Grundlagen des Schmiedens und der Wärmebehandlung

[Xerxes]

Hallo Leute,

ich hab schon vor einiger Zeit angefangen für mich einige Grundlagen über das Schmieden und die Wärmebehandlung von Stählen aufzuschreiben. Im Laufe der Zeit ist daraus ein mehr oder weniger zusammenhängender Text geworden. Den möchte ich euch nicht vorenthalten.

Ich denke, dass dieser Text besonders für Anfänger ganz hilfreich sein kann und einige Aspekte durchleuchtet. Ich habe dabei versucht die teilweise doch recht komplizierten Sachverhalte möglichst einfach zu beschreiben, trotzdem ist es streckenweise nicht ganz so leicht geworden.

Ich muss allerdings sagen, dass dieser Text nur einen Auszug meinen jetzigen Wissensstand wiedergibt und ich garantiere nicht für die Richtigkeit. Ich bin gerne bereit den Text zu ergänzen oder zu korrigieren und hoffe da auf eure Mitarbeit. Allerdings fände ich es schade, wenn dieser Thread mit allen möglichen Kommentaren zugeschrieben und total unübersichtlich würde. Daher werde ich hier einen Diskussionsthread einrichten. Wenn allerdings jemand den Text selbstständig ergänzen möchte, kann er/sie das natürlich machen...

Los gehts:

1 – Eine kleine Stahlkunde:

Jede metallische Legierung, deren Hauptbestandteil Eisen ist und die einen Kohlenstoffgehalt zwischen ca. 0,02% und 2,06% hat, kann als Stahl bezeichnet werden. Wenn ein Stahl mehr als ca.
2,06% Kohlenstoff hat, liegt dieser bereits im sog. ledeburitischen Bereich und
wird somit als Gusseisen bezeichnet und ist konventionell nicht ohne Weiteres schmiedbar und somit für uns nicht zu gebrauchen (dies bezieht sich auf relativ reine Kohlenstoffstähle). Allerdings haben schon Stähle mit 1,7% Kohlenstoff ledeburitische Anteile und sind nicht
unproblematisch zum Schmieden. Im reinsten Fall bestehen besteht Stahl also nur
aus Eisen und Kohlenstoff. Moderne Stähle enthalten allerdings immer noch
andere Legierungselemente. Auch die sog. „reinen“ Kohlenstoffstähle haben immer gewisse
Anteile anderer Legierungselemente, z.B. Mangan und Silizium. Neben diesen „Hauptelementen“ können Stähle noch eine ganze Reihe verschiedener Legierungselemente wie Chrom, Vanadium, Wolfram usw. enthalten, die sich stark auf die physikalischen Eigenschaften des Stahls auswirken.

Für Klingenstähle ist der
Kohlenstoff mit Abstand das wichtigste Element. Der Kohlenstoff macht den Stahl
überhaupt erst härtbar und damit für Messer brauchbar. Um effektiv gehärtet
werden zu können, braucht ein "reiner" Kohlenstoffstahl mindestens
0,35 Massenprozent Kohlenstoff. Zum Härten später mehr.

Je höher der Kohlenstoffgehalt,
um so härter und verschleißfester kann ein Stahl gehärtet werden. Um so härter
ein Stahl wird, um so mehr verliert er aber auch seine Zähigkeit und wird
spröder. Diese Sprödigkeit kann man in etwa mit einem Feuerstein vergleichen.
Dieser Stein ist einer der härtesten Steine der Welt. Bei starken Schlägen
zersplittert er allerdings, ebenso, wie ein zu harter und spröder Stahl bei
starker Belastung zersplittern würde. Bei Stählen spricht man dann von einer
sog. Glashärte.

Bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,8% hat ein „reiner“ Kohlenstoffstahl sein sog. Eutektikum erreicht. Das bedeutet, dass er mit Kohlenstoff gesättigt ist. Im gehärteten Zustand ist im Idealfall (bei idealer Härtung) der gesamte Kohlenstoff mit dem gesamten Eisen eine Verbindung eingegangen und hat das sog. Martensit gebildet. Martensit ist der Gefügezustand von Eisen und Kohlenstoff, den wir als Härte spüren (dazu später mehr). Hat ein Stahl weniger
als 0,8% Kohlenstoff, so reicht der Kohlenstoffgehalt nicht für eine
vollständige martensitische Umwandlung des gesamten Gefüges und im gehärteten Stahl bleiben
neben dem entstandenen Martensit noch Reste von nicht gehärteten Eisen und
Kohlenstoff (Diese „Reste“ können je nach Abkühlgeschwindigkeit Ferrit, Perlit oder Bainit
etc. sein. Nicht so wichtig!). Diese Kombination aus nicht oder nur teilweise gehärteten
Eisen/Kohlenstoff und Martensit macht den Stahl besonders Zäh, weshalb Stähle
mit zwischen 0,5% und 0,75% Kohlenstoff gerne als Federstähle verwendet werden.
Solche Stähle mit weniger als 0,8% Kohlenstoff bezeichnet man als untereutektoide Stähle.
Hat ein Stahl mehr als 0,8% Kohlenstoff, so bleibt nach der vollständigen
martensitischen Umwandlung beim Härten noch überschüssiger Kohlenstoff
vorhanden, der sich im Gefüge des Stahls neben dem Martensit anordnet. Dieser
Kohlenstoff liegt dort nicht in Reinform vor, sondern ist selbst eine Verbindung aus
Kohlenstoff und Eisen. Man nennt diese Art der Verbindungen, in denen sich Eisen oder Legierungselemente mit Kohlenstoff zu harten „Partikeln“ verbinden Karbide, in diesem Fall also ein Eisenkarbid, das sogenannte Zementit. Wenn Zementit im gehärteten Stahl vorliegt, macht es
diesen besonders hart und verschleißfest, gleichzeitig reduziert es allerdings auch
die Zähigkeit. Deshalb werden hoch-kohlenstoffhaltige Stähle z.B. für
Schneidmesser und Feilen benutzt, die eine hohe Schärfe, Schnitthaltigkeit und
Standzeit brauchen, die aber keinen starken mechanischen Belastungen ausgesetzt
werden. Solche Stähle sind z.B. für feine Küchenmesser besonders interessant. Kohlenstoffstähle
mit mehr als 0,8% Kohlenstoff bezeichnet man als übereutektoide Stähle.

