Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl und Gusseisen
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Wärmebehandlung ist kein kosmetisches „Nachbessern“ durch Hitze. Sie ist eine gezielte Eingriffstechnik in die Mikrostruktur einer Legierung im festen Zustand. Entscheidend ist nicht das bloße Erhitzen, sondern der kontrollierte Temperaturverlauf über die Zeit. Über diese Temperatur-Zeit-Führung lassen sich Phasen neu bilden oder instabile Zustände abbauen, Körner verfeinern oder wachsen lassen, Karbide lösen und wieder ausscheiden sowie innere Spannungen reduzieren. Neben klassischen Zyklen aus Erwärmen und Abkühlen existieren Verfahren, die Wärme mit chemischer Umgebung, plastischer Verformung oder sogar magnetischen Feldern kombinieren. Im Kern bleibt jedoch stets derselbe Grundgedanke: Eigenschaften entstehen aus Struktur, und Struktur lässt sich thermisch steuern.
Nirgends wird das so deutlich wie bei Stahl und Gusseisen. Eisen ist billig, verbreitet und gut verarbeitbar. Seine eigentliche Stärke liegt jedoch in der Wandlungsfähigkeit. Die allotropen Modifikationen des Eisens, also unterschiedliche Kristallgitter, die bei unterschiedlichen Temperaturen stabil sind, eröffnen Spielräume, die andere Metallsysteme in dieser Form nicht bieten. Je nachdem, wie schnell oder langsam durch kritische Temperaturbereiche gekühlt wird und welche Glühschritte folgen, entstehen sehr unterschiedliche Gefüge, die sich gewissermaßen „einfrieren“ lassen. Darum kann derselbe Grundwerkstoff als Federstahl ebenso dienen wie als Werkzeugstahl oder als zäher Baustahl. Die Unterschiede sind häufig weniger eine Frage der chemischen Zusammensetzung als eine Folge der Mikrostruktur, die der Wärmebehandlungsprozess erzeugt.
Mit steigenden Anforderungen an Bauteile wächst die Bedeutung der Prozessbeherrschung. Schon kleine Abweichungen, etwa eine zu hohe Anlasstemperatur, eine zu kurze Haltezeit oder eine unzureichende Abkühlintensität, können das Gefüge in eine ungünstige Richtung verschieben. Grobes Korn, unerwünschte Ausscheidungen oder zu hohe Eigenspannungen sind nicht kosmetische Mängel, sondern Funktionsrisiken. Wärmebehandlung ist daher kein optionaler Zusatz, sondern ein zentraler Fertigungsschritt mit unmittelbarem Einfluss auf Sicherheit und Lebensdauer.
Phasengleichgewichtssysteme und Wärmebehandlung
Phasendiagramme geben Auskunft darüber, welche Phasen bei bestimmter Zusammensetzung und Temperatur thermodynamisch stabil sind. Sie beschreiben Gleichgewichtszustände, also Situationen, in denen Umwandlungen ausreichend Zeit für Diffusion und Ausgleich haben. Genau deshalb enthalten sie keine Information darüber, wie schnell erhitzt oder gekühlt wird. In der Praxis ist diese Einschränkung jedoch kein Nachteil, sondern eine klare Rollenverteilung: Das Gleichgewichtssystem sagt, welche Umwandlungen möglich sind und wo kritische Temperaturen liegen. Der tatsächliche Wärmebehandlungsprozess entscheidet dann, welche dieser Möglichkeiten realisiert werden.
Diese Differenzierung hat Konsequenzen. Wenn eine Legierung im festen Zustand keine Umwandlungsfelder besitzt, fehlt ihr der Hebel, die Struktur gezielt zu verändern. Solche Systeme sind im klassischen Sinn nur eingeschränkt wärmebehandelbar. Anders ist die Lage bei Legierungen, deren Löslichkeit im festen Zustand temperaturabhängig ist. Dort lässt sich bei hoher Temperatur eine Phase lösen, durch rasches Abkühlen eine übersättigte Lösung erzeugen und beim Wiedererwärmen eine Ausscheidung auslösen. Über diesen Weg werden Struktur und Eigenschaften gezielt verschoben.
