Einsatzstähle
Einsatzstähle sind darauf ausgelegt, eine hohe Randhärte bei guter Zähigkeit im Kern zu erreichen. Sie sind unverzichtbar für Bauteile, die Verschleißbeständigkeit und die Fähigkeit zur Aufnahme hoher Lasten verlangen, etwa Zahnräder und Antriebswellen.
01Einsatzstähle: technischer Leitfaden für Fachleute
Die Einsatzstähle bilden eine spezialisierte Kategorie metallurgischer Werkstoffe, die gezielt darauf ausgelegt sind, durch die Wärmebehandlung von Einsatzstählen hohe Leistungsfähigkeit zu erzielen.
Mit ihrem niedrigen Kohlenstoffgehalt und einer optimierten chemischen Zusammensetzung sind diese Werkstoffe die bevorzugte technische Lösung für Maschinenbauteile unter schwerer Oberflächenbeanspruchung: Sie verbinden extreme Randhärte mit einem zähen Kern.
02Definition und Eigenschaften der Einsatzstähle
Die Einsatzstähle sind eigens eingestellte Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,07 % und 0,31 % in der Schmelzenanalyse, bei der großen Mehrheit der Sorten unter 0,25 % (die sieben Sorten unseres Lieferprogramms bleiben innerhalb von 0,22 %). Ausgelegt sind sie darauf, optimal auf die Verfahren zur Kohlenstoffanreicherung der Randschicht anzusprechen.
Das Besondere dieser Stahlgruppe ist, dass der Kern nach Härten und Anlassen zäh bleibt, während das thermochemische Aufkohlen eine extrem harte Randschicht erzeugt.
Das Kennzeichnende dieser Werkstoffe ist ihre Fähigkeit, vom Kern zur Oberfläche einen Gradienten der mechanischen Eigenschaften auszubilden, der die optimale Kombination aus Randhärte (58-62 HRC) und Kernzähigkeit sichert.
Zustande kommt diese Anordnung durch die kontrollierte Diffusion von Kohlenstoff in die Randzone des Bauteils, deren Kohlenstoffgehalt dabei in der Regel 0,7-0,9 % erreicht, während der Kern kohlenstoffarm bleibt.
03Optimale chemische Zusammensetzung
Die chemische Zusammensetzung der Einsatzstähle ist darauf abgestimmt, die Härtbarkeit und die mechanischen Eigenschaften der Einsatzstähle zu optimieren.
Als Legierungselemente dienen Mangan, Chrom, Nickel und Molybdän, in Kombinationen und Gehalten, die die Norm Sorte für Sorte festlegt: beim 16MnCr5 liegt Mangan zwischen 1,00 und 1,30 % und Chrom zwischen 0,80 und 1,10 %, während die Nickel-Chrom-Molybdän-Sorten die Härtbarkeit zu größeren Querschnitten hin verschieben. Die genauen Grenzwerte stehen in der Tabelle der jeweiligen Sorte, nicht in einer Obergrenze für die ganze Familie. Diese Elemente verbessern die Härtbarkeit des Kerns und die Maßhaltigkeit während der Wärmebehandlung.
Mangan fördert die Härtbarkeit und die mechanische Festigkeit, während Nickel die Kernzähigkeit deutlich verbessert, was für Anwendungen mit mechanischer Stoßbeanspruchung besonders wichtig ist.
Chrom begünstigt die Bildung stabiler Carbide beim Aufkohlen, während Molybdän Festigkeit und Härte steigert und den Stahl damit für Anwendungen mit hohen Festigkeits- und Verschleißanforderungen geeignet macht.
04Gefüge und Phasenumwandlungen
Das Gefüge einsatzgehärteter Stähle weist einen charakteristischen Gradienten von der Oberfläche zum Kern auf.
Die aufgekohlte Randschicht zeigt nach Härten und Anlassen ein angelassenes martensitisches Gefüge mit fein verteilten Carbiden, während der Kern ein kohlenstoffärmeres Gefüge mit höherer Zähigkeit behält.
In der Übergangszone ändern sich Zusammensetzung und Gefüge allmählich, sodass keine mechanischen Unstetigkeiten auftreten.