Neben dem Kohlenstoff haben auch die Legierungselemente gravierende Auswirkungen auf die Eigenschaften sowie die richtige Wärmebehandlung der Stähle. Wie bereits beschrieben enthalten moderne Stähle, auch reine Kohlenstoffstähle, immer geringe Anteile an Mangan und
Silizium. In der Regel zwischen 0,3% und 0,5%. Besonders Mangan steigert die
Durchhärtbarkeit und senkt die Umwandlungsfreudigkeit der Stähle (außerdem steigert
es die Zähigkeit und Schweißbarkeit), was dazu führt, dass sich der Bereich der
maximalen und minimalen Abkühlgeschwindigkeit der Stähle beim Härten verschiebt
(dazu mehr beim Thema Härten). Das hat die Konsequenz, dass alle modernen
Stähle die wir fürs Messermachen verwenden in Öl statt in Wasser gehärtet
werden sollten. Das trifft auch auf Stähle zu, die explizit als „Wasserhärter“
ausgezeichnet sind. Diese Angaben beziehen sich in der Regel auf Probewürfel
mit deutlich größeren Querschnitten. Bei solch großen Werkstücken wäre eine
Wasserhärtung angebracht, um eine ausreichende Einhärtung zu erreichen. Bei den
geringen Querschnitten, wie sie bei der Herstellung von Messern vorliegen, wäre eine Wasserhärtung jedoch fatal. Die Abschreckung glühender Stähle
in Wasser ist um ein vielfaches schneller und schroffer als in Öl. Wenn Stähle jedoch
schneller als die jeweilige maximale Abkühlgeschwindigkeit es zulässt,
abgekühlt werden, neigen sie extrem zu Rissbildung. Wer etwas mehr Erfahrung mit dem Härten hat, kann sich mit einer „fraktionierten“ Härtung, erst in Wasser, dann in Öl, versuchen. Dazu später mehr…

Kurze Anmerkung, historische
Rennstähle enthalten, anders als moderne Stähle, in der Regel neben Kohlenstoff
so gut wie keine anderen Legierungselemente (von Phosphor und Schwefel mal
abgesehen, die sind nochmal ne ganz eigene Sache). Das macht diese Stähle sehr
„umwandlungsfreudig“ was wiederum zur Folge hat, dass diese Stähle sehr
schnell abgekühlt werden müssen damit sie vollständig härten. Bei solchen
Stählen wäre auch bei dünneren Querschnitten eine Wasserhärtung angebracht. Aber
eben nicht bei modernen Stählen…

Das Silizium hat einen ähnlichen
Effekt wie Mangan, wobei es besonders stark die Zähigkeit und die
Federeigenschaften der Stähle begünstigt. Daher wird Silizium vielen
Federstählen in höheren Mengen zugesetzt. Zusätzlich hat Si als sog. Karbidbildner
noch die Eigenschaft, erst bei höheren Temperaturen in Lösung zu gehen, wodurch
die Härtetemperatur von siliziumlegierten Stählen in der Regel höher liegt als
die von „reinen“ Kohlenstoffstählen. Was es mit diesen Karbiden und der
Löslichkeit auf sich hat kommt später… Außerdem verhindert Si ab einer gewissen
Konzentration die sog. Blausprödigkeit…

Neben Si und Mg, die in allen modernen Stählen in gewissen Mengen vorhanden sind, gibt es noch eine ganze Reihe anderer Legierungselemente. Die Wichtigsten sind Chrom, Vanadium,
Wolfram, Nickel, Molybdän, Niob, Titan, Tantal, Kobalt.

Auch diese Legierungselemente
können mit Kohlenstoff Verbindungen eingehen und ihrerseits Karbide bilden. Das
können z.B. Chromkarbide, Vanadiumkarbide, Wolframkarbide etc. sein. Dazu aber
mehr unter Wärmebehandlung…

 

[Xerxes]

Grundlagen der Warmformgebung:

Auf versch. Techniken wie das Strecken, Stauchen, Abschroten etc. gehe ich hier nicht weiter ein. Das kann man sich mit ein bisschen Geduld auch selber beibringen. Ich gebe hier ein
paar Theoretische Grundlagen zur richtigen Behandlung der Stähle.

Je höher der Kohlenstoffgehalt eines Stahls, um so niedriger liegt der Schmelzpunkt des
Stahls. Bei einem Stahl mit 1,5% Kohlenstoff haben wir schon bei ca. 1250 Grad die ersten
Schmelzanteile im Stahl. Zum Vergleich, bei 0,4% Kohlenstoff passiert das erst
bei knapp 1500 Grad. Das hat zur Folge, dass mit steigendem Kohlenstoffgehalt
die maximale Schmiedetemperatur sinkt, da der Stahl bei zu hohen Temperaturen
Schaden nimmt.

Gleichzeitig erhöht sich die Kaltfestigkeit des Stahls mit steigendem Kohlenstoffgehalt. Fast
reines Eisen kann man auch im kalten Zustand sehr gut umformen/schmieden. Es
lässt sich sehr leicht verformen und verfestigt sich nur wenig. Bei einem Stahl
mit hohem Kohlenstoffgehalt ist das nicht so einfach. Erstens ist er kalt
wesentlich fester und zweitens verfestigt er sich beim Kaltverformen stark. Die
Kaltverfestigung hat allerdings ihre Grenzen. Wenn ein Stahl immer weiter kaltverformt wird, bekommt er irgendwann Risse. Das heißt, je
mehr Kohlenstoff ein Stahl hat, um so weniger verträgt er das Kaltschmieden.

