--- title: "Austempern und Martempern von Stahl | Steel Equivalents" description: "Erfahren Sie, wie beim isothermen Bainit-Härten Bainit und beim Martensitstufen-Härten angelassener Martensit im Stahl entsteht." canonical: https://steelequivalents.com/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl language: de robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/heat-treatment/austempering-and-martempering-of-steel.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepelné-zpracování/bainitické-a-martenzitické-kalení-oceli.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/tratamiento-térmico/austemplado-y-martemplado-del-acero.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/traitement-thermique/austrempe-et-martrempe-de-l-acier.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/hőkezelés/az-acél-ausztemperálása-és-martemperálása.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/austempering-e-martempering-dell-acciaio.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/warmtebehandeling/austemperen-en-martemperen-van-staal.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obróbka-cieplna/hartowanie-bainityczne-i-martenzytyczne-stali.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-térmico/austêmpera-e-martêmpera-do-aço.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/термическая-обработка/изотермическая-и-ступенчатая-закалка-стали.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/ısıl-işlem/çeliğin-austemperleme-ve-martemperleme-işlemleri.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/热处理/钢的等温淬火和马氏体分级淬火.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/熱処理/鋼のオーステンパ処理とマルテンパ処理.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/المعالجة-الحرارية/المعالجة-الأوستيمبرية-والمارتيمبرية-للفولاذ.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/열처리/강의-오스템퍼링-및-마템퍼링.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/tratamento-térmico/austêmpera-e-martêmpera-do-aço.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/ऊष्मा-उपचार/इस्पात-का-ऑस्टेम्परिंग-और-मार्टेम्परिंग.md content_hash: sha256:e6f1c0581d4cead8b6999842e05adc0eb592118324d0916c46b4bbd1cf45b6fd generated: 2026-09-25 --- > **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page, > served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML. > Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl > Canonical URL: https://steelequivalents.com/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl > Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi > Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything > below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. 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Lesezeit Aktualisiert 14.08.2026 Evidenzbasiert geprüft Auf dieser SeiteAuf dieser Seite - [Austempern und Martempern: Die Begriffe müssen getrennt gehalten werden](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#austempern-und-martempern-die-begriffe-müssen-getrennt-gehalten-werden "Austempern und Martempern: Die Begriffe müssen getrennt gehalten werden") - [Der metallurgische Ausgangspunkt: Austenit, TTT-Diagramme und Ms](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#der-metallurgische-ausgangspunkt-austenit-ttt-diagramme-und-ms "Der metallurgische Ausgangspunkt: Austenit, TTT-Diagramme und Ms") - [Funktionsweise des Bainitisierens: Abschrecken, Halten und bainitische Umwandlung](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#funktionsweise-des-bainitisierens-abschrecken-halten-und-bainitische-umwandlung "Funktionsweise des Bainitisierens: Abschrecken, Halten und bainitische Umwandlung") - [Wie Martempern