05Klassifizierung der Einsatzstähle nach internationalen Normen
5.1Europäische Norm EN ISO 683-3:2022 (früher EN 10084)
Die Klassifizierung der Einsatzstähle ist in Europa in der Norm EN ISO 683-3:2022 (früher EN 10084) geregelt, die die technischen Lieferbedingungen für unlegierte und legierte Einsatzstähle festlegt.
Diese Norm legt die Mindestanforderungen an das Herstellverfahren der Stähle fest, ebenso die chemische Zusammensetzung, die Härte, die Härtbarkeit und die mit dem Hersteller vereinbarten technologischen Eigenschaften.
Die Norm schreibt bestimmte Prüfungen vor, darunter die Bestimmung der Korngröße sowie die Sicht- und Maßprüfung.
Bei Stählen, die ohne Härtbarkeitsanforderungen bestellt werden, sind die Härteanforderungen nach Tabelle 1 der Norm EN ISO 683-3:2022 (früher EN 10084) nachzuweisen; bei Stählen mit Härtbarkeitsanforderungen (+H) kommen zusätzliche Härtbarkeitsprüfungen im Stirnabschreckversuch nach Jominy hinzu.
5.2ASTM- und JIS-Normen
Die internationalen Entsprechungen der Einsatzstähle lassen sich über die AISI/SAE-Bezeichnungen für den nordamerikanischen und die JIS-Bezeichnungen für den japanischen Markt ablesen.
Im JIS-System steht etwa die Bezeichnung SNCM420, die näherungsweise dem AISI/SAE 4320 entspricht und damit die internationale Harmonisierung der Spezifikationen für diese Werkstoffe belegt.
Gegenüberstellung der Bezeichnungen
| EN-Bezeichnung | AISI/SAE | JIS | C (%) | Typische Anwendungen |
|---|---|---|---|---|
| 20MnCr5 | 5120 | - | 0,17-0,22 | Zahnräder mittlerer Belastung |
| 16NiCr4 | 3115 | - | 0,13-0,19 | Präzisionszahnräder |
| 18CrNiMo7-6 | - | SNCM420 | 0,15-0,21 | Hoch beanspruchte Bauteile |
| 17NiCrMoS6-4 | - | - | 0,14-0,20 | Gut zerspanbare Bauteile |
06Wärmebehandlung: Einsatzhärten von Stahl
6.1Aufkohlungsverfahren (Gas, Salzbad, Pulver)
Das Aufkohlen in Gas, Salzbad und Pulver umfasst drei unterschiedliche Verfahren zur Kohlenstoffanreicherung der Randschicht.
Die Gasaufkohlung, heute das für die Großserienfertigung am weitesten verbreitete Verfahren, erwärmt die Teile auf 850-950 °C in einem endothermen Trägergas (im Wesentlichen CO, H₂ und N₂), das mit einem Kohlenwasserstoff wie Methan (CH₄) angereichert ist. Das CO gibt Kohlenstoff an die Oberfläche ab (2CO → C + CO₂), und das Methan bildet CO zurück, indem es mit dem entstandenen CO₂ reagiert (CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂).
Die Aufkohlungstemperaturen liegen je nach Zusammensetzung des Stahls, geforderter Tiefe und Verfahrensart (Gas, Salzbad, Pulver) zwischen 850 °C und 950 °C, wobei die Gasaufkohlung bei Kohlenstoff-Mangan-Stählen in der Regel bei 920-930 °C arbeitet.
Bei der Salzbadaufkohlung werden die Teile in Bäder aus geschmolzenen Salzen getaucht, etwa Natriumcyanid sowie Carbonate und Chloride der Alkalimetalle und des Bariums. Das Natriumcyanid reagiert mit dem Luftsauerstoff und dem Kohlendioxid und setzt dabei Kohlenmonoxid frei, das Kohlenstoffatome an das Werkstück abgibt.
Die Pulveraufkohlung wird in der modernen Industrie seltener eingesetzt; sie arbeitet mit festen kohlenstoffhaltigen Mischungen in Kästen oder geschlossenen Behältern. Temperaturen und Prozesszeiten entsprechen denen der anderen Verfahren, doch lassen sich Atmosphäre und Gleichmäßigkeit der Behandlung schwerer beherrschen.
