Fehler vor, während und nach der Wärmebehandlung von Stahl

Die nahezu unbeschränkte Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten der heute verfügbaren Stähle ist eng verbunden mit der gezielten Eigenschaftsänderung durch eine Wärmebehandlung. Sowohl die Beschreibung des Werkstoffs Stahl als auch die Verfahrenstechnik der Wärmebehandlung sind in unzähligen Publikationen beschrieben worden. Wozu also dieses Buch? Wie aus dem Titel zu entnehmen ist, geht es um die Frage, wann und wodurch es zu einem Fehler oder Schaden an wärmebehandelten Bauteilen oder Werkzeugen kommen kann. Dies ist auch die immerwährende Frage, wenn es bereits zu einem Schaden gekommen ist. Welche Werkstoff- und Wärmebehandlungszustände sind normal und wo beginnt eine Auffälligkeit? Und ist eine Auffälligkeit oder eine Abweichung von üblichen Prozessparametern bei der Wärmebehandlung tatsächlich auch die Schadensursache?

Die Konstruktions- und Entwicklungsmitarbeiter müssen funktionale Lösungen erarbeiten und sehen sich dabei einem enorm großen Anforderungskatalog ausgesetzt. Das zu gestaltende Bauteil muss die vorgesehene Funktion erfüllen und die dafür erforderlichen, belastungsspezifischen Eigenschaften aufweisen. Bereits diese Aufgabenbeschreibung enthält erhebliche Risiken. Vielfach sind die konkreten Belastungen nicht exakt bekannt und es müssen Annahmen getroffen werden. Zwar stehen intelligente FEM-Arbeitswerkzeuge zur Verfügung, jedoch sind die Randbedingungen für diese Simulationsberechnungen sehr häufig ungenau oder unbekannt.

Der vom Konstrukteur in der Zeichnung festgelegte Stahl muss von der Einkaufsabteilung in passender Abmessung, Menge und Lieferzeit eingekauft werden. Wenn für den zu beschaffenden Stahl keine eigene Bestellvorschrift vorliegt, wird der Einkäufer sich typischerweise an den gültigen Werkstoff- und Produktnormen orientieren und diese in der Bestellung als Referenz angeben, Abb. 3.1. Darüber hinaus sind sehr viele Liefervorschriften erstellt worden, die in den meisten Fällen die Eigenschaftsvorgaben enger fassen als die nationalen und internationalen Werkstoffnormen.

Der Werkstoff Stahl ist im Maschinenbau noch immer der am häufigsten verwendete Konstruktionswerkstoff. Dies liegt nicht nur an der enormen Anzahl unterschiedlicher Stahlzusammensetzungen, sondern auch an den Erfahrungen mit diesem Werkstoff. In unzähligen Untersuchungen wurden wissenschaftliche Grundlagen und anwendungsbezogene Eigenschaften erarbeitet und publiziert. Die Erstausgabe der Zeitschrift Stahl und Eisen datiert auf den 1. Juli 1881 und erscheint noch immer monatlich. Zahlreiche weitere bewährte und neue Fachpublikationen erscheinen in regelmäßigen Abständen. Die Stahl-Eisen-Liste ist die offizielle aktuelle Zusammenstellung aller registrierten und in europäischen Normen enthaltenen Stahlsorten mit ihren Werkstoffnummern. Die letzte gedruckte Ausgabe war die 11. Auflage [1]. Danach wurde die Stahl-Eisen-Liste als Datenbank StahlDat [2] internetbasiert bereitgestellt. In der internationalen Normung werden die Stähle inzwischen ohne Werkstoffnummer geführt.

Die Einflüsse der Fertigungsverfahren werden unterteilt in eine Fertigung vor der Wärmebehandlung und eine danach. In beiden Fällen werden nur solche Einflussgrößen beschrieben, die zu Fehlern bzw. Schäden geführt haben. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die Vormaterialien spezifikationsgerecht und fehlerfrei vorliegen, da die Einflussgröße Materialfehler im letzten Kapitel bereits beschrieben wurde.

Eine der markantesten Eigenschaften der Stähle ist deren Wärmebehandelbarkeit. Für die mechanische Bearbeitung kann ein weicher Gefügezustand hergestellt werden. Unter Einsatzbedingungen sind die Verschleißbeständigkeit sowie die Kraftübertragung wesentliche Eigenschaften, die wiederum durch eine gezielte Wärmebehandlung optimiert werden können. Der unlegierte Einsatzstahl C15E, 1.1171, weist im weichgeglühten Zustand eine Härte von 140 HV auf und kann durch ein Carbonitrieren und Einsatzhärten an der Oberfläche Härtewerte von 850 HV erreichen. Dies entspricht einem Faktor von 1:6. Der Warmarbeitsstahl X37CrMoV5-1, 1.2343, wird vor der mechanischen Bearbeitung vorvergütet oder weichgeglüht und die Härte liegt dann bei 220 HV. Nach einer Nitrierbehandlung liegt die Härte bei bis zu 1100 HV, was eine max. Härtesteigerung um den Faktor 5 bedeutet.

Die Bearbeitung gehärteter Bauteile mit einer Härte von mindestens 47 HRC wird als Hartbearbeitung bezeichnet [1]. Die bekanntesten Hartbearbeitungsverfahren sind das Schleifen, Hartdrehen, Hartbohren, Hartfräsen und das Draht- und Senkerodieren. Detaillierte Ausführungen über die spanenden Hartbearbeitungsverfahren sind ebenfalls in [1] nachlesbar. Das Draht- und Senkerodieren wird sehr häufig im Werkzeugbau verwendet [2].

Die Verwendungsmöglichkeiten wärmebehandelter Bauteile sind zahlenmäßig praktisch unbegrenzt. Die dabei auftretenden Fehlermöglichkeiten sind es auch. Die in Abb. 8.1 aufgelisteten Fehlertypen geben einen ersten Überblick.