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Wärme und Gase entscheiden über die Materialeigenschaften

Gasharter Stahl

Stahl und Edelstahl finden sich in jedem Zuhause: Vom glänzenden Kochgeschirr bis zu Elektrogeräten. Was die Außenhaut einer Waschmaschine zusammenhält, sieht auf den ersten Blick wie eine banale Schraube aus. Doch die Anforderungen an sie sind hoch: Sie muss sich durch verzinkte und emaillierte Bleche hindurch ihr Muttergewinde selbst schneiden, und sie darf auch nach vielen Jahren ständiger Spannung und Vibration nicht den Kopf verlieren. Sie braucht also eine harte Oberfläche und einen zähen Kern. Ähnliches gilt erst recht für Teile, die etwa in Getrieben oder Kugellagern großen Kräften ausgesetzt sind. Die jeweils richtige Kombination von Eigenschaften bekommen Komponenten aus Stahl durch eine aufwendige Wärmebehandlung in der richtigen Gasatmosphäre.

Blech, Draht, Rohr und Stab – das sind die wichtigsten Grundformen, in denen Stahlwerke ihre Produkte an die metallverarbeitende Industrie ausliefern. Diese Vorprodukte werden dort in passende Teile geschnitten und anschließend in die gewünschte Form gebracht. Das geschieht unter anderem durch Erhitzen und Schmieden, oder in kaltem Zustand durch Pressen oder spanende Bearbeitung. Für die Kaltverformung und die Bearbeitung mit Bohr-, Dreh- und Fräsmaschinen wird ein relativ weicher Stahl benötigt. Dank fein verteiltem Kohlenstoffanteil und einer bestimmten Kristallstruktur lässt er sich leicht zerspanen und verformen. Einen solchen Werkstoff erhält man durch das Weichglühen. Dabei wird der Stahl langsam auf rund 720 Grad Celsius erhitzt, einige Stunden auf dieser Temperatur gehalten und anschließend in einer definierten Zeitspanne auf Raumtemperatur abgekühlt.

Fatale Anziehungskraft
Eine typische Ofenreise, wie die Fachleute diesen zeitlichen Ablauf der Wärmebehandlung nennen, kann beim Weichglühen 30 Stunden dauern. „Wenn Sauerstoff in den Ofen gelangt, besteht die Gefahr, dass er den Kohlenstoff aus dem Stahl herauslöst und in Form von Kohlendioxid bindet“, erklärt Hans-Peter Schmidt, Technologie- Manager für Metallurgie bei Messer. „Diese Anziehungskraft kann die Entkohlung der äußeren Materialschicht bewirken. Damit würde der Stahl in diesem Bereich einen Bestandteil verlieren, der für seinen weiteren Einsatz entscheidend ist.“ Zudem können die Eisenatome des Stahls selbst auch mit dem Sauerstoff reagieren, und das umso schneller, je heißer die Umgebung ist. Um den Sauerstoff aus dem Ofen herauszuhalten und beide Reaktionen zu verhindern, werden Glühöfen deshalb ständig mit großen Mengen reaktionsträgen Stickstoffs gespült.

Zwischen den Extremen
Nach der formenden Bearbeitung ist „weicher Stahl“ in der Regel nicht mehr gefragt. Das Getriebe-Zahnrad oder die Blechschraube für die Waschmaschine müssen jetzt gehärtet werden. Dafür wird das Werkstück wieder erwärmt. Bei einer Temperatur von etwa 850 Grad Celsius verändern sich die Kristall-struktur und die Verteilung der Kohlenstoffatome. Nach dem Abschrecken des homogenisierten Härtegutes in einem Ölbad werden die Werkstücke extrem hart, zugleich aber auch sehr spröde. Dieses andere Extrem entspricht nun ebenfalls bei weitem nicht den Anforderungen. Bei abermaligem Erhitzen auf weniger hohe Temperaturen zwischen 200 und 500 Grad Celsius, dem Anlassen, erhält der Stahl die Zähigkeit und Festigkeit, die ihn bruchsicher und mechanisch widerstandsfähig machen. Nicht selten kommen noch weitere Schritte der Wärmebehandlung hinzu, etwa um Spannungen im Kristallgefüge zu beseitigen.

(Un-)Erwünschte Reaktionen
Bei den meisten thermischen Behandlungen ist Stickstoff im Spiel, das als Inertgas den Hauptteil der Ofenatmosphäre ausmacht und unerwünschte chemische Reaktionen nicht eingeht. In tiefkalter Form kann Stickstoff darüber hinaus zum Abkühlen der Werkstücke nach der Wärmebehandlung eingesetzt werden. Dabei verleiht er den Teilen zusätzliche Härte und Formstabilität. Prägestöcke für die Münzherstellung werden zum Beispiel so behandelt. Es gibt aber auch chemische Reaktionen, die durchaus erwünscht sind. Mit Wasserstoff (H2) lassen sich gezielt Oxide reduzieren: H2-Moleküle verbinden sich mit dem gebundenen Sauerstoff des jeweiligen Oxids zu Wasserdampf (H2O), der mit dem Stickstoff Wasserstoff-Gemisch aus dem Ofen gespült wird. So werden unerwünschte Verfärbungen verhindert und glänzende Oberflächen erzeugt.

Verschleißfeste Oberflächen
Mit Gasen lässt sich nicht nur die Entkohlung verhindern, Kohlenstoff kann mit ihnen auch gezielt in den Stahl eingebracht werden, um seine äußere Randschicht viel härter zu machen und dadurch deren Standzeit deutlich zu erhöhen. Bei der Herstellung von großen Getrieben für Windkraftanlagen wird Kohlenstoff aus der Ofenatmosphäre bis zu acht Millimeter tief in den Stahl eingebracht“, erläutert Hans-Peter Schmidt. „Er stammt aus Propan oder anderen Kohlenwasserstoffen, der dem Prozessgas geregelt zugemischt wird. Neben Stickstoff, Wasserstoff und Propan besteht das Kohlungsgas-Gemisch aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserdampf. Jede dieser Komponenten hat ihre spezielle Wirkung auf die Geschwindigkeit der Aufnahme von Kohlenstoff. Für besonders harte und verschleißfeste Randzonen, die etwa für stark beanspruchte Werkzeuge zur Herstellung von Aluminiumprofilen oder für spezielle Gleitlager gebraucht werden, sorgt neben der Aufkohlung das Nitrieren des Stahls. Dabei wird die Stickstoffverbindung Ammoniak (NH3) verwendet. Im Gegensatz zum molekularen Stickstoff (N2) wird der freigesetzte atomare Stickstoff leichter und in höherer Konzentration im Stahl gelöst und lässt in seiner äußeren Schicht extrem harte Eisennitride entstehen. Eine kompakte und geschlossene Verbindungsschicht von nur ein- bis zweihundertstel Millimeter ist optimal.

„Damit sind nur einige der grundlegenden Verfahren der Wärmebehandlung beschrieben“, betont der Metallurgie-Experte. In der industriellen Praxis gibt es eine fast unüberschaubare Zahl von Verfahrensvarianten, mit denen unterschiedlichste Stahleigenschaften erzeugt werden. Jede hat ihren besonderen Temperaturverlauf und in jedem Fall muss die Dosierung der Gase exakt auf den Prozess abgestimmt sein. Das erfordert neben oft großen Mengen an Gasen nicht nur sehr viel spezifisches Know-how, sondern auch eine hochwertige Mess- und Regeltechnik. Hans-Peter Schmidt: „All das bekommen die Kunden von Messer aus einer Hand.“

 

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