Das hat folgende
Konsequenzen: Je höher der Kohlenstoffgehalt ist, um so kleiner ist der
Temperaturbereich, in dem ein Stahl ohne Schaden zu nehmen geschmiedet werden
kann. Denn wenn man mit der Temperatur zu hoch geht, wird das Gefüge des Stahls
massiv geschädigt. Man erkennt es z.B. an dem verbrennenden Kohlenstoff in den
Randschichten des Stahls, der bei zu hohen Temperaturen anfängt Funken zu
sprühen. Das sollte man aber tunlichst vermeiden, denn wenn der Stahl Funken
sprüht, ist es meistens schon zu spät. Wird der Stahl beim Schmieden zu kalt
und weiter umgeformt, kann er Risse bekommen.

Prinzipiell sollte man
beim Schmieden so vorgehen. Man erhitzt den Stahl auf hohe Temperaturen,
meistens ein helles Gelb (nicht gelb-weiß), und beginnt ihn zu schmieden. Man
sollte mit kräftigen Schlägen und großer Umformung beginnen. Je mehr der Stahl
unter dem Hammer abkühlt, um so um so schwächer sollten die Schläge werden, bzw. um so geringer sollte die Umformung sein. Das verhindert einerseits
Risse, die bei zu starker Umformung im erkalteten Stahl entstehen können,
andererseits wirkt sich dieser Vorgang positiv auf das Gefüge des Stahls aus.
Mehr dazu unter Wärmebehandlung. Spätestens wenn der Stahl zu einem dunklen Rot
abgekühlt ist, wird es Zeit den Stahl wieder zu erhitzen. Der Stahl sollte
prinzipiell nur so lange wie absolut nötig in der Esse bleiben und mit möglichst
wenig Wärmen (Aufwärmphasen) in Form geschmiedet werden.

Ich gehe dabei
folgendermaßen vor: Ich versuche mein Werkstück mit möglichst wenig
Aufwärmphasen und mit starker Umformung grob in Form zu schmieden. Dabei
schmiede ich in einem relativ hohen Temperaturbereich zwischen hellgelb/gelb
und orange. Wenn ich die grobe Form herausgearbeitet habe, beginne ich, bei
niedrigeren Schmiedetemperaturen und mit schnelleren aber weniger kräftigen
Schlägen, das Stück in seine Endform zu bringen. Der Stahl sollte sich bei diesem feinen
Ausschmieden nicht über ein Orange aufwärmen, besser ist ein sattes kirschrot.
Das bedeutet natürlich auch, dass man öfter wieder aufwärmen muss.

Das ist auch deshalb zu
empfehlen, weil der Stahl bei diesem Vorgehen nach dem Schmieden bereits ein
günstiges Ausgangsgefüge hat und unnötiges Grobkorn vermieden wird…

Die Stähle sollten
während des Schmiedeprozesses nicht in Wasser abgeschreckt werden. Dabei ist es
egal ob man dies von hohen oder relativ niedrigen Temperaturen tut. Durch eine
schroffe Abkühlung steigt das Risiko einer Rissbildung gewaltig. Wenn man das
Stück unbedingt schneller abkühlen will, sollte man es in Öl tun.

Wenn man mit Fettnuss
oder Koks schmiedet, sollte man das
Werkstück nur ins Feuer legen, wenn die Kohlen im Innern des Feuers schon komplett durchgeglüht und ausgegast sind. Diese
Brennstoffe enthalten nämlich meist viel Schwefel und wenn man frische
Kohlen zum Stahl ins Feuer gibt, kann dieser Stahlschädling über die
Verbrennungsgase in die äußeren Schichten des Werkstückt migrieren und das
Gefüge schädigen. Diese Gefahr sollte man nicht unterschätzen, besonders wenn
man mit hochwertigen Stählen arbeitet und im oberen Bereich des Feuers arbeitet,
wo die Atmosphäre reduzierend ist.

 

[Xerxes]

Wärmebehandlung:

So, jetzt zur
Wärmebehandlung: Dieser Bereich ist mindestens genau so wichtig, wie das
Schmieden und die richtige Stahlwahl. Wenn nicht sogar noch wichtiger. Denn
durch eine schlechte Wärmebehandlung kann man auch den besten Stahl ruinieren.
Andersrum kann man auch aus einfachen Stählen viel Leistung herausholen, wenn
man eine ideale Wärmebehandlung durchführt.

Theoretische Grundlagen:

Reines Eisen liegt bei
Temperaturen unter 911 Grad als sog. Alpha-Eisen vor. Alpha-Eisen bezeichnet im
Grunde die Ausrichtung und Anordnung der Atome im Eisen. Bei reinem Eisen nennt
man diese Gefügeart Ferrit. Erhitzt man reines Eisen über 911 Grad, so
verändert sich die Anordnung der Atome und es bildet sich das sog. Gamma-Eisen.
Dieses Gamma-Eisen nennt man Austenit. Reines Eisen ist allerdings aufgrund
seiner Affinität zu anderen Elementen nur sehr schwer herzustellen und in der
Regel haben alle Bau- und Werkzeugstähle einen gewissen Anteil anderer
Legierungselemente. Schon ab einem Kohlenstoffgehalt von 0,02% verändern sich
die Eigenschaften des Stahls. Mit dem Vorhandensein von Kohlenstoff liegt der
Umwandlungspunkt, in dem sich das Alpha- in Gamma-Eisen umwandelt bei 723 Grad.
Dieser Umwandlungspunkt wird Ac1 genannt und ist für die Wärmebehandlung von
Stählen besonders wichtig. Ferrit kann nur sehr geringe Mengen Kohlenstoff
lösen/aufnehmen. Der Wert liegt irgendwo einige Stellen hinter dem Komma. In
einem ungehärteten Stahl liegt der Kohlenstoff daher in Form von Karbiden vor.
Diese Eisenkarbide, das sog. Zementit, sind Verbindungen aus Eisen und
Kohlenstoff. Da Kohlenstoff nicht in unbeschränkten Mengen im Stahl vorliegen kann,
geht auch nie das ganze Eisen mit dem Kohlenstoff eine Verbindung ein. Das
bedeutet, dass in ungehärteten Stählen sowohl Zementit als auch Ferrit
nebeneinander vorliegen, bzw. dass das Zementit ins Ferrit eingebettet ist (wie ein Kuchenteig in dem Rosinen stecken). Dieses Gefüge, in dem sowohl Zementit als auch Ferrit vorhanden
sind, wird Perlit genannt. Wenn ich nun einen Stahl erhitze, lösen sich die
Eisenkarbide (Zementit) mit steigender Temperatur auf. Ab einer bestimmten
Temperatur liegen nun Eisen und Kohlenstoffatome völlig voneinander getrennt
vor und sind nicht mehr als feste Verbindungen vorhanden. Die genaue Temperatur
der vollständigen Lösung ist bei jedem Stahl etwas unterschiedlich und hängt vom Kohlenstoffgehalt und den anderen Legierungselementen ab. Besonders
wichtig ist allerdings folgender Richtwert. Ein Stahl mit 0,8% Kohlenstoff ist
genau bei 723 Grad vollständig in Lösung gegangen. Wir können also sagen, dass
alle reinen Kohlenstoffstähle mit einem Kohlenstoffgehalt bis max. 0,8% bei 723
Grad vollständig in Lösung gegangen sind. Bei höheren Kohlenstoffgehalten findet
die vollständige Lösung dementsprechend erst bei höheren Temperaturen statt.

Wie eben beschrieben,
klappt bei einer Temperatur von 723 Grad das Alpha-Eisen in Gamma-Eisen um. Der
Einfachheit halber spreche ich ab jetzt nur noch von Perlit (Alpha-Eisen) und
Austenit (Gamma-Eisen). Diese Temperatur von 723 Grad bleibt bei allen reinen
Kohlenstoffstählen konstant, unabhängig vom Kohlenstoffgehalt. Wenn ich eben
davon gesprochen habe, dass sich der Zementit bei bestimmten Temperaturen
auflöst und Eisen und Kohlenstoff dann voneinander getrennt vorliegen, so war
das nur halb richtig. Denn das Austenit, welches bei Temperaturen über 723 Grad
entsteht, ist in der Lage eine gewisse Menge Kohlenstoff zu lösen. Das liegt
daran, dass sich die Anordnung der Eisenatome ändert und zwischen ihnen mehr
Platz entsteht, in den die Kohlenstoffatome hinein wandern können. Und das tun
sie auch;-) Also, bei einer Temperatur von 723 Grad klappt das Perlit in
Austenit um, die Karbide haben sich entweder vollständig oder doch größtenteils
gelöst und der so frei gewordene Kohlenstoff ist nun im Austenit gelöst. Wenn
ich nun einen Kohlenstoffstahl aus einer Temperatur über 723 Grad schnell
abkühle, klappt das Austenit (Gamma-Eisen) wieder ins Alpha-Eisen um. Wir
erinnern uns, Alpha-Eisen kann eigentlich nur sehr wenig Kohlenstoff
lösen. Nun müsste sich ja eigentlich der Kohlenstoff wieder aus dem Austenit
lösen und es müssten sich erneut Eisenkarbide bilden. Genau das würde auch
passieren, wenn man den Stahl langsam abkühlen lässt. Da der Kohlenstoff
allerdings etwas träge ist und so seine Zeit braucht, um sich aus dem Austenit
wieder zu befreien, schafft er es bei einer schnellen Abkühlung nicht mehr sich
aus dem Austenit zu lösen und erneut Karbide (Zementit) zu bilden. Der
Kohlenstoff wird dann sozusagen im Gefüge eingeklemmt. Wir haben also dann Alpha-Eisen,
in dessen Gefügestruktur die Kohlenstoffatome gefangen sind. Durch den gefangenen
Kohlenstoff verzerrt sich das Gefüge enorm und diese neue, verzerrte Gefügeart, nennt man Martensit. Gerade diese Verzerrung oder Verspannung ist es, die wir dann
als Härte des Stahls spüren. Also, wenn wir einen Stahl aus einer Temperatur
oberhalb von 723 Grad schnell abkühlen, bildet sich eine neue Gefügeart, das
Martensit, und der Stahl wird gehärtet.

Oben habe ich schon mal
angesprochen, dass besonders reine Stähle auch besonders umwandlungsfreudig
sind. Das ist allerdings etwas missverständlich. Dieser Begriff bedeutet
nämlich nicht, wie es anzunehmen wäre, dass diese Stähle besonders leicht zu
härten sind, sondern genau das Gegenteil. Bei einem sehr umwandlungsfreudigen
Stahl kann sich der Kohlenstoff beim abkühlen besonders schnell wieder aus dem
Austenit lösen und erneut Eisenkarbide bilden. Das bedeutet, dass man sehr
reine und damit umwandlungsfreudige Stähle besonders schnell abschrecken muss, damit
der Kohlenstoff im Gefüge eingefangen wird und sich Martensit bildet. Solche
sehr reinen Stähle sind z.B. historische Rennstähle, da sie herstellungsbedingt
nur sehr geringe Spuren an Legierungselemente enthalten. Diese Stähle sollten wie beschrieben in Wasser gehärtet werden. Die modernen Werkzeugstähle sollten
aber, wie oben beschrieben, in Öl gehärtet werden.