Ein weiterer, besonders wichtiger Fall sind Legierungen mit allotropen Umwandlungen. Bei hoher Temperatur ist eine Phase stabil, beim Unterschreiten kritischer Temperaturen wird sie instabil und zerfällt in andere Phasen. Ob dieser Zerfall diffusiv „nach Gleichgewicht“ abläuft oder ob nichtgleichgewichtige Zustände entstehen, hängt davon ab, wie schnell der Umwandlungsbereich durchlaufen wird. Bei langsamer Abkühlung kann Diffusion folgen, bei schneller Abkühlung nicht. Dann sind Gefüge wie Martensit möglich, die im Gleichgewicht nicht auftreten würden.
Für Stahl ist das zentrale Gleichgewichtssystem das Eisen-Zementit-Diagramm (Fe–Fe₃C) bis etwa 2,11 % Kohlenstoff, also der für Stähle relevante Bereich. Daraus ergibt sich die Bedeutung der Austenitisierung: Wer Stahl in den Austenitbereich erhitzt, schafft die Ausgangsstruktur, aus der sich beim Abkühlen je nach Abkühlweg sehr unterschiedliche Gefüge bilden können. Das Diagramm markiert die Temperaturgrenzen; die Umwandlungskinetik entscheidet über das Ergebnis.
Erwärmen, Halten und Abkühlen
Jeder Wärmebehandlungsprozess lässt sich als Temperaturprogramm beschreiben, das drei Abschnitte umfasst: Erwärmen, Halten und Abkühlen.
Beim Erwärmen wird das Bauteil auf die prozessrelevante Temperatur gebracht. Häufig erfolgt das nicht in einem Sprung, sondern stufenweise. Ein Vorwärmschritt reduziert Temperaturgradienten zwischen Oberfläche und Kern. Damit sinkt das Risiko thermisch induzierter Spannungen, die insbesondere bei komplexen Geometrien zu Rissen führen können.
Das Halten dient zweierlei. Erstens muss sich die Temperatur im gesamten Querschnitt angleichen; ein Bauteil ist nicht „auf Temperatur“, nur weil die Oberfläche es ist. Zweitens benötigen viele Umwandlungen Zeit, vor allem solche, die durch Diffusion gesteuert werden. Karbide müssen sich lösen, Konzentrationsunterschiede müssen sich ausgleichen, und erst dann liegt ein definierter Ausgangszustand vor.
Das Abkühlen bestimmt schließlich, welche Umwandlungswege tatsächlich beschritten werden. Langsames Abkühlen, etwa im Ofen oder in ruhender Luft, entspricht typischen Glühprozessen. Schnelles Abkühlen in Wasser oder Öl führt zum Abschrecken. In vielen realen Prozessen wird die Abkühlung bewusst geführt: Manche Temperaturbereiche werden langsamer passiert, um Diffusion zu ermöglichen, andere schneller, um diffusiv-perlitische Umwandlungen zu vermeiden und martensitische Gefüge zu begünstigen.
Da es auf den zeitlichen Verlauf ankommt, beschreibt man Wärmebehandlung als Funktion Temperatur über Zeit. Durchschnittliche Heiz- und Kühlraten sind hilfreich, reichen aber nicht immer aus. Entscheidend ist oft die momentane Rate in den kritischen Bereichen. Zwei Prozesse können die gleiche Gesamtdauer haben und dennoch unterschiedliche Gefüge erzeugen, wenn sie die Umwandlungszonen unterschiedlich schnell durchlaufen.
Klassifizierung der Wärmebehandlung
Die gängige Einteilung folgt nicht akademischer Ordnungsliebe, sondern den Mechanismen, mit denen Eigenschaften verändert werden.
