WÄRMEBEHANDLUNG

Die Wärmebehandlung ist ein kontrolliertes thermisches Verfahren, mit dem das metallurgische Gefüge von Stahl verändert wird, um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Je nach Verfahren kann die Wärmebehandlung die Festigkeit, Härte, Zähigkeit, Verschleißbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit eines Verbindungselements verbessern.

WÄRMEBEHANDLUNGSVERFAHREN AUF EINEN BLICK

Das geeignete Wärmebehandlungsverfahren hängt von der Stahlzusammensetzung, den Abmessungen des Verbindungselements, der erforderlichen Festigkeitsklasse und der vorgesehenen Anwendung ab.

Verfahren	Ungefähre Temperatur oder Methode	Zweck	Typische Anwendungen bei Verbindungselementen
Glühen	Knapp unter 721°C	Macht den Stahl weicher und sphäroidisiert das Gefüge für eine leichtere Umformung	Walzdraht und Rohlinge vor der Kaltumformung
Normalisieren	800–920°C, anschließend Luftkühlung	Verfeinert ein grobes Korngefüge nach der Warmumformung	Warmgewalzte oder warmgeschmiedete Rohlinge
Spannungsarmglühen	550–650°C	Reduziert Eigenspannungen, die während der Kaltumformung entstehen	Kaltumgeformte Verbindungselemente niedrigerer Festigkeitsklassen, sofern vorgeschrieben
Härten	Üblicherweise über 800°C, anschließend Abschrecken	Erzeugt ein hartes martensitisches Gefüge	Erste Stufe des Vergütens
Anlassen	Etwa 200–650°C	Verringert die Sprödigkeit und stellt Härte und Zähigkeit ein	Wird nach dem Härten durchgeführt
Vergüten	Härten und Abschrecken, anschließend Anlassen bei etwa 340–650°C	Verbindet hohe Festigkeit mit ausreichender Zähigkeit und Duktilität	Festigkeitsklassen 8.8, 10.9 und 12.9
Einsatzhärten	Kohlenstoffreiche Atmosphäre, anschließend Härten	Erzeugt eine harte, verschleißbeständige Oberfläche mit einem zäheren Kern	Blechschrauben, gewindeformende Schrauben, gewindeschneidende Schrauben, Spanplattenschrauben und bestimmte Bohrschrauben
Induktionshärten	Lokale Hochfrequenz-Induktionserwärmung, anschließend Abschrecken	Erzeugt lokale Härte und Verschleißbeständigkeit	Gewindestangen und Sonderteile

Hinweis: Die Temperaturen sind Richtwerte. Der genaue Wärmebehandlungszyklus hängt von der Stahlzusammensetzung, den Abmessungen des Verbindungselements, der eingesetzten Anlage, den erforderlichen Eigenschaften und der geltenden Produktnorm ab.

GLÜHEN

Der Stahl wird mehrere Stunden lang auf einer Temperatur knapp unter 721°C gehalten und anschließend langsam abgekühlt. Während dieses Verfahrens wandelt sich das Gefüge von hartem lamellarem Perlit in weicheren kugeligen beziehungsweise sphäroidisierten Perlit um. Dadurch entsteht ein Werkstoffzustand, der sich besonders gut für das Kaltstauchen und andere Umformverfahren eignet.

NORMALISIEREN (REKRISTALLISATION)

Der Stahl wird für eine kontrollierte Zeit auf etwa 800°C bis 920°C erwärmt und anschließend an der Luft abgekühlt. Dadurch wird das grobe Korngefüge verfeinert, das durch Verfahren wie Warmwalzen oder Warmschmieden entstehen kann. Die Verringerung der Korngröße kann die Streckgrenze und Schlagzähigkeit verbessern, ohne die Zugfestigkeit wesentlich zu reduzieren.