So, wie wir schon
festgestellt haben, geht ein Stahl mit bis zu 0,8% Kohlenstoff bei 723 Grad
vollständig in Lösung. Da man allerdings häufig auch Stähle verwendet, die
deutlich mehr als 0,8% Kohlenstoff enthalten (übereutektoide Stähle), sei das
hier auch nochmal kurz beschrieben. Je höher der Kohlenstoffgehalt, um so höher
müsste man mit der Temperatur gehen, um sämtliche Karbide aufzulösen. Bei einem
Stahl mit ca. 1,4% Kohlenstoff (wie z.B. bei guten Feilen) wäre die
vollständige Lösung erst bei knapp 1000 Grad erreicht. Solche Temperaturen sind
aus versch. Gründen jedoch viel
zu hoch zu Härten. Man bleibt daher bei Stählen mit mehr als 0,8% Kohlenstoff deutlich
unter der Temperatur der vollständigen Lösung. Bei reinen Kohlenstoffstählen
liegt diese Temperatur in der Regel zwischen 790 und 830 Grad. Bei diesen
Temperaturen losen sich allerdings, wie schon beschrieben, nicht alle Karbide auf. Da sich bei 723 Grad
0,8% Kohlenstoff gelöst hat, hat sich bei der durchschnittlichen
Härtetemperatur von ca. 800 Grad ungefähr 1,0% Kohlenstoff gelöst. Das
bedeutet, dass 0,4% Kohlenstoff noch in Form von Karbiden vorliegen. Härte ich
diesen Stahl nun, bilden natürlich nur 0,8% Kohlenstoff das Martensit (es waren zwar 1,0% Kohlenstoff gelöst aber wir erinnern uns, bei 0,8% Kohlenstoff haben wir das Eutektikum erreicht und der Stahl ist gesättigt). Die restlichen 0,6% Kohlenstoff,
die teilweise gar nicht gelöst wurden bzw. kein Martensit gebildet haben, bleiben in Form von Karbiden erhalten. Das
bedeutet, dass das Härtegefüge (Martensit) von übereutektoide Stählen immer durchsetzt mit Eisenkarbide (Zementit) ist. Diese Zementiteinlagerungen im Martensit machen
den Stahl besonders hart, verschleißfest und schnitthaltig aber eben auch
weniger zäh…

Die versch. Legierungselemente
wie Chrom, Vanadium, Wolfram etc. haben ganz besondere Auswirkungen auf die
Stähle. Diese Elemente haben eine starke „Affinität“ (bin mir nicht ganz sicher, ob man in diesem Zusammenhang von Affinität spricht, fragt die Chemiker) zu Kohlenstoff und gehen,
ähnlich wie Eisen, mit Kohlenstoff eine Verbindung ein und bilden Karbide. Das
können dann z.B. Chromkarbide, Vanadiumkarbide usw. sein. Diese Karbide haben
unterschiedliche Eigenschaften. Erstens lösen sich diese Karbide erst bei höheren Temperaturen vollständig auf und dann brauchen sie auch mehr Zeit um sich zu lösen. Und als
Drittes blockieren sie quasi den im Austenit gelösten Kohlenstoff, so dass
dieser wesentlich mehr Zeit braucht, um sich beim Abkühlen aus dem Austenit zu
lösen. Das bedeutet, je höher die Konzentration an Legierungselementen ist, um
so weniger umwandlungsfreudig ist ein Stahl und um so weniger schnell muss er
abgeschreckt werden, um vollständig zu härten. Dass kann so weit gehen, das
Stähle zu sog. Lufthärtern werden. Bei diesen Stählen ist selbst die Abkühlung
an der Luft schnell genug, dass sie vollständig härten. Außerdem setzen diese
Legierungselemente den Umwandlungspunkt Ac1 herauf. Das bedeutet, bei legierten
Stählen kann es sein, dass das Perlit erst bei z.B. 750 Grad (oder noch höheren
Temperaturen) in Austenit umklappt. Also, stärker legierte Stähle haben in der
Regel höhere Härtetemperaturen. Welche genau, entnehmt ihr dem jeweiligen
Datenblatt der Stähle.

 

[Xerxes]

Soviel zur Theorie des Härtens, jetzt zur Praxis:

Die Klinge wird vor dem
Härten weitestgehend in Form geschliffen. Dabei muss man folgendes beachten.
Beim Härten dehnt sich der Stahl aus. Bei einem Messer ist der Rücken in der
Regel wesentlich dicker als die Schneide. Das bedeutet auch, dass der Rücken
sich stärker ausdehnt als die Schneide, einfach weil dort mehr Masse ist. Der
Rücken drückt nach dem Härten quasi gegen die Schneide, bzw. drückt die Schneide zusammen und staucht sie.. Wenn die Schneide vor
dem Härten zu dünn ausgeschliffen ist, kann das zu unangenehmen Verzug führen.
Die Klinge kann sich, quasi als Ausweichbewegung, wie ein Korkenzieher
verdrehen oder die Schneide kann sich wellen. Mit etwas Glück biegt sich auch
die gesamte Klinge gleichmäßig nach Vorne. Da muss man aber schon sehr sauber
vorgearbeitet haben und zusätzlich noch Glück haben. Einen solchen Verzug kann
man aber weitestgehend vermeiden, wenn man folgende Regeln beachtet.

