Einsatzhärten oder Carbonitrieren: Einsatzhärtetiefe richtig festlegen

Einsatzhärten ist das klassische Verfahren, wenn ein Bauteil außen hart und innen zäh sein muss: Zahnräder, Wellen, Bolzen oder Buchsen, die Stöße aufnehmen und gleichzeitig Reibung und Flächenpressung standhalten sollen. Die entscheidende Größe steht dabei oft schon in der Zeichnung, nämlich die Einsatzhärtetiefe. Ist sie zu gering angesetzt, trägt die Randschicht nicht. Ist sie größer als nötig, steigen Ofenzeit, Verzug und Kosten. Dieser Beitrag zeigt Konstrukteuren, Einkäufern und Instandhaltern, wie Sie die Einsatzhärtetiefe sinnvoll festlegen, wann Carbonitrieren die bessere Wahl ist und welche Angaben eine Härterei braucht, damit Ihr Bauteil beim ersten Durchlauf passt.

Einsatzhärten kurz erklärt: harte Randschicht, zäher Kern

Beim Einsatzhärten wird ein Bauteil aus einem kohlenstoffarmen, niedrig legierten Stahl zuerst aufgekohlt, dann gehärtet und anschließend angelassen. Beim Aufkohlen gibt ein kohlenstoffabgebendes Gas bei Temperaturen von in der Regel 880 bis 980 °C Kohlenstoff an die Oberfläche ab, der in die Randschicht eindiffundiert. Nur dort, wo ausreichend Kohlenstoff angekommen ist, wird der Stahl beim Abschrecken richtig hart. Der Kern behält seinen niedrigen Kohlenstoffgehalt und bleibt zäh.

Das Ergebnis ist eine Kombination, die ein durchgehärtetes Bauteil nicht liefern kann: Die harte Randschicht nimmt Flächenpressung und Reibung auf, der zähe Kern fängt Stöße und Biegebelastung ab. Verbessert werden damit vor allem die Verschleißresistenz und die Dauerfestigkeit der Randschicht. Das abschließende Anlassen baut die Spannungen aus dem Härten ab und stellt die geforderte Gebrauchsfestigkeit ein.

Abgeschreckt wird entweder direkt aus der Aufkohlungstemperatur oder nach dem Absenken auf eine werkstoffspezifische Härtetemperatur. Welche Temperatur-Zeit-Folge passt, hängt vom Werkstoff, von der Bauteilgeometrie und von den Anforderungen in Ihrer Zeichnung ab. Einen Überblick über beide Verfahren finden Sie auf unserer Seite zum Einsatzhärten und Carbonitrieren.

Einsatzhärten oder Carbonitrieren: der Unterschied

Carbonitrieren ist eine Sonderform des Einsatzhärtens. Zusätzlich zum Kohlenstoff wird über Ammoniak auch Stickstoff in die Randschicht eindiffundiert. Der Stickstoff senkt die kritische Abkühlgeschwindigkeit, die Randschicht lässt sich also leichter härten. Das hat zwei praktische Folgen:

• Günstigere Werkstoffe werden härtbar. Auch unlegierte oder niedrig legierte Stähle wie Bau- und Automatenstähle erreichen durch Carbonitrieren eine deutlich höhere Randschichthärte.
• Bessere Gleiteigenschaften. Die mit Stickstoff angereicherte Randschicht verbessert den Reibverschleißwiderstand und die Notlaufeigenschaften.

Carbonitrieren wird meist bei geringer bis mittlerer Einhärtungstiefe eingesetzt. Für größere Einsatzhärtetiefen und hoch belastete Antriebsteile aus Einsatzstahl bleibt das klassische Einsatzhärten die erste Wahl. Als Faustregel für die Entscheidung:

• Einsatzstahl, hohe Flächenpressung, größere Härtetiefe gefordert: Einsatzhärten.
• Unlegierter Bau- oder Automatenstahl, Kleinteile, geringe Härtetiefe, Gleitbeanspruchung: Carbonitrieren.

Welche Werkstoffe sich für das Einsatzhärten eignen

Einsatzhärten ist für Einsatzstähle gemacht: Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die häufig mit Chrom, Mangan, Nickel oder Molybdän legiert sind. Der niedrige Kohlenstoffgehalt sorgt für den zähen Kern. Die Legierungselemente bestimmen, wie gut der Stahl auch in größeren Querschnitten härtet und welche Kernfestigkeit nach dem Härten erreicht wird.

Für die Konstruktion bedeutet das: Je größer der Querschnitt und je höher die geforderte Kernfestigkeit, desto eher spricht das für einen höher legierten Einsatzstahl. Bei kleinen, wenig belasteten Teilen aus unlegiertem Stahl ist dagegen oft das Carbonitrieren die wirtschaftlichere Lösung.

