Was ist angelassener Stahl? Expertenwissen zur Festigung von Stahl für Werkzeuge und Strukturen

Warum Anlassen für funktionalen Stahl wichtig ist

Metalllegierungen bestehen aus einer präzisen Kombination von Elementen – wie Zutaten in einem Rezept. Die Art, wie diese Elemente unter Hitze zusammengefügt werden, ändert die Legierungseigenschaften, genau wie verschiedene Kochtechniken den Geschmack von Speisen verändern.

Angelassener Stahl ändert die mechanischen Eigenschaften des Metalls, um es fester und widerstandsfähiger zu machen. Das macht ihn zu einem guten Material für Werkzeuge, Federn, Baustahl und sogar Schwerter.

Sehen wir uns die Grundlagen angelassenen Stahls an… und warum Stahl mit Anlass flexibler und nachgiebiger ist als Stahl ohne Anlass.

Metallurgie 101

Metallurgie ist sowohl die Wissenschaft (angewendet auf Metallproduktion) als auch die Technologie der Metalle. Sie befasst sich mit der chemischen Zusammensetzung von Metallen und ihren physikalischen und mechanischen Attributen.

Hier sind gängige Begriffe rund um Metallurgie und Stahlanlassen:

• Festigkeit: Wie gut der Stahl bleibender Verformung oder Reißen widersteht
• Zähigkeit: Wie gut der Stahl Bruch widersteht (oft steigt Zähigkeit mit Festigkeit)
• Härte: Wie gut das Metall Kratzen oder Eindrücken widersteht
• Schlagzähigkeit (Impact Resistance): Wie gut der Stahl Stoßbelastung mit minimaler Verformung widersteht (oft auch als hohe Zähigkeit bezeichnet)
• Verschleißfestigkeit: Wie gut der Stahl Erosion, Ablation, Absplittern und Anreißen (Galling) widersteht (oft auch als Härte bezeichnet)
• Strukturelle Integrität: Wie gut der Stahl Lasten ohne Bruch standhält

Stahl ist ein beliebtes Baumaterial. Seine zwei erforderlichen Elemente sind Eisen und Kohlenstoff; Legierungen enthalten oft auch geringe Mengen anderer Metalle. Stahl enthält weniger als 2,14 % Kohlenstoff: höhere Kohlenstofflegierungen sind meist Gusseisen. Legierungen enthalten oft Mangan und Spuren von Silicium, Phosphor, Schwefel und Sauerstoff. Stahl ist so langlebig und fest, dass er Jahrzehnte genutzt werden kann, dann immer wieder recycelt werden kann, ohne Eigenschaften zu verlieren. Ein großer Teil der Neuproduktion enthält recycelten Stahl.

Mikrostrukturen von Stahl

Bevor wir lernen, wie man Stahleigenschaften ändert, müssen wir seine Mikrostruktur verstehen. Präzises Erhitzen und Abkühlen verändert die Mikrostruktur:

Ferrit – körperzentriert kubisch (KZK/BCC) Kristallstruktur

Das ist reines Eisen bei Raumtemperatur. Es kann auch Stahl mit sehr geringem Kohlenstoffgehalt beschreiben.

Stellen Sie sich einen Würfel mit einem Molekül an jeder Ecke und einem in der Würfelmitte vor. Die Moleküle sind locker gepackt und enthalten weniger Moleküle pro Zelle. Bei Raumtemperatur lassen sich nur 0,006 % Kohlenstoff in die Struktur einbauen.

Austenit – flächenzentriert kubisch (FZK/FCC) Kristallstruktur

Diese Form tritt auf, wenn eisenbasierte Legierungen auf 815–980 °C (1500–1800 °F) erhitzt werden.

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

Zementit

Wenn Kohlenstoffstahl in den Austenitbereich erhitzt wird, dann ohne Legierungszugabe abkühlt, verwandelt er sich zurück in Ferrit. Zementit bildet sich, wenn der Kohlenstoffgehalt 0,006 % übersteigt und Kohlenstoffatome mit Eisen Eisenkarbid (Fe₃C) bilden. Man erhält nie reines Zementit, da ein Teil des Materials in Ferritform verbleibt.

