Fragen Sie einen Metallurgen:Was ist gehärteter Stahl?

Wie wichtig das Anlassen für Funktionsstahl ist.

Metalllegierungen bestehen aus einer präzisen Kombination von Elementen, wie Zutaten in einem Rezept. Die Art und Weise, wie diese Elemente unter Hitze zusammengefügt werden, verändert die Eigenschaften der Legierung, genauso wie verschiedene Kochtechniken den Geschmack von Lebensmitteln verändern.

Gehärteter Stahl verändert die mechanischen Eigenschaften des Metalls, um es stärker und widerstandsfähiger zu machen. Dies macht es zu einem guten Material für Werkzeuge, Federn, Baustahl und sogar Schwerter.

Werfen wir einen Blick auf die Grundlagen von gehärtetem Stahl … und wie Stahl mit Härtegrad flexibler und nachgiebiger ist als Stahl ohne Härtegrad.

Metallurgie 101

Metallurgie ist sowohl die Wissenschaft (wie sie auf die Metallherstellung angewendet wird) als auch die Technologie von Metallen. Es bezieht sich auf die chemische Zusammensetzung von Metallen und ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften.

Hier sind einige gebräuchliche Begriffe, die Sie im Zusammenhang mit Metallurgie und Anlassstahl hören werden:

• Stärke :wie gut der Stahl dauerhafter Verformung oder Reißen widersteht
• Zähigkeit :wie gut der Stahl einem Bruch widersteht (oft steigt mit zunehmender Festigkeit auch die Zähigkeit)
• Härte :wie gut das Metall Kratzer oder Einkerbungen stahl
• Schlagfestigkeit :wie gut der Stahl einer Stoßbelastung bei minimaler Verformung widersteht (oft auch als hochfeste Zähigkeit bezeichnet)
• Verschleißfestigkeit :wie gut der Stahl Erosion, Abtragung, Abplatzungen und Abrieb widersteht (oft auch als Härte bezeichnet)
• Strukturelle Integrität :wie gut der Stahl einer Belastung standhält, ohne zu brechen

Stahl ist ein beliebtes Baumaterial. Die beiden erforderlichen Elemente von Stahl sind Eisen und Kohlenstoff, und Legierungen enthalten oft auch kleine Mengen anderer Metalle. Stahl enthält weniger als 2,14 % Kohlenstoff:Legierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt sind normalerweise eine Form von Gusseisen. Legierungen können oft Mangan und Spuren von Silikon, Phosphor, Schwefel und Sauerstoff enthalten. Stahl ist so langlebig und stark, dass er jahrzehntelang oder länger verwendet werden kann und dann immer wieder recycelt werden kann, ohne seine Eigenschaften zu verlieren. Ein Großteil der neuen Stahlproduktion enthält Mengen an recyceltem Stahl.

Mikrostrukturen aus Stahl

Bevor wir lernen können, wie man die Eigenschaften von Stahl verändert, müssen wir zuerst seine Mikrostruktur verstehen. Präzises Erhitzen und Abkühlen des Stahls verändert seine Mikrostruktur:

Ferrit - kubisch raumzentrierte (BCC) Kristallstruktur

Dies ist reines Eisen bei Raumtemperatur. Es kann auch Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt beschreiben.

Stellen Sie sich einen Würfel mit einem Molekül an jeder Ecke und einem in der Mitte des Würfels vor. Die Moleküle sind locker gepackt und enthalten weniger Moleküle in jedem Würfel. Bei Raumtemperatur können Sie der Struktur nur 0,006 % Kohlenstoff hinzufügen.

Austenit – kubisch flächenzentrierte (FCC) Kristallstruktur

Diese Form tritt auf, wenn die Legierungen auf Eisenbasis zwischen 1500 F und 1800 F erhitzt werden.

Stellen Sie sich den Würfel mit einem Molekül an jeder Ecke und einem Molekül in der Mitte jeder Seite des Würfels vor. Diese Moleküle sind dichter gepackt als Ferrit und können bis zu 2 % Kohlenstoff enthalten.

Zementit

Wenn Kohlenstoffstahl auf den Austenitbereich erhitzt und dann ohne Legierung abgekühlt wird, wandelt er sich wieder in die Ferritform um. Zementit entsteht, wenn der Kohlenstoffgehalt größer als 0,006 % ist und sich die Kohlenstoffatome mit Eisen zu Eisenkarbid (Fe3C) verbinden. Sie werden niemals ein Stück Metall erhalten, das aus reinem Zementit besteht, da ein Teil des Materials in Ferritform verbleibt.