6.2Prozessparameter und Prozessüberwachung
Die Einsatzhärtungstiefe von Stahl wird über gezielt eingestellte Zeit- und Temperaturparameter gesteuert. Die Tiefe der Kohlenstoffdiffusion und der zugehörigen tatsächlichen Aufkohlung (ECD) kann von wenigen Zehntelmillimetern bis zu mehreren Millimetern reichen.
Die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche einsatzgehärteter Stähle erreicht in der Regel 0,7-0,9 % und übersteigt selten 0,85 %, um die Bildung von sprödem, massivem Zementit zu vermeiden.
Die Einsatzhärtungstiefe (CHD) ist der senkrechte Abstand zwischen der Oberfläche der Probe und der Schicht, in der die Grenzhärte von 550 HV erreicht wird. In neueren Untersuchungen wurden Proben mit Einsatzhärtungstiefen von etwa 0,55 mm, 0,9 mm und 1,9 mm bei Randhärten zwischen 640 HV1 und 760 HV1 erzielt.
6.3Wärmebehandlungen nach dem Aufkohlen
Der Wärmebehandlungszyklus nach dem Aufkohlen kann als Direkthärten von Aufkohlungstemperatur ausgeführt werden oder - bei mittleren und großen Bauteilen - als Zyklus mit Doppelhärten.
Beim Direkthärten wird das Bauteil unmittelbar von Aufkohlungstemperatur in Öl oder ein geeignetes Abschreckmittel getaucht und anschließend bei 150-200 °C angelassen.
Bei kritischen Bauteilen mit hohen Anforderungen an Qualität und Zuverlässigkeit lassen sich mit dem Doppelhärten die Eigenschaften von Kern und Randschicht getrennt einstellen. Das erste Härten gilt dem Kern, das zweite erfolgt bei der für die Randschicht richtigen Temperatur und lässt den Kern zugleich an.
07Grenzen des Einsatzhärtens
Das Einsatzhärten von Stahl hat Grenzen, die man kennen muss, wenn man mit diesem Verfahren arbeitet:
- Unvermeidlicher Verzug: Formänderungen infolge der Phasenumwandlungen
- Selektive Entkohlung: Gefahr in nicht abgedeckten Bereichen
- Interkristalline Oxidation: Kontrolle der Atmosphäre entscheidend
- Bildung massiver Carbide: bei C-Gehalten an der Oberfläche >0,9 %
- Wasserstoffversprödung: besonders kritisch bei Ni-legierten Stählen
- Lange Prozesszeiten: 6-24 Stunden für nennenswerte Aufkohlungstiefen
- Zwingendes Abdecken: für Bereiche, die nicht aufgekohlt werden sollen
08Mechanische Eigenschaften und Leistungsmerkmale
8.1Randhärte und Einsatzhärtungstiefe
Die mechanischen Eigenschaften der Einsatzstähle sind von der hohen Randhärte geprägt, die 58-62 HRC erreichen kann und einen ausgezeichneten Widerstand gegen mechanischen Verschleiß sichert. Die Randhärte hängt vom eingebrachten Kohlenstoffgehalt und von den Bedingungen des anschließenden Härtens und Anlassens ab.
Die Härte fällt von der Oberfläche zum Kern hin ab und bildet damit den beim Aufkohlen erzeugten Kohlenstoffgradienten ab. Dieser Verlauf sorgt für einen allmählichen Übergang von den Eigenschaften der Randschicht zu denen des Kerns und vermeidet kritische Spannungsspitzen.
8.2Verschleißbeständigkeit und Wälzfestigkeit
Einsatzgehärtete Stähle sind dank des angelassenen martensitischen Gefüges der Randschicht ausgezeichnet gegen Adhäsions- und Abrasionsverschleiß beständig. Die fein verteilten Carbide tragen zur Verschleißbeständigkeit bei, während die Zähigkeit des Kerns die Ausbreitung von Oberflächenrissen verhindert.
