Werkstofftechnik: Was ist eigentlich Vergüten von Stahl?
13. Oktober 2011
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.
Wir vergüten, um Stähle fest und zäh zu machen. Hohe Festigkeit bedeutet großen Widerstand gegen plastische Verformung. Hohe Zähigkeit bedeutet großen Widerstand gegen Risswachstum und Bruch – und zwar gerade deshalb, weil sich der Stahl plastisch verformen kann. Der Stahl soll sich also verformen – und gleichzeitig nicht? Wie passt das zusammen?
Stahl verformt sich durch die Bewegung von Versetzungen im Kristallgitter. 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. Doch wie erreichen wir dieses fein abgestimmte Gleichgewicht?
Stahl verstehen: Ferrit und Zementit
Zunächst müssen wir klären, wie Stahl grundsätzlich „funktioniert“. Stahl ist Eisen mit einem geringen, aber entscheidenden Anteil Kohlenstoff.
Unlegierter Stahl bei Raumtemperatur besteht aus einer Kombination von nahezu reinem Eisen (Ferrit) und Eisenkarbid (Zementit). Zementit-Ausscheidungen sind Eisen-Kohlenstoff-Verbindungen. Da das Kristallgitter des Ferrits nur sehr wenige Kohlenstoffatome aufnehmen kann, bildet sich Zementit, in dem der gesamte überschüssige Kohlenstoff gebunden wird. Die jeweilige Kombination, Morphologie und Verteilung von Ferrit und Zementit bestimmen maßgeblich die Werkstoffeigenschaften.
Fest und zäh – ein Widerspruch?
In nicht wärmebehandelten Stählen entstehen häufig bilden sich Strukturen, in denen relativ große Ferrit- und Zementitplatten abwechselnd gestapelt sind (z. B. Perlit). Der weiche, gut verformbare Ferrit sorgt für Zähigkeit, die harten Karbide blockieren Versetzungen und erhöhen die Festigkeit. Viel besser – weil fester und zugleich zäher – sind jedoch viele kleine, möglichst kugelige anstelle weniger großer, plattenförmiger Karbide. Genau dieses Ziel verfolgen wir beim Vergüten.
Schritt 1: Austenitisieren
Zunächst müssen wir die Zementit-Ausscheidungen auflösen und den dort gebundenen Kohlenstoff im Stahl verteilen. Dazu erwärmen wir den Stahl auf Temperaturen oberhalb von 700 °C (legierungsabhängig deutlich höher). In diesem Temperaturbereich bildet sich eine andere Kristallstruktur des Eisens: der Austenit.
Austenit kann wesentlich mehr Kohlenstoff aufnehmen als Ferrit. Bei ausreichend hoher Temperatur lassen sich Karbide vollständig auflösen – dieser Vorgang heißt Austenitisieren.
Schritt 2: Härten – Martensit entsteht
Anschließend wird schnell abgekühlt – so schnell, dass der Kohlenstoff keine Zeit hat, erneut Karbide zu bilden. Wir „frieren“ den Kohlenstoff also praktisch in unserem Kristallgitter ein, das sich dadurch verspannt und fest aber auch extrem spröde wird. Dabei entsteht Martensit: eine tetragonal verzerrte, stark verspannte Struktur mit sehr hoher Festigkeit – jedoch auch hoher Sprödigkeit. Der Kühlprozess, der zur Martensitbildung führt, heißt Härten. Die Festigkeit ist nun maximal – doch es fehlt an Zähigkeit.
Schritt 3: Anlassen – Zähigkeit einstellen
Um die Zähigkeit gezielt einzustellen, erwärmen wir den gehärteten Stahl erneut auf etwa 500 °C (je nach gewünschtem Eigenschaftsprofil auch deutlich darunter oder darüber). Dieser Schritt heißt Anlassen.
Der Kohlenstoff wird wieder beweglich und scheidet sich als Eisenkarbid aus. Entscheidend ist: Über Anlasstemperatur und -dauer steuern wir Größe, Anzahl und Verteilung der Karbide [Stimmt das?].
Nach dem Vergüten – also nach 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 Unterschied zum Ausgangszustand besteht jedoch in der feinen, gleichmäßigen Verteilung vieler kleiner, möglichst rundlicher Karbide. Das Ergebnis ist ein Werkstoffzustand, der hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit in sich vereint.
Eine Analogie aus dem Bauwesen
Der Vergütungsprozess lässt sich mit einer Kernsanierung vergleichen: Wenn uns die Funktion eines Hauses nicht gefällt, entfernen wir zunächst alle Innenwände. Anschließend errichten wir neue Wände aus den Ziegelsteinen der alten Wände nach unseren Vorstellungen. Je nachdem, wie viele Wände wir setzen und wie wir sie platzieren, verändern sich Raumaufteilung und Eigenschaften des Hauses grundlegend.
Beim Vergüten „reißen“ wir das ursprüngliche Gefüge auf und bauen es kontrolliert neu auf – mit dem Ziel optimaler mechanischer Eigenschaften.
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