Grundlagen

Um die Vorgänge bei der Wärmebehandlung zu verstehen sind das Eisen-Kohlenstoffdiagramm und die damit verbundenen Bezeichungen essenziell. Diese werden im Folgenden knapp erläutert und bilden die Grundlage für die beschriebenen Gefügeumwandlungen und Wärmebehandlungen. Sie sind noch einmal gesondert in dem Glossar zusammengefasst.

Gefüge

Das Gefüge eines Stahls ist maßgeblich für seine Eigenschaften verantwortlich und wird sowohl durch Fremdelemente als auch durch die Wärmebehandlung beeinflusst. Stahl besteht aus einzelnen Körnern, welche aus dem sogenannten Gitter aufgebaut sind. Dieses Gitter setzt sich aus einzelnen Elementarzellen zusammen. Die Größe der Körner liegt im µ-Bereich, die der aus Eisenatomen und eventuell vorhandenen Substitutionselementen aufgebauten Elementarzelle im Angström-Bereich.

Eisenatome können sich in zwei unterschiedlichen Formen zu einer Elementarzelle anordnen. Man unterscheidet zwischen kubisch-raumzentriertem Alpha-Eisen und kubisch-flächenzentriertem Gamma-Eisen. Die Elementarzelle des Gamma-Eisens ist dabei größer als die des Alpha-Eisens und kann mehr Kohlenstoff auf Zwischengitterplätzen einlagern.

In welcher Form die Elementarzelle vorliegt, ist sowohl von der Temperatur als auch von den Legierungselementen abhängig. Reines Eisen liegt bei Raumtemperatur als Alpha-Eisen, dem sogenannten Ferrit, vor. Bei 906°C wandelt sich dieses in als Austenit bezeichnetes Gamma-Eisen um, bei weiterer Erwärmung entsteht oberhalb von 1401°C kubisch-raumzentriertes Delta-Eisen, welches bei 1528°C schmilzt. Die einzelnen Umwandlungstemperaturen werden als A1, A2, etc. bezeichnet und zeigen eine Hysterese zwischen Erwärmung und Abkühlung, weshalb sie mit c (chauffage), bzw. r (refroidissement) gekennzeichnet werden.

Kohlenstoff

Kohlenstoff ist das wohl wichtigste Legierungselement, denn durch seine Zugabe wird Stahl härtbar. Das Kohlenstoff-Atom ist etwas größer als die Zwischengitterplätze, die es einnimmt. Bedingt durch die Größe der Elementarzelle kann Alpha-Eisen bis zu 0.018% und Gamma-Eisen bis zu ca. 1.7% C lösen. Sofern Kohlenstoff nicht mehr auf Zwischengitterplätzen eingelagert werden kann, bildet sich Eisenkarbid (Fe3C), welches als Zementit bezeichnet wird.

Dem Eisen-Kohlenstoffdiagramm können die Umwandlungstemperaturen und Gefügearten bei unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten entnommen werden. Die im Kohlenstoff-Diagramm angegebenen Gefügearten setzen eine langsame Abkühlung voraus.

Perlit ist ein lamellares Aggregat aus Ferrit und Zementit. Bei ca. 0.83%C liegt diese Form im eutektischen Gleichgewicht vor. Ein weiterer Gleichgewichtszustand herrscht bei 4.3% Kohlenstoff; die Schmelze erstart direkt zu Ledeburit, einem Gemisch aus Primär-Zementit und kohlenstoffgesättigtem Austenit. Aus der Schmelze ausgeschiedener Zementit wird als Primär-Zementit, aus dem Solidus ausgeschieder als Sekundär-Zementit bezeichnet.

Sofern aus dem Gamma-Gebiet zügig abgekühlt wird, hat der Kohlenstoff keine Zeit Fe3C zu bilden, sei es in Form von Perlit oder globularem Zementit. Es entsteht Martensit oder Bainit.

Feuerschweißen

Das Feuerschweißen basiert auf einem Diffusionsvorgang. Zwei metallisch blanke Oberflächen werden miteinander in Kontakt gebracht. Dabei dringen, angeregt durch hohe Temperatur und Druck, Atome in die jeweils andere Oberfläche ein, wodurch eine quasi-homogene Verbindung entsteht. Oft verbleiben in der Schweißnaht jedoch feine Oxideinschlüsse.

Da Stahl immer mit der Umgebungsluft eine Zunderschicht bilden wird, ist die Verwendung eines Flussmittels erforderlich. Früher fand Quarzsand Verwendung, heutzutage wird zumeist Borax eingesetzt. Beides ist bei Raumtemperatur fest, schmilzt jedoch auf dem heißen Eisen und bildet einen glasartigen Überzug, der für den notwendigen Sauerstoffabschluss sorgt. Borax wirkt ferner desoxidierend und löst kleinere Zunderschichten auf. Beim Schweißen wird das Flussmittel aus der Schweißzone gepresst, Partikel werden mit ausgeschwemmt.

Das Erwärmen auf Schweißtemperatur bedarf einiger Erfahrung. Wird bei einer zu niedrigen Temperatur geschweißt, so entsteht mitunter ein schlechter Verbund, der sich beim weiteren Schmieden lösen kann. Bei zu hohen Temperaturen besteht die Gefahr des Eindringens von Sauerstoff, des unkontrollierten Kornwachstums oder des Ausbrennens von Kohlenstoff.

Befindet sich das Stahlpaket auf Schweißtemperatur, so wird der Kontakt und erforderliche Druck durch schnelle Hammerschläge hergestellt. Beginnend von einer Seite, damit das Flussmittel gut abfließen kann, wird das ganze Stahlstück überschmiedet. Oft sind mehrere Hitzen erforderlich, um die Schweißung durchzuführen.