funktioniert: Temperaturausgleich oberhalb von Ms, anschließend Martensitbildung](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#wie-martempern-funktioniert-temperaturausgleich-oberhalb-von-ms-anschließend-martensitbildung "Wie Martempern funktioniert: Temperaturausgleich oberhalb von Ms, anschließend Martensitbildung") - [Mikrostrukturen und Eigenschaften: Bainit im Vergleich zu angelassenem Martensit](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#mikrostrukturen-und-eigenschaften-bainit-im-vergleich-zu-angelassenem-martensit "Mikrostrukturen und Eigenschaften: Bainit im Vergleich zu angelassenem Martensit") - [Kontrolle von Verzug, Rissbildung und Eigenspannungen](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#kontrolle-von-verzug-rissbildung-und-eigenspannungen "Kontrolle von Verzug, Rissbildung und Eigenspannungen") - [Bäder, Wärmeübertragung und Prozessregelung](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#bäder-wärmeübertragung-und-prozessregelung "Bäder, Wärmeübertragung und Prozessregelung") - [Modifiziertes Martempern und seine Abgrenzung zum Austempern](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#modifiziertes-martempern-und-seine-abgrenzung-zum-austempern "Modifiziertes Martempern und seine Abgrenzung zum Austempern") - [Stahlsorten, Härtbarkeit und Querschnittsgröße](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#stahlsorten-härtbarkeit-und-querschnittsgröße "Stahlsorten, Härtbarkeit und Querschnittsgröße") - [Spezifikationsrahmen: AMS-H-6875C und Prozessdokumentation](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#spezifikationsrahmen-ams-h-6875c-und-prozessdokumentation "Spezifikationsrahmen: AMS-H-6875C und Prozessdokumentation") - [Auslegung eines Zyklus: Von Umwandlungsdaten zu Betriebsparametern](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#auslegung-eines-zyklus-von-umwandlungsdaten-zu-betriebsparametern "Auslegung eines Zyklus: Von Umwandlungsdaten zu Betriebsparametern") - [Fehlerbilder und diagnostische Metallografie](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#fehlerbilder-und-diagnostische-metallografie "Fehlerbilder und diagnostische Metallografie") - [Vergleich von Austempern, Martempern und konventionellem Abschrecken und Anlassen](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#vergleich-von-austempern-martempern-und-konventionellem-abschrecken-und-anlassen "Vergleich von Austempern, Martempern und konventionellem Abschrecken und Anlassen") - [Praktische Referenz-Checkliste und Terminologie-Glossar](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#praktische-referenz-checkliste-und-terminologie-glossar "Praktische Referenz-Checkliste und Terminologie-Glossar") ## Austempern und Martempern: Die Begriffe müssen getrennt gehalten werden Beide Behandlungen unterbrechen das direkte Abschrecken, erzeugen jedoch nicht dasselbe Gefüge. **Austempern ist eine bainitische Umwandlungsbehandlung**: Austenitisierter Stahl wird rasch auf eine Temperatur abgekühlt, bei der sich Bainit bilden kann, und dort gehalten, bis der erforderliche Anteil des Austenits umgewandelt ist. **Martempern ist ein Temperaturausgleichsschritt vor der Martensitbildung**: Der Stahl wird knapp oberhalb seiner Martensitstarttemperatur abgeschreckt, dort nur so lange gehalten, bis sich die Temperatur im Querschnitt annähernd ausgeglichen hat, und anschließend durch den martensitischen Umwandlungsbereich abgekühlt. Martengestahl muss vor dem Einsatz normalerweise angelassen werden. Diese Unterscheidung ist wichtiger als die Bezeichnung des Abschreckbads. Ein Salzbad, Ölbad oder anderes kontrolliertes