Stähle mit bereits hohem Kohlenstoffgehalt, etwa Vergütungs- oder Werkzeugstähle, werden in der Regel nicht einsatzgehärtet. Für sie kommen je nach Anforderung das Induktivhärten, das Vakuumhärten oder ein Nitrierverfahren in Frage. Welcher Werkstoff für Ihr Bauteil der richtige ist, klären Sie am besten vor der Zeichnungsfreigabe mit unserer Fachberatung.

Einsatzhärtetiefe richtig festlegen: worauf es ankommt

Die Einsatzhärtetiefe, oft kurz CHD genannt, beschreibt den Abstand von der Oberfläche bis zu der Stelle, an der die Härte auf einen festgelegten Grenzwert abgefallen ist. Sie ist die wichtigste Angabe beim Einsatzhärten und gehört als Bereich mit Unter- und Obergrenze in die Zeichnung, nicht als einzelner Wert. Bei der Festlegung helfen drei Fragen:

• Wie tief reicht die Belastung? Bei Zahnrädern und Wälzkontakten liegt die höchste Beanspruchung unter der Oberfläche. Die harte Randschicht muss so tief reichen, dass diese Zone noch abgedeckt ist. Sonst kann die Schicht unter Last einbrechen oder abplatzen.
• Wird nach dem Härten geschliffen? Jedes Schleifaufmaß nimmt Härtetiefe weg. Die Angabe in der Zeichnung sollte sich deshalb eindeutig auf den Fertigzustand beziehen, und das Aufmaß muss beim Härten berücksichtigt werden.
• Wie dünn sind die dünnsten Stellen? An Zahnspitzen, Kanten und schmalen Stegen kann eine große Härtetiefe dazu führen, dass der Querschnitt nahezu durchhärtet und an Zähigkeit verliert.

Auch die Grenzhärte, auf die sich die Einsatzhärtetiefe bezieht, sollte in der Zeichnung genannt sein. Fehlt sie, ist die Angabe nicht eindeutig. Konkrete Werte für Oberflächenhärte und Einsatzhärtetiefe hängen von Werkstoff, Bauteil und Belastung ab. Sie werden am besten gemeinsam mit der Härterei festgelegt, bevor die Zeichnung freigegeben ist.

Härtetiefe und Ofenzeit: warum mehr nicht automatisch besser ist

Beim Aufkohlen wandert der Kohlenstoff durch Diffusion in das Bauteil. Diffusion ist ein langsamer Vorgang: Die erreichte Tiefe wächst nicht im gleichen Maß wie die Zeit, sondern deutlich langsamer. Wer die Einsatzhärtetiefe verdoppeln will, braucht ein Vielfaches an Ofenzeit. Eine größere Härtetiefe als nötig hat deshalb mehrere Nachteile:

• längere Ofenzeit und damit höhere Kosten je Charge,
• mehr Verzug, weil das Bauteil länger auf hoher Temperatur gehalten wird,
• die Gefahr, dass dünne Bereiche durchhärten und an Zähigkeit verlieren.

Die richtige Einsatzhärtetiefe ist also nicht die größtmögliche, sondern jene, die die Belastung sicher abdeckt und das Schleifaufmaß berücksichtigt. Ein realistischer Toleranzbereich spart Kosten und vermeidet Ausschuss.

Verzug, Schleifaufmaß und Abdecken: was in die Konstruktion gehört

Beim Einsatzhärten wird das gesamte Bauteil über längere Zeit auf Aufkohlungstemperatur gebracht und anschließend abgeschreckt. Ein gewisser Verzug lässt sich dabei nicht vermeiden. Wie groß er ausfällt, hängt stark von der Konstruktion ab:

• Gleichmäßige Wandstärken verziehen sich weniger als Bauteile mit großen Querschnittssprüngen.
• Schleifaufmaß an Funktionsflächen einplanen und mit der geforderten Einsatzhärtetiefe abstimmen.
• Weich bleibende Bereiche wie Gewinde oder spätere Bohrungen kennzeichnen. Sie lassen sich beim Aufkohlen abdecken, damit dort kein Kohlenstoff eindringt und die Stellen später noch bearbeitet werden können.
• Vorbehandlung angeben: Rohteile, die vorher spannungsarm geglüht wurden, verziehen sich in der Regel weniger.

Ist der Verzug der kritische Punkt, etwa bei langen, schlanken Teilen, lohnt ein Blick auf die Alternativen. Nitrierverfahren wie das Gasnitrieren arbeiten bei deutlich niedrigeren Temperaturen und ohne Abschrecken.

