Wärmebehandlung von Metallen für CNC-Bauteile
Welche Wärmebehandlungsverfahren für CNC-Bauteile relevant sind, wie Härten, Vergüten, Einsatzhärten und Nitrieren die Bauteileigenschaften verändern und was in Zeichnung und Anfrage angegeben werden muss.
Was Wärmebehandlung ist und warum sie bei CNC-Bauteilen wichtig ist
Wärmebehandlung beschreibt gezielte Temperatur-Zeit-Abkühlungs-Zyklen, die das Gefüge eines Metalls verändern. Ein Bauteil wird auf eine definierte Temperatur erwärmt, für eine bestimmte Haltezeit auf dieser Temperatur gehalten und anschließend kontrolliert abgekühlt. Je nach Verfahren steigen Härte, Festigkeit, Zähigkeit oder Verschleißbeständigkeit.
Für CNC-gefertigte Bauteile ist der Zeitpunkt der Wärmebehandlung fertigungstechnisch relevant. Manche Teile werden im weichen Zustand zerspant und anschließend gehärtet. Andere werden im vergüteten Zustand angeliefert und fertig bearbeitet. Die Reihenfolge beeinflusst Aufmaße, Toleranzen und den Schleifbedarf nach dem Härten.
Härten und Anlassen von Stahl
Beim Härten wird Stahl auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend in Öl, Wasser oder Polymer abgeschreckt. Durch die schnelle Abkühlung entsteht Martensit, ein hartes und sprödes Gefüge. Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt ab etwa 0,3 % lassen sich auf diesem Weg durchhärten. C45 erreicht Härtewerte um 58 HRC, ist aber im gehärteten Zustand zu spröde für die meisten Anwendungen.
Deshalb folgt auf das Härten ein Anlassen. Das Bauteil wird erneut erwärmt, je nach Zielwert auf 150 °C bis 650 °C, und danach kontrolliert abgekühlt. Das Anlassen verringert die Sprödigkeit und stellt eine definierte Kombination aus Härte und Zähigkeit ein. Die Anlass-Temperatur bestimmt den resultierenden Härtewert.
Vergüten: Härten und Anlassen für hohe Zähigkeit
Vergüten bezeichnet die Kombination aus Härten und anschließendem Anlassen bei hohen Temperaturen, typischerweise zwischen 450 °C und 650 °C. Das Ergebnis ist ein Bauteil mit hoher Festigkeit und gleichzeitig guter Zähigkeit. Vergüten von Stahl kommt dort zum Einsatz, wo Bauteile dynamisch belastet werden: Wellen, Bolzen, Pleuel und Zahnräder.
42CrMo4 ist der am häufigsten vergütete Stahl im Maschinenbau. Im vergüteten Zustand (QT) erreicht 42CrMo4 Zugfestigkeiten zwischen 900 und 1100 MPa bei einer Härte von etwa 28 bis 34 HRC. C45 lässt sich ebenfalls vergüten, erreicht aber geringere Festigkeitswerte. In der Zeichnung wird der geforderte Zustand als Härtebereich in HRC oder als Festigkeitsklasse angegeben.
Einsatzhärten und Nitrieren: harte Oberfläche, zäher Kern
Beim Einsatzhärten wird ein kohlenstoffarmer Stahl zunächst aufgekohlt: In einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre diffundiert Kohlenstoff in die Randschicht. Anschließend wird das Bauteil gehärtet. Die Randschicht erreicht hohe Härte, der Kern bleibt zäh. 16MnCr5 ist ein typischer Einsatzstahl. Einsatzhärtetiefen von 0,5 mm bis 2 mm sind üblich und werden in der Zeichnung als CHD-Wert (Case Hardening Depth) angegeben.
Nitrieren arbeitet bei niedrigeren Temperaturen, üblicherweise zwischen 500 °C und 590 °C. Stickstoff diffundiert in die Bauteiloberfläche und bildet harte Nitridschichten. Da kein Abschrecken stattfindet, ist der Verzug geringer als beim Einsatzhärten. 34CrAlNi7 und 42CrMo4 eignen sich für das Nitrieren. Die Nitrierhärtetiefe (NHD) und die Oberflächenhärte in HV werden in der Zeichnung spezifiziert.
Wärmebehandlung in Zeichnung und Anfrage angeben
Wärmebehandlungsangaben gehören in die technische Zeichnung: Verfahren, Härtebereich in HRC oder HV, Einsatzhärtetiefe (CHD) oder Nitrierhärtetiefe (NHD) und die betroffenen Flächen oder Bereiche. Bei partieller Härtung muss die Zeichnung zeigen, welche Zonen gehärtet werden und welche weich bleiben. Aufmaße für Schleifen nach dem Härten sollten in der Bemaßung berücksichtigt sein.