Konventionelle Wärmebehandlung verändert die Struktur, ohne die chemische Zusammensetzung zu ändern. Dazu gehören Glühen, Härten und Anlassen, aber auch Übersättigen und Auslagern, bei denen zunächst eine übersättigte Lösung erzeugt und anschließend eine kontrollierte Ausscheidung herbeigeführt wird.
Thermochemische Behandlung nutzt zusätzlich eine reaktive Umgebung, um die Randschicht gezielt mit Elementen wie Kohlenstoff oder Stickstoff anzureichern. Das Ergebnis ist eine veränderte Oberflächenzusammensetzung und damit ein anderes Randgefüge, häufig mit verbesserter Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit. Der Unterschied ist grundsätzlich: Konventionelle Verfahren ordnen um, was im Werkstoff bereits vorhanden ist; thermochemische Verfahren führen Materialbestandteile gezielt von außen zu.
Thermomechanische Behandlung kombiniert Wärme mit plastischer Verformung. Damit lässt sich Korn verfeinern, Versetzungsdichte erhöhen und die Struktur auf eine Weise beeinflussen, die rein thermisch nicht erreichbar wäre. Thermomagnetische Verfahren nutzen ein Magnetfeld, um bestimmte physikalische Effekte zu unterstützen. Für die Grundlagen bei Stahl steht jedoch die konventionelle Wärmebehandlung im Zentrum, weil sie direkt an die Austenitumwandlung und ihre Zerfallsprodukte gekoppelt ist.
Vorgänge während des Erhitzens
Beim Stahl ist das Erhitzen mehr als ein Aufwärmen. Ziel ist die Bildung von Austenit, weil Austenit die Ausgangsphase für viele nachfolgende Gefüge ist. Beim Erreichen der kritischen Temperatur A₁, in der Größenordnung von 727 °C, beginnt die grundlegende Umwandlung: Perlit geht in Austenit über.
Wie der Prozess weiterläuft, hängt vom Kohlenstoffgehalt ab. Bei untereutektoiden Stählen muss nach der Perlit-Austenit-Umwandlung auch der verbleibende Ferrit in Austenit übergehen; der Vorgang endet an der Ac₃-Temperatur. Bei übereutektoiden Stählen löst sich nach der Perlitumwandlung sekundärer Zementit in den Austenit ein; hier markiert Ac_cm das Ende der Austenitisierung. In beiden Fällen lautet das Ziel gleich: ein möglichst homogener Austenit, der als definierter Ausgangszustand für das Abkühlen dient.
Auch die Perlit-Austenit-Umwandlung selbst verläuft nicht „instantan“. Austenit keimt bevorzugt an Ferrit-Zementit-Grenzen, wächst in die Perlitkolonien hinein, während Zementit sich gleichzeitig löst. Die allotrope Umwandlung des Eisens kann dabei schneller sein als die vollständige Auflösung von Karbiden. Es ist daher möglich, dass Austenit bereits vorhanden ist, aber noch Karbidreste enthält und chemisch inhomogen bleibt. Erst mit ausreichender Haltezeit homogenisiert die Kohlenstoffdiffusion den Austenit.
Die Aufheizgeschwindigkeit verschiebt den tatsächlichen Umwandlungsbereich. Bei langsamer Erwärmung beginnt die Umwandlung nahe der Gleichgewichtstemperatur. Bei schneller Erwärmung setzt sie häufig erst bei höheren Temperaturen ein. Wer nur die Lehrbuchwerte kennt, übersieht daher einen Teil der Realität: Ausgangsgefüge, Perlitfeinheit, Zementitform und Legierungszusätze beeinflussen die Austenitisierung und damit die Prozessfenster.
Korngröße als Eigenschaftstreiber
Für Stahl ist die Korngröße kein Nebendetail, sondern ein zentrales Steuerinstrument, insbesondere für die Schlagzähigkeit. Man unterscheidet das Primärkorn, das aus der Erstarrung resultiert, und das Sekundärkorn, oft als „eigentliches Korn“ bezeichnet, das vom letzten Austenitkorn geprägt wird. Dieses Austenitkorn „vererbt“ seine Größenordnung in vielen Fällen an das nach dem Abkühlen entstehende Gefüge.
