Verfahren zum Härten und Abkühlen von Stahl

Das Härten von Stahl ist ein kritischer Prozess der Wärmebehandlung, der zur Erhöhung der Härte und Festigkeit von Stahl durch kontrollierte Kühlung aus erhöhter Temperatur. Dieser Prozess verändert die Mikrostruktur des Stahls und verbessert seine mechanischen Eigenschaften, um spezifischen industriellen Anforderungen gerecht zu werden. Die Prozesse des Härtens und Anlassens von Stahl sind für verschiedene Anwendungen, von Automobilteilen bis hin zu Bauwerkzeugen, unerlässlich.

Zwecke der Härtung von Stahl

Der Hauptzweck des Stahlhärtens besteht darin, das Metall härter und verschleißfester zu machen. Durch die Veränderung der inneren Struktur des Stahls erhöht der Prozess seine Härte und macht ihn damit ideal für hochbelastete Anwendungen. Durch das Härten wird auch die Zugfestigkeit des Stahls verbessert, so dass er höheren Belastungen standhalten kann, ohne sich zu verformen. Bei diesem Prozess wird der Stahl auf eine hohe Temperatur erhitzt und dann schnell abgekühlt, normalerweise in Wasser oder Öl. Durch dieses Abschreckverfahren wird der Stahl in einem gehärteten Zustand gehalten, wodurch seine mechanischen Eigenschaften erheblich verbessert werden. Darüber hinaus verlängert die verbesserte Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit, die durch das Härten erreicht wird, die Lebensdauer von Stahlkomponenten, Dadurch werden sie im Laufe der Zeit aufgrund des geringeren Wartungs- und Ersatzbedarfs kostengünstiger.

Anwendungen von Gehärtetem Stahl

Gehärteter Stahl wird aufgrund seiner robusten Eigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Es wird häufig für Werkzeuge, Matrizen und Klingen verwendet, bei denen eine große Verschleißfestigkeit erforderlich ist. In der Automobilindustrie werden Komponenten aus gehärtetem Stahl, wie z. B. Zahnräder, Achsen und Kurbelwellen, wegen ihrer Haltbarkeit und Festigkeit bevorzugt. Auch Baumaschinen und Schwermaschinen profitieren von der Verwendung von gehärtetem Stahl in Strukturkomponenten. Dieses Material wird besonders für seine Fähigkeit geschätzt, den harten Anforderungen einer schweren Belastung und wiederholten Verwendung in rauen Umgebungen standzuhalten. Darüber hinaus ist gehärteter Stahl aufgrund seiner Abrieb- und Verformungsbeständigkeit die ideale Wahl für harte Bedingungen, wie sie im Bergbau und bei Bohrarbeiten häufig auftreten.

Typen der Härtung

Kryogenes Prozess der Härtung 

Kryogenes Härten ist ein hochentwickeltes Verfahren, das die Härte des Materials erhöht und Verschleißfestigkeit, indem sie extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden. Dieser Prozess stabilisiert das Material, was zu höherer Härte, Festigkeit und geringerer Verformung und Rissbildung führt. Durch die Minimierung der Eigenspannungen wird eine feinere Materialstruktur und eine verbesserte Dimensionsstabilität erreicht. Kryogenes Härten ist ein zuverlässiges und wirksames Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften von Materialien in anspruchsvollen Anwendungen.

Volumenhärten

Die Volumenhärtung umfasst die Erwärmung des gesamten Volumens des Stahlbauteils auf eine Temperatur oberhalb des Transformationsbereichs, gefolgt von einer schnellen Kühlung. Dieser Prozess eignet sich für Komponenten, die eine gleichmäßige Härte über ihr gesamtes Volumen erfordern.

Härtung der Oberfläche

Die Härtung der Oberfläche zielt, wie der Name schon sagt, darauf ab, die Härte der Stahloberfläche zu erhöhen und gleichzeitig einen zähen Kern zu erhalten. Durch Verfahren wie Aufkohlen oder Nitrieren wird die Oberfläche gehärtet und damit verschleißfest gemacht.

Durchhärten

Das Durchhärten erhöht die Härte des gesamten Querschnitts des Stahlseils. Dies wird durch Erhitzen des Stahls über seine kritische Temperatur und anschließendes Abschrecken in Wasser oder Öl erreicht.

Isothermisches Abschrecken

Beim isothermischen Abschrecken wird der Stahl auf eine Temperatur knapp unterhalb des Transformationsbereichs abgekühlt, bei dieser Temperatur zu halten, um eine gleichmäßige Transformation zu erreichen, und sie dann auf Raumtemperatur abzukühlen. Diese Methode verringert das Risiko von Verformungen und Rissen.