In der Anfrage geben Sie Werkstoff, Stückzahl ab 100 Stück je Bauteil und die gewünschte Wärmebehandlung an. Wenn Reihenfolge und Toleranzen nach der Wärmebehandlung unklar sind, nennen Sie die Funktion des Bauteils im Hinweisfeld. Unser Ziel ist eine erste Rückmeldung innerhalb von zwei Arbeitstagen – mit einem Angebot oder konkreten technischen Rückfragen.
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CNC-Bauteile mit Wärmebehandlung anfragen
Unterlagen hochladen und Wärmebehandlung angeben. Die Machbarkeit steht im Angebot.
Vertiefung
Worauf Sie achten sollten
Härten und Anlassen
Härtewert in HRC und Anlass-Temperatur bestimmen die Kombination aus Härte und Zähigkeit.
Vergüten
42CrMo4 und C45 auf definierte Festigkeit und Zähigkeit bringen. Zustand QT in der Zeichnung angeben.
Einsatzhärten und Nitrieren
Randschicht härten bei zähem Kern. CHD oder NHD und Oberflächenhärte in der Zeichnung spezifizieren.
Fragen
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Härten und Vergüten?
Härten erzeugt ein hartes, sprödes Gefüge durch Abschrecken. Vergüten kombiniert Härten mit Anlassen bei hohen Temperaturen und ergibt ein Bauteil mit hoher Festigkeit und guter Zähigkeit. Der geforderte Zustand wird als Härtebereich in der Zeichnung angegeben.
Welche Stähle eignen sich zum Vergüten?
42CrMo4 und C45 sind die am häufigsten vergüteten Stähle im Maschinenbau. 42CrMo4 erreicht im vergüteten Zustand Zugfestigkeiten zwischen 900 und 1100 MPa. C45 wird bei geringeren Festigkeitsanforderungen eingesetzt.
Wann ist Einsatzhärten sinnvoll?
Einsatzhärten eignet sich für Bauteile, die eine verschleißfeste Oberfläche und einen zähen Kern benötigen. Zahnräder, Bolzen und Wellen aus Einsatzstählen wie 16MnCr5 werden aufgekohlt und anschließend gehärtet. Die Einsatzhärtetiefe wird als CHD-Wert in der Zeichnung angegeben.
Wie gebe ich Wärmebehandlung in der Zeichnung an?
Verfahren, Härtebereich in HRC oder HV, Einsatzhärtetiefe oder Nitrierhärtetiefe und die betroffenen Flächen gehören in die Zeichnung. Bei partieller Härtung kennzeichnen Sie die gehärteten Zonen separat.
Wird vor oder nach dem CNC-Bearbeiten gehärtet?
Das hängt von der Geometrie und den Toleranzen ab. Oft wird im weichen Zustand zerspant und anschließend gehärtet. Passflächen mit engen Toleranzen werden nach dem Härten geschliffen. Aufmaße für das Schleifen sollten in der Bemaßung berücksichtigt sein.
Welche Härtewerte in HRC erreichen gängige Stähle?
C45 erreicht durchgehärtet 55 bis 60 HRC, vergütet 20 bis 30 HRC. 42CrMo4 erreicht gehärtet 50 bis 56 HRC, vergütet 28 bis 34 HRC. 16MnCr5 erreicht einsatzgehärtet in der Randschicht 58 bis 62 HRC bei zähem Kern. 100Cr6 (Wälzlagerstahl) erreicht 60 bis 64 HRC.
Wie stark verzieht sich ein CNC-Bauteil beim Härten?
Verzug entsteht durch ungleichmäßige Abkühlung und Gefügeumwandlung. Typische Verzugswerte liegen bei 0,1 bis 0,3 mm pro 100 mm Bauteillänge. Asymmetrische Querschnitte und große Wanddickenunterschiede verstärken den Verzug. Passflächen werden nach dem Härten geschliffen, die Zeichnung enthält Schleifaufmaße von 0,1 bis 0,3 mm pro Seite.
Welche Nitrierhärtetiefe und Oberflächenhärte sind beim Nitrieren üblich?
Die Nitrierhärtetiefe (NHD) liegt üblicherweise bei 0,1 bis 0,6 mm. Die Oberflächenhärte erreicht bei 34CrAlNi7 bis zu 1000 bis 1100 HV, bei 42CrMo4 etwa 600 bis 750 HV. Da beim Nitrieren nicht abgeschreckt wird, bleibt der Verzug deutlich geringer als beim Einsatzhärten. Nitriertemperaturen liegen bei 500 bis 590 °C.
Wann ist Spannungsarmglühen für CNC-Bauteile sinnvoll?
Spannungsarmglühen bei 550 bis 650 °C baut Eigenspannungen ab, die durch Zerspanung, Schweißen oder Umformen im Bauteil entstanden sind. Es wird eingesetzt, wenn ein Bauteil nach der Grobbearbeitung für die Schlichtbearbeitung formstabil bleiben muss. Typischer Ablauf: Schruppen, Spannungsarmglühen, dann Schlichten auf Endmaß.