Je länger die Klingen,
um so mehr Material schiebt von hinten gegen die Schneide. Außerdem sind sehr
hohe und insgesamt dünne Klingen auch nicht unproblematisch. Hier ist die
Schneide einfach über eine lange Strecke sehr dünn, so dass wenig Material da
ist, welches den Spannungen beim Härten standhalten könnte. Also, je größer und
höher ein Messer ist, um so dicker muss die Schneide beim Härten sein. Da kann
man leider nicht wirklich konkrete Werte nennen, da der Verzug noch von
weiteren Faktoren abhängt. Aber mal so als kleiner Richtwert. Die Schneide
einer Messerklinge mit 80mm Länge, einer Höhe von 25mm und einer Dicke von
2,5mm kann ich an der Schneide auf 0,1-0,2mm Dicke ausschleifen, ohne das es
problematischen Verzug gibt. Bei einem größeren Kochmesser mit einer
Klingenlänge von 200mm, einer Klingenhöhe von 45mm und einer Dicke von 3mm muss
ich aber locker 0,3-0,5mm an der Schneide stehen lassen, damit es keinen
schlimmen Verzug gibt. Das sind meine persönlichen Erfahrungen, Andere haben vielleicht andere Erfahrungen.

Also, die Klinge
(weitestgehend auf Endform geschmiedet und geschliffen), wird nun gleichmäßig
auf Härtetemperatur gebracht. Dass kann z.B. im Kohlenfeuer mit stark reduzierter
Luftzufuhr, in der Gasesse oder im Härteofen passieren. Man muss dabei sehr sorgfältig vorgehen, damit sich die
Klinge wirklich gleichmäßig erhitzt. Es sollte vermieden werden, dass sich die
Klinge stärker als die Härtetemperatur erhitzt. Besonders die dünnen Spitzen
neigen dazu, sich sehr schnell zu überhitzen (bei Härteöfen eigentlich kein Problem). Bei den meisten reinen
Kohlenstoffstählen sollte man eine Temperatur von ca. 800 Grad anstreben. Das
ist ein sattes Kirschrot, eine Glühfarbentabelle findet ihr z.B. bei Tante Wiki.
Dunkelt den Raum dabei unbedingt ab, wenn es zu hell in der Schmiede ist, kann
man die Glühfarbe nicht richtig einschätzen und die Klinge wird meistens zu
heiß. Bei niedriglegierten Stählen, also Stählen mit versch. Legierungselementen
wie Chrom, Wolfram etc., können die Härtetemperaturen deutlich höher liegen.
Außerdem muss man einiger dieser Stähle eine gewisse Zeit auf Temperatur
halten, damit eine vollständige Härtung stattfinden kann. Man sollte sich also
bei dem jeweiligen Stahl genau informieren, welche Härtetemperatur etc. er hat.

Die gleichmäßig
glühende Klinge wird nun in 60-80 Grad heißem Speiseöl abgekühlt. Nehmt einfach
das billigste Rapsöl aus dem Supermarkt. Es ist wichtig, dass man die Klinge
direkt aus der Glut ins Öl gibt, ohne dass sie sich bereits an der Luft abkühlt. Man
schwenkt die Klinge nun vorsichtig auf und ab (nicht seitlich), bis sie sich
bis auf Öltemperatur abgekühlt hat. Dann nimmt man die Klinge aus dem Öl und
lässt sie an der Luft bis auf Raumtemperatur abkühlen. Direkt nachdem man die
Klinge aus dem Öl genommen hat, hat man noch ca. 30 Sekunden um sie vorsichtig
zu richten. Denn nach dem Abschrecken dauert es noch eine gewisse Zeit, bis
sich das Martensit vollständig gebildet hat. In dieser Zeit kann man die Klinge
noch vorsichtig verformen. Das kann man entweder von Hand (also mit Handschuhen
oder Lappen, Vorsicht, Klinge ist noch heiß) oder mit vorsichtigen Schlägen mit
einem Holz- oder Kunststoffhammer machen. Sobald die Klinge sich auf
Raumtemperatur abgekühlt hat, muss sie umgehend in den Backofen zum anlassen. Maximal
dürfen 30 Minuten zwischen Härten und Anlassen verstreichen. Das ist aber nicht
optimal, wesentlich besser ist es direkt nach dem Härten.

Zwei Sachen gibt es
noch, die beim Härten zu beachten sind. Das erste bezieht sich auf den
Umwandlungspunkt Ac1. Dieser liegt normalerweise bei 723 Grad. Dieser Wert
bezieht sich allerdings auf Stähle, die langsam aufgeheizt oder abgekühlt
werden. Wenn dieses Aufheizen oder Abkühlen schnell passiert, so verschiebt
sich der Umwandlungspunkt. Beim Aufheizen verschiebt er sich nach oben, beim
Abkühlen nach unten. Für das Aufheizen von Kohlenstoffstählen kann man dieses
Phänomen vernachlässigen. Wenn ich einen Stahl z.B. in einem Induktionsofen
sehr schnell auf Härtetemperatur bringe, kann es sein, dass das Gefüge trotz Erreichen
der Härtetemperatur noch nicht vollständig ins Austenitische umgeklappt ist, weil sich der
Umwandlungspunkt nach oben verschonen hat. Bei dem Erhitzen im Schmiedefeuer
oder in konventionellen Härteofen hat man das aber eigentlich nicht zu
befürchten, da die Aufheizung in der Regel nicht ganz so schnell abläuft.