Feines Korn begünstigt Zähigkeit; grobes Korn erhöht die Sprödigkeitstendenz. Aus technologischer Sicht ist deshalb nicht nur die vollständige Austenitisierung wichtig, sondern die Kontrolle des Austenitkornwachstums. Zwar kann die Umwandlung selbst eine gewisse Fragmentierung bewirken, doch längeres Halten bei hoher Temperatur treibt das Kornwachstum, weil das System die Korngrenzenergie reduzieren will. Je höher die Temperatur und je länger die Haltezeit, desto stärker wächst das Korn. Das ist der Hintergrund der Warnung „zu heiß und zu lange“: Das Gefüge kann trotz vollständiger Austenitisierung grobkörnig werden, und damit sinkt die Bruchzähigkeit.
In diesem Zusammenhang spricht man von Überhitzung im Sinne von Kornwachstumstendenz. „Feinkörnige“ und „grobkörnige“ Stähle unterscheidet man weniger nach einem zufälligen Ist-Zustand als nach ihrer Neigung, während der Austenitisierung Korn wachsen zu lassen. Selbst ein nominell feinkörniger Stahl kann durch falsche Prozessführung grobkörnig werden. Umgekehrt kann ein Stahl mit kontrolliertem Prozessfenster ein feines Gefüge liefern, obwohl er grundsätzlich zum Wachstum tendiert. Die Werkstoffbezeichnung ersetzt daher nicht die Prozesskontrolle.
Legierungszusätze, etwa Aluminium, können Kornwachstum bremsen, weil sie Oxide oder Nitride bilden, die Korngrenzen stabilisieren. Praktisch bedeutet das mehr Robustheit im Prozess: Der sichere Temperaturbereich wird größer, und die Gefahr, durch unbeabsichtigte Überhitzung Zähigkeit zu verlieren, sinkt.
Kinetik der Austenitumwandlung beim Abkühlen
Nach der Austenitisierung entscheidet sich alles an der Frage, wie Austenit beim Abkühlen zerfällt. Unterhalb der A₁-Temperatur ist Austenit thermodynamisch nicht mehr stabil. Er strebt zu Zuständen niedrigerer freier Energie, etwa Perlit, Bainit oder Martensit. Welcher Weg eingeschlagen wird, hängt von zwei gegensätzlichen Effekten ab: Mit zunehmender Unterkühlung steigt der thermodynamische Antrieb der Umwandlung. Gleichzeitig nimmt die Diffusionsfähigkeit ab, und viele Umwandlungen benötigen Diffusion. Daraus folgt ein typisches Verhalten: Die Umwandlungsrate steigt bis zu einem Maximum und fällt dann wieder ab, bis Diffusion praktisch blockiert ist und andere Mechanismen dominieren.
Um diese Zusammenhänge greifbar zu machen, nutzt man Umwandlungsdiagramme. Unter isothermen Bedingungen wird Austenit schnell auf eine Temperatur abgekühlt und dort gehalten. Häufig folgt zunächst eine Inkubationszeit, in der scheinbar nichts passiert. Erst danach beginnt die Umwandlung und schreitet bis zum Ende fort. Trägt man Start- und Endzeiten über der Temperatur auf, entstehen Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme mit charakteristischen C-förmigen Kurven. Der Abstand zwischen Start- und Endlinie spiegelt die Umwandlungsgeschwindigkeit.
Aus solchen Diagrammen lassen sich typische Bereiche ablesen: Nahe A₁ dominiert perlitische Umwandlung mit relativ hoher Austenitstabilität. Im mittleren Temperaturfeld bildet sich Bainit. Unterhalb der Ms-Linie setzt Martensit ein, und diffusiv gesteuerte Kurven spielen keine Rolle mehr. Austenit ist damit kein eindeutiger Umwandlungsweg, sondern ein Ausgangszustand, dessen „Zerfallsprodukt“ durch den Abkühlpfad festgelegt wird.
