Was ist Härten und wie funktioniert es?

Anlassen ist ein Wärmebehandlungsverfahren, das die Leistungsfähigkeit verschiedener Stahlbauteile sicherstellt. Es wird bei Bauteilen von Automobilmotoren und Strukturteilen von Großbaumaschinen angewendet. Beispielsweise können Zahnräder in Automobilgetrieben nach dem Härten und Anlassen die Kraft präzise übertragen und so den reibungslosen Betrieb des Getriebes gewährleisten. Dieser Artikel behandelt die Grundlagen des Anlassens.

Übersicht of Anlassen

Anlassen ist ein Wärmebehandlungsverfahren , bei dem ein gehärtetes Werkstück auf eine bestimmte Temperatur unterhalb des Ac1-Punktes erhitzt, für eine bestimmte Zeit gehalten und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Durch das Anlassen erhält das Werkstück die erforderlichen Gebrauchseigenschaften.

Stahl wird selten direkt nach dem Abschrecken verwendet, da das resultierende Gefüge aus Martensit und Restaustenit besteht und mit erheblichen inneren Spannungen einhergeht. Martensit besitzt zwar eine hohe Festigkeit und Härte, jedoch eine geringe Plastizität und eine hohe Sprödigkeit, wodurch das Bauteil unter inneren Spannungen anfällig für Verformungen und Risse wird. Darüber hinaus ist das abgeschreckte Gefüge instabil und kann sich bei Raumtemperatur langsam zersetzen, was zu Volumenänderungen und Verformungen des Werkstücks führt. Daher müssen abgeschreckte Teile vor dem Einsatz angelassen werden.

Funktion des Anlassens

Die Zwecke des Härtens sind:

Reduzierung von innerem Stress

Abgeschreckte metallische Werkstoffe weisen erhebliche innere Spannungen auf, die zu Bauteilverformungen oder sogar Rissen führen können. Anlassen ist ein wirksames Verfahren, um diese inneren Spannungen abzubauen und auszugleichen.

Beispielsweise kann es bei großen, abgeschreckten Werkzeugen und Formen zu starken Verformungen kommen, wenn nach dem Abschrecken keine inneren Spannungen abgebaut werden. Dies beeinträchtigt die Präzision und Qualität des Produkts. Durch Anlassen wird eine gleichmäßigere Spannungsverteilung innerhalb der Form gewährleistet und somit deren strukturelle Stabilität sichergestellt.

Härteeinstellung

Obwohl abgeschreckte metallische Werkstoffe eine hohe Härte aufweisen, sind sie oft übermäßig spröde und daher für viele praktische Anwendungen ungeeignet. Durch Anlassen lässt sich die Härte präzise auf einen geeigneten Bereich entsprechend den Anwendungsanforderungen einstellen.

Bei mechanischen Bauteilen, die Stoßbelastungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Hammerköpfen oder Baggerlöffeln, kann durch Anlassen die Härte moderat reduziert und gleichzeitig die Zähigkeit erhöht werden. Diese verbesserte Zähigkeit ermöglicht es dem Bauteil, Stoßkräften im Betrieb besser standzuhalten und nicht so leicht zu brechen.

Mikrostrukturstabilisierung

Das Mikrogefüge abgeschreckter metallischer Werkstoffe befindet sich in einem metastabilen Zustand. Durch Anlassen kann das Mikrogefüge in eine stabilere Form umgewandelt werden.

Am Beispiel von Stahl lässt sich zeigen, dass sich die Martensitstruktur im abgeschreckten Zustand beim Anlassen in stabilere Gefüge wie angelassenen Martensit, angelassenen Troostit oder angelassenen Sorbit umwandelt. Diese Gefüge weisen hervorragende mechanische Eigenschaften auf und gewährleisten die langfristige Stabilität des Werkstoffs im Dauereinsatz. So garantiert beispielsweise die durch das Anlassen erreichte stabile Struktur bei der Herstellung von Kurbelwellen für Automobilmotoren einen dauerhaft stabilen Betrieb der Kurbelwelle unter hohen Temperaturen, hohen Drehzahlen und hohen Belastungen und verhindert Leistungsverschlechterungen oder Ausfälle aufgrund von Mikrostrukturinstabilität.

Verbesserung der Zähigkeit

Die Zähigkeit eines metallischen Werkstoffs ist ein Maß für seine Widerstandsfähigkeit gegen Bruch bei Stoßbelastung oder starker plastischer Verformung. Durch Anlassen wird die Zähigkeit metallischer Werkstoffe deutlich erhöht.

Bei dünnwandigen Teilen oder Komponenten mit komplexen Geometrien kann eine unzureichende Zähigkeit nach dem Abschrecken leicht zu Versagen im Einsatz führen. Durch Anlassen wird die Zähigkeit dieser Teile verbessert, sodass sie sich besser an verschiedene komplexe Betriebsbedingungen anpassen können. Beispielsweise ist bei kritischen Luft- und Raumfahrtkomponenten eine extrem hohe Zähigkeit erforderlich, um die Flugsicherheit zu gewährleisten. Daher ist das Anlassen ein unverzichtbarer Fertigungsschritt.

