Härten (Eisenwerkstoff)
Das Härten (von mittelhochdeutsch herten „hart machen, fest machen, hart/fest werden, härten“[1]) von Eisenwerkstoffen (Stahl und Gusseisen) oder die Eisenhärtung ist ein Verfahren zur Erhöhung ihrer mechanischen Widerstandsfähigkeit durch gezielte Änderung und Umwandlung ihrer Gefüge. Es kann durch Wärmebehandlung mit anschließendem Abschrecken (schnelles Abkühlen) erfolgen. Wird ein Metall plastisch verformt, so bewegen sich im Werkstück Versetzungen. Um die Härte und Festigkeit zu erhöhen, müssen Maßnahmen getroffen werden, die die Bewegung von Versetzungen behindern.
Das wichtigste Härtungsverfahren ist die Umwandlungshärtung. Hierbei wird das Werkstück so weit erwärmt, dass sich das bei Raumtemperatur vorliegende α-Eisen (Ferrit) in γ-Eisen (Austenit) umwandelt. Im Austenit kann wesentlich mehr Kohlenstoff gelöst werden als im Ferrit (siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm). Durch Auflösung des vorhandenen Zementits (Fe3C) geht dessen Kohlenstoff im Austenit in Lösung. Schreckt man diesen kohlenstoffreichen Austenit nun ab, kann durch die kinetische Hemmung (Diffusion braucht Zeit) keine Umwandlung in Ferrit und Zementit stattfinden. Das Eisengitter kann aufgrund der "eingeklemmten" Kohlenstoffatome nicht mehr in das kubisch-raumzentrierte α-Eisen übergehen. Es klappt stattdessen in ein tetragonal-verzerrtes kubisch-raumzentriertes Gitter (Martensit) um, das durch den Kohlenstoff verspannt ist. Eine wichtige Rolle bei dieser Art der Härtung spielt die Abkühlgeschwindigkeit. Je größer die Unterkühlung (Temperaturdifferenz), desto mehr Martensit bildet sich. Gesteuert wird die Umwandlungsgeschwindigkeit durch unterschiedliche Abkühlmedien (Wasser, Öl, Luft oder reines Gas). Weiterhin wichtig ist die chemische Zusammensetzung des Stahls. Kohlenstoff trägt wegen seiner hohen Diffusionsgeschwindigkeit hauptsächlich zur Aufhärtbarkeit bei, die substitionellen Legierungselemente wie Chrom dagegen bestimmen die Einhärtbarkeit des Werkstoffs. So kann bei kleinen Bauteilen/großen Abschreckgeschwindigkeiten eine Durchhärtung über den gesamten Querschnitt des Werkstücks erreicht werden. Um gehärtet werden zu können, muss ein Stahl mindestens 0,2 % Kohlenstoff enthalten. Im industriellen Bereich wird zur Vermeidung von Randoxidation und Entkohlung während der Aufwärmphase bis oberhalb der Austenitisierungstemperatur von 723 °C häufig unter Schutzgasatmosphäre wie Stickstoff, Edelgasen oder im Vakuum gearbeitet.[2] Das Einsatzhärten ist eine Form des Oberflächenhärtens, bei dem in die Randbereiche eines ansonsten kohlenstoffarmen Werkstücks vor dem Abschrecken zusätzlicher Kohlenstoff eingebracht wird ("Aufkohlen"), was zu einer harten Randschicht führt, während der Kern zäh bleibt.
