Einsatzhärten ist ein thermochemisches Wärmebehandlungsverfahren, bei dem die Randschicht eines Stahlbauteils durch Aufkohlung gezielt mit Kohlenstoff angereichert und anschließend gehärtet wird. Das Ergebnis ist eine harte, verschleißfeste Oberfläche bei gleichzeitig zähem Kern. Das Verfahren eignet sich vor allem für Bauteile, die hohe Flächenpressungen, Reibung und Stoßbelastungen aushalten müssen. Die folgenden Abschnitte beantworten die wichtigsten Fragen rund um das Einsatzhärten.
Wie funktioniert das Einsatzhärten technisch?
Beim Einsatzhärten wird ein kohlenstoffarmer Stahl in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre auf Temperaturen zwischen 880 und 980 °C erhitzt. Dabei diffundiert Kohlenstoff in die Randschicht des Bauteils (Aufkohlung). Nach der Aufkohlung wird das Bauteil abgeschreckt, wodurch die angereicherte Randschicht zu Martensit umgewandelt wird und eine hohe Härte erreicht. Der kohlenstoffarme Kern bleibt zäh und duktil.
Das Verfahren läuft typischerweise in mehreren Schritten ab:
- Aufkohlen in einer Schutzgasatmosphäre (Gasaufkohlung), einem Salzbad oder durch Einpacken in kohlenstoffhaltige Feststoffe
- Diffusionsphase, in der der Kohlenstoff gleichmäßig in die Randschicht einzieht
- Abschrecken in Öl, Wasser oder Schutzgas, um die martensitische Umwandlung auszulösen
- Anlassen bei niedrigen Temperaturen (150 bis 200 °C), um Spannungen abzubauen, ohne die Härte wesentlich zu reduzieren
Die Gasaufkohlung im Durchlauf- oder Kammerofen ist heute das am weitesten verbreitete industrielle Verfahren, weil sie präzise steuerbar ist und reproduzierbare Ergebnisse liefert.
Welche Stähle eignen sich für das Einsatzhärten?
Für das Einsatzhärten eignen sich ausschließlich kohlenstoffarme Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,1 bis 0,25 %. Dieser niedrige Ausgangsgehalt ist notwendig, damit der Kern nach dem Abschrecken zäh bleibt, während die aufgekohlte Randschicht die gewünschte Härte erreicht. Typische Einsatzstähle sind in der Norm DIN EN 10084 zusammengefasst.
Zu den gebräuchlichsten Werkstoffen zählen:
- 16MnCr5 (1.7131): Klassischer Einsatzstahl für Zahnräder, Wellen und Bolzen
- 20MnCr5 (1.7147): Höhere Kernfestigkeit, geeignet für stärker beanspruchte Bauteile
- 18CrNiMo7-6 (1.6587): Hohe Zähigkeit und Kernfestigkeit, bevorzugt im Getriebebau
- C15 / C10: Einfache, kostengünstige Einsatzstähle für weniger anspruchsvolle Anwendungen
Legierungselemente wie Chrom, Mangan, Nickel und Molybdän verbessern die Härtbarkeit und ermöglichen es, auch bei größeren Querschnitten eine gleichmäßige Randschichthärte zu erzielen. Wer geeignetes Stahlhalbzeug für einsatzgehärtete Bauteile beschaffen will, sollte auf genormte Einsatzstähle achten, die für dieses Verfahren ausgelegt sind.
Was ist der Unterschied zwischen Einsatzhärten und Vergüten?
Einsatzhärten und Vergüten sind grundlegend verschiedene Wärmebehandlungsverfahren mit unterschiedlichen Zielen. Beim Einsatzhärten wird nur die Randschicht eines kohlenstoffarmen Stahls gehärtet, der Kern bleibt zäh. Beim Vergüten wird das gesamte Bauteil aus einem kohlenstoffreicheren Stahl gehärtet und anschließend bei höheren Temperaturen angelassen, um eine gleichmäßig hohe Zähigkeit über den gesamten Querschnitt zu erreichen.
Die entscheidenden Unterschiede lassen sich so zusammenfassen:
- Einsatzhärten erzeugt einen Härtegradienten (harte Oberfläche, zäher Kern); Vergüten erzeugt eine homogene Werkstoffeigenschaft über den Querschnitt
- Einsatzhärten setzt kohlenstoffarme Stähle voraus; Vergüten erfordert Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,3 bis 0,6 %)
- Einsatzhärten erreicht an der Oberfläche deutlich höhere Härtewerte (58 bis 64 HRC); vergütete Bauteile liegen typischerweise bei 28 bis 48 HRC
- Vergüten eignet sich für Bauteile mit gleichmäßiger Belastung über den Querschnitt; Einsatzhärten ist die bessere Wahl bei Verschleiß- und Kontaktbeanspruchung
Welche Härtetiefen sind beim Einsatzhärten erreichbar?
