Wärmebehandlung von Metallen: Verfahren, Werkstoffe & Normen
Wärmebehandlung entscheidet über die mechanischen Eigenschaften eines Metallbauteils: Härte, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit. Ob Zahnrad, Kurbelwelle, Luftfahrtstruktur oder Verbindungselement – ohne korrekt spezifizierte Wärmebehandlung funktioniert kein sicherheitskritisches Metallteil.
Wer als Konstrukteur oder technischer Einkäufer die Unterschiede zwischen Härten, Vergüten, Glühen, Einsatzhärten und Nitrieren versteht, vermeidet teure Fehler. Sei es bei der Auslegung, in der Zeichnung und bei der Beschaffung. Diese Übersicht erklärt alle gängigen Wärmebehandlungsverfahren von Metallen, Werkstoffe und Normen.
Was ist Wärmebehandlung?
Die Wärmebehandlung bezeichnet alle thermischen Verfahren zur gezielten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe. Das Prinzip: Erwärmen auf bestimmte Temperaturen – häufig auf höhere Temperaturen oberhalb der Umwandlungstemperatur –, Halten und kontrolliertes Abkühlen. Kein Fremdmaterial wird aufgetragen, kein Werkstoff abgetragen.
Wärmebehandlungen werden bei verschiedenen Werkstoffen verwendet. Diese reichen von Metallen bis Kunstoffen, Holz- und Verbundwerkstoffen. Hier wird jedoch nur die Wärmebehandlung von Metallen berücksichtigt.
Die drei entscheidenden Parameter sind Temperatur, Haltezeit und Abkühlgeschwindigkeit. Schnelles Abkühlen (Abschrecken) erzeugt hohe Härte und Festigkeit durch Martensitbildung. Langsamere Abkühlung im Ofen liefert weiches, zähes Gefüge. Anlassen bei niedrigen Temperaturen baut innere Spannungen ab und stellt das gewünschte Verhältnis von Härte und Zähigkeit ein.
Abzugrenzen von Oberflächenbeschichtungen wie Galvanisieren, Anodisieren oder PVD: Diese verändern nur die äußerste Schicht durch Materialauftrag. Wärmebehandlung verändert das Gefüge im Werkstoff selbst – oder in einer definierten Randzone (Einsatzhärten, Nitrieren).
Wärmebehandlung: Übersicht
- Definition: Wärmebehandlung ist die gezielte Veränderung der Gefügestruktur metallischer Werkstoffe durch Erwärmen, Halten und kontrolliertes Abkühlen. Materialauftrag oder Zerspanung nicht mitgedacht.
- Ziel: Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit oder Eigenspannungen gezielt einstellen.
- Geeignete Werkstoffe: Stahl, Gusseisen, Aluminium- und Titanlegierungen, ausscheidungshärtende Edelstähle.
- Wichtigste Verfahren: Härten, Anlassen, Vergüten, Glühen (mehrere Arten), Einsatzhärten, Nitrieren, Induktionshärten, Lösungsglühen und Auslagern.
- Zentrale Normen sind: DIN EN 10052 für Begriffe und DIN EN 10083 für Vergütungsstähle. DIN EN ISO 683 gilt für einsatzgehärtete Stähle. AMS 2759 und AMS 2770 dafür für Luft- und Raumfahrt.
Welchen Zweck hat die Wärmebehandlung von Metallen?
Wärmebehandlung wird eingesetzt, um eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften gezielt einzustellen:
- Härte und Verschleißfestigkeit steigern – z. B. bei Schneidwerkzeugen, Zahnrädern, Wälzlagerringen und Nockenwellen
- Festigkeit und Streckgrenze definiert einstellen – z. B. bei Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 bis 12.9, Pleuelstangen und Kurbelwellen
- Zähigkeit und Duktilität verbessern – z. B. durch Anlassen nach dem Härten oder Vergüten bei dynamisch beanspruchten Bauteilen
- Eigenspannungen abbauen – z. B. nach dem Schweißen, Schmieden, Gießen oder Kaltumformen (Spannungsarmglühen)
- Bearbeitbarkeit verbessern – z. B. durch Weichglühen vor der Zerspanung hochlegierter Stähle
- Korngefüge homogenisieren – z. B. durch Normalisieren nach dem Schmieden oder Gießen
- Vorbereitung für Folgebehandlungen – z. B. Lösungsglühen vor dem Auslagern von Aluminiumlegierungen oder Titan
- Randschichthärtung bei zähem Kern – z. B. Einsatzhärten oder Nitrieren für Zahnräder und Wellen
Welche Arten der Wärmebehandlung gibt es?
