Aufkohlen und Einsatzhärten: Die Grundlagen

Das Prinzip

Manche Bauteile benötigen zwei widersprüchliche Eigenschaften: eine Oberfläche, die Verschleiß und Wälzermüdung widersteht, und einen Kern, der Stöße aufnimmt, ohne zu reißen. Das Aufkohlen liefert beides aus einem einzigen Stück kohlenstoffarmen Stahls. Das Bauteil wird bei etwa 880–950 °C in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre gehalten; Kohlenstoff diffundiert in die Oberfläche, und ein anschließendes Abschrecken härtet nur diese angereicherte Schicht — die Randschicht —, während der kohlenstoffarme Kern vergleichsweise weich und zäh bleibt.

Einsatzhärtetiefe

Die Einsatzhärtetiefe wird als die Tiefe angegeben, in der die Härte auf einen definierten Wert abfällt — in der europäischen Praxis üblicherweise 550 HV (CHD, Einsatzhärtetiefe). Zwei Tiefen sind von Bedeutung:

• Effektive Einsatzhärtetiefe (bis 550 HV): typischerweise etwa 0.3–2.5 mm bei Zahnrädern und Wellen, abgestimmt auf die Hertzsche Pressung und den Modul des Zahnrads.
• Gesamte Aufkohlungstiefe: die vollständige Diffusionszone, immer tiefer als die effektive Tiefe.

Tiefere Randschichten benötigen überproportional längere Ofenzeiten, weil die Diffusionstiefe mit der Quadratwurzel der Zeit wächst — eine Verdopplung der Tiefe dauert etwa viermal so lange.

Kohlenstoffpegel

Die Ofenatmosphäre wird auf einen Kohlenstoffpegel geregelt — den Oberflächenkohlenstoffgehalt, den die Atmosphäre bei Temperatur in reinem Eisen erzeugen würde. Er wird typischerweise etwas unterhalb oder nahe dem Bereich vom Eutektoid bis zur Sättigung gefahren, in der Aufkohlungsphase oft bei etwa 0.8–1.0% C an der Oberfläche. Ein zu hoher Pegel bildet Ruß, Karbidnetzwerke und überschüssigen Restaustenit; ein zu niedriger Pegel ergibt eine flache, weiche Randschicht. Produktionszyklen verwenden oft ein boost–diffuse-Muster: hoher Pegel, um Kohlenstoff schnell einzutreiben, dann eine Phase mit niedrigerem Pegel, um den endgültigen Oberflächenkohlenstoff und den Gradienten einzustellen.

Kern gegenüber Randschicht nach dem Abschrecken

Nach dem Aufkohlen wird das Bauteil abgeschreckt (direkt oder nach einem Wiedererwärmen zur Kornfeinung) und bei niedriger Temperatur angelassen, etwa 150–200 °C. Die kohlenstoffreiche Randschicht wandelt sich in harten Martensit um, typischerweise mit etwa 58–62 HRC an der Oberfläche. Der Kern — mit immer noch nur etwa 0.15–0.25% Kohlenstoff — härtet nur so weit, wie es seine Härtbarkeit zulässt, bleibt deutlich weicher und liefert die Zähigkeit, auf die das Bauteil ausgelegt ist.

Für das Aufkohlen ausgelegte Stähle

Einsatzstähle sind konstruktionsbedingt kohlenstoffarm und für Kernfestigkeit und Härtbarkeit legiert:

• 8620 (AISI): der nordamerikanische Allzweck-Getriebestahl mit Ni-Cr-Mo-Kern.
• 20CrMnTi (GB): der chinesische Standard-Getriebestahl; Titan fixiert das Korn während langer Aufkohlungszyklen.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): das europäische Arbeitspferd für kleine und mittlere Zahnräder.
• Höher beanspruchte Varianten enthalten zusätzlich Nickel (z. B. 18CrNiMo7-6), wo die Kernfestigkeit in großen Querschnitten entscheidend ist.

Ein aufgekohltes Bauteil festzulegen bedeutet, Einsatzhärtetiefe, Oberflächenhärte und Kernhärte gemeinsam festzulegen — jede Angabe allein ist eine unvollständige Anforderung.

Varianten mit Gas, Pulver und Niederdruck

Das traditionelle Pulveraufkohlen in festem Kohlenstoffmittel ist heute weitgehend Geschichte. Die moderne Produktion nutzt das Gasaufkohlen in Atmosphärenöfen, in denen der Kohlenstoffpegel kontinuierlich gemessen und geregelt wird, oder das Niederdruckaufkohlen (Vakuumaufkohlen), bei dem Kohlenwasserstoff-Gasimpulse in einem Vakuumofen sehr gleichmäßige Randschichten an komplexen Zahnradgeometrien ohne Oberflächenoxidation ergeben — typischerweise gefolgt von einer Hochdruck-Gasabschreckung. Die Metallurgie, die der Konstrukteur festlegt, ist bei allen drei Varianten dieselbe; was sich ändert, sind Gleichmäßigkeit, Sauberkeit, Zykluswirtschaftlichkeit und das Verzugsverhalten, das die Zahnrad-Fertigbearbeitung aufnehmen muss.