Einfluss der Legierungselemente auf die Martensitbildung

Grundsätzlich ergibt sich aus den oben genannten Prozessschritten folgende Notwendigkeit für die Härtbarkeit eines Stahls:

  • Löslichkeit des Kohlenstoffs im \(\gamma\)-Gitter
  • Unlöslichkeit des Kohlenstoffs im \(\alpha\)-Gitter
  • \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung
  • ausrechende Menge an Kohlenstoff (> 0,3 %)

Bei einigen Stählen wird die \(\gamma\)-\(\alpha\)-Gitterumwandlung durch zugesetzte Legierungselemente wie Chrom und Nickel verhindert (z.B. bei rostfreien Chrom-Nickel-Stählen). Je nach Legierungselement bleibt der Stahl dabei entweder bis zur Raumtemperatur im austentitischen Zustand (austenitische Stähle) oder die Austenitphase wird vollständig unterdrückt und der Stahl liegt im gesamten Temperaturbereich im ferritischen Zustand vor (ferritische Stähle). Solche ferritische bzw. austenitische Stähle sind dementsprechend nicht härtbar, da die notwendige \(\gamma\)-\(\alpha\)-Gitterumwandlung zur Zwangslösung des Kohlenstoffs fehlt und somit keine Martensitbildung stattfinden kann.

Eine weitere Notwendigkeit für die Härtbarkeit eines Stahls stellt das ausreichende Vorhandensein von Kohlenstoff dar. Ein zu geringer Kohlenstoffgehalt würde zu keiner nennenswerten Martensitbildung führen. Zwar wäre auch dabei ein geringer Härte- bzw. Festigkeitsanstieg zu verzeichnen, dies würde allerdings dem relativ großen Verfahrensaufwand aus wirtschaftlichen Gründen nicht Rechnung tragen. Als Richtwert gilt, dass das Härten bzw. Vergüten erst ab einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,3 % wirtschaftlich und technisch sinnvoll durchgeführt werden kann.

Das entscheidende Kriterium für die Martensitbildung ist die Behinderung der Kohlenstoffdiffusion während der \(\gamma\)-\(\alpha\)-Gitterumwandlung. Dies wird durch hinreichend große Abkühlgeschwindigkeiten erreicht. Ist die Abkühlwirkung zu gering, so entsteht nicht in ausreichendem Maße Martensit. Die Kohlenstoffatome können teilweise noch diffundieren und Zementit bilden. Es entsteht ein Zwischengefüge, das zwischen dem des feinstreifigen Perlitgefüges (langsame Abkühlung) und dem des Martensitgefüges (schnelle Abkühlung) liegt. Ein solches Zwischenstufengefüge wird auch als Bainit bezeichnet. Beim Härten ist in der Regel ein vollständig martensitisches Gefüge anzustreben.

Gefügebild, Schliffbild, 25CrMo4, oberer, Bainit

Abbildung: Gefügebild des oberen Bainits (25CrMo4)

Grundsätzlich ist die Kühlwirkung beim Abschrecken an der Bauteiloberfläche größer als im Inneren. Hierdurch kann im Bauteilinneren eventuell die benötigte kritische Abkühlgeschwindigkeit zur Erzielung eines martensitischen Gefüges nicht mehr erreicht werden. Hierdurch wird lediglich die Werkstückoberfläche gehärtet. Diese Gefahr (sofern ungewollt) besteht vor allem bei unlegierten Stählen mit einem relativ großen Querschnitt. Solche Stähle, die nicht über den gesamten Querschnitt durchhärtbar sind, werden dann auch als Schalenhärter bezeichnet.

Selbst größere Abkühlgeschwindigkeiten zur Erzielung einer kompletten Durchhärtung stoßen irgendwann an ihre Grenzen. Durch extreme Abkühlgeschwindigkeiten können hohe Wärmespannungen im Bauteil entstehen, die zum sogenannten Härteverzug oder gar zur Rissbildung führen können.

Um eine Durchhärtbarkeit über den gesamten Stahlquerschnitt hinweg zu erzielen, muss letztlich die Kohlenstoffdiffusion gezielt behindert werden. Schließlich kommt die Martensitbildung gerade durch die Verhinderung der Kohlenstoffdiffusion während der Gitterumwandlung zustande. Dies kann durch zusätzliche Legierungselemente erreicht werden. Dabei ist es im Prinzip unerheblich welche Legierungselemente verwendet werden, da jedes Legierungselement mehr oder weniger stark die Kohlenstoffdiffusion behindert. Denn schließlich stellen die Legierungselemente zusätzlich Blockaden für die Kohlenstoffatome dar, die es während einer Diffusion zu "umwandern" gilt.

Dies führt dazu, dass hochlegierte Stähle im Vergleich zu unlegierten Stählen in der Regel über den gesamten Querschnitt durchhärten. Die Legierungselementkonzentration hat zudem Auswirkungen auf die Wahl des Abschreckmittels - siehe nachfolgender Abschnitt.