Die Norm DIN EN 10052 unterscheidet Wärmebehandlungsverfahren nach dem angestrebten Gefüge und dem thermischen Ablauf. In der industriellen Praxis werden folgende Hauptverfahren eingesetzt:
| Verfahren | Kurzbeschreibung | Ziel | Typische Werkstoffe |
| Härten | Austenitisieren + Abschrecken | Maximale Härte (Martensit) | Stahl ab 0,3 % C, Werkzeugstahl |
| Anlassen | Wiedererwärmen nach dem Härten (100–700 °C) | Zähigkeit erhöhen, Sprödigkeit reduzieren | Alle gehärteten Stähle |
| Vergüten | Härten + Hochanlassen (500–700 °C) | Optimales Festigkeit-Zähigkeit-Verhältnis | Vergütungsstähle (42CrMo4 u. a.) |
| Normalglühen | Erwärmen über AC3, langsame Abkühlung an Luft | Feinkorniges, gleichmäßiges Gefüge | Stahl nach Schmieden / Gießen |
| Weichglühen | 650–750 °C, sehr langsame Abkühlung | Maximale Zerspanbarkeit | Hochlegierter Stahl, Werkzeugstahl |
| Spannungsarmglühen | 450–650 °C, Ofenabkühlung | Eigenspannungsabbau ohne Gefügeänderung | Stahl, Gusseisen, Edelstahl |
| Rekristallisationsglühen | ca. 0,4 × Schmelztemperatur | Aufhebung der Kaltverfestigung | Kalt umgeformte Metalle |
| Lösungsglühen | legierungsabhängig (z. B. 480–560 °C bei Al) | Ausscheidungen auflösen, Basis für Aushärtung | Aluminium, Titan, austenitischer Stahl |
| Auslagern (Aushärten) | Niedrige bis mittlere Temperaturen nach dem Lösungsglühen (Al: 120–200 °C; ausscheidungshärtende Stähle wie 17-4PH: 480–620 °C) | Ausscheidungshärtung | Aluminiumlegierungen (T6 u. a.), 17-4PH |
| Einsatzhärten | Aufkohlen + Härten der Randschicht | Harte Randschicht, zäher Kern | Einsatzstähle (16MnCr5 u. a.) |
| Nitrieren / Nitrocarburieren | Stickstoffeinbringen bei 500–530 °C | Harte Randschicht, kein Abschrecken | Nitrierstähle, Vergütungsstähle |
| Induktionshärten | Lokales Erwärmen per Induktion + Abschrecken | Selektive Randschichthärtung | Stahl, gezielt an Lagersitzen / Verzahnung |
Vor- und Nachteile von Wärmebehandlungen
Die Wärmebehandlung hat zahlreiche Vorteile sowie Nachteile, je nach Anwendungsfall. Hier eine Gegenüberstellung.
| Vorteile | Nachteile |
| Erhebliche Härtesteigerung ohne Materialauftrag | Verzug und Maßänderungen – Nachbearbeitung oft erforderlich |
| Kein Fremdmaterial: Eigenschaften im Grundwerkstoff | Nicht jede Legierung ist wärmebehandelbar |
| Breite Verfahrenspalette für unterschiedliche Anforderungsprofile | Prozessparameter müssen exakt eingehalten werden – Ausschussrisiko |
| Randschichthärtung möglich – Einsatzhärten und Nitrieren erzielen harte Oberfläche bei zähem Kern | Steigender Aufwand bei komplexen Geometrien und engen Toleranzen |
| Gut in Serienprozesse integrierbar (Durchlauf- und Chargenöfen) | Schutzgas- oder Vakuumanlagen für oxidationsempfindliche Werkstoffe notwendig |
| Teilweise reversibel: Durchgehärtete Stähle können durch Weichglühen wieder in einen zerspanbaren Zustand gebracht werden | Bei nachfolgender galvanischer Behandlung: Wasserstoffversprödungsgefahr bei hochfesten Stählen (> 1000 MPa) – Entsprödungsglühen vorschreiben |
| Kurze Taktzeiten bei einfachen Verfahren (Glühen, Anlassen) | Titan und Sonderlegierungen erfordern spezialisierte, zertifizierte Anlagen |
Wärmebehandlung von Metallen: Alle Werkstoffe im Überblick
Nicht jeder metallische Werkstoff ist für alle Wärmebehandlungsverfahren geeignet. Die folgende Übersicht zeigt, was möglich ist und worauf Konstrukteure und Einkäufer achten müssen:
1. Wärmebehandlung von Stahl (unlegiert und niedriglegiert) — ✅ Sehr gut geeignet
Der klassische Anwendungsfall. Fast alle Verfahren sind verfügbar und industriell erprobt. Die Eignung für Härtungsverfahren hängt vom Kohlenstoffgehalt ab: ab 0,3 % C sinnvoll, ab 0,6 % C volle Härtbarkeit. Für Einkäufer ist Stahl mit Werkstoffnummer und Wärmebehandlungszustand der unkomplizierteste Fall.