Der Härtegradient steigert die Wälzfestigkeit deutlich, weil er die Kontaktspannungen über ein größeres Volumen verteilt als eine Durchhärtung des gesamten Querschnitts.
8.3Kernzähigkeit
Die Kernzähigkeit der Einsatzstähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wird über die chemische Zusammensetzung und die Parameter der Wärmebehandlung gesteuert. Für hohe Zähigkeit, die für die Aufnahme dynamischer Beanspruchungen und mechanischer Stöße unverzichtbar ist, greift man bevorzugt zu Sorten mit hohem Nickelgehalt.
09Die gängigsten Einsatzstähle
9.1Unlegierte Stähle (C10, C15)
Die unlegierten Einsatzstähle, deren Bezeichnung dem mit 100 multiplizierten Kohlenstoffgehalt folgt, bilden die Basisgruppe für Anwendungen mit üblichen mechanischen Anforderungen. C10 (0,10 % C) und C15 (0,15 % C) kommen bei einfach geformten Bauteilen mit geringen Einsatzhärtungstiefen zum Einsatz.
9.2Legierte Stähle (20MnCr5, 18CrNiMo7-6, 20NiCrMo2-2)
Der 20MnCr5 ist der meistverwendete Mangan-Chrom-Einsatzstahl; er wird auf gute Zerspanbarkeit geglüht als warmgewalzter, geschmiedeter und kaltgezogener Stabstahl mit Durchmessern von 16 bis 500 mm geliefert. Diese Sorte bietet ein gutes Verhältnis von Härtbarkeit und Kosten für mittlere Beanspruchungen.
Der 18CrNiMo7-6 ist ein legierter Stahl hoher Härtbarkeit für stark beanspruchte Bauteile; er wird auf gute Zerspanbarkeit geglüht als warmgewalzter und geschmiedeter Stabstahl mit Durchmessern bis 490 mm geliefert. Nickel, Chrom und Molybdän sichern nach Aufkohlen und Härten hohe mechanische Eigenschaften.
Der 20NiCrMo2-2 ist ein Nickel-Chrom-Molybdän-Einsatzstahl für Anwendungen, die hohe Kernzähigkeit bei guter Härtbarkeit verlangen.
9.3Spezialstähle für kritische Anwendungen
Die Stähle der Reihe 17NiCrMoS6-4 enthalten Schwefel, der die Zerspanbarkeit verbessert; mit Bleizusatz (17NiCrMoS6-4+Pb) sind sie auch in einer Variante für höchste Schnittgeschwindigkeiten erhältlich. Diese Sorten werden für Präzisionsbauteile in Großserien eingesetzt.
Der 16NiCrMo12 ist ein Einsatzstahl mit hohem Gehalt an Legierungselementen für kritische Anwendungen, die hohe Härtbarkeit und Festigkeit verlangen.
10Industrielle Anwendungen einsatzgehärteter Stähle
10.1Automobilindustrie
Zu den industriellen Anwendungen einsatzgehärteter Stähle in der Automobilindustrie zählen Zahnräder, Antriebswellen, Nocken und Ritzel. Diese Bauteile stehen unter hohen Kontaktbeanspruchungen und verlangen die Kombination aus hoher Randhärte und guter Kernzähigkeit, damit sie zuverlässig und dauerhaft arbeiten.
Einsatzgehärtete Stähle dienen der Fertigung kritischer Bauteile des Antriebsstrangs, bei denen Verschleißbeständigkeit und Schwingfestigkeit über Leistung und Zuverlässigkeit des Fahrzeugs entscheiden.
10.2Zahnräder und Getriebe
Zahnräder sind die wichtigste Anwendung der Einsatzstähle: Die Zahnflanken brauchen hohe Randhärte gegen Verschleiß, der Kern die Zähigkeit für die übertragenen Lasten. Das Einsatzhärten liefert dafür optimale Härteverläufe, mit denen sich die Lebensdauer der Verzahnung unter Ermüdungsbeanspruchung maximieren lässt.