Beim Abschrecken
verschiebt sich der Umwandlungspunkt, bei dem das austenitische Gefüge ins
perlitische Gefüge umklappt, nach unten. Das kann je nach Stahl und
Abschreckgeschwindigkeit sogar bis auf Temperaturen um die 400 Grad
runtergehen. Also deutlich unter den eigentlichen 723 Grad. Der Punkt, bei dem
das Gefüge umklappt entscheidet aber darüber, ob der Stahl vollständig gehärtet
wird oder nicht. Um den Kohlenstoff im Gefüge einzufangen, muss dieser Punkt in
ausreichender Geschwindigkeit durchlaufen werden. Dieser Punkt wird übrigens auch
als die „Perlitnadel“ bezeichnet. Das bedeutet, dass die Klinge, sobald sie ins
Öl gehalten wird, vollständig bis auf eine Temperatur von ca. 200 Grad (besser
bis auf Öltemperatur) abgekühlt werden muss. Ein kurzes Eintauchen bis die
Glühfarbe verschwunden ist, reicht also nicht zum Härten. Außerdem ist es
wichtig, die Klinge beim Abschrecken vorsichtig im Öl zu schwenken. Denn wenn
man die Klinge einfach nur ruhig im Öl hält, bildet sich um die Klinge eine
sehr stark erhitzte „Ölschicht“, die die Klinge isoliert und langsamer abkühlen
lässt. Das kann die Abkühlung so sehr verlangsamen, dass keine vollständige
Härtung stattfindet.

Die zweite Sache ist
folgende. Man muss bedenken, dass sich eine Messerklinge im Öl nie gleichmäßig
abkühlt. Die dünne Schneide und Spitze kühlt in der Regel wesentlich schneller
ab als der Rücken. Dadurch bildet sich auch das Martensit in der Klinge
unregelmäßig. Dass kann zusätzlich zu Verzug führen. Um dem vorzubeugen
empfiehlt es sich, die Klinge waagerecht mit dem Rücken zuerst ins Öl zu
tauchen. Trotzdem erreicht man es nicht, dass die Klinge ganz gleichmäßig abgekühlt
wird und sich das Martensit gleichmäßig bildet. Das bedeutet, dass sich in der
Klinge direkt nach dem Härten teilweise große Spannungen gebildet haben. Diese
Spannungen beeinflussen die Mechanischen Eigenschaften des Stahls negativ und
sollten daher nach dem Härten weitestgehend beseitigt werden. Das passiert
unter Anderen beim Anlassen.

 

[Xerxes]

Anlassen:

So, jetzt gehe ich
nochmal kurz auf ein paar wichtige Prozesse beim Härten ein. Wie wir
festgestellt haben, entsteht die Härte eines Stahls dann, wenn ein Stahl aus
einer Temperatur oberhalb des Umwandlungspunktes Ac1 (723 Grad), in dem das
austenitische Gefüge vorliegt, schnell abgekühlt wird. Dabei klappt das
Austenit (Gamma-Eisen) wieder ins Alpha-Eisen um und klemmt den Kohlenstoff
quasi ein, wodurch sich das Gefüge verzerrt und eine neue Gefügeart entsteht.
Diese neue Gefügeart nennt man Martensit. Nun ist es allerdings so, dass sich
bei einer schnellen Abkühlung nicht das Gesamte Austenit in Martensit
umwandelt. Es bleiben im gehärteten Stahl nämlich noch Reste des austenitischen
Gefüges vorhanden. Der sog. Restaustenit. Restaustenit macht den Stahl
allerdings spröde und gibt ihm allgemein schlechte mechanische Eigenschaften und
muss daher nach dem Härten beseitigt werden. Dazu gleich mehr. Am wenigsten
Restaustenit bleibt im Stahl übrig, wenn der Stahl aus der Härtetemperatur
möglichst tief abgekühlt wird. Also, wenn wir einen Stahl aus der
Härtetemperatur im Abschreckmedium direkt bis auf Raumtemperatur abkühlen
bleibt weniger Restaustenit übrig, als wenn wir den Stahl bei höheren
Temperaturen aus dem Abschreckmedium nehmen (man kann den Stahl auch nach dem
Abschrecken auf Temperaturen unter -70 Grad tiefkühlen, wodurch noch weniger
Restaustenit übrig bleibt). Jetzt könnte man meinen, dass es besser wäre, den
Stahl immer im Abschreckmedium bis auf Raumtemperatur abzukühlen. Das ist
allerdings nicht unbedingt so, denn dadurch wird das Risiko des Verzugs größer
und man beraubt sich der Möglichkeit die Klinge noch zu richten. Denn wenn die
Klinge vollständig im Abschreckmedium bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird,
hat sich beim Herausnehmen bereits so viel Martensit gebildet, dass man die
Klinge nicht mehr ohne großes Bruchrisiko richten kann.

