Einsatzstähle

Als Einsatzstahl bezeichnet solche Stähle, die sich besonders gut für ein Einsatzhärten eignen. Einsatzstählen haben einen geringen Kohlenstoffanteil von maximal 0,25 %. Anzumerken ist, dass chromhaltige Einsatzstähle schwieriger aufzukohlen sind, da Chrom wie eine Bremse wirkt. Hier ist eine Gasaufkohlung zu empfehlen, da hierbei das Kohlenstoff-Angebot während der Aufkohlung gesteuert werden kann.

Einsatzstahl härten: Was versteht man unter Einsatzhärten?

Einsatzhären ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stahl, bei dem die Randschicht eines Werkstücks mit Kohlenstoff angereichert wird. Man spricht daher auf vom „Aufkohlen“. Hierzu wird das bearbeitete Bauteil zunächst erhitzt und in festen, flüssigen oder gasförmigen kohlenstoffabgebenden Mitteln längere Zeit gehalten, damit der Kohlenstoff in das Bauteil diffundieren kann. Die Aufkohlungszeit variiert nach gewünschter Tiefe und Werkstoff. Der Kohlenstoffgehalt in der Randschicht erhöht sich hierdurch auf ca. 0,6 % bis 0,9 %. Beim anschließenden Härten wird das Werkstück in Wasser, Öl, Polymer oder ähnlichem abgeschreckt. Erfolgt das Härten direkt von der Aufkohlungstemperatur, spricht man von Direkthärten. Abschließend wird das Werkstück bei 150 °C bis 200 °C entspannt (angelassen), um die Randhärte des Stahls zu reduzieren. Je nach Bauteil und Werkstoff sind die Zonen der Aufkohlung zwischen 0,3 mm und 4,0 mm tief. Bereiche, welche keine Aufkohlungszone haben sollen, können vor der Behandlung abgedeckt werden.

Wo sind Einsatzstähle genormt?

Einsatzstähle sind in der DIN EN ISO 683-3 genormt. Vorgängernormen sind die DIN EN 10084 und die DIN 17210. In der DIN EN 10250 (Freiformschmiedestücke aus Stahl) und der SEW 550 (Stähle für größere Schmiedestücke) sind Einsatzstähle nicht enthalten.

Einsatzstähle Verwendung: Wo werden Einsatzstähle eingesetzt?

Verwendungszweck sind Bauteile, die einem hohen Verschleiß und hoher Stoßbelastung ausgesetzt sind, insbesondere in der Antriebstechnik. Typischerweise werden aus Einsatzstählen Zahnräder, Bolzen, Kegelräder, Tellerräder und ähnliches gefertigt. Für Umgebungstemperaturen oberhalb 200 °C sind Einsatzstähle ungeeignet, da bei solchen Temperaturen die Randhärte abfällt.

Aufhärtbarkeit und Einhärtbarkeit (Härteverlauf) zur Bestimmung der Härtbarkeit

Ziel des Einsatzhärtens ist es, die Oberflächenhärte eines Werkstücks zu erhöhen, ohne dabei die Kernzähigkeit zu beeinträchtigen. Die Beurteilung der Härtbarkeit eines Werkstoffs erfolgt anhand der Aufhärtbarkeit und dem Härteverlauf/der Einhärtbarkeit: Die Aufhärtbarkeit gibt Auskunft über die maximale Härte, der Härteverlauf/die Einhärtbarkeit beschreibt die Veränderungen der gemessenen Härte vom Rand des Werkstücks in Richtung Kern. Der Verlauf der Härtbarkeitskurve eines Einsatzstahl kann nur über seine chemische Analyse eingestellt werden. Die Härtbarkeitswerte (Jominywerte) werden im Stahlwerk daher oftmals auf Basis der chemischen Analyse errechnet und nur zu Kontrollzwecken des Rechensatzes stichprobenartig überprüft.

Was ist ein Stirnabschreckversuch (Jominy-Versuch)?

Eine entscheidende Bedeutung für die Wahl des jeweiligen Einsatzstahls ist der Stirnabschreckversuch. Er ist genormt in der EN ISO 642. Der Stirnabschreckversuch beruht maßgeblich auf Versuchen von W. E. Jominy, deren Ergebnisse in diversen Fachzeitschriften Ende der 1930er und Anfang der 1940er veröffentlicht wurden. Der Stirnabschreckversuch trägt daher auch den Namen Jominy-Versuch.

Der Stirnabschreckversuch ist ein Verfahren, um die Härtbarkeit – also den Härteverlauf/die Einhärtbarkeit – zu bestimmen. Hierzu wird zunächst eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von 100 mm bei einer festgelegten Temperatur erwärmt. Daraufhin wird die Probe an der Stirnseite durch einen Wasserstrahl mit konstantem Druck abgeschreckt. Danach werden zwei gegenüberliegende Mantelflächen in Längsrichtung mit 0,4 bis 0,5 mm angeschliffen. Auf jeder Mantelfläche wird anschließend die Härte in definierten Abständen von der Stirnfläche gemessen. Die Abstände betragen üblicherweise 1,5 – 2,5 – 7 – 9 – 11 – 13 – 15 – 20 – 25 – 30 – 35 – 40 und vereinzelt 50 mm. Sie können aber anders gewählt werden, beispielsweise mit Abständen von 1 mm bei gering einhärtenden Stählen.

In den Einsatzstahlnormen ist angegeben, welche minimalen und welche maximalen Härtewerte ein Werkstoff in einem bestimmten Abstand von der abgeschreckten Stirnfläche haben muss. Die Härte ist dabei in Härte Rockwell (HRC) angegeben. Man unterscheidet hier zwischen der normalen Härtbarkeit „+H“ (Gesamtstreuband) und den eingeengten Härtbarkeitsstreubändern „+HH“ und „+HL“.

Die Einsatzhärtetiefe (EhT) zur Messung und Kontrolle des Einsatzhärtens

Die Einsatzhärtetiefe (EhT) ist eine Kennzahl zur Messung und Kontrolle des Einsatzhärtens, die in der DIN EN ISO 2639 genormt ist. Sie beschreibt den Abstand von der Oberfläche eines Werkstoffs bis zu dem Punkt, an dem die Vickershärte (HV1) 550 beträgt. Bestimmt wird sie von der Härtbarkeit des Werkstoffs, der Tiefe der Aufkohlung sowie den Wärme- und Abkühlbedingungen. Darüber hinaus ist für ein gutes Ergebnis beim Einsatzhärtens ein feinkörniges Gefüge wichtig.

Welche Wärmebehandlung haben Einsatzstähle?

Um eine gute mechanische Bearbeitbarkeit zu gewährleisten, werden Einsatzstähle in der Regel einer werksseitigen Glühbehandlung (+A, +TH, +FP) unterzogen. In Ausnahmefällen werden Einsatzstähle auch vorvergütet (+QT). Ziel der Vorvergütung ist es, ein feinkörniges Gefüge (Vergütungsgefüge) zu erzeugen, durch welches die Verzüge bei der Einsatzhärtung reduziert werden. Um die Bearbeitbarkeit nicht zu erschweren, entsprechen die dabei angestrebten Härtewerte des Rohmaterials denen einer Glühung (+TH).