10.3Wälzlager und Präzisionsbauteile
In der Luft- und Raumfahrt wird einsatzgehärteter Stahl für Triebwerksbauteile verwendet, etwa für Zahnräder von Untersetzungsgetrieben, Antriebswellen und Lager. Die harten Betriebsbedingungen verlangen Werkstoffe, die Verschleiß, Ermüdung und Korrosion standhalten.
Im Werkzeugmaschinenbau kommt einsatzgehärteter Stahl bei Linearführungen, Spindeln, Formen und Matrizen zum Einsatz, wo es auf die Kombination aus Randhärte und Maßgenauigkeit ankommt.
11Qualitätssicherung und Fehlerbilder
11.1Übliche Prüfungen und Kontrollen
Die Qualitätssicherung einsatzgehärteter Stähle umfasst die Prüfung der Einsatzhärtungstiefe nach ISO 18203:2016 (früher ISO 2639), Härteprüfungen an Rand und Kern sowie Gefügeuntersuchungen. Die Einsatzhärtungstiefe CHD ist nach ISO 18203:2016 der Abstand von der Oberfläche bis zu dem Punkt, an dem die mit einem Vickers-Eindringkörper gemessene Härte 550 HV0,3 erreicht.
Zu den Prüfungen zählen Dauerschwingversuche, die die Festigkeit des fertigen Bauteils nachweisen, Maßprüfungen, die den durch die Wärmebehandlung verursachten Verzug erfassen, und metallografische Untersuchungen von Gefüge und Fehlerfreiheit.
11.2Typische Fehler und ihre Vermeidung
Zu den typischen Fehlern an einsatzgehärteten Stählen zählen Randentkohlung, innere Oxidation, Härterisse und übermäßiger Verzug. Vermeiden lassen sie sich nur durch die strenge Kontrolle von Aufkohlungsatmosphäre, Härteparametern und Bauteilgeometrie.
12Häufige Fragen zu Einsatzstählen
Was ist der wesentliche Unterschied zwischen Einsatzstählen und Vergütungsstählen?
Die Einsatzstähle unterscheiden sich von den Vergütungsstählen im Kohlenstoffgehalt und im Weg der Wärmebehandlung. Einsatzstähle haben einen niedrigen Kohlenstoffgehalt - je nach Sorte zwischen 0,07 % und 0,31 % - und werden an der Randschicht aufgekohlt und anschließend gehärtet, während Vergütungsstähle mit ihrem höheren Kohlenstoffgehalt (0,25-0,60 %) über den gesamten Querschnitt gleichmäßig behandelt werden.
Welches Aufkohlungsverfahren ist in der modernen Industrie am weitesten verbreitet?
Am weitesten verbreitet ist heute die Gasaufkohlung, die sich vor allem für die Großserienfertigung eignet. Sie kommt ohne festes Aufkohlungsmittel aus und erlaubt es, im Anschluss an die Behandlung ohne erneutes Erwärmen direkt zu härten.
Wie wird die optimale Einsatzhärtungstiefe bestimmt?
Maßgebend sind die Betriebsbeanspruchungen und die Abmessungen des Bauteils. Die Tiefe kann von wenigen Zehntelmillimetern bis zu mehreren Millimetern reichen und wird als CHD (Tiefe bis zur Härte 550 HV) nach ISO 18203:2016 (früher ISO 2639) gemessen.
Welche Vorteile haben legierte gegenüber unlegierten Einsatzstählen?
Legierte Sorten bieten eine höhere Härtbarkeit und erreichen damit auch in großen Querschnitten gleichmäßige Eigenschaften. Legierungselemente wie Nickel, Chrom und Molybdän verbessern der Reihe nach Zähigkeit, Härtbarkeit und Festigkeit.
Warum ist der Kohlenstoffgehalt der Einsatzstähle so niedrig?
Der niedrige Kohlenstoffgehalt - bei den Sorten unseres Lieferprogramms innerhalb von 0,22 % - ist die Voraussetzung für ein gutes Aufkohlen und dafür, dass die Kernhärte nicht zu stark ansteigt. So behält der Kern die Zähigkeit, die er für die Betriebsbeanspruchungen braucht, während die Randschicht die geforderte hohe Härte annimmt.