2. Wärmebehandlung von Gusseisen — ✅ Gut geeignet
Gusseisen verhält sich chemisch ähnlich wie Stahl und lässt sich spannungsarmglühen, normalisieren und in Sonderfällen induktionshärten oder flammhärten. Die rauere Gussstruktur erfordert sorgfältige Vorbehandlung und langsames Aufheizen. Rückstände von Formtrennmitteln aus dem Gießprozess müssen vor der Wärmebehandlung entfernt werden.
3. Wärmebehandlung von Aluminium — ✅ Gut geeignet (Aushärtung)
Aushärtbare Aluminiumlegierungen (6061, 7075, 2024 u. a.) können durch Lösungsglühen und Auslagern erheblich in Festigkeit gesteigert werden. Nicht aushärtbare Legierungen (5052, 3003) sind nur durch Rekristallisationsglühen behandelbar. Druckgussteile reagieren oft problematisch auf T6-Behandlung (Blasenbildung). Hinweis: Wärmebehandlung und Anodisieren / Eloxieren müssen in der richtigen Reihenfolge geplant werden.
4. Wärmebehandlung von Edelstahl (z. B. 17-4PH, 17-7PH) — ⚠️ Gemischt
Martensitische und ausscheidungshärtende Edelstähle wie 1.4542 (17-4PH) oder 1.4568 (17-7PH) lassen sich gezielt einstellen. Durch Lösungsglühen und Auslagern sind Festigkeit und Zähigkeit anpassbar. Der Zielzustand (H900 bis H1150 bei 17-4PH) muss nach AMS 5643 in der Zeichnung angegeben sein.
Austenitische Edelstähle haben kein Umwandlungsgefüge und lassen sich nicht durch Härten und Anlassen beeinflussen. Möglich sind: Lösungsglühen (zur Auflösung von Chromkarbiden nach dem Schweißen, Sensibilisierungsvermeidung) und Spannungsarmglühen. Eine Härtesteigerung ist nicht möglich. Alternativen: PVD, Nitrocarburieren, Kaltumformen.
5. Wärmebehandlung von Titan — ⚠️ Bedingt geeignet, Schutzgas zwingend
Ti-6Al-4V und andere Alpha-Beta-Legierungen sind durch Lösungsglühen und Auslagern (STA) in Festigkeit einstellbar. Kritisch: Titan reagiert bei erhöhter Temperatur sofort mit Sauerstoff und Stickstoff.
Es bildet sich eine spröde Alphakontaminationsschicht („alpha case“), die nicht sichtbar, aber sicherheitskritisch ist. Schutzgasatmosphäre oder Vakuum sind obligatorisch. Ausschließlich bei NADCAP-zertifizierten Betrieben beschaffen. Normreferenz: AMS 4928, DIN EN 2002.
6. Wärmebehandlung von Kupfer und Kupferlegierungen — ⚠️ Eingeschränkt
Kupfer und Messing werden durch Rekristallisationsglühen entspannt und von Kaltverfestigung befreit. Festigkeitssteigerung durch Härtung ist nicht möglich – Ausnahme: Berylliumkupfer (CuBe2) ist ausscheidungshärtbar und erreicht Festigkeiten über 1300 MPa. Klassische Härtungsverfahren für Stahl sind für Kupferwerkstoffe nicht anwendbar.
7. Wärmebehandlung von Zinkdruckguss — ❌ Nicht geeignet
Zinkdruckguss enthält keinen Eisenanteil – eine Martensit- oder Diffusionsschichtbildung ist nicht möglich. Alternativen für Härtung oder Schutz: galvanische Verfahren, Chromatierung, Pulverbeschichtung.
8. Wärmebehandlung von Kunststoffen — ❌ Nicht vergleichbar
Thermische Behandlungen von Kunststoffen (Tempern, Auslagern zur Restmonomerreduktion) sind physikalisch nicht mit metallischer Wärmebehandlung vergleichbar. Es findet keine Gefügeumwandlung statt. Verfahren sind werkstoffspezifisch und nicht durch metallurgische Normen geregelt.