Perlit

Abwechselnde Schichten aus Ferrit und Zementit bilden eine neue Struktur namens Perlit. Dies geschieht, wenn Stahl langsam abgekühlt wird und ein eutektisches Gemisch bildet (ein Gemisch, in dem zwei geschmolzene Materialien gleichzeitig kristallisieren). Es bildet gleichzeitig Ferrit und Zementit in einem abwechselnden Muster.

Martensit - raumzentrierte tetragonale (BCT) Kristallstruktur

Diese Stahlmikrostruktur wird durch sehr schnelles Abkühlen des Stahls gebildet, wodurch die Kohlenstoffatome gezwungen werden, im Eisengitter eingeschlossen zu werden. Das Ergebnis ist eine sehr harte, nadelartige Struktur aus Eisen und Stahl.

Diese Mikrostrukturen sind wichtig, um die mechanischen Eigenschaften von Stahl zu verstehen. Kohlenstoffgehalt, Legierungskonzentrationen und Endbearbeitungsverfahren tragen alle zur Mikrostruktur des Stahls bei. Sobald Sie dies wissen, können Sie lernen, wie Sie seine Eigenschaften durch präzise Wärmebehandlungen wie das Anlassen von Stahl manipulieren können.

Wärmebehandlungen im Überblick

Die Wärmebehandlung von Metallen verändert ihre physikalischen Eigenschaften. Es kann seine Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit erhöhen.

Es gibt 3 gängige Wärmebehandlungen:

• Tempern :Das Metall wird erhitzt, um es weich zu machen, und dann langsam abgekühlt. Langsames Einfrieren der Mikrostrukturen sorgt für große, runde Metallkörner. Dadurch wird das Metall von inneren Spannungen befreit und es ist wahrscheinlicher, dass es sich nur verbeult oder verbiegt, wenn es getroffen wird.
• Löschen :Bei diesem Verfahren wird das Metall schnell abgekühlt (oft in einem Wasser- oder Ölbad). Dadurch werden die Moleküle schnell eingefroren. Durch die plötzliche Temperaturabsenkung entstehen an der Oberfläche viele kleine, gezackte Körner. Die gezackten Kanten der Körner verflechten sich, wodurch sich das Metall bei einem Schlag weniger leicht verbiegt:Die Oberfläche ist härter.
• Tempern :Um die durch die Produktion oder das Abschrecken entstehende übermäßige Härte zu reduzieren, kann Metall getempert werden, indem das Metall je nach den Eigenschaften, die Sie ändern möchten, für eine bestimmte Zeit auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird.

Warum Vergütungsstahl?

Stahl wird getempert, um ihm die richtigen Materialeigenschaften für seine Anwendung zu verleihen. Dies können sein:

• Verringern der Härte bei gleichzeitiger Erhöhung der Zähigkeit (ein zähes Material widersteht dem Absplittern beim Aufprall, während ein hartes Material dem Eindrücken widersteht und vor dem Biegen bricht)
• Erhöhte Duktilität (erlaubt es, die Form zu ändern, ohne zu brechen)
• Erhöhte Verschleißfestigkeit
• Erhöhte Bearbeitbarkeit, wenn der Stahl weiter bearbeitet werden muss

Prozess für gehärteten Stahl

Bevor Sie Stahl härten, werden Sie den Stahl häufig zuerst abschrecken, um ihn zu härten. Dann bestimmt die Anlasstemperatur, wie viel Härte Sie dem Metall entziehen. Je höher die Temperatur, desto mehr Härte wird entfernt. Beispielsweise werden harte Werkzeuge bei niedrigeren Temperaturen angelassen, während flexible Federn bei höheren Temperaturen angelassen werden.

Stahl wird oft in einem Gas-, elektrischen Widerstands- oder Induktionsofen mit Vakuum oder Inertgas erhitzt, um Oxidation zu verhindern. Sobald der Stahl auf die angegebene Temperatur erhitzt ist, halten Sie die Temperatur je nach Stahlsorte und den gewünschten mechanischen Eigenschaften für eine bestimmte Zeit.

Sie brauchen kein Thermometer oder eine Temperaturpistole, um zu wissen, wann es auf die richtige Temperatur erhitzt ist. Gehärteter Stahl verändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Anlassens in eine transparente Farbe. Diese Farbe entsteht durch eine Oxidschicht, die sich auf der Oberfläche bildet. Höhere Temperaturen erzeugen dickere Eisenoxidschichten, ebenso wie längere Zeiträume, die in dieser Temperaturzone verbracht werden. Diese Schicht schützt den Stahl vor Korrosion.

