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Ein hartes Los

Foto: Götz von Sternenfels 10 Bilder

Zäh im Inneren, außen jedoch hart müssen Bauteile und Werkzeuge aus Stahl sein. Verschiedene Verfahren können diesen Widerspruch lösen.

13.01.2007 Thomas Wirth Powered by

Wenn Experten beschreiben, welche Eigenschaften sie von einem Zahnrad erwarten, sprechen sie von Gefügezähigkeit und Randschichthärte. Das Vokabular klingt nach aktuellen Erkenntnissen moderner Werkstoffforschung, doch dies täuscht.

Schon vor mindestens 4900 Jahren wussten kluge Menschen, dass es wichtig ist, bei Gebrauchsgegenständen aus Metall zwei gegensätzliche -Eigenschaften zu verbinden. Zäh mussten sie sein, dennoch hart: Wäre ein Messer nur zäh, würde sich die Klinge schnell abstumpfen und sich verbiegen. Und Härte allein macht ebenso unglücklich, weil das Metall schnell brechen würde – wie Glas.

Weil Messer lebenswichtig waren, hatte man schon früh probiert, die Oberflächen des zähen Metalls zu härten. Es gelang bereits den alten Ägyptern durch Erhitzen und Abkühlen, wie Funde rund um die Cheops-Pyramiden bewiesen.

Schlüsselrolle bei der Waffenherstellung

Härten galt über Jahrhunderte als geheimes Handwerk, weil es eine Schlüsselrolle bei der Waffenherstellung besaß. Heute spielen beim Härten Chemie und Computer zusammen, und es gibt längst zahllose Verfahren für jeden Einsatzbereich. "Das wissen nicht viele", sagt Carsten Erasmi, Leiter der Härterei Tandler in Bremen. "Manche Kunden bringen Teile und sagen: Mach das bitte hart."

Moderne Härtemethodik bietet für jedes Werkstück eine optimale Lösung. Statt vage auszuprobieren, lassen sich reproduzierbare Ergebnisse erzielen – jedes einzelne Werkstück einer zu härtenden Charge erfüllt alle geforderten Vorgaben.

Dazu müssen die Ofenzeiten exakt gesteuert, Gas- oder Badzusammensetzungen sowie Temperaturen auf die zu härtenden Materialien abgestimmt werden. Eine Rolle spielen neben Geometrie und Größe der Teile noch eine Reihe weiterer Parameter. Heute übernehmen Rechner die Steuerung und Kontrolle der Anlagen. Zudem wird, zumindest bei größeren Serien, stets ein Probestück mitgehärtet, das dann auf seine Eigenschaften überprüft wird.

Vor der Wahl eines der zahlreichen Verfahren muss der Anwender jedoch genau wissen, um welchen Werkstoff es sich handelt. Ist die Zusammensetzung des Stahls unklar, sollte zunächst eine Werkstoffanalyse erfolgen.

Spektraluntersuchung gibt Aufschluss über Legierung

Zum Beispiel lässt sich mittels Spektraluntersuchung die Legierung eines Stahls feststellen. Andere Prüfverfahren geben Auskunft über Härtegrad und -tiefe eines Werkstücks. Je nach Anforderung besitzt eine gehärtete Schicht eine Stärke zwischen 0,3 und 4,0 Millimeter.

Eine klassische Variante des Härtens, die sich auch für die Zahnradherstellung bestens eignet, ist das Einsatzhärten. Das Verfahren funktioniert in zwei Schritten. Zunächst wird aufgekohlt: Bei rund 900 Grad diffundieren Kohlenstoff-Atome in die Oberfläche der zu härtenden Bauteile. Träger dieser Kohlenstoff-Atome können Gase oder Salzlösungen sein. Dabei kann genau gesteuert werden, wie tief die Atome eindringen.

Dann folgt das Abschrecken, also ein rascher Entzug der Wärme. Auch hierfür gibt es verschiedene Methoden. Das atomare Gefüge des mit Kohlenstoffatomen angereicherten Eisens ändert sich dabei so, dass es eine größere Härte aufweist.

Das Anlassen, eine nochmalige Erwärmung, hat zum Ziel, dem Stahl die Sprödigkeit zu nehmen. Die nötigen Temperaturen liegen mit bis zu 300 Grad allerdings deutlich niedriger als beim Aufkohlen.

Vertrauen ist bei diesen Arbeiten besonders wichtig. Schließlich lässt sich die Qualität gehärteter Teile nur mit entsprechend aufwendigen Methoden nachweisen.

Tipps & Adresse

Neben dem oft angewendeten Einsatzhärten spielt das Gasnitrieren eine wichtige Rolle. Statt Kohlenstoff dringen hier vor allem Stickoxide in die Oberfläche ein. In jedem Fall setzt ein gutes Ergebnis voraus, dass die Materialzusammensetzung des Werkstoffs bekannt ist.

Unter Umständen fällt zunächst eine Werkstoffanalyse an. Preise für das Härten lassen sich aufgrund der Vielfalt der Methoden und Geometrien der Teile kaum angeben. In jedem Fall ist es sinnvoll, vor dem Start einer Nachfertigungsaktion auch die Details beim Härten zu klären, um aufwendige Nacharbeit zu vermeiden.

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