Perlitische Umwandlung
Perlit entsteht diffusiv. Häufig keimt Zementit an Austenitkorngrenzen, wächst plättchenartig, während der kohlenstoffarme Anteil des Austenits zu Ferrit wird. Das wiederholte Zusammenspiel erzeugt den typischen lamellaren Aufbau aus Ferrit- und Zementitlagen. In einem Austenitkorn entstehen meist mehrere Perlitkolonien, deren Feinheit von der Umwandlungstemperatur abhängt.
Mit zunehmender Unterkühlung entstehen mehr Keime, und die Umwandlung läuft zunächst schneller an. Gleichzeitig wird Langstreckendiffusion schwieriger. Die Konsequenz zeigt sich in der Lamellenweite: Perlit wird mit sinkender Umwandlungstemperatur feiner. Grober Perlit bildet sich nahe A₁, feiner Perlit bei tieferen Temperaturen. Diese Änderung ist direkt in den Eigenschaften spürbar: Feiner Perlit erhöht Härte und Festigkeit, meist zulasten der Duktilität.
Bei unter- und übereutektoiden Stählen kann zusätzlich Ferrit beziehungsweise sekundärer Zementit vor der perlitischen Umwandlung ausscheiden. Mit stärkerer Unterkühlung kann dieser Vorlauf jedoch zurücktreten, sodass perlitische Strukturen ohne ausgeprägtes Ferrit- oder Zementitnetz entstehen. Das erklärt, warum in bestimmten Abkühlbereichen homogener wirkende Perlitgefüge auftreten können.
Martensitische Umwandlung
Unterhalb der Ms-Temperatur ändert sich der Mechanismus grundlegend. Diffusion, insbesondere die Kohlenstoffdiffusion, ist so stark gehemmt, dass eine Trennung in Ferrit und Zementit nicht mehr effizient ablaufen kann. Austenit wandelt sich daher über eine nichtdiffusive Gitterumordnung in Martensit um. Der Kohlenstoff bleibt im Gitter, Martensit ist damit eine übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in α-Eisen. Diese Übersättigung verzerrt das Gitter tetragonal. Genau diese Verzerrung erklärt die hohe Härte, aber auch die ausgeprägte Sprödigkeit des martensitischen Zustands.
Praktisch besonders relevant ist die Volumenänderung. Martensit besitzt im Vergleich zu anderen Umwandlungsprodukten das größte spezifische Volumen. Das bedeutet: Härten erzeugt Spannungen, Verzug und im ungünstigen Fall Risse, vor allem bei komplexen Geometrien oder starken Querschnittsunterschieden. Dilatometrische Messungen machen diese Volumeneffekte als deutliche Längenänderungen während der Umwandlung sichtbar.
Martensit entsteht ohne Inkubationszeit. Sobald Ms unterschritten wird, setzt die Umwandlung unmittelbar ein. Der Martensitanteil wächst vor allem durch Bildung neuer Nadeln beziehungsweise Platten, nicht durch das gleichmäßige Wachstum bestehender. Die Umwandlung endet bei Mf, dennoch kann Restaustenit verbleiben. Sein Anteil steigt typischerweise mit höherem Kohlenstoffgehalt, was Härte und Maßstabilität beeinflusst.
Bainitische Umwandlung
Im mittleren Temperaturbereich, bei Kohlenstoffstählen grob zwischen etwa 550 °C und 200 °C, bildet sich Bainit. Mechanistisch liegt er zwischen diffusiven und nichtdiffusiven Umwandlungen. Kohlenstoffdiffusion im Austenit ist bereits stark reduziert, aber nicht völlig blockiert. Es entstehen Ferritplatten, die zunächst kohlenstoffreich sind. Da Kohlenstoff in Ferrit deutlich beweglicher ist, scheiden sich Karbide aus dem Ferrit aus. Bainit ist daher ein Gefüge aus Ferrit und Karbiden, dessen Feinheit mit sinkender Umwandlungstemperatur zunimmt.