SPANNUNGSARMGLÜHEN

Durch die Kaltumformung entstehen Eigenspannungen und eine Kaltverfestigung im Werkstoff. Durch kontrolliertes Erwärmen von Verbindungselementen aus Stahl auf etwa 550°C bis 650°C kann ein großer Teil dieser Eigenspannungen abgebaut werden. Anschließend werden die Verbindungselemente langsam und gleichmäßig abgekühlt, um die Entstehung neuer thermischer Spannungen zu vermeiden. Abhängig vom Werkstoff und Herstellungsverfahren kann diese Behandlung bei bestimmten kaltumgeformten Verbindungselementen niedrigerer Festigkeitsklassen eingesetzt werden.

HÄRTEN

Wird Stahl mit einem ausreichenden Kohlenstoffgehalt über seine kritische Umwandlungstemperatur erwärmt — bei Stählen für Verbindungselemente häufig auf über 800°C — und anschließend schnell in Öl, Wasser oder einem anderen geeigneten Medium abgeschreckt, kann ein hartes, jedoch sprödes martensitisches Gefüge entstehen.

Die erzielte Härte hängt vom Kohlenstoffgehalt, der Legierungszusammensetzung, dem Materialquerschnitt und der Abkühlgeschwindigkeit ab. Dünne Verbindungselemente aus geeignetem Kohlenstoffstahl können bis in den Kern durchgehärtet werden. Bei größeren Durchmessern kann die Wärme nicht so schnell aus dem Kern abgeführt werden. Daher können Legierungselemente wie Bor, Mangan, Chrom, Nickel und Molybdän zugesetzt werden, um die Härtbarkeit zu erhöhen.

Öl wird häufig zum Abschrecken von Verbindungselementen verwendet, da es eine besser kontrollierbare Abkühlgeschwindigkeit als Wasser bietet. Wasser kühlt aggressiver, kann jedoch das Risiko von Verzug und Härterissen erhöhen.

Martensitisches Stahlgefüge nach dem Härten und Abschrecken, dargestellt im Maßstab 50 µm

ANLASSEN

Mit zunehmender Härte steigen auch die Härtespannungen und die Sprödigkeit. Daher sollte möglichst unmittelbar nach dem Härten eine zweite Wärmebehandlung, das sogenannte Anlassen, durchgeführt werden. Bei Temperaturen bis etwa 200°C wird die Sprödigkeit nur geringfügig reduziert und die Härte weitgehend beibehalten. Bei höheren Anlasstemperaturen nehmen die Eigenspannungen und die Härte ab, während sich Zähigkeit und Duktilität verbessern.

VERGÜTEN

Das Vergüten ist ein kombiniertes Verfahren, bei dem auf das Härten und Abschrecken ein Hochtemperaturanlassen folgt, üblicherweise in einem Bereich von etwa 340°C bis 650°C. Es gehört zu den wichtigsten Wärmebehandlungen für hochfeste Verbindungselemente. Das Verfahren sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen hoher Zug- und Streckgrenze sowie der erforderlichen Zähigkeit zur Aufnahme äußerer und dynamischer Belastungen. Die Festigkeitsklassen 8.8, 10.9 und 12.9 werden durch kontrolliertes Vergüten gemäß den geltenden Anforderungen hergestellt.

FESTIGKEITSKLASSEN VON VERBINDUNGSELEMENTEN UND WÄRMEBEHANDLUNG

Festigkeitsklassen definieren mechanische Mindestanforderungen, schreiben jedoch keine bestimmte handelsübliche Stahlsorte vor. Werkstoff und Herstellungsverfahren werden so ausgewählt, dass die erforderlichen mechanischen und physikalischen Eigenschaften erreicht werden.

