Es ist eine der häufigsten Fragen in der Konstruktion: Soll das Teil aus Einsatzstahl oder aus Vergütungsstahl gefertigt werden? Beide werden für hoch beanspruchte Teile eingesetzt, erreichen ihre Festigkeit aber auf unterschiedlichem Weg und an unterschiedlichen Stellen.
Einsatzstähle: harte Randschicht, zäher Kern
Einsatzstähle sind kohlenstoffarm (etwa 0,10–0,25 % C). In diesem Zustand härten sie beim Abschrecken nicht ausreichend; deshalb wird zunächst Kohlenstoff in die Oberfläche eindiffundiert.
- Aufkohlen: Das Teil wird bei etwa 880–950 °C in kohlenstoffreicher Atmosphäre gehalten. Der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche steigt auf 0,7–0,9 %.
- Abschrecken: Die aufgekohlte Randschicht wird sehr hart; der kohlenstoffarme Kern bleibt zäh.
- Anlassen bei niedriger Temperatur: Meist bei 150–200 °C, um Eigenspannungen abzubauen.
Die Oberflächenhärte liegt danach typischerweise bei 58–62 HRC; die Einsatzhärtungstiefe wird je nach Anwendung meist zwischen 0,5 und 2 mm gewählt. Die Oberfläche widersteht Verschleiß und Flächenpressung, der Kern nimmt Stöße auf.
Typische Güten: C15, 16MnCr5, 20MnCr5, 20NiCrMo2 (SAE 8620) sowie 17CrNiMo6 und 18CrNi8 für hoch belastete Zahnräder.
Vergütungsstähle: Festigkeit über den ganzen Querschnitt
Vergütungsstähle haben einen mittleren Kohlenstoffgehalt (etwa 0,25–0,60 % C) und sind meist mit Chrom, Molybdän und Nickel legiert. Die Wärmebehandlung hat zwei Schritte:
- Härten: Der Stahl wird auf Austenitisierungstemperatur (je nach Güte etwa 820–880 °C) erwärmt und in Öl oder Wasser schnell abgekühlt.
- Anlassen bei hoher Temperatur: Bei etwa 540–680 °C wird ein Teil der Härte in Zähigkeit umgewandelt.
Nach diesem „Vergüten“ hat der Werkstoff nicht nur an der Oberfläche, sondern über den ganzen Querschnitt hohe Streckgrenze und Zähigkeit. 42CrMo4 erreicht im vergüteten Zustand bis etwa 100 mm Durchmesser je nach Querschnitt rund 900–1.300 MPa Zugfestigkeit; bei größeren Durchmessern sinkt der Wert. Je größer der Querschnitt, desto wichtiger ist die Legierung, damit auch der Kern durchhärtet – deshalb werden für Wellen mit großem Durchmesser nickelhaltige Güten wie 34CrNiMo6 bevorzugt.
Typische Güten: C45, 41Cr4, 34CrMo4, 42CrMo4 (SAE 4140), 50CrMo4, 34CrNiMo6 (SAE 4340).
Vergleich
| Einsatzstahl | Vergütungsstahl | |
|---|---|---|
| Kohlenstoffgehalt | Niedrig (≈ 0,10–0,25 %) | Mittel (≈ 0,25–0,60 %) |
| Wärmebehandlung | Aufkohlen + Abschrecken + Anlassen bei niedriger Temperatur | Härten + Anlassen bei hoher Temperatur |
| Oberfläche | Sehr hart (≈ 58–62 HRC) | Mittlere Härte; bei Bedarf induktionsgehärtet |
| Kern | Zäh, vergleichsweise geringe Festigkeit | Hohe Festigkeit und Zähigkeit |
| Stark bei | Flächenpressung, Verschleiß, Stößen | Biegung, Torsion, Dauerbelastung |
| Typisches Teil | Zahnräder, Ritzel, Bolzen, Nockenwellen | Achsen, Kurbelwellen, Wellen, hochfeste Schrauben |
Welcher Stahl für welches Teil?
- Zahnräder und Ritzel: Die Zahnflanke erfährt Flächenpressung und Verschleiß, der Zahnfuß Stöße und Biegung. Da eine harte Randschicht über einem zähen Kern gefragt ist, ist Einsatzstahl die Standardwahl.
- Achsen, Kurbelwellen, Antriebswellen: Sie tragen Torsion und wechselnde Biegung über den ganzen Querschnitt. Vergütungsstahl passt besser.
- Wellen mit Lagersitzen: Eine bewährte Lösung ist, sie aus Vergütungsstahl zu fertigen und nur die Lagerbereiche induktiv zu härten – so erhält man Kernfestigkeit und Oberflächenhärte zugleich.
- Bolzen und Buchsen: Überwiegt der Verschleiß, Einsatzstahl; überwiegt die Tragfähigkeit, Vergütungsstahl.
Worauf Sie vor der Bestellung achten sollten
- Einsatzhärten kann Verzug und Maßänderungen verursachen; an Präzisionsflächen wird daher ein Schleifaufmaß vorgesehen.
- Bei Vergütungsstählen erleichtert es die Planung der Folgeschritte, wenn der Lieferzustand (z. B. vergütet +QT oder weichgeglüht +A) schon im Angebot festgelegt wird.
- Wählen Sie bei großen Querschnitten die Güte mit Blick auf den Durchmesser, damit die geforderten Werte erreicht werden.