Aufkohlungsstähle - Eigenschaften, Arten und Anwendungen

Stähle für die Aufkohlung - Einführung

Aufkohlungsstahl ist eine besondere Stahlsorte, die nach dem Aufkohlen und Härten eine harte und verschleißfeste Oberfläche erhält und gleichzeitig einen zähen und festen Kern behält. Dank dieser Eigenschaften wird er in der Automobil-, Maschinenbau-, Luft- und Raumfahrt- und Werkzeugindustrie häufig verwendet, insbesondere für Zahnräder, Wellen, Stifte und Lager, die abrieb- und stoßfest sein müssen.

Die Aufkohlung ermöglicht eine kontrollierte Erhöhung des Kohlenstoffgehalts in der Oberflächenschicht des Stahlerzeugnisses, die anschließend durch Abschrecken gehärtet werden kann. Der Kern hingegen bleibt duktil und bruchfest, was eine lange Lebensdauer der dynamisch stark beanspruchten Bauteile gewährleistet.

Was ist aufkohlender Stahl?

Aufkohlungsstähle lassen sich in legierte und unlegierte Stähle unterteilen.

Unlegierte Stähle enthalten weniger als 0,45 % C und höchstens 0,75 % Mn und können zusätzlich einen erhöhten S-Gehalt aufweisen, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Nach dem Aufkohlen werden sie gehärtet und niedrig angelassen, um eine harte Oberflächenschicht und einen weichen, duktilen Kern zu erhalten. Aufgrund seiner begrenzten Härtbarkeit wird er meist für kleine Maschinenteile verwendet. Stähle, die im geglühten, erweichten Zustand geliefert werden, werden bearbeitet und dann bei einer Temperatur von etwa 890 °C aufgekohlt und direkt von dieser Temperatur aus gehärtet; in der letzten Phase werden die Stahlteile bei 150 °C bis 0,200 °C angelassen.

Aufkohlungslegierte Stähle zeichnen sich durch die hohen Festigkeitseigenschaften der aufgekohlten Oberflächenschicht und die hohe Duktilität des Kerns aus. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch ihre Überhitzungsbeständigkeit, gute Bearbeitbarkeit, geringe Verformungsanfälligkeit bei der Wärmebehandlung und eine dem Querschnitt, den Belastungen und den geometrischen Eigenschaften der Endprodukte angepasste Härtbarkeit aus.
Sie zeichnen sich durch einen niedrigen Kohlenstoffgehalt (0,10-0,25 % C) aus und haben in der Regel einen Cr-Zusatz von 0,8-1,7 % und Zusätze von Mn, Ni, Mo, Ti, W, V. Bei legierten Stählen spielen die Elementzusätze eine sehr wichtige Rolle, um hohe Festigkeitseigenschaften der aufgekohlten Schicht und einen duktilen Kern zu gewährleisten.
Zusätze von Cr, Mn und Ni verbessern die Härtbarkeit und verringern die Härtespannungen in der aufgekohlten Schicht. Die Temperatur, bei der aufgekohlt wird, hängt häufig von der Art der Wärmebehandlung ab und beträgt z. B. beim Vakuumaufkohlen 1050 °C. In der letzten Phase der Wärmebehandlung wird das Anlassen durchgeführt.

Durch diese Vorgänge behält der Kern eine gute Duktilität und Bruchfestigkeit. Nach dem Aufkohlen und Abschrecken erreicht die Oberflächenschicht eine Härte von bis zu 60 HRC, was eine hohe Verschleißfestigkeit gewährleistet.

Die am häufigsten verwendeten Stähle für das Aufkohlen sind:
🔹 16MnCr5 (1.7131) - ein beliebter aufgekohlter Stahl mit guten mechanischen Eigenschaften.
🔹 20MnCr5 (1.7147) - eine Version mit höherem Mangangehalt, der die Härtbarkeit erhöht.
🔹 16/20MnCrS5 (1.7131/1.7147)
🔹 18CrNiMo7-6 (1.6587) - hochlegierter Stahl mit hoher Kernfestigkeit.
🔹 20CrMo5 (1.7264) - aufgekohlter Stahl mit Molybdänzusatz für verbesserte Kriechfestigkeit.
🔹 C15 (1.0401); C15E (1.1141); C15R (1.1140 )
🔹 20CrMo5 (1.7264) - aufgekohlter Stahl mit Molybdänzusatz zur Verbesserung der Kriechfestigkeit.