Medium kennzeichnet das Verfahren nicht von selbst. Die Legierungszusammensetzung bestimmt die Lage und Form der Umwandlungskurven; die Martensitstarttemperatur, die Querschnittsgröße, die Härtbarkeit, die Badtemperatur, die Haltezeit, die Badbewegung und die Abkühlgeschwindigkeit bestimmen den tatsächlichen Verlauf. Ein Bad mit 300 °C kann bei einem Stahl das Austempern ermöglichen, wenn sich während der Haltezeit Bainit bildet, bei einem anderen Stahl jedoch als Martemperstation dienen, wenn das Werkstück vor Beginn der bainitischen Umwandlung entnommen und anschließend zur Martensitbildung abgekühlt wird. ### Warum die Bezeichnungen häufig verwechselt werden Die Verwechslung beruht auf einer tatsächlichen Ähnlichkeit bei Ausrüstung und Handhabung. Bei beiden Behandlungen wird das Werkstück austenitisiert, rasch in ein Medium mit kontrollierter Temperatur überführt und daran gehindert, unkontrolliert von der Austenitisierungstemperatur auf Raumtemperatur direkt abgeschreckt zu werden. Beide Abläufe können die Temperaturgradienten gegenüber dem gewöhnlichen Abschrecken verringern, und beide werden umgangssprachlich möglicherweise als „unterbrochenes Abschrecken“ bezeichnet. Diese gemeinsamen Merkmale belegen jedoch nicht, dass dasselbe Umwandlungsprodukt entsteht. #### Bezeichnungen, die die Endphase nicht bestimmen Abschrecken im Salzbad Beschreibt das Wärmeübertragungsmedium, nicht das Umwandlungsprodukt. Heißabschrecken Beschreibt ein Abschrecken bei kontrollierter Temperatur, aber keinen eindeutigen Ablauf. Isothermes Abschrecken Beschreibt einen Temperatur-Zeit-Verlauf, dessen resultierende Phase von der Haltezeit abhängt. Ausbay-Abschrecken Beschreibt einen unterbrochenen Abschreckweg, der an das festgelegte Verfahren gebunden werden muss. Bezeichnungen für Bäder verstärken das Problem. Begriffe wie Salzbadabschrecken, Heißabschrecken, isothermisches Abschrecken, Ausbay-Abschrecken und unterbrochenes Abschrecken werden häufig überlappend verwendet, obwohl sie eher die Ausrüstung, die Temperaturregelung oder einen Ablauf als eine einzelne Endphase beschreiben. SAE AMS-H-6875C: *Wärmebehandlung von Stahlrohmaterialien* umfasst vier Stahlklassen und erlaubt Austempern, Ausbay-Abschrecken und Martempern, sofern dies festgelegt ist. Die Formulierung der Spezifikation unterstreicht daher einen wesentlichen Punkt: Die Bezeichnung der Behandlung muss an das geforderte Verfahren und Ergebnis gebunden sein und darf nicht aus der bloßen Tatsache abgeleitet werden, dass Salz verwendet wurde. Auch die Geometrie verändert die Interpretation. Ein dünnes Teil kann seine Temperatur über die gesamte Dicke während einer kurzen Haltezeit oberhalb des Martensitstarts ausgleichen. Ein dickes Teil kann eine längere Haltezeit benötigen; diese zusätzliche Zeit kann den Beginn oder das Fortschreiten der Bainitbildung ermöglichen, wenn die Temperatur im Bereich der bainitischen Umwandlung liegt. Umgekehrt kann ein Stahl mit verzögerter Bainitbildung während einer Haltezeit weitgehend austenitisch bleiben, während ein anderer Stahl derselben Zeit bereits umgewandelt wäre. Dieselbe nominelle Badtemperatur kann daher in AISI 52100, AISI 8620 und einer hochhärtbaren Legierung unterschiedliche Gefüge erzeugen. #### Verfahrensgrenze Eine Badtemperatur darf nicht ohne Angabe der Stahlsorte, der Überführungszeit, des Kriteriums für Temperaturausgleich oder Umwandlung, der Haltebegrenzung, des Abkühlverfahrens und der Anforderung an das Anlassen festgelegt werden. \[1\] \[1\] [**ASM Handbook Volume 4A: Martempering of Steels**](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278992/Martempering-of-Steels-1). ASM