Festigkeitsklasse	Typische Verarbeitung oder Wärmebehandlung	Mindestzugfestigkeit R_m (MPa)	Typische Werkstoffgruppe
4.6	Üblicherweise nicht vergütet; das Verfahren wird so gewählt, dass die vorgeschriebenen Eigenschaften erreicht werden	400	Kohlenstoffarmer Stahl
4.8	Üblicherweise nicht vergütet; Kaltumformung oder Spannungsarmglühen kann eingesetzt werden	420	Kohlenstoffarmer Stahl
5.6	Üblicherweise nicht vergütet; das Verfahren wird so gewählt, dass die vorgeschriebenen Eigenschaften erreicht werden	500	Kohlenstoffstahl
5.8	Üblicherweise nicht vergütet; Kaltumformung oder Spannungsarmglühen kann eingesetzt werden	520	Kohlenstoffarmer Stahl oder Kohlenstoffstahl
6.8	Üblicherweise nicht vergütet; das Verfahren wird so gewählt, dass die vorgeschriebenen Eigenschaften erreicht werden	600	Kohlenstoffstahl
8.8, d ≤ 16 mm	Vergütet	800	Kohlenstoffstahl oder borlegierter Stahl
8.8, d > 16 mm	Vergütet	830	Borlegierter oder anderer legierter Stahl
10.9	Vergütet	1.040	Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, borlegierter Stahl oder legierter Stahl
12.9	Vergütet	1.220	Legierter Stahl

Hinweis: Die Mindestwerte der Zugfestigkeit basieren auf ISO 898-1 für anwendbare Schrauben und Gewindestifte aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl, die bei Raumtemperatur geprüft werden. Werkstoffsorten, chemische Zusammensetzungen und Herstellungsverfahren können je nach Hersteller, Abmessungen des Verbindungselements und Produktspezifikation variieren.

EINSATZHÄRTEN

Das Einsatzhärten ist ein Aufkohlungsverfahren, das in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre durchgeführt wird. Dabei diffundiert Kohlenstoff in die Oberfläche des erwärmten Bauteils und bildet eine dünne Schicht, die für eine hohe Verschleißbeständigkeit gehärtet werden kann, während der Kern zäher und duktiler bleibt. Einsatzhärten wird häufig bei Blechschrauben, gewindeformenden Schrauben, gewindeschneidenden Schrauben, Spanplattenschrauben und bestimmten Bohrschrauben eingesetzt. Verwandte Verfahren sind Carbonitrieren, Salzbadnitrieren und Gasnitrieren.

INDUKTIONSHÄRTEN

Für spezielle Anwendungen kann eine verschleißbeständige Schicht erzeugt werden, indem ein ausgewählter Bereich mithilfe einer Hochfrequenz-Induktionsspule ohne direkten Kontakt zum Werkstück schnell erwärmt wird. Der erwärmte Bereich wird anschließend in Öl, Wasser oder einem anderen kontrollierten Medium abgeschreckt.

Das Induktionshärten wird eingesetzt, wenn nur ein bestimmter Bereich eines Bauteils eine höhere Härte und Verschleißbeständigkeit benötigt. Es kann auch für lange Bauteile wie Gewindestangen geeignet sein. Das nachfolgende Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen dem Kohlenstoffgehalt des Stahls, den Wärmebehandlungstemperaturen, den Stahlkategorien und den resultierenden mechanischen Eigenschaften.

Diagramm zum Zusammenhang zwischen Kohlenstoffgehalt, Wärmebehandlungstemperaturen, Stahlsorten und mechanischen Eigenschaften

Zusammenhang zwischen Kohlenstoffgehalt, Wärmebehandlungstemperaturen, Stahlkategorien und mechanischen Eigenschaften

HÄUFIG GESTELLTE FRAGEN ZUR WÄRMEBEHANDLUNG

Warum müssen hochfeste Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8, 10.9 und 12.9 vergütet werden?