Chemische Zusammensetzung von Aufkohlungsstählen?

Die chemische Zusammensetzung von Aufkohlungsstählen wird von Elementen dominiert, die die Härtbarkeit, Ermüdung und Verschleißfestigkeit verbessern.

Kohlenstoff (C) - Verantwortlich für die Oberflächenhärte nach der Aufkohlung
Mangan (Mn) - Verbessert die Kernfestigkeit
Chrom (Cr) - Verbessert die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit
Molybdän (Mo) - Erhöht die Kriechfestigkeit und stabilisiert das Gefüge
Nickel (Ni) - Verbessert die Zähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen dynamische Belastungen

Mit verschiedenen Kombinationen dieser Elemente können Aufkohlungsstähle hinsichtlich Kernfestigkeit und Oberflächenverschleißfestigkeit optimiert werden.

Mechanische Eigenschaften von Aufkohlungsstählen?

Aufkohlungsstähle weisen vor und nach der Wärmebehandlung unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf.

Nach dem Aufkohlen und Abschrecken entwickelt der Stahl eine harte Oberfläche und einen elastischen Kern, was ihn zu einem sehr guten Werkstoff für Teile macht, die hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind.

Aufkohlen und Wärmebehandlungsprozess

Der Wärmebehandlungsprozess besteht aus mehreren Stufen:
Beim Aufkohlen wird der Stahl in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Mediums (z. B. gasförmig, flüssig oder fest) auf 850-950 °C erhitzt, wodurch der Kohlenstoff in die Oberflächenschicht diffundieren kann.
Härten ist ein schnelles Abkühlen in Öl oder Wasser, wodurch die Oberfläche gehärtet wird.
Anlassen ist das Erhitzen auf 150-200 °C, um die Rissbeständigkeit des Materials zu verbessern und Spannungen abzubauen.
Die Kombination aus harter Oberfläche und flexiblem Kern macht aufkohlende Stähle extrem verschleiß- und ermüdungsbeständig.

Anwendung von Aufkohlungsstählen

Diese Stähle werden überall dort eingesetzt, wo harte Oberflächen und flexible Kerne erforderlich sind, um eine hohe Lebensdauer der Bauteile zu gewährleisten. Typische Anwendungen sind:
1. Automobilindustrie

• Zahnräder, Nockenwellen und Kolbenbolzen
• Getriebe- und Differentialkomponenten
• Buchsen, Nocken und Aufhängungsteile

2. Maschinenbau

• Zahnräder und Antriebswellen
• Führungen, Rollen und Lager
• Komponenten für Hydraulikpumpen und Präzisionsmechanismen

3. Luft- und Raumfahrt und Energieerzeugung

• Turbinen und Wellen in Kraftwerken
• Rotorkomponenten und Zahnräder für die Luft- und Raumfahrt
• Teile, die hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind

Vorteile des Aufkohlens von Stahl?

✅ Sehr harte Oberfläche - bietet Abriebfestigkeit und lange Lebensdauer.
✅ Plastischer Kern - Widerstandsfähigkeit gegen Bruch und Ermüdung.
✅ Oberflächenhärtung möglich - Feinabstimmung der mechanischen Eigenschaften.
✅ Gute Beständigkeit gegen dynamische Belastungen - ideal für Automobil- und Industrieanwendungen.
✅ Weit verbreitet in der Antriebstechnik - Einsatz in Wellen, Zahnrädern und Kettenrädern.

🚫 Beschränkungen:
❌ Erfordert eine komplexe Wärmebehandlung - präzises Aufkohlen und Abschrecken erforderlich.
❌ Nicht geeignet für Strukturen, die eine gleichmäßige Härte erfordern - Unterschiede zwischen Oberfläche und Kern können zu ungleichmäßiger Belastung führen.

Zusammenfassung
Aufkohlungsstahl ist ein wichtiger Werkstoff für Anwendungen in der Automobilindustrie, im Maschinenbau und in der Luft- und Raumfahrt, bei denen die Kombination aus harter Oberfläche und flexiblem Kern wichtig ist. Durch den Aufkohlungs- und Abschreckungsprozess erreichen diese Stähle eine außergewöhnliche Abrieb- und Ermüdungsbeständigkeit, so dass sie für Anwendungen im Antriebsstrang und in Getrieben verwendet werden.
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