Es gibt nun zwei
Möglichkeiten, den Restaustenit zu beseitigen. Die erste wurde gerade schon
kurz angesprochen. Wenn man den Stahl nach dem Abschrecken tiefkühlt (unter -70
Grad), reduziert sich der Restaustenit drastisch. Der Restaustenit wandelt sich
bei diesem Prozess in Martensit um. Dieses „Tiefkühlmartensit“ hat allerdings
schlechtere mechanische Eigenschaften als das „Härtemartensit“. Daher ist eine
ausschließliche Tiefkühlbehandlung nach dem Härten auch nicht ideal. Die zweite
Möglichkeit ist das erneute Erhitzen der Klinge auf höhere Temperaturen, die allerdings noch unter
dem Umwandlungspunkt Ac1 (723 Grad) liegen. Dabei gibt es nun zwei Effekte.
Einerseits beginnt der Restaustenit sich mit steigenden Temperaturen aufzulösen
und sich in Ferrit und Zementit umzuwandeln. Andererseits beginnt auch das Martensit sich in Ferrit und Zementit
umzuwandeln. Das geht natürlich mit einem Härteverlust einher. Gleichzeitig gewinnt
der Stahl aber auch enorm an Zähigkeit. Das bedeutet, dass man durch ein
erneutes Erhitzen des Stahls nach dem Härten, dessen Härte und Zähigkeit
gezielt einstellen kann. Je höher man dabei mit der Temperatur geht, um so
weicher und zäher wird der Stahl. Dieses erneute Erhitzen nach dem Härten nennt
man Anlassen. Allerdings hängt diese Umwandlung nicht bloß von der Temperatur
sondern auch von der Zeit ab. Denn der Umwandlungsprozess ist nicht schlagartig
beim Erreichen einer Temperatur abgeschlossen sondern schreitet weiter voran.
Als Beispiel: Wir gehen von zwei identischen Stücken Stahl aus, die aus dem
gleichen Stahl bestehen und beide direkt nach dem identischen Härten eine Härte
von 65hrc haben. Der eine Stahl kann im Anschluss an das Anlassen bei einer
Anlasstemperatur von z.B. 180 Grad und zwei Stunden Haltezeit eine geringere
Härte aufweisen, als das zweite Stück, welches nur eine halbe Stunde bei 220
Grad angelassen wurde. Prinzip verstanden? Im Grunde kann man also nach dem
Härten durch das Anlassen eine fast beliebige Härte und Zähigkeit einstellen
und die Klingen somit an die jeweiligen Anforderungen anpassen. Hohe
Anlasstemperaturen für Klingen die sehr stark belastet werden, niedrigere
Anlasstemperaturen für Klingen die weniger starke mechanische Belastungen aushalten
müssen aber dafür maximale Härte und Schnitthaltigkeit haben sollen. Das ist
allerdings nur bedingt richtig, denn es gibt einige Temperaturbereiche, die man
beim Anlassen vermeiden muss. Als erstes ist zu beachten, dass
Anlasstemperaturen unter 160 Grad wenig sinnvoll sind, da sich ausreichende Mengen
Restaustenit bei Temperaturen unter 160 Grad nur nach sehr langen Anlasszeiten
auflösen würden, in dieser langen Zeit hätte sich das Restaustenit allerdings bereits stabilisiert und könnte nicht mehr gelöst werden. Außerdem ist der Temperaturbereich von 220-360 Grad zu meiden.
Dies ist der Bereich der sog. „Blausprödigkeit“, in dem versch.
Ausscheidungsprozesse dazu führen, dass der Stahl sowohl an Härte als auch an
Zähigkeit verliert. Der Zähigkeitsverlust ist so gravierend, dass der Stahl bei
ca. 250 Grad wieder genau so spröde sein kann wie direkt nach dem Härten.
Gleichzeitig hat ein Stahl bei diesen Temperaturen aber schon ordentlich an
Härte verloren. Stähle mit höherem Siliziumgehalt sind allerdings nicht
anfällig für die Blausprödigkeit. Der nächste problematische Temperaturbereich
liegt zwischen 450 und 530 Grad. Da liegt man im Bereich der sog. Anlassversprödung,
in dem erneut gewisse Ausscheidungsprozesse zu einem erheblichen
Zähigkeitsverlust führen. Besonders anfällig dafür sind stark manganhaltige
Stähle. Durch Zulegieren von Molybdän kann diese Versprödung allerdings
verhindert werden. Diese Versprödung wird noch verstärkt, wenn man die Stähle
aus der Anlasstemperatur langsam abkühlen lässt. Man kann die Anlassversprödung
also reduzieren, indem man die Stähle direkt aus der Anlasstemperatur schnell
abschreckt. Bei hohen Temperaturen zwischen 450 und 530 Grad ist das jedoch nicht
unproblematisch, da sich durch das schroffe Abschrecken erneut starke
Spannungen im Stahl bilden können. Es ist übrigens prinzipiell ratsam, die
Stähle aus der Anlasstemperatur schnell abzukühlen. Bei Anlasstemperaturen bis
ca. 400 Grad kann man das auch noch relativ sicher in Wasser machen. Die
Temperaturbereiche in denen Klingen also ohne negative Nebeneffekte angelassen
werden können liegen zwischen 160 und 220 Grad und zwischen360 und 450 Grad.

So, nun zur praktischen
Durchführung des Anlassen:

Man kann die
Anlasstemperatur zwar auch einigermaßen durch die Anlassfarbe einstellen (das
ist besonders beim historischen Schmieden interessant), es bedarf aber einiges
an Erfahrung, das gleichmäßig und effektiv durchzuführen. Daher empfehle ich
das Anlassen im Backofen. Dabei hat man sichere und reproduzierbare Ergebnisse

Also, der Stahl wird
direkt nach dem Härten (sobald der Stahl auf Raumtemperatur ist) für z.B. eine
Stunde in einen vorgeheizten Backofen mit einer Temperatur zwischen 160 und 220
Grad gelegt. Ich empfehle jedoch eine Temperatur zwischen 180 und 200 Grad. Da
ist man auf jeden Fall auf der sicheren Seite. Nach einer Stunde wird der
Rohling im handwarmen Wasser abgeschreckt und dann erneut für eine Stunde in
den Backofen gelegt. Anschließend wieder in Wasser abschrecken und fertig ist
das Anlassen. Nun ist es wichtig, dass man das Messer nach dem Anlassen nicht
mehr erhitzt. Vor allem darf man die Klingen nicht mehr an ungekühlten und
schnelldrehenden Schleifmaschinen bearbeiten. Dass kann zu einem enormen
Härteverlust der Oberfläche und Schneide und zu üblen Spannungen führen. Also,
die Klinge entweder von Hand mit Schmirgelpapier oder Natursteinen Schleifen
oder es an einer wassergekühlten Schleifmaschine (z.B. Tormek) bzw. langsam drehenden Bandschleifern machen…

Wenn man bei
Temperaturen zwischen 360 und 450 Grad
anlassen will, ist man entweder auf einen richtigen Anlassofen oder auf das „Anlassen
nach Anlassfarbe“ angewiesen. Wenn einer von euch einen Backofen hat, der diese
Temperaturen erreicht, bitte bei mir melden;-)

Bald geht es weiter mit Normalisieren und weichglühen...