Das Einsatzhärten

Das Einsatzhärten ist ein thermochemisches Wärmebehandlungsverfahren, das eingesetzt wird, um Bauteilen eine harte, verschleißfeste Randschicht bei gleichzeitig zähem und stoßunempfindlichem Kern zu verleihen. Es wird primär bei sogenannten Einsatzstählen angewandt. Diese weisen einen geringen initialen Kohlenstoffgehalt von typischerweise 0,10 % bis 0,25 % auf, weshalb sie im Ausgangszustand nicht oder nur sehr bedingt härtbar sind. Durch das gezielte Einbringen von Kohlenstoff in die Werkstückoberfläche wird die lokale Härtbarkeit drastisch erhöht, was die Voraussetzung für die anschließende Gefügeumwandlung beim Härten schafft.

Der klassische Mehrzweckkammerofen ist die Standardanlage für diesen Prozess. Die Anlage zeichnet sich durch getrennte Zonen aus – typischerweise eine beheizte Ofenkammer und eine Vorkammer mit integriertem Abschreckbad (meist Öl). Der Prozess findet unter einer kontrollierten Schutzgasatmosphäre statt, häufig basierend auf Endogas. Dieses Trägergas verhindert die Oxidation (Verzunderung) und Entkohlung der Bauteile. Dem Schutzgas werden reaktive Kohlenstoffspender, wie beispielsweise Erdgas oder Propan, zugesetzt, um das gewünschte Kohlenstoffpotenzial (C-Pegel) einzustellen. Das Verfahren umfasst das Erwärmen, das Aufkohlen, das Abschrecken sowie ein darauffolgendes, niedriges Anlassen (meist zwischen 150 °C und 200 °C) zum Entspannen des Martensits.

Der zentrale metallurgische Schritt ist die Aufkohlung. Die Werkstücke werden auf Temperaturen im Austenitgebiet erhitzt, in der Regel zwischen 880 °C und 980 °C. Bei diesen Temperaturen besitzt das Eisengitter (kubisch-flächenzentrierter Austenit) ein hohes Lösungsvermögen für Kohlenstoff. Der Kohlenstoff aus der Gasatmosphäre spaltet sich an der Werkstückoberfläche ab, diffundiert in das Randgefüge ein und reichert dieses auf einen Zielwert von zumeist 0,65 % bis 0,80 % Kohlenstoff an. Die Eindringtiefe wird über die Parameter Temperatur, Zeit und Kohlenstoffpotenzial gesteuert und bestimmt die spätere Einsatzhärtetiefe (EHT). Um ein zu starkes Überkohlen der Randzone zu vermeiden, wird der Prozess oft in eine aktive Aufkohlungsphase und eine nachfolgende Diffusionsphase unterteilt.

Nach Erreichen der gewünschten Aufkohlungstiefe erfolgt im Mehrzweckkammerofen in der Regel das Direkthärten. Die Bauteile werden direkt aus der Ofenkammer in das Abschreckbad der Vorkammer transportiert und dort abgeschreckt. Durch die rasche Abkühlung wandelt sich der kohlenstoffreiche Austenit der Randschicht in harten, verschleißfesten Martensit um. Der Kern der Bauteile, dessen Kohlenstoffgehalt unverändert niedrig geblieben ist, kühlt langsamer ab und bildet je nach Legierungselementen und Bauteilquerschnitt ein zähes bainitisches oder ferritisch-perlitisches Gefüge. Die Schutzgasatmosphäre bleibt während des gesamten Transfers erhalten, wodurch die Bauteile metallisch blank aus dem Ofen kommen.