Durch das Abschrecken entsteht das harte martensitische Gefüge, das für eine hohe Festigkeit erforderlich ist. Im unmittelbar abgeschreckten Zustand ist das Verbindungselement jedoch zu spröde. Daher wird es direkt anschließend angelassen, um Eigenspannungen abzubauen und die Zähigkeit wiederherzustellen, während ein Großteil der Festigkeit erhalten bleibt. Zusammen sorgen diese Verfahren für das erforderliche Gleichgewicht aus Zugfestigkeit, Streckgrenze und Duktilität bei hochfesten Schraubenverbindungen.

Was ist der Unterschied zwischen Einsatzhärten und Durchhärten?

Beim Durchhärten wird das Gefüge über den gesamten Querschnitt des Verbindungselements verändert, üblicherweise durch Härten und Anlassen. Beim Einsatzhärten entsteht dagegen nur eine dünne, harte und verschleißbeständige Außenschicht, während der Kern zäher und duktiler bleibt. Dieses Verfahren wird häufig bei Blechschrauben, gewindeformenden Schrauben, gewindeschneidenden Schrauben, Spanplattenschrauben und bestimmten Bohrschrauben eingesetzt.

Kann eine Wärmebehandlung rückgängig gemacht werden?

Eine Wärmebehandlung kann nicht einfach so rückgängig gemacht werden, dass die ursprünglichen Eigenschaften garantiert wiederhergestellt werden. Durch Glühen kann gehärteter Stahl weicher gemacht und anschließend gegebenenfalls erneut kontrolliert wärmebehandelt werden. Kornwachstum, Entkohlung, Verzug und frühere Bearbeitungsschritte können das Endergebnis jedoch beeinflussen. Schweißen oder unkontrolliertes Erwärmen kann die Festigkeit eines wärmebehandelten Verbindungselements verringern und sollte nur durchgeführt werden, wenn dies durch ein freigegebenes Verfahren ausdrücklich erlaubt ist.

Wie kann ich feststellen, ob meine Verbindungselemente ordnungsgemäß wärmebehandelt wurden?

Kopfkennzeichnungen geben die angegebene Festigkeitsklasse und den Hersteller an, belegen jedoch allein nicht, dass eine bestimmte Produktionscharge ordnungsgemäß wärmebehandelt wurde. Die Überprüfung kann Härteprüfungen, Zugprüfungen, chemische Analysen und metallografische Untersuchungen umfassen. Das akkreditierte Labor von Fabory kann die mechanischen Eigenschaften und das Gefüge beurteilen.

Beeinflusst die Wärmebehandlung die Oberflächenbeschichtung von Verbindungselementen?

Die Wärmebehandlung wird üblicherweise vor dem Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung abgeschlossen. Beim galvanischen Verzinken kann Wasserstoff in hochfesten oder randschichtgehärteten Stahl eindringen. Daher muss das Beschichtungsverfahren die Anforderungen der ISO 4042 erfüllen und geeignete Maßnahmen zur Risikominderung umfassen. Eine nachträgliche Wärmebehandlung zur Wasserstoffentfernung kann das Risiko einer wasserstoffinduzierten Versprödung reduzieren, jedoch nicht vollständig ausschließen. Für das Feuerverzinken von Verbindungselementen gilt ISO 10684. Die Eignung hängt von der Festigkeitsklasse, dem Werkstoff, dem Beizverfahren, der Verzinkungstemperatur und der ursprünglichen Anlasstemperatur ab. Bei hochfesten Verbindungselementen muss die Eignung der Beschichtung stets geprüft werden.

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WEITERFÜHRENDE TECHNISCHE LEITFÄDEN

Feuerverzinken — Erfahren Sie, wie feuerverzinkte Beschichtungen mit wärmebehandelten Verbindungselementen zusammenwirken und warum ISO 10684 für Verbindungselemente mit Gewinde gilt.
Galvanisches Verzinken und Zinklegierungsbeschichtungen — Erfahren Sie mehr über galvanische Beschichtungssysteme und die Risiken einer wasserstoffinduzierten Versprödung.
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Zuletzt aktualisiert: Juli 2026