Baustahl, der unlegiert oder niedriglegiert ist und sich zum Einsatzhärten eignet, wird als Einsatzstahl bezeichnet. Charakteristisch für einen Einsatzstahl ist unter anderem der im Vergleich zu Vergütungsstahl niedrige Kohlenstoffgehalt, der max. 0,25% beträgt. Einsatzstahl wird vor der Oberflächenhärtung spanend oder spanungslos bearbeitet – erst nach der Härtung erfolgt die Endbearbeitung, sprich Schleifen, Erodieren, Läppen oder Polieren. Durch die Aufkohlung kann jedoch die Randschicht der Werkstücke anschließend weiter gehärtet werden, während der Kern zäh bleibt und sich eine hohe Verschleißfestigkeit ergibt. Die Höhe der Kernhärte von einem Einsatzstahl wird durch die Höhe der Legierungselemente bestimmt. Sie erreichen unter anderem Randhärten von bis zu 62 HRC. Die Hauptanwendungsbereiche von Einsatzstahl liegen vor allem im Maschinenbau und Automobilbau, während einige Werkstoffe ebenfalls im Flugzeugbau, Getriebebau, Kunststoffformenbau, Schiffbau und Fahrzeugbau verwendet werden.
Gruppierung der Einsatzstähle in Abhängigkeit von ihrer Legierung
Man gruppiert die Einsatzstähle je nach Legierungen. Unterschieden wird unlegierter Einsatzstahl, Chrom- und Chrom-Mangan-legierter Einsatzstahl, Chrom-Molybdän-legierter Einsatzstahl, Nickel-Chrom-legierter Einsatzstahl sowie Chrom-Nickel-Molybdän-legierter Einsatzstahl. In der Regel ist der Anlieferzustand von Einsatzstahl entweder weichgeglüht, kurz G, oder behandelt – kurz BF oder BG. Der weichgeglühte Zustand bietet sich zur Weiterverarbeitung durch eine Kaltumformung an. In diesem Zustand ist der Einsatzstahl aufgrund seiner Weichheit zum Zerspanen ungeeignet.
Es gibt Einsatzstähle, die in Hinsicht auf eine bestimmte Festigkeit behandelt werden – BF –, und solche, die auf ein bestimmtes Gefüge hin behandelt werden – Zustand BG. Ein Einsatzstahl mit dem Zustand BG verfügt über ein Ferrit-Perlit-Gefüge. Dieser Zustand erfolgt durch ein Umwandlungsglühen mit geregelter Abkühlung im Anschluss daran. Diese Art von Einsatzstahl ist außerordentlich gut zum Zerspanen geeignet.
Der Prozess des Einsatzhärtens von Einsatzstahl
Die Behandlung, für die der Einsatzstahl zumeist benutzt wird, ist das Einsatzhärten. Dies beschreibt den Vorgang, der aus den Wärmebehandlungsverfahren Aufkohlen und Härten mit anschließendem Anlassen besteht. Optimierte Eigenschaften erhält man durch ein Kombinieren von Anlassen und Härten.
Aufgrund der niedrigen Kohlenstoffgehalte erhält man beim Härten von Einsatzstahl – bevor dieser aufgekohlt wurde – lediglich eine mäßige Aufhärtung. Durch das Aufkohlen jedoch wird der Randschicht des Werkstoffes Kohlenstoff zugeführt. Dies passiert, indem man den Einsatzstahl in eine kohlenstoffhaltige Atmosphäre gibt, die bspw. aus einem Pulver bzw. Granulat, einem Gas oder einem Salzbad bestehen kann. Für das Aufkohlen wird der Einsatzstahl in einem Temperaturbereich von 880° – 1050°C erhitzt bzw. geglüht. Die Wahl der Temperatur ist hierbei abhängig von dem jeweiligen Einsatzstahl. Mittels der hohen Temperaturen diffundiert der Kohlenstoff aus den äußeren Medien in den Stahl und reichert so den Kohlenstoffgehalt der Randschicht an. Es können Kohlenstoffgehalte von bis zu 0,8% erreicht werden. Abhängig vom Querschnitt bzw. der Abmessung, dem Werkstoff und den Anforderungen an das Werkstück kann die Tiefe der Härtung variieren. Es wird in der Regel zwischen drei Vorgehensweisen der Einsatzhärtung unterschieden: die Direkthärtung, Einfachhärtung und Doppelhärtung.
Die Direkthärtung erfolgt bei Feinkornstählen, die unempfindlich genug gegen Überhitzung sind, damit eine Grobkornbildung in der Randschicht vermieden werden kann. Darüber hinaus wird die Direkthärtung bei dem Einsatzstahl angewendet, der nicht zur Randüberkohlung neigt.
Für die Einfachhärtung werden im Regelfall gering legierte Einsatzstähle bevorzugt, für die eine komplette Kernrückfeinung nicht zwingend benötigt wird.
In Ausnahmefällen, in denen eine hohe Randhärte sowie eine hohe Kernzähigkeit gefordert werden, wird der Einsatzstahl der Doppelhärtung unterzogen.
Das Schweißen von Einsatzstählen
Einsatzstähle werden in der Regel vor dem Einsatzhärten bzw. vor dem Aufkohlen im weichgeglühten Lieferzustand geschweißt. Wichtig ist vor allem die Einhaltung der benötigten Schweißbedingungen. Es sollten nur Schweißzusätze eingesetzt werden, die sich von der Art her gleichen oder zumindest ähneln. Dadurch gilt es sicherzustellen, dass die Schweißnaht im Anschluss an die Wärmebehandlung zum Werkstück passt. Häufig verwendete Schweißverfahren bei Einsatzstählen sind unter anderem das Abbrennstumpfschweißen und das Schmelzschweißen.
Grundsätzlich lässt sich unlegierter Einsatzstahl problemlos schweißen. Lediglich bei dickeren Abmessungen ist ein Vorwärmen auf ca. 200°C notwendig. Bei den Einsatzstählen mit Cr-,Cr-Mn- und Cr-Mo-Zusätzen erfolgt das Vorwärmen bei Temperaturen von 200°C – 450°C – je nach Stärke des Materials. Im Anschluss an den Schweißvorgang sollte das Material möglichst ohne Zwischenabkühlen bei 680 – 720°C geglüht werden. Ein anschließendes Abkühlen sollte im Ofen erfolgen. Cr-Ni und Cr-Ni-Mo-legierter Einsatzstahl sollte bei einer Temperatur zwischen 250°C – 450°C vorgewärmt werden. Auch hier ist die Temperatur abhängig von Wandstärke und Legierung. Nachfolgend sollten auch diese Einsatzstähle einer Glühung bei 680°C – 720°C unterzogen werden. Abkühlen können sie entweder im Ofen oder an der Luft.
Nur bedingt zum Schweißen geeignet ist Einsatzstahl mit Blei- und Tellur-Legierung.
Beispiele für Einsatzstahl sind:
- 20MnCr5
- 16MnCr5
- 17CrNiMo6
- 15CrNi6
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