Das obige Bild zeigt die verschiedenen Farben, die der Vergütungsstahl auf dem Metall erzeugt:

• Links beginnt Normalisierter Stahl . Dies ist Stahl, der über seine obere kritische Temperatur erhitzt und an stehender Luft abgekühlt wurde.
• 2. von links ist Abgeschreckter Stahl . Das ist Stahl, der schnell abgekühlt wurde.
• Die nächsten acht zeigen die Farben von gehärtetem Stahl basierend auf seiner Temperatur – 130 F (176 C) bis 730 F (388 C)

Beispiele für gehärteten Stahl (nach Temperatur/Farbe):

Schwaches Gelb	176C / 349F	Gravierer, Rasierer, Schaber
Hellgelb	205C / 401F	Gesteinsbohrer, Reibahlen, Metallsägen
Dunkles Stroh	226C / 439F	Reißnadeln, Hobelmesser
Braun	260 C / 500 F	Bänder, Matrizen, Bits, Hämmer, Kaltmeißel
Lila	282 °C / 540 °F	Chirurgische Werkzeuge, Stanzen, Steinschnitzwerkzeuge
Dunkelblau	310 °C / 590 °F	Schraubendreher, Schraubenschlüssel
Hellblau	337C / 639F	Federn, Holzschneidschrauben
Graublau	371C / 700F	Baustahl

Was ist der Unterschied zwischen dem Anlassen von Stahl und dem Härten?

Anlassstahl und härtender Stahl verleihen derselben Legierung unterschiedliche Fähigkeiten.

Das Härten von Stahl macht ihn steifer und kratzt oder verbeult weniger. Diese härtere Oberfläche ist jedoch spröder. Es wird nicht eingedrückt, wenn es getroffen wird, aber wenn die Aufprallkraft zu stark ist, bricht oder splittert es. Beim Anlassen geht etwas Härte für erhöhte Zähigkeit verloren. Zähigkeit ist die Fähigkeit, Bruch oder Absplittern zu widerstehen, aber der Nachteil ist, dass es eher zu Kratzern oder Einkerbungen kommt.

Häufig wird der Stahl zuerst gehärtet und dann angelassen, um ein bestimmtes Verhältnis von Härte zu Zähigkeit zu erreichen.

Wärmebehandlung von Schwertern und Messern

Das Anlassen ist ein wichtiger Teil des Klingenschmiedens. Einige der besten Schwerter werden durch einen Prozess hergestellt, der als differenzielles Tempern bezeichnet wird. Mit einem unterschiedlichen Temper kann ein Schmied eine sehr scharfkantige Klinge mit einem weicheren, federnderen Kern in der Mitte der Klinge herstellen. Dies erhöht die Zähigkeit der Klinge und verhindert Bruch.

In Japan wurden Katanas oft unterschiedlich gehärtet oder angelassen, indem Ton aufgetragen wurde, um die Änderungsrate während des Abschreckens und Anlassens zu kontrollieren. Unterschiedliche Tondicken könnten dabei helfen, die Änderungsrate zu kontrollieren.

Bei anderen differenziellen Temperierprozessen wird Wärme nur auf einen Teil der Klinge (häufig den Rücken) aufgebracht. Die Schwertmacher würden beobachten, wie sich die Farbe der Klinge ändert, wenn sie auf die scharfe Kante ausstrahlt. Sobald es am Rand fast die hellstrohige Farbe erreicht, entziehen sie die Hitze.

Wärmebehandlungen und gehärteter Stahl in „modernen“ Anwendungen

Gehärteter Stahl ist nicht nur für Messer und Schwerter geeignet. Es hat reale Anwendungen in der modernen Produktion. Werkzeuge werden oft sehr, sehr hart gehärtet:Das Abschrecken ist Teil des Werkzeugstahlprozesses, um eine harte Arbeitskante zu schaffen, die Abrieb und Eindrücken standhält. Präzisionswerkzeuge müssen diese harte Kante oft beibehalten, um innerhalb der Arbeitstoleranz zu bleiben. Für die Unversehrtheit des gesamten Werkzeugs kann jedoch ein Anlassen erforderlich sein, um es weniger spröde zu machen. Federn, Baustahl und andere Metallteile, die bestimmte Materialeigenschaften erfordern, können ebenfalls einer Wärmebehandlung unterzogen werden, die je nach Materialanforderungen der Anwendung entweder eine gleichmäßige oder eine unterschiedliche Temperierung erzeugt.

Metall als Kristall mit einer formbaren Mikrostruktur bietet Materialwissenschaftlern viele Möglichkeiten, ein Problem mit einer geschickten Kombination aus Legierungsauswahl und Wärmebehandlung zu lösen.