Einsatzhärten, Induktionshärten oder Nitrieren: die Entscheidung im Überblick

• Einsatzhärten: Einsatzstahl, hohe Flächenpressung, größere Härtetiefe, ganzes Bauteil oder großflächige Bereiche. Verzug ist einzuplanen.
• Carbonitrieren: unlegierte oder niedrig legierte Stähle, Kleinteile, geringe bis mittlere Härtetiefe, Gleitbeanspruchung.
• Induktionshärten: Vergütungsstahl, nur einzelne Bereiche müssen hart sein, Serienteile wie Wellen. Mehr dazu im Beitrag Induktionshärten oder Induktivhärten.
• Gas- und Plasmanitrieren: geringer Verzug durch niedrige Behandlungstemperatur, dünne und sehr harte Randschicht, auch für Vergütungs- und Werkzeugstähle geeignet.

Die Grenzen sind fließend. Oft entscheidet nicht die Werkstofftabelle allein, sondern das Zusammenspiel aus Bauteilform, Stückzahl, Belastung und Nachbearbeitung.

So läuft ein Auftrag bei HMW ab

Die Härterei Michael Welser GmbH versteht sich nicht nur als Härterei, sondern als Dienstleister rund um die Wärmebehandlung. Für Sie heißt das:

• Beratung vor dem Härten: Schicken Sie uns Zeichnung, Werkstoff und Anforderungen. Wir prüfen, ob Einsatzhärten oder Carbonitrieren passt und ob die geforderte Einsatzhärtetiefe realistisch ist.
• Digital bestellen: Über HMW.connect geben Sie Aufträge digital auf, und mit dem Auftragsstatus live sehen Sie, wo Ihr Auftrag gerade steht.
• Ergebnis nachweisen: Mit metallographischen Untersuchungen lässt sich die tatsächlich erreichte Einsatzhärtetiefe am Schliff belegen.
• Wissen weitergeben: In Schulungen und Seminaren sowie bei der Veranstaltungsreihe „Meet & Heat“ teilt HMW Praxiswissen zur Wärmebehandlung.

Damit Ihre Anfrage rasch bearbeitet werden kann, helfen folgende Angaben: Werkstoff, Stückzahl, geforderte Oberflächenhärte und Einsatzhärtetiefe samt Grenzhärte, Bereiche, die weich bleiben sollen, sowie das geplante Schleifaufmaß.

Häufige Fragen zum Einsatzhärten

Was ist der Unterschied zwischen Einsatzhärten und Carbonitrieren?

Beim Einsatzhärten wird die Randschicht mit Kohlenstoff angereichert, beim Carbonitrieren zusätzlich mit Stickstoff. Carbonitrieren eignet sich besonders für unlegierte und niedrig legierte Stähle sowie für geringe bis mittlere Einhärtungstiefen.

Was bedeutet Einsatzhärtetiefe (CHD)?

Die Einsatzhärtetiefe ist der Abstand von der Oberfläche bis zu der Stelle, an der die Härte auf einen festgelegten Grenzwert gesunken ist. Sie wird in der Zeichnung als Bereich angegeben.

Welche Stähle kann man einsatzhärten?

Vor allem Einsatzstähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Unlegierte Bau- und Automatenstähle lassen sich durch Carbonitrieren an der Oberfläche härten. Für Ihren konkreten Werkstoff berät Sie unsere Fachberatung.

Muss nach dem Einsatzhärten angelassen werden?

In den meisten Fällen ja. Das Anlassen mindert die Spannungen aus dem Härten und stellt die geforderte Gebrauchsfestigkeit ein.

Kann man nur Teilbereiche einsatzhärten?

Ja. Bereiche, die weich bleiben sollen, etwa Gewinde, werden vor dem Aufkohlen abgedeckt. Kennzeichnen Sie diese Stellen in der Zeichnung.

Wie lässt sich die erreichte Einsatzhärtetiefe prüfen?

Am zuverlässigsten über einen Härteverlauf am Schliff im Rahmen einer metallographischen Untersuchung.

Fazit: Einsatzhärtetiefe mit Augenmaß festlegen

Einsatzhärten verbindet eine harte, belastbare Randschicht mit einem zähen Kern und ist damit für hoch beanspruchte Bauteile aus Einsatzstahl das passende Verfahren. Carbonitrieren erweitert das Spektrum auf günstigere, unlegierte Stähle und geringe Härtetiefen. Entscheidend ist eine Einsatzhärtetiefe, die die Belastung abdeckt, das Schleifaufmaß berücksichtigt und nicht größer ist als nötig. Schicken Sie uns Ihre Zeichnung: Die Härterei Michael Welser GmbH hilft Ihnen, Verfahren und Einsatzhärtetiefe so festzulegen, dass Ihr Bauteil beim ersten Durchlauf passt.