abrieb oder Reibung abnutzt, ist eine gute Verschleißfestigkeit unerlässlich. Wir können den Materialverschleiß erheblich minimieren, ohne andere Eigenschaften zu beeinträchtigen, indem wir nur die Außenseite härten.
Eine dünne, gehärtete Oberfläche kann auf verschiedene Weise erreicht werden, unter anderem durch Zugabe zusätzlicher Komponenten zur Oberfläche oder durch Veränderung der Kristallstruktur. Für das Einsatzhärten sind jedoch unabhängig von der Methode fast immer hohe Temperaturen erforderlich.
Warum Einsatzhärten?
Es gibt mehrere Gründe, ein Material einsatzhärten zu lassen, anstatt zu versuchen, ein ganzes Metallobjekt zu härten. Ein Grund ist die Effizienz. Um die äußerste Oberfläche eines Metalls zu erhitzen, ist weniger Energie und weniger Zeit erforderlich als für den gesamten Querschnitt. Diese Effizienzsteigerungen können zu enormen Kosteneinsparungen bei Großserienfertigungen führen. Ein weiterer Grund, warum Einsatzhärten weit verbreitet ist, liegt in der Leistung. Es kann von Vorteil sein, ein Metall mit einer harten Außenschale und einem duktileren Inneren zu verwenden. Ein Beispiel hierfür wäre, wenn ein Metall Abrieb widerstehen muss, aber dennoch in der Lage sein muss, einen Aufprall zu absorbieren, ohne dass es zu einem vollständigen Sprödbruch kommt.
TArten von Einsatzhärtemethoden
Das Prinzip der Einsatzhärtung ist ziemlich einfach. Wir möchten, dass die Oberfläche eine harte Struktur bildet, die als Martensit bekannt ist. Diese Struktur bildet sich jedoch nur, wenn Stahlbauteile bei hohen Temperaturen abgeschreckt werden und der Kohlenstoffgehalt der Stahllegierung hoch genug ist.
Wenn der Kohlenstoffgehalt ausreichend ist, müssen wir das Teil nur erwärmen und abschrecken. Wenn der Kohlenstoffgehalt jedoch niedrig ist oder eine extreme Härte erforderlich ist, müssen der Oberfläche des Materials Elemente wie Kohlenstoff und Stickstoff hinzugefügt werden. Schauen wir uns nun die verschiedenen Verfahren an, mit denen eine Einsatzhärtung auf der Grundlage der oben genannten Prinzipien erreicht wird.
Erhitzen und Abschrecken
Traditionell wurden Erhitzen und Abschrecken zum Härten einer Reihe von Metallen eingesetzt. Eine Methode zum Einsatzhärten von Metall besteht darin, eine direkte Oxygasflamme auf die Stahlkomponente anzuwenden. Der Einsatz von induktiver Erwärmung kommt gelegentlich vor. In beiden Fällen steigt die Oberflächentemperatur des Stahlteils schnell an. Infolgedessen ersetzt die Austenit-Kristallstruktur die Perlit-Kristallstruktur.
Sobald eine eingestellte Temperatur erreicht ist, wird das Teil schnell abgekühlt, oft durch Eintauchen in Wasser. Dadurch verändert sich die Kristallstruktur erneut, diesmal von Austenit zu Martensit, einem besonders harten Gefüge.
Da sich die Kristallstruktur nur an der Oberfläche ändert, härtet das Teil nur an der Oberfläche aus. Damit das Teil jedoch von dieser Methode profitieren kann, muss im Originalmaterial genügend Kohlenstoff vorhanden sein. Bei niedrigem Kohlenstoffgehalt (<0.3%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
Aufkohlen
Wenn der Kohlenstoffgehalt unter 0,3 % liegt, müssen wir dem Teil mehr Kohlenstoff hinzufügen, bevor wir es erhitzen und abschrecken. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, ein Teil dem Aufkohlungsprozess zu unterziehen.
Beim Aufkohlen wird die Stahlkomponente über einen vorgegebenen Zeitraum erhitzt, während eine äußere Kohlenstoffquelle vorhanden ist. Der Kohlenstoff aus der kohlenstoffhaltigen Substanz diffundiert bei hohen Temperaturen in das Metall. Mehr Hitze und längere Erhitzungszeiten führen dazu, dass Kohlenstoff tiefer in die Metalloberfläche eindringt.
Sobald das Aufkohlen den Kohlenstoffgehalt der Stahloberflächenschicht erhöht, unterziehen wir sie einer Flammhärtung oder Induktionshärtung, um die Härte zu erhöhen.
Nitrieren
Bei einer Stahllegierung, die Elemente wie Aluminium, Chrom und Molybdän enthält, können wir Nitrieren zum Einsatzhärten verwenden.
Das Teil wird in Gegenwart von Stickstoffgas und dissoziiertem Ammoniak erhitzt, um Nitride zu bilden. Die Nitride erhöhen zudem die Härte des Materials.
Da der Gegenstand auf 620 Grad (1150 Grad F) erhitzt wird, erfolgt die Nitrierung normalerweise bei niedrigeren Temperaturen. Die Diffusion und die daraus resultierende Härte werden umso tiefer, je länger es bei dieser Temperatur gehalten wird.
Welche Arten von Metallen können einsatzgehärtet werden?
Metalle, die einsatzgehärtet werden können, sind im Allgemeinen auf Eisenwerkstoffe beschränkt, obwohl es Sonderfälle wie das Nitrieren einiger Titan- oder Aluminiumlegierungen gibt. Die üblicherweise einsatzgehärteten Eisenmetalle sind:
Kohlenstoffarmen Stahl
Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt
Gusseisen
Hochfester niedriglegierter Stahl
Werkzeugstahl
Rostfreier Stahl
Zu den gängigen einsatzgehärteten Komponenten gehören:
Getriebe
Befestigungselemente
Nockenwellen
Stangen
Stifte