Perlit

Abwechselnde Schichten aus Ferrit und Zementit bilden eine neue Struktur: Perlit. Das passiert bei langsamer Abkühlung, die ein eutektisches Gemisch bildet (zwei geschmolzene Materialien kristallisieren simultan). Ferrit und Zementit bilden sich gleichzeitig im Wechselmuster.

Martensit – körperzentriert tetragonal (KZT/BCT) Kristallstruktur

Diese Mikrostruktur entsteht durch sehr schnelles Abkühlen (Abschrecken), das Kohlenstoffatome im Eisengitter einfängt. 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 Endbearbeitung tragen alle zur Mikrostruktur bei. Wenn man dies versteht, kann man Eigenschaften durch präzise Wärmebehandlungen wie Anlassen manipulieren.

Überblick Wärmebehandlungen

Wärmebehandlung verändert physikalische Eigenschaften von Metallen. Sie kann Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit erhöhen.

Es gibt 3 gängige Wärmebehandlungen:

• Glühen (Annealing): Das Metall wird erhitzt, um es weich zu machen, dann langsam abgekühlt. Langsames Erstarren der Mikrostrukturen erzeugt große, runde Metallkörner. Das beseitigt innere Spannungen und macht das Metall eher dazu geneigt, nur einzudellen oder zu verbiegen, wenn es getroffen wird.
• Abschrecken (Quenching): Das Metall wird schnell abgekühlt (oft in Wasser- oder Ölbad). Die Moleküle erstarren schlagartig. Viele kleine, gezackte Körner entstehen an der Oberfläche durch den plötzlichen Temperatursturz. Die gezackten Kanten der Körner verhaken sich, wodurch das Metall weniger biegt bei Schlag: die Oberfläche ist härter.
• Anlassen (Tempering): Um übermäßige Härte aus Produktion oder Abschrecken zu reduzieren, kann Metall durch Erhitzen auf eine spezifische Temperatur für eine bestimmte Zeit angelassen werden – je nach den Eigenschaften, die man ändern möchte.

Warum Stahl anlassen?

Stahl wird angelassen, um die richtigen Materialeigenschaften für seine Anwendung zu erreichen. Dazu gehören:

• Härte reduzieren, Zähigkeit erhöhen (zähes Material widersteht Absplittern bei Schlag, hartes widersteht Eindrücken, bricht aber vor dem Biegen)
• Duktilität erhöhen (Formänderung ohne Bruch ermöglichen)
• Widerstand gegen Verschleiß erhöhen
• Zerspanbarkeit verbessern, falls der Stahl weiter bearbeitet werden soll

Anlassprozess

Bevor man Stahl anlässt, härtet man ihn oft durch Abschrecken. Dann bestimmt die Anlasstemperatur, wie viel Härte entfernt wird. Je höher die Temperatur, desto mehr Härte wird abgebaut. Beispiel: Harte Werkzeuge werden bei niedrigeren Temperaturen angelassen, flexible Federn bei höheren.

Stahl wird oft in Gas-, Widerstands- oder Induktionsöfen unter Vakuum oder Inertgas erhitzt, um Oxidation zu verhindern. Einmal auf die Zieltemperatur gebracht, hält man diese für eine festgelegte Zeit, abhängig von Stahlsorte und gewünschten mechanischen Eigenschaften.

Man braucht kein Thermometer, um die richtige Temperatur zu kennen. Angelassener Stahl verfärbt sich transparent je nach Anlasstemperatur. Diese Farbe entsteht durch eine Oxidschicht auf der Oberfläche. Höhere Temperaturen erzeugen dickere Eisenoxidschichten, ebenso längere Verweilzeiten. Diese Schicht schützt den Stahl vor Korrosion.

