Stahl

Das grundlegende Verfahren zur Härtung von Stahl besteht aus der Erwärmung des Metalls auf eine Temperatur, bei der Austenit gebildet wird (etwa 760 bis 870 °C), und der anschließenden raschen Abkühlung (Abschrecken). Solche Härtungsvorgänge rufen große innere Spannungen im Metall hervor, die sich durch Anlassen, Tempern oder Glühen beseitigen lassen. Durch die Wärmebehandlung werden Menge, Größe, Form und Verteilung der Cementitteilchen im Ferrit gesteuert, was wiederum die physikalischen Eigenschaften des Stahles bestimmt.

Es gibt viele Variationen dieses Verfahrens. Metallurgen haben entdeckt, dass die Umwandlung von Austenit in Martensit am Ende der Abkühlphase stattfindet und diese Umwandlung von einer Volumenveränderung begleitet wird, die bei zu schnellem Abkühlen zu Rissen im Metall führen kann. Zur Vermeidung von Rissen sind u. a. drei Verfahren entwickelt worden. Beim langsamen Abkühlen wird der Stahl aus dem Kühlbad genommen, sobald er die Temperatur erreicht hat, bei der sich das Martensit zu bilden beginnt. Dann lässt man ihn an der Luft weiter abkühlen. Beim Martempern wird der Stahl zum gleichen Zeitpunkt aus dem Kühlbad genommen, dann in ein anderes Bad mit gleicher Temperatur gegeben. Anschließend kühlt er an der Luft im Temperaturbereich der Martensitbildung weiter ab, bei den meisten Stählen von etwa 288 °C bis zur Zimmertemperatur. Beim Austempern wird der Stahl in ein Bad aus Metall oder Salz mit konstanter Temperatur gegeben, bei der die gewünschte Strukturveränderung stattfindet. Der Stahl verbleibt in diesem Bad, bis die Umwandlung abgeschlossen ist.

Daneben gibt es noch weitere Verfahren zum Härten von Stahl durch Wärmebehandlung. Beim Einsatzhärten erhält ein fertiges Stahlwerkstück durch Erhitzen mit Kohlenstoff- oder Stickstoffverbindungen (Aufkohlung, Nitridieren) eine extrem harte Oberfläche. Diese Verbindungen reagieren mit dem Stahl und erhöhen entweder den Kohlenstoffgehalt oder bilden Nitride in der Oberflächenschicht. Bei der Aufkohlung wird der Rohstahl in Koks oder in Methan bzw. Kohlenmonoxid erhitzt. Beim Gasnitridieren wird Stahl mit Nitridbildnern wie Chrom oder Titan durch Erhitzen in Ammoniakgas gehärtet. Das Nitridierverfahren wird vor allem im Fahrzeug- und Maschinenbau sowie in der Werkzeugherstellung angewandt.