Man unterscheidet oberen und unteren Bainit. Sie unterscheiden sich morphologisch und in ihrer Härte. Die typischen Härtebereiche verdeutlichen seine Zwischenstellung: oberer Bainit liegt häufig unterhalb martensitischer Werte, unterer Bainit nähert sich ihnen an. Zudem können perlitische und bainitische Bereiche teilweise überlappen, was Mischgefüge begünstigt.
Umwandlungen bei kontinuierlicher Abkühlung
Isotherme Diagramme erklären Mechanismen, doch die industrielle Realität folgt meist kontinuierlichen Abkühlkurven. Deshalb nutzt man Umwandlungsdiagramme für kontinuierliche Abkühlung. Sie berücksichtigen, dass das Material beim Abkühlen mehrere Temperaturbereiche nacheinander durchläuft. In solchen Diagrammen lassen sich reale Abkühlkurven direkt in Beziehung zu Umwandlungslinien setzen. Damit wird vorhersagbar, welches Gefüge ein konkreter Prozess erzeugt.
Bei sehr langsamer Abkühlung nähert sich der Ablauf dem Gleichgewicht: Untereutektoide Stähle scheiden zunächst Ferrit aus und bilden anschließend Perlit. Steigt die Abkühlgeschwindigkeit, sinken die Umwandlungstemperaturen. Einzelne Stadien können verschwinden, etwa eine deutliche Ferritausscheidung vor der Perlitbildung, was zu homogener wirkenden perlitischen Strukturen führt. Bei weiter erhöhter Geschwindigkeit verschiebt sich das Gefüge in Richtung Bainit, bei noch schnellerer Abkühlung treten Bainit-Martensit-Gemische auf. Ab einer ausreichend hohen Rate dominiert Martensit.
Hier ist die kritische Abkühlgeschwindigkeit entscheidend: die Mindestgeschwindigkeit, bei der sich im Bauteilquerschnitt überwiegend martensitisches Gefüge einstellt, abgesehen von einem gewissen Anteil Restaustenit. Dieses Konzept ist technisch unmittelbar nutzbar. Es beantwortet die Frage, ob ein Bauteil mit seinen Abmessungen und einem gegebenen Kühlmedium tatsächlich „durchhärtet“. Kontinuierliche Umwandlungsdiagramme, insbesondere in Kombination mit Härteangaben, erlauben eine Abschätzung der Phasenanteile und damit der resultierenden Eigenschaften.
Anlassen
Gehärteter Stahl ist hart, aber häufig zu spröde und von Eigenspannungen geprägt. Anlassen ist daher kein Komfortschritt, sondern die notwendige Stabilisierung eines extremen Zustands. Dabei wird der gehärtete Stahl kontrolliert auf Temperaturen unterhalb der Austenitisierung erhitzt, um Martensit strukturell umzubauen. Das geschieht nicht in einem einzigen Vorgang, sondern stufenweise, abhängig von Temperatur und Zeit: Karbide scheiden aus, der Kohlenstoffgehalt im Martensit sinkt, tetragonale Verzerrungen bauen sich ab, und Restaustenit kann sich umwandeln.
Bei niedrigen Anlasstemperaturen fällt zunächst ε-Karbid aus. Bei hochgekohlten Stählen kann das kurzfristig sogar zu einer scheinbaren Verfestigung führen, eine Beobachtung, die den verbreiteten Reflex „Anlassen macht weich“ zu grob macht. Mit steigender Temperatur setzt die Umwandlung von Restaustenit in bainitähnliche Strukturen ein. In höheren Bereichen wandelt sich ε-Karbid in Zementit um, das Gefüge nähert sich dem Gleichgewicht, und es entsteht angelassener Martensit. Bei noch höheren Temperaturen koaguliert Zementit, Spannungen werden abgebaut, und eine sorbitische Struktur kann sich einstellen, die einen günstigen Eigenschaftskompromiss liefert.