Das obige Bild zeigt die verschiedenen Farben beim Anlassen von Stahl:

• Ganz links: Normalisierter Stahl. Über die obere kritische Temperatur erhitzt, in ruhender Luft abgekühlt.
• Zweiter von links: Abgeschreckter Stahl. Schnell abgekühlt.
• Die nächsten acht zeigen die Anlassfarben bei 176 °C (349 °F) bis 388 °C (730 °F).

Beispiele für angelassenen Stahl (nach Temperatur/Farbe):

Blasses Gelb	176 °C / 349 °F	Graviere, Rasiermesser, Schaber
Helles Gelb	205 °C / 401 °F	Felsbohrer, Reibahlen, Metallsägen
Dunkles Stroh	226 °C / 439 °F	Anreißnadeln, Hobelmesser
Braun	260 °C / 500 °F	Bänder, Matrizen, Bohrer, Hämmer, Kaltmeißel
Violett	282 °C / 540 °F	Chirurgische Werkzeuge, Stempel, Steinmetzwerkzeuge
Dunkles Blau	310 °C / 590 °F	Schraubendreher, Schraubenschlüssel
Helles Blau	337 °C / 639 °F	Federn, Holzschrauben
Graublau	371 °C / 700 °F	Baustahl

Was ist der Unterschied zwischen Anlassen und Härten?

Anlassen und Härten verleihen derselben Legierung unterschiedliche Fähigkeiten.

Härten macht Stahl starrer, weniger anfällig für Kratzen oder Eindrücken. Diese härtere Oberfläche ist aber spröder. Sie eindellt nicht bei Schlag, aber bei zu starker Kraft bricht oder splittert sie. Beim Anlassen wird etwas Härte gegen mehr Zähigkeit getauscht. Zähigkeit ist die Fähigkeit, Bruch oder Absplittern zu widerstehen, der Tausch: eher kratz- oder eindruckempfindlich.

Oft härtet man den Stahl zuerst, dann lässt man ihn anlassen, um ein bestimmtes Härte-Zähigkeits-Verhältnis zu erreichen.

Wärmebehandlungen bei Schwertern und Messern

Anlassen ist ein wichtiger Teil der Klingenschmiede. Manche der besten Schwerter entstehen durch differentielles Anlassen. Damit kann ein Schmied eine sehr harte Schneide mit weicherem, federndem Kern in der Klingenmitte erzeugen. Das erhöht die Zähigkeit der Klinge und verhindert Bruch.

In Japan wurden Katanas oft differentiell gehärtet oder angelassen, indem Tonauflagen die Abkühlrate beim Abschrecken und Anlassen steuerten. Unterschiedliche Tondicken kontrollierten die Änderungsrate.

Bei anderen differentiellen Anlassverfahren wird Hitze nur auf einen Teil der Klinge (oft den Rücken) appliziert. Die Schmiede beobachteten die Farbänderung der Klinge, während sie zur Schneide ausstrahlte. Sobald sie am Rand fast helles Strohgelb erreichte, wurde die Hitze entfernt.

Wärmebehandlungen und angelassener Stahl in „modernen“ Anwendungen

Angelassener Stahl dient nicht nur Messern und Schwertern. Er hat reale Anwendungen in moderner Produktion. Werkzeuge werden oft extrem hart angelassen: Abschrecken ist Teil des Werkzeugstahlprozesses für eine harte Arbeitskante, die Abrieb und Eindrücken widersteht. Präzisionswerkzeuge müssen diese harte Kante oft behalten, um innerhalb der Toleranz zu bleiben. Dennoch kann nachträgliches Anlassen für die Integrität des Gesamtwerkzeugs nötig sein, um Sprödigkeit zu verringern. Federn, Baustahl und andere Metallteile, die spezifische Materialeigenschaften benötigen, durchlaufen ebenfalls Wärmebehandlung – entweder gleichmäßiges oder differentielles Anlassen, je nach Anwendungsanforderung.

Metall als Kristall mit formbarer Mikrostruktur bietet dem Werkstoffwissenschaftler viele Wege, ein Problem mit kluger Kombination aus Legierungswahl und Wärmebehandlung zu lösen.