Beim Einsatzhärten werden üblicherweise Einsatzhärtetiefen (CHD, Carburizing Hardness Depth) von 0,3 bis 3,0 mm erreicht. Die genaue Tiefe hängt von der Aufkohlungsdauer, der Temperatur und dem verwendeten Stahl ab. Standardanwendungen liegen oft im Bereich von 0,5 bis 1,5 mm.
Die Einsatzhärtetiefe wird nach DIN EN ISO 2639 als die Tiefe definiert, bis zu der eine Vickershärte von mindestens 550 HV vorliegt. Je tiefer die gewünschte Aufkohlung, desto länger muss das Bauteil im Ofen verbleiben, was die Prozesskosten erhöht. Sehr tiefe Einsatzhärtetiefen über 2 mm sind technisch möglich, aber wirtschaftlich nur bei speziellen Anwendungen sinnvoll, etwa bei großen Wälzlagern oder schwer beanspruchten Getriebekomponenten.
Die Randschichthärte an der Oberfläche liegt bei gut einsatzgehärteten Bauteilen typischerweise zwischen 58 und 64 HRC, abhängig vom Stahlwerkstoff und der Prozessführung.
Wann sollte man Einsatzhärten statt anderer Härteverfahren wählen?
Einsatzhärten ist die richtige Wahl, wenn ein Bauteil gleichzeitig hohe Oberflächenhärte und ausreichende Kernzähigkeit benötigt. Das ist typischerweise bei Bauteilen der Fall, die Verschleiß, Rollreibung oder stoßartige Belastungen aushalten müssen, ohne spröde zu brechen.
Typische Anwendungsfälle für das Einsatzhärten sind:
- Zahnräder und Zahnwellen im Getriebebau
- Wälzlagerringe und Wälzkörper
- Bolzen, Buchsen und Führungsschienen
- Nockenwellen und Kurbelwellen in Motoren
- Werkzeuge und Vorrichtungen mit hoher Flächenpressung
Gegenüber dem Flamm- oder Induktionshärten bietet das Einsatzhärten den Vorteil, dass auch kohlenstoffarme Stähle gehärtet werden können, die für andere Verfahren nicht geeignet wären. Gegenüber dem Nitrieren erzielt das Einsatzhärten höhere Härten und tiefere Härtezonen. Nitrieren ist hingegen vorzuziehen, wenn minimaler Verzug und sehr hohe Randschichthärte bei geringer Tiefe gefragt sind.
Welche Maßnahmen reduzieren Verzug beim Einsatzhärten?
Verzug beim Einsatzhärten entsteht durch thermische Spannungen beim Abschrecken und durch Gefügeumwandlungen in der Randschicht. Vollständig vermeiden lässt er sich nicht, aber durch gezielte Maßnahmen in der Konstruktion, Werkstoffwahl und Prozessführung deutlich reduzieren.
Bewährte Maßnahmen zur Verzugsminimierung:
- Symmetrische Bauteilgeometrie anstreben, da unsymmetrische Querschnitte ungleichmäßige Abkühlgradienten erzeugen
- Abschrecken in Öl statt Wasser, da langsameres Abschrecken weniger thermische Spannungen erzeugt
- Gasabschrecken im Vakuumofen als noch schonendere Alternative bei hohen Anforderungen
- Teilbereiche, die nicht gehärtet werden sollen, mit Kupferpaste oder mechanischen Abdeckungen schützen
- Bauteil gleichmäßig im Ofen positionieren und aufhängen, damit alle Zonen gleichmäßig erwärmt und abgekühlt werden
- Ausreichend Schleifzugabe einplanen, da ein Schleifen nach dem Härten unvermeidlichen Restmaßverzug kompensiert
Bei präzisionskritischen Bauteilen ist es sinnvoll, bereits in der Konstruktionsphase mit dem Wärmebehandler zusammenzuarbeiten, um Geometrie und Härtevorgaben aufeinander abzustimmen.
Wie KLEINEBERG die Materialgrundlage für einsatzgehärtete Bauteile liefert
Das Einsatzhärten beginnt mit dem richtigen Ausgangsmaterial. KLEINEBERG liefert als Metallhalbzeughändler die genormten Einsatzstähle, die für dieses Verfahren vorausgesetzt werden, direkt ab Lager und in den benötigten Abmessungen:
- Klassische Einsatzstähle wie 16MnCr5, 20MnCr5 und 18CrNiMo7-6 in Rund, Flach und Vierkant
- Fixlängen auf Maß mit dem eigenen Sägemaschinenpark, Einzelschnitte ab dem Folgetag möglich
- Schnelle Verfügbarkeit ab Lager in Stelle mit eigenem LKW-Fuhrpark für den norddeutschen Raum
- Persönliche Beratung durch erfahrene Vertriebsmitarbeiter, die bei der Werkstoffauswahl unterstützen
Wer das passende Halbzeug für sein nächstes Projekt beschaffen möchte, erreicht das KLEINEBERG-Team direkt über die Kontaktseite.