Arten der Temperierung

Nach der Anlasstemperatur lassen sich drei Typen unterscheiden:

Niedrigtemperatur-Anlassen (unter 250 °C)

Durch das Anlassen bei niedrigen Temperaturen entsteht ein angelassenes Martensitgefüge. Ziel ist es, die Abschreckspannungen und die Sprödigkeit zu reduzieren. Der so entstehende angelassene Martensit weist eine hohe Härte (typischerweise 58–64 HRC), hohe Festigkeit und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit auf. Daher eignet sich das Anlassen bei niedrigen Temperaturen besonders für Bauteile, die eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit erfordern, wie beispielsweise Schneidwerkzeuge, Messgeräte, Wälzlager, einsatzgehärtete Teile und induktionsgehärtete Oberflächen.

Tempern bei mittlerer Temperatur (250 °C – 500 °C)

Durch Anlassen bei mittleren Temperaturen entsteht ein Troostit-Gefüge. Dies verleiht dem Stahl eine hohe Elastizitätsgrenze, relativ hohe Festigkeit und Härte (typischerweise 35–50 HRC) sowie gute Plastizität und Zähigkeit. Das Anlassen bei mittleren Temperaturen wird hauptsächlich für verschiedene elastische Bauteile und Warmarbeitswerkzeuge eingesetzt.

Hochtemperaturanlassen (500 °C – 650 °C)

Durch Hochtemperaturvergütung entsteht ein angelassenes Sorbitgefüge. Das kombinierte Wärmebehandlungsverfahren aus Abschrecken und Hochtemperaturvergütung wird als Abschrecken und Anlassen oder kurz „Konditionieren“ bezeichnet. Nach dem Konditionieren weist der Stahl hervorragende mechanische Eigenschaften auf (typischerweise eine Härte von 220–230 HBS). Die Hochtemperaturvergütung wird hauptsächlich bei kritischen Maschinenteilen aus mittelgekohltem oder niedriglegiertem Baustahl angewendet, wie beispielsweise Kurbelwellen, Pleuelstangen, Schrauben, Achsen für Kraftfahrzeuge, Werkzeugmaschinenspindeln und Zahnräder.

Temperament Brüchigkeit

Im Allgemeinen nehmen Festigkeit und Härte von gehärtetem Stahl beim Anlassen mit steigender Anlasstemperatur ab, während Plastizität und Zähigkeit zunehmen. Erfolgt das Anlassen jedoch innerhalb bestimmter Temperaturbereiche, kann die Kerbschlagzähigkeit des Stahls deutlich sinken. Dieses Versprödungsphänomen, bei dem gehärteter Stahl innerhalb bestimmter Temperaturbereiche angelassen oder langsam durch diese Bereiche von der Anlasstemperatur abgekühlt wird, wird als Anlasssprödigkeit bezeichnet. Anlasssprödigkeit wird in Typ 1 und Typ 2 unterteilt.

Sprödigkeit vom Typ 1

Diese Art von Sprödigkeit ist eine irreversible Anlassversprödung. Die Versprödung tritt auf, wenn abgeschreckter Stahl bei etwa 300 °C angelassen wird und wird als Typ-1- oder irreversible Anlassversprödung bezeichnet. Fast alle Stähle weisen diese Art von Sprödigkeit auf. Sie wird auf die Ausscheidung diskontinuierlicher, dünnschalenartiger Carbide entlang der Korngrenzen der Martensitlamellen oder -platten während des Anlassens zurückgeführt, wodurch die Bruchfestigkeit der Korngrenzen erheblich reduziert wird. Daher werden Werkstücke im Allgemeinen nicht im Temperaturbereich von 250 °C bis 350 °C angelassen.

Sprödigkeit vom Typ 2

Diese Art von Versprödung ist reversibel. Sie betrifft legierte Stähle mit Elementen wie Chrom, Mangan und Nickel. Sie tritt auf, wenn diese Stähle im Versprödungsbereich von 400 °C bis 550 °C angelassen oder nach dem Anlassen bei höherer Temperatur langsam durch diesen Bereich abgekühlt werden. Man spricht von reversibler Versprödung, da sie durch erneutes Anlassen oberhalb der Versprödungstemperatur und anschließendes schnelles Abkühlen beseitigt werden kann. Wird der Stahl danach erneut im Versprödungsbereich angelassen oder langsam durch diesen abgekühlt, tritt die Versprödung wieder auf.

Die Ursache liegt im Allgemeinen in der Anreicherung von Fremdelementen wie Sb, Sn und P an den ehemaligen Austenitkorngrenzen. Legierungselemente wie Ni und Cr fördern diese Anreicherung und reichern sich ebenfalls an den Korngrenzen an, wodurch die Anfälligkeit für Anlassversprödung erhöht wird.

Präventionsmethoden umfassen:

• Minimierung des Gehalts an Verunreinigungselementen im Stahl.
• Durch die Zugabe von Elementen wie Molybdän (Mo), die die Korngrenzensegregation hemmen können.
• Bei kleinen bis mittelgroßen Werkstücken kann diese Art von Anlasssprödigkeit durch schnelles Abkühlen nach dem Anlassen unterdrückt werden.