Technologisch zielt Anlassen darauf, Härte gegen Zähigkeit und Verformbarkeit auszubalancieren. Mit wachsender Anlasstemperatur sinken Härte und Festigkeit, während Schlagzähigkeit und Duktilität steigen. Dabei zählt nicht nur der Härtewert. Zwei Strukturen können ähnlich hart sein und dennoch unterschiedlich reagieren, wenn Form und Verteilung der Karbide variieren. Genau dieser Punkt erklärt, warum martensitisch gehärtete und angelassene Zustände häufig überlegen sind: Sie liefern Eigenschaftskombinationen, die sich allein über perlitische Abkühlung nur schwer einstellen lassen.
Einfluss der Wärmebehandlung auf Stahleigenschaften
Härten erzeugt Martensit und damit hohe Härten, die stark vom Kohlenstoffgehalt abhängen. Bis zu mittleren Kohlenstoffgehalten steigt die Martensithärte besonders deutlich, danach flacht der Zugewinn ab. Bei übereutektoiden Stählen kann ein hoher Restaustenitanteil, vor allem nach Austenitisierung aus sehr hohen Temperaturen, die beobachtete Härte und das Maßverhalten beeinflussen.
Anlassen verändert diesen Zustand kontrolliert. Niedrige Temperaturen können in speziellen Fällen zunächst verfestigend wirken, insgesamt führt steigende Anlasstemperatur jedoch zur erwarteten Tendenz: Härte und Festigkeit sinken, Zähigkeit und Duktilität steigen. Der Grund liegt nicht in einem vagen „Temperatureffekt“, sondern in konkreten mikrostrukturellen Vorgängen: Karbidausscheidung, Abbau tetragonaler Verzerrung, Umwandlung und Koagulation von Karbiden, Abbau von Eigenspannungen und gegebenenfalls Umwandlung von Restaustenit. Die Mikrostruktur, genauer die Karbidmorphologie und der Zustand der festen Lösung, ist der eigentliche Regler.
Ein Vergleich perlitischer Gefüge mit angelassenen martensitischen Strukturen zeigt das besonders klar. Beide können ähnliche Härten erreichen und optisch vergleichbar wirken. Im Detail unterscheiden sie sich jedoch: Zementit liegt im Perlit lamellar vor, nach dem Anlassen häufiger globular. Diese Differenz kann bei gleicher Härte die Streckgrenze, die Einschnürung und das Bruchverhalten spürbar verändern. Genau deshalb sind Härten und Anlassen als Prozesskombination so verbreitet: Sie liefern nicht nur hohe Härte, sondern eine gezielt einstellbare Funktionsreserve.
Theoretische Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl und Gusseisen: Zusammenfassung
Die Wärmebehandlung von Stahl lässt sich im Kern auf die Steuerung der Austenitumwandlung zurückführen. Das Fe–Fe₃C-System markiert die kritischen Temperatur- und Phasenbereiche. Die Umwandlungskinetik legt fest, welche Gefüge bei einer gegebenen Abkühlführung tatsächlich entstehen. Isotherme und kontinuierliche Umwandlungsdiagramme zeigen, wo Austenit stabil bleibt, wo diffusiv Perlit oder Bainit entsteht und wo die Umwandlung ohne Diffusion in Martensit kippt. Anlassen ordnet anschließend den gehärteten Zustand: Spannungen werden abgebaut, Karbidmorphologie und Kohlenstoffverteilung werden neu eingestellt, und damit verschieben sich die Eigenschaften in den für die Anwendung erforderlichen Bereich.
Wärmebehandlung ist damit kein Bündel von Rezepten, sondern eine technisch präzise Kette von Ursache und Wirkung: Temperatur, Zeit und Abkühlverlauf formen die Mikrostruktur, und die Mikrostruktur bestimmt die Eigenschaften. Je besser diese Logik verstanden und beherrscht wird, desto zuverlässiger lassen sich Prozessparameter wählen, Fehler vermeiden und Werkstoffe so einstellen, dass sie konstruktive Anforderungen nicht nur erfüllen, sondern dauerhaft tragen.