Relevante Normen und Spezifikationen für die Wärmebehandlung
Für Ausschreibungen und Zeichnungsangaben zur Wärmebehandlung sind folgende Normen maßgeblich:
- DIN EN 10052 – Begriffe der Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen (zentrale Terminologienorm – definiert alle Verfahrensbegriffe verbindlich)
- DIN EN ISO 683-1/-2/-3 – Vergütungsstähle und Einsatzstähle: chemische Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften und technische Lieferbedingungen
- DIN EN 10083-1/-2/-3 – Vergütungsstähle: chemische Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften und technische Lieferbedingungen
- DIN EN ISO 2639 – Bestimmung und Prüfung der Einsatzhärtetiefe CHD
- DIN EN ISO 18203 – Bestimmung der Nitrierschichttiefe und Nitrierhärtetiefe NHD
- DIN EN 515 – Aluminiumlegierungen: Kennzeichnung der Wärmebehandlungszustände (T4, T6, T73 usw.)
- AMS 2750 – Pyrometrie: Temperaturkalibrierung und Ofenklassen für Wärmebehandlungsanlagen (Luft- und Raumfahrt, Pflichtanforderung neben NADCAP)
- AMS 2759 (Serien) – Wärmebehandlung von Stahl in der Luft- und Raumfahrt (USA, SAE)
- AMS 2770 – Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen (Luft- und Raumfahrt)
- AMS 4928 – Titanlegierung Ti-6Al-4V, wärmebehandelt
- AMS 5643 – 17-4PH Edelstahl, Zustände H900–H1150
- NADCAP – Prozessakkreditierung für Sonderprozesse inkl. Wärmebehandlung (Pflicht in der Luft- und Raumfahrt)
- OEM-Werknormen – z. B. BMW-GS-Normen, VW-TL-Normen: bei Automobilzulieferern vertraglich bindend
Checkliste für Einkäufer: Anforderungen an den Lohnbeschichter
- Zertifizierung nach DIN EN ISO 9001 – oder branchenspezifisch: IATF 16949 (Automotive), AS9100 / NADCAP (Luft- und Raumfahrt)
- Dokumentierte Ofenqualifizierung und Temperaturüberwachung – in der Luft- und Raumfahrt nach AMS 2750, allgemein nach Kundenanforderung oder NADCAP
- Rückverfolgbare Prozessparameter: Chargenprotokoll, Temperaturaufzeichnung, Abkühlkurve
- Eigene Prüfmittel für Härtemessung (HRC, HV, HB) und Schichttiefenprüfung (Schliffbild, Vickershärtetiefenprofil)
- Nachweis der Verfahrenskompetenz durch Referenzteile oder Prozessdokumentation für das spezifisch geforderte Verfahren
- Schutzgas- oder Vakuumanlagen für oxidationsempfindliche Werkstoffe (Titan, Sonderlegierungen, hochlegierte Stähle)
- Dokumentierter Umgang mit Verzug: Richtvorgang, Maßkontrolle nach der Wärmebehandlung, Schleifbearbeitung möglich?
- Referenzen aus der Zielbranche oder für vergleichbare Bauteilgeometrien
- Klare Angaben zu Kapazität, maximalen Bauteilabmaßen, Lieferzeit und Mindestmengen
Beispiele von Wärmebehandlung aus Industrien
| Branche | Typische Bauteile | Primäres Ziel der Wärmebehandlung |
| Automobilindustrie | Kurbelwellen, Pleuel, Antriebswellen, Nockenwellen, Zahnräder, Getriebewellen, Federn, Schrauben | Verschleißfestigkeit, Dauerfestigkeit, definierte Festigkeitsklassen |
| Maschinenbau | Wellen, Achsen, Zahnräder, Spindeln, Hydraulikkolben, Führungen | Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Maßhaltigkeit |
| Werkzeugbau | Schneidwerkzeuge, Stanzwerkzeuge, Pressformen, Umformwerkzeuge | Maximale Härte, Warmhärte, Standzeit |
| Luft- & Raumfahrt | Stahlstrukturteile, Fahrwerke, Ti-Bauteile (Ti-6Al-4V), Al-Strukturbauteile | Hohe Festigkeit bei minimalem Gewicht |
| Wehrtechnik | Läufe, Verschlussträger, Panzerstahl, Systemkomponenten | Durchgehende Härte, Zähigkeit, ballistische Schutzwirkung |
| Energietechnik | Turbinenwellen, Druckbehälter, Rohrleitungen, Befestiger | Kriechbeständigkeit, Druckfestigkeit, Eigenspannungsabbau nach Schweißen |
| Schienenfahrzeuge | Achsen, Räder, Bremsscheiben, Kupplungen, Drehgestellrahmen | Ermüdungsfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Gefügehomogenität |
| Steckverbinder & Elektronik | Kontaktteile, Verbindungselemente | Eigenspannungsabbau, Formstabilität |
| 3D-Druck (Metall) | SLM/DMLS-Bauteile (Ti, Inconel, Maraging) | Eigenspannungsabbau, Dichte, Gefügehomogenisierung |
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