13. Oktober 2011

Was ist eigentlich … Vergüten von Stahl?

Wir vergüten, um Stähle fest und zäh zu machen. Hohe Festigkeit bedeutet großer Widerstand gegen plastische Verformung. Hohe Zähigkeit bedeutet großer Widerstand gegen Risswachstum und Bruch und zwar weil der Stahl verformbar ist. Der Stahl soll sich also verformen und gleichzeitig soll er es nicht? Wie passt das zusammen?

Stahl verformt sich durch die Bewegung von Versetzungen. Vergüten bedeutet, den Versetzungen ganz gezielt Hindernisse in den Weg zu legen, so dass ihre Beweglichkeit stark eingeschränkt (Festigkeit), aber nicht völlig unmöglich (Zähigkeit) ist. Wie machen wir das?

Dazu müssen wir klären, wie Stahl eigentlich funktioniert. Stahl ist Eisen mit etwas Kohlenstoff. Das „Etwas“ ist aber entscheidend. „Normaler“ Stahl bei Raumtemperatur ist eine Kombination aus fast reinem Eisen (Ferrit), in dem sich Eisenkarbide (Zementit) ausgeschieden haben. Zementit-Ausscheidungen sind Eisen-Kohlenstoff-Verbindungen. Das Kristallgitter des Ferrits kann nur ganz wenige Kohlenstoffatome aufnehmen. Deshalb bildet sich Zementit, in dem all der Kohlenstoff gebunden wird, der nicht in den Ferrit „darf“. Die jeweilige Kombination von Ferrit und Zementit bestimmt die Werkstoffeigenschaften.

In Stählen, die nicht wärmebehandelt wurden, bilden sich Strukturen, in denen relativ große Ferrit- und Zementitplatten abwechselnd gestapelt sind. Der weiche, gut verformbare Ferrit sorgt für Zähigkeit, die harten Karbide blockieren die Versetzungen und sorgen für Festigkeit. Viel besser (weil noch fester und zäher) wären aber viele kleine und runde Karbide statt weniger großer und plattenförmiger Karbide. Und genau das erreichen wir durch Vergüten.

Dazu müssen wir zunächst die Zementit-Ausscheidungen auflösen und den dort gebundenen Kohlenstoff im Stahl verteilen. Wie aber geht das, wenn der Ferrit nur ganz wenig Kohlenstoff aufnehmen kann? Wir erwärmen den Stahl auf oberhalb 700°C. Bei dieser Temperatur bildet sich eine andere Kristallstruktur des Eisens, der Austenit. Austenit kann viel mehr Kohlenstoff aufnehmen als Ferrit. Wir können also Karbide problemlos auflösen, wenn die Temperatur hoch genug ist, um Austenit zu bilden – dieser Vorgang heißt Austenitisieren. Dann wird schnell abgekühlt – so schnell, dass der Kohlenstoff keine Zeit erhält, Karbide zu bilden. Wir „frieren“ den Kohlenstoff also praktisch in unserem Kristallgitter ein, das sich dadurch verspannt und fest aber auch extrem spröde wird. Diese Kristallstruktur nennen wir Martensit. Der Kühlprozess, der zum Martensit führt, heißt Härten.

Sehr hohe Festigkeit haben wir nun. Fehlt noch Zähigkeit. Um die zu erreichen, erwärmen wir den Stahl auf ca. 500°C – das nennen wir Anlassen. Die Kohlenstoffatome werden dadurch wieder beweglich und machen nun das, was die Natur von Ihnen erwartet – Eisenkarbide bilden. Der Unterschied ist aber nun, dass wir durch die Wahl von Anlasstemperatur und Anlasszeit die Größe, Anzahl und Verteilung des sich bildenden Zementits steuern können. Nach dem Vergüten – also nach dem Austenitisieren, Härten und Anlassen – haben wir wieder eine Kombination aus fast reinem Eisen (der Martensit hat sich durch das Anlassen fast vollständig in Ferrit „rückverwandelt“) und Zementit. Der entscheidende Unterschied ist aber, dass die vielen kleinen, runden Karbide, die sich nun gebildet haben, zu einem Werkstoffzustand führen, der hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit ins sich vereint.

Der ganze Vergütungsprozess lässt sich ein wenig mit der Kernsanierung eines Hauses vergleichen. Wenn uns die Funktion des Hauses nicht gefällt, dann beseitigen wir zunächst alle Wände in seinem Inneren. Wir bauen dann nach unseren Vorstellungen neue Wände aus den Ziegelsteinen der alten Wände. Je nach dem, wie und wie viele neue Wände wir setzten, fallend die neuen Eigenschaften des Hauses aus.

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