Wärmebehandlung
Basis der Wärmebehandlung ist das Phasendiagramm für Stahl. Es zeigt grafisch an, welche Temperaturen bis zur Erwärmung im so genannten Austenitgebiet erforderlich sind. Diese liegen oberhalb einer charakteristischen Linie im Phasendiagramm, dessen Temperaturwerte als Umwandlungspunkte A3 bzw. A1 gekennzeichnet sind. Sie liegen bei 723 °C oder höher.
Je nach Legierung des Stahles bzw. dem Anteil an Legierungselementen im Stahl muss die kritische Abkühlgeschwindigkeit berücksichtigt werden, bei Überschreiten besteht Gefahr von Rissbildung.
Nach dem Schmieden liegt oft ein inhomogenes Stahlgefüge aus großen Körnern vor. Diese Gefügebestandteile haben einen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und die Zerspanbarkeit. Normalisieren dient dem Zweck, eine gleichmäßige und feinkörnige Struktur des Stahls herzustellen. Dadurch lässt sich eine gleichförmige Gefügestruktur und eine homogene Verteilung der mechanischen Eigenschaften erreichen.
Beim Normalisieren wird der Werkstoff auf eine Temperatur, die in etwa der Härtetemperatur (800-920°C) entspricht, erwärmt. Nach der Erwärmung und einer kurzen Haltezeit werden behandelte Komponenten meist an der Luft abgekühlt. Während der Abkühlung entstehen neue Ferritkörner mit einer feineren Korngröße. In manchen Fällen finden die Erwärmung und die Abkühlung in einer Schutzgasatmosphäre statt, um Oxidation und Entkohlung zu vermeiden.
Gehärteter oder durch Verformung hart gewordener Stahl wird bei Temperaturen zwischen 710 und 733 °C für unlegierte und niedrig legierte Stähle weich geglüht. Dies ist der Bereich der Umwandlungslinie (723 °C).
Danach lässt sich der Stahl wieder leichter bearbeiten. Hochlegierte Stähle erhitzt man auf Temperaturen bis 850 °C.
Beim Spannungsarmglühen werden Spannungen im Gefüge abgebaut, wie sie etwa beim Schweißen oder Biegen entstehen. Nach ein bis zwei Stunden Glühdauer lässt man die Werkstücke langsam über mehrere Stunden abkühlen.
Das Spannungsarmglühen erfordert Temperaturen zwischen 480 °C und 680 °C. Durch diese Art des Glühens beseitigt man Eigenspannungen des Werkstücks, welche vorher durch Bearbeitung oder mechanische Verformung entstanden sind.
Das wichtigste Härtungsverfahren ist die Umwandlungshärtung. Hierbei wird das Werkstück soweit erwärmt, dass sich das bei Raumtemperatur vorliegende alpha-Eisen (Ferrit) in gamma-Eisen (Austenit) umwandelt. Schreckt man den Austenit nun ab, kann der Kohlenstoff nicht mehr aus dem Gitter diffundieren. In der Folge ordnen sich die Eisenatome nicht mehr kubisch-raumzentriert, sondern tetragonal-verzerrt an. Es entsteht Martensit.
Eine wichtige Rolle bei dieser Art der Härtung spielt die Abkühlgeschwindigkeit. Je größer die Unterkühlung (Temperaturdifferenz), desto mehr Martensit bildet sich. Gesteuert wird die Umwandlungsgeschwindigkeit durch unterschiedliche Abkühlmedien (Wasser, Öl oder Luft). Um einen Stahl zu härten, muss er einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0.35% besitzen.
Beim Abschrecken bildet sich in den Außenbereichen, die schnell genug abkühlen, Martensit.
In diesem nur abgeschreckten Zustand ist der Stahl sehr hart und spröde und für technische Verwendungen nicht brauchbar. Der Zustand wird sehr treffend mit "glashart" bezeichnet.
Daher muss das Werkstück angelassen werden, wodurch die Härte reduziert und die gewünschten Gebrauchseigenschaften (Härte, Zugfestigkeit und Zähigkeit) des Stahls eingestellt werden. Dabei wird der Stahl, je nach Legierungsanteilen und gewünschten Eigenschaften, nochmals erwärmt. Es entsteht die gewünschte Gebrauchshärte. Je höher die Anlasstemperatur, desto geringer wird die Härte. Dafür nimmt die Zähigkeit zu.
Das Anlassen wird je nach Gehalt an Legierungselementen und Kohlenstoff im Temperaturbereich von 100-350 °C, bei hochlegierten Stählen bis 600 °C durchgeführt.
Das Anlassen erfolgt bei der Herstellung von Messern in der Regel in zwei Abschnitten zu je einer Stunde bei der erforderlichen Temperatur.