Schritt Abschrecken

Das stufenweise Abschrecken ist ein Prozess, bei dem der Stahl schrittweise mit verschiedenen Medien in unterschiedlichen Temperaturbereichen abgekühlt wird. Durch diese kontrollierte Abkühlung können innere Spannungen und Verformungen in Teilen mit hohem Kohlenstoffstahlgehalt minimiert werden.

Ausrüstung zum Abschrecken

Heizung Öfen

Heizöfen sind unerlässlich, um den Stahl auf die erforderliche Temperatur zum Härten zu bringen. Verschiedene Typen von Öfen, wie z. B. Chargenöfen und Durchlauföfen werden je nach den Anforderungen der Produktion und der Art des zu behandelnden Stahls eingesetzt. Chargenöfen eignen sich für kleinere Produktionsvolumen und ermöglichen eine präzise Steuerung des Erhitzungsprozesses, dadurch sind sie ideal für Spezialstähle, die eine besondere Behandlung erfordern. Kontinuierliche Öfen hingegen sind effizienter für größere Volumen, dadurch wird ein konstanter Strom von Stahl durch den Ofen aufrechterhalten, was für eine gleichmäßige Behandlung und Energieeffizienz von Vorteil ist.

Temperierbäder

Nach dem Härten wird der Stahl häufig in Temperbädern angelassen. Diese Bäder werden verwendet, um die durch den Härtungsprozess erzielte Härte im Austausch gegen eine höhere Zähigkeit und Duktilität leicht zu verringern. Beim Prozess von Temperieren wird der Stahl auf eine niedrigere Temperatur als beim Härten erhitzt und bei anschließender Kühlung unter kontrollierten Bedingungen. Durch diese Anpassung wird die spröde Mikrostruktur, die sich beim Abschrecken bildet, in eine ausgewogene Struktur umgewandelt, die die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Stöße und Ermüdung erhöht. Temperierbäder können Lösungen auf Öl- oder Wasserbasis verwenden und enthalten oft Zusätze, die dazu beitragen, die gewünschten mechanischen Eigenschaften des Stahls zu erreichen.

Kühlungsgeräte

MIRAI Produkte in Kühlungsanwendungen

MIRAI und Refolution haben ein neues Konzept für Schnellkühlräume namens Refosteel, vorgestellt, das Luft als Kühlmittel verwendet. Die Mirai Intex Maschine mit Luftzyklus 22 O/W kann Temperaturen von -40°C bis -120°C erzeugen. Diese Anlage zum Härten von kryogenen Stahl besteht aus zwei getrennten Räumen, die durch eine durchlässige Barriere getrennt sind, so dass zwei verschiedene Chargen gleichzeitig gehärtet werden können. Es findet ein Wärmeaustausch zwischen einer neu eingeführten Charge und einer zuvor erwärmten Charge statt, die eine Vorkühlung ermöglicht, bevor eine weitere Kühlung mit der Maschine des Luftzyklus erfolgt. Diese innovative Methode schont die Kühlkapazität und senkt so die Betriebskosten. Es bietet eine effizientere Lösung für ein breites Spektrum von Temperaturen, ist frei von Vorschriften und sicher für die Umwelt, und wartungsarm, da es mit Luft als Kältemittel arbeitet. Diese Lösung ermöglicht eine kontrollierte und gleichmäßige Abkühlung, die für die Erzielung optimaler Eigenschaften des Materials unerlässlich ist.

Ausblick auf die Industrie

Die Härtung von Stahl ist entscheidend für die Verbesserung der Qualität des Stahls und die Gewährleistung seiner Haltbarkeit unter verschiedenen Beanspruchungen und Anforderungen in spezifischen Anwendungen. Gehärteter Stahl bietet eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Kratzer, Stöße und Verschleiß und ist daher für zahlreiche industrielle Anwendungen unerlässlich. Diese erhöhte Härte verbessert nicht nur die Lebensdauer von Werkzeugen und Maschinen, sondern erhöht auch die Kosteneffizienz der Produktion. Darüber hinaus verbessert die Härtung von Stahl die Eigenschaften der Stahloberfläche und macht sie widerstandsfähiger gegen Korrosion und Oxidation, was seine Langlebigkeit weiter erhöht.

Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach gehärtetem Stahl aufgrund der steigenden Anforderungen an Haltbarkeit und Leistung in verschiedenen Sektoren steigen wird, einschließlich Automobilbau, Luft- und Raumfahrt und Bauwesen. Im Zuge des technologischen Fortschritts werden sich die Methoden und Geräte, die beim Härten von Stahl eingesetzt werden, weiterentwickeln, für noch mehr Präzision und Effizienz bei diesen wichtigen industriellen Prozessen.