International. ASM Handbook, 2013. Das *ASM Handbook Volume 4A* von ASM International aus dem Jahr 2013 nennt Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Badbewegung und Abkühlgeschwindigkeit als steuernde Variablen beim Martempern. Diese Variablen sind Prozessdaten und keine nebensächlichen Details. Eine Zeichnung oder Arbeitsanweisung mit der alleinigen Angabe „Salzabschrecken bei 300 °C“ ist unvollständig, sofern sie nicht zusätzlich den Stahl, die Überführungszeit, das Kriterium für den Temperaturausgleich, die maximale Haltezeit sowie die nachfolgenden Abkühl- und Anlassvorgänge festlegt. ![Austempern und Martempern von Stahl](/images/uploads/097ae2f8-e4fa-4da5-bd28-15b4e9bd189a/wiki-inline-a-temperature-time-process-schematic-contrasting-austempering-and-martempering-p-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/097ae2f8-e4fa-4da5-bd28-15b4e9bd189a/wiki-inline-a-temperature-time-process-schematic-contrasting-austempering-and-martempering-p-1920x1094.avif "Bild vergrößern — Austempern und Martempern von Stahl")The process designation follows the transformation that occurs during and after the interrupted quench. ### Das Umwandlungsprodukt definiert das Verfahren Bainitisieren und Martempern unterscheiden sich durch die beabsichtigte Umwandlung, nicht durch den Namen des Bades. | Merkmal | Bainitisieren | Martempern | |---|---|---| | Primäres Ziel | Bainit während einer isothermen Haltezeit bilden | Temperatur ausgleichen, bevor sich Martensit bildet | | Haltebereich | Bereich der bainitischen Umwandlung | Knapp oberhalb von Ms | | Umwandlung während der Haltezeit | Austenit wandelt sich in Bainit um | Diffusionsgesteuerte Umwandlung wird vermieden | | Endgefüge | Bainit, möglicherweise mit Martensit oder Restaustenit | Martensit, möglicherweise mit Restaustenit | | Anlassen | Als definierender Verfahrensschritt nicht automatisch erforderlich | Vor dem Einsatz erforderlich | Bainitisieren wird durch die gezielte bainitische Umwandlung während der isothermen Haltezeit definiert. Strong evidence Austempern wird durch die gezielte Bildung von Bainit definiert. Nach der Austenitisierung wird der Stahl in ein Medium abgeschreckt, das in einem Temperaturbereich gehalten wird, in dem sich der Austenit isotherm zu Bainit umwandeln kann. Eine Studie aus dem Jahr 2013 zu AISI 52100 beschreibt das Austempern als Abschrecken in ein Medium, das auf ungefähr 200 bis 400 °C gehalten wird, mit anschließender Haltezeit, bis sich Bainit bildet. Der genau nutzbare Bereich ist stahlsortenabhängig; Legierungselemente verändern die Umwandlungskinetik, und die Produkte aus oberem und unterem Bainit müssen nicht identische Eigenschaften aufweisen. Die Haltezeit ist daher eine metallurgische Anforderung und nicht lediglich ein Mittel zur Verringerung von Temperaturunterschieden. Wird das Werkstück entnommen, bevor die beabsichtigte bainitische Reaktion stattgefunden hat, wurde kein vollständig ausgetempertes Gefüge erzeugt. Je nach Ablauf kann das Endmaterial Bainit zusammen mit Martensit, Restaustenit oder nicht umgewandelten Bereichen enthalten. Eine Studie aus dem Jahr 2020 zum kurzzeitigen Austempern bei niedriger Temperatur in einem niedriglegierten Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt berichtete über Nanobainit, Martensit und Restaustenit; die Verschleißkoeffizienten lagen bis zu 50 % niedriger als bei abgeschrecktem martensitischem Stahl. Dieses Ergebnis gilt für den untersuchten Stahl und den untersuchten Ablauf, nicht für jede ausgetemperte Stahlsorte. Martensitstarttemperatur (Ms) **Martensitstarttemperatur (Ms)** Die Temperatur, bei der die martensitische Umwandlung während der Abkühlung bei vorgegebener Zusammensetzung und Wärmevorgeschichte beginnt. Martempern verfolgt ein anderes Ziel. Das Bad wird knapp oberhalb der Martensitstarttemperatur des Stahls ausgewählt, die üblicherweise als Ms angegeben wird. Das Werkstück verbleibt dort nur so lange, bis seine Oberflächen- und Kerntemperaturen ausreichend nahe beieinanderliegen. Anschließend wird es durch den Martensitbildungsbereich abgekühlt, gewöhnlich an der Luft oder unter einer anderen kontrollierten Abkühlbedingung. Der Martensit bildet sich während dieser späteren Abkühlstufe und nicht während der Haltezeit im Bad. Der ASM-Leitfaden *Heat Treating Subject Guide* aus dem Jahr 2020 beschreibt diese Abfolge und stellt fest, dass der Stahl anschließend vor dem Einsatz angelassen werden muss. Zweck ist es, den Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Innerem vor dem Auftreten des Umwandlungsverzugs bei der Martensitbildung zu verringern. Wärmekontraktion und Umwandlungsausdehnung entwickeln sich dann mit einer weniger starken zeitlichen Diskrepanz, wodurch Verzug und Rissbildung gegenüber dem direkten Abschrecken verringert werden können. Martempern beseitigt Abschreckspannungen nicht und ersetzt auch nicht das Anlassen. Nicht angelassener Martensit kann eine hohe Härte, jedoch eine geringe Zähigkeit und übermäßige Eigenspannungen aufweisen. Die Unterscheidung kann überprüft werden, anstatt sie zu vermuten. Eine metallografische Untersuchung kann Bainit, Martensit und Restaustenit identifizieren, während Härteprüfung, Maßprüfung und, sofern erforderlich, die Messung des Restaustenitgehalts prüfen, ob das festgelegte Ergebnis erreicht wurde. Ein Temperaturablauf sollte anhand der Daten zur kontinuierlichen Abkühlung und zur isothermen Umwandlung der jeweiligen Stahlsorte überprüft werden. Die Badtemperatur allein ist kein ausreichender Nachweis. ### Ein knapper Vergleich der Verfahrensabsichten Beim Austempern wird Stahl so lange auf einer bainitischen Umwandlungstemperatur gehalten, dass sich Austenit in Bainit umwandelt. Das definierende Ereignis findet während der isothermen Haltezeit statt. Je nach Stahlsorte und Geometrie kann das entstehende Gefüge ein günstiges Verhältnis von Härte, Zähigkeit, Ermüdungsverhalten und Maßbeständigkeit bieten. Bei aufgekohltem AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320 wurden in einer SAE-Studie aus dem Jahr 2013 Austempertemperaturen von 260, 288 und 304 °C verwendet; dabei wurde ein deutlich geringerer Verzug als bei aufgekohlten, abgeschreckten und angelassenen Proben festgestellt. Dieses Ergebnis unterstützt die Verfahrensauswahl für die geprüften Bedingungen, stellt jedoch keine allgemeingültige Rangfolge der Behandlungen dar. Das Angleichen des Stahls knapp oberhalb des martensitischen Bereichs vor einer langsameren Abkühlung kann die Rissbildung verringern und dabei nur wenig Härte kosten. Strong evidence Beim Martempern wird Stahl so lange oberhalb von Ms gehalten, bis sich die Temperatur ausgeglichen hat; anschließend wird während der Abkühlung eine kontrollierte martensitische Umwandlung ermöglicht. Das definierende Ereignis ist der Temperaturausgleich vor der Martensitbildung, gefolgt vom Anlassen. Die Studie von 1946 zum Temperaturbereich der Martensitbildung beschrieb diese Grundlage unmittelbar: Das Abschrecken auf eine Temperatur knapp oberhalb des Martensitbildungsbereichs und die anschließende langsamere Abkühlung können die Rissbildung verringern, während nur wenig Härte verloren geht. Beim Austempern lautet die Frage: „Kann sich dieser Stahl innerhalb des verfügbaren Zeit- und Temperaturbereichs in das erforderliche bainitische Gefüge umwandeln?“ Beim Martempern lautet sie: „Kann sich dieser Querschnitt oberhalb von Ms ausgleichen, bevor er sich in Martensit umwandelt?“ Härtbarkeit des Stahls, Querschnittsgröße, Überführungsverzögerung, Badregelung und Haltezeit beantworten diese Fragen. Werden beide Behandlungen als „Heißabschrecken“ bezeichnet, wird die Antwort verschleiert; dies kann zu einer falschen Spezifikation, einem falschen Gefüge oder zu einem ausgelassenen Anlassvorgang führen. ## Der metallurgische Ausgangspunkt: Austenit, TTT-Diagramme und Ms Austempern und Martempern beginnen unter denselben metallurgischen Bedingungen: mit Austenit. Der Unterschied zwischen den Verfahren tritt später auf, wenn der austenitisierte Stahl einem unterschiedlichen Temperatur-Zeit-Verlauf folgt. Austenit besitzt ein kubisch-flächenzentriertes Kristallgitter und kann wesentlich mehr Kohlenstoff lösen als Ferrit. Das Erwärmen in den austenitischen Bereich bereitet daher den Kohlenstoff und die Legierungselemente auf eine kontrollierte Umwandlung während der Abkühlung vor. Wenn der Stahl nicht vollständig oder nicht geeignet austenitisiert wurde, folgt keine der beiden Behandlungen dem vorgesehenen Umwandlungsablauf. ### Austenitisieren und Auflösen der Ausgangsphasen Austenitisieren bedeutet mehr, als lediglich einen Ofen-Sollwert zu erreichen. Das Werkstück muss ausreichend über die maßgebliche kritische Temperatur erwärmt, lange genug gehalten werden, damit sich der Querschnitt ausgleicht, und bei einer Temperatur behandelt werden, die die erforderlichen Ausgangsphasen auflöst, ohne ein übermäßiges Wachstum der Austenitkörner zu verursachen. Die geeignete Temperatur hängt von der Zusammensetzung, der Querschnittsgröße, dem Ausgangsgefüge und den erforderlichen End-Eigenschaften ab. Bei einem untereutektischen Stahl wandelt das Erwärmen über die obere kritische Temperatur Ferrit und Perlit in Austenit um. Bei einem übereutektischen Stahl wird die Behandlung üblicherweise so gewählt, dass der Perlit und ein geeigneter Anteil des voreutektoiden Zementits aufgelöst werden, obwohl eine vollständige Auflösung der Karbide möglicherweise nicht erwünscht ist. Legierungskarbide stellen eine weitere Komplikation dar. Chrom, Molybdän, Vanadium und andere karbidbildende Elemente können sich bei üblichen Austenitisierungstemperaturen nur langsam lösen oder teilweise ungelöst bleiben. Ihre Auflösung verändert den Kohlenstoff- und Legierungsgehalt des Austenits, wodurch sich wiederum die Härtbarkeit, die Umwandlungskinetik und die Martensitstarttemperatur ändern. AISI 52100 veranschaulicht, warum eine werkstoffspezifische Interpretation wichtig ist. Seine chromreiche Karbidpopulation und sein hoher Kohlenstoffgehalt führen zu einem anderen Austenitisierungsablauf als bei einem unlegierten Kohlenstoffstahl. Eine Behandlung, die in AISI 52100 einen geeigneten Austenit erzeugt, kann nicht automatisch auf AISI 8620 oder AISI 4320 übertragen werden. Die aufgekohlte Randschicht von AISI 8620, 8822 oder 4320 weist außerdem einen Kohlenstoffgradienten auf, sodass Rand und Kern nicht unbedingt dieselben Umwandlungstemperaturen oder Martensitanteile besitzen. Die Haltezeit hat zwei gegenläufige Auswirkungen. Eine zu kurze Haltezeit kann ungelösten Perlit, Ferrit oder ungelöste Karbide zurücklassen und eine uneinheitliche Austenitzusammensetzung verursachen. Eine übermäßige Haltezeit begünstigt Kornwachstum, Oxidation, Entkohlung und größere Maßänderungen. Die Größe der früheren Austenitkörner beeinflusst die Anzahl der für diffusionsgesteuerte Umwandlungen verfügbaren Keimbildungsstellen und kann die Härtbarkeit verändern. Grobkörniger Austenit kann die Bildung von Perlit oder Bainit während der Abkühlung verzögern, während ein feinkörniges Gefüge häufig leichter durch Diffusion umwandelt. Die Korngröße kann außerdem gemessene Umwandlungstemperaturen, einschließlich Ms, verschieben, obwohl ihr Einfluss gewöhnlich geringer ist als der des Kohlenstoffgehalts und der Legierungschemie. Das Austenitisieren legt außerdem den Ausgangszustand für das Zeit-Temperatur-Diagramm fest. Eine TTT-Kurve, die nach einer bestimmten Austenitisierungstemperatur, Haltezeit und Korngröße ermittelt wurde, beschreibt nicht unbedingt einen Stahl, der nach einem anderen Ablauf austenitisiert wurde. Die thermische Vorgeschichte ist bereits vor Beginn des Abschreckens von Bedeutung. ### Die Umwandlungsfelder von Perlit, Bainit und Martensit Ein Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm stellt die Produkte dar, die entstehen, wenn Austenit rasch auf eine ausgewählte Temperatur gebracht und dort gehalten wird. Die bekannten C-Kurven zeigen den Beginn und das Ende diffusionsgesteuerter Umwandlungen. Diese Kurven gelten jedoch für einen bestimmten Stahl und einen bestimmten Austenitisierungszustand. Ein allgemeines Eisen-Kohlenstoff-Diagramm kann die grundlegenden Zusammenhänge erklären, aber es kann nicht den Ablauf für jede technische Stahlsorte festlegen. Bei höheren Umwandlungstemperaturen kann sich aus Austenit Perlit bilden. Kohlenstoff diffundiert über vergleichsweise große Entfernungen, wobei sich wechselnde Schichten aus Ferrit und Zementit bilden. Bei niedrigeren Temperaturen ist die Diffusion langsamer, und der entstehende Perlit ist feiner. Die Umwandlung benötigt weiterhin Zeit. Wenn die Abkühlung zu langsam durch das Perlitfeld verläuft, kann sich ein Teil oder der gesamte Austenit umwandeln, bevor der Stahl den Bainit- oder Martensitbereich erreicht. Bainit bildet sich bei Temperaturen unterhalb des Perlitbereichs und oberhalb der Temperatur, bei der die martensitische Umwandlung beginnt, wobei sich die genauen Umwandlungsfelder bei verschiedenen Legierungen unterschiedlich überlappen. Seine Bildung umfasst eine Umverteilung des Kohlenstoffs und einen displaziven Anteil. Dabei entsteht ferritischer Bainit mit Ausscheidungs- oder Rückhaltemustern von Karbiden, die von der Temperatur und der Stahlchemie abhängen. Oberer Bainit und unterer Bainit sind keine austauschbaren Gefüge. Halte­temperatur, Kohlenstoffaktivität, Legierungselemente und Umwandlungsdauer beeinflussen ihre Morphologie und Eigenschaften. Der Umwandlungsbereich bestimmt das Verfahrensprodukt. | Umwandlungsbereich | Typisches Produkt | Definierender Vorgang | |---|---|---| | Perlitbereich | Perlit | Abkühlen oder Halten, wobei sich Ferrit und Zementit durch Diffusion bilden | | Bainitbereich | Bainit | Isothermes Halten, bis sich der erforderliche Austenitanteil umgewandelt hat | | Martensitbereich | Martensit | Abkühlen unter Ms durch eine weitgehend diffusionslose Umwandlung | Beim Austempern wird austenitisierter Stahl gezielt in den Bainit-Umwandlungsbereich gebracht und dort gehalten, bis sich der erforderliche Austenitanteil umgewandelt hat. Eine Studie von 2013 zu AISI 52100 beschrieb das Austempern als Abschrecken in ein Medium, das auf ungefähr 200 bis 400 °C gehalten wurde, mit anschließendem Halten, bis sich Bainit gebildet hatte. Dieses Intervall beschreibt das berichtete Experiment, stellt jedoch keinen universellen Bereich für alle Stahlsorten dar. Die 2024 veröffentlichte Studie in ACS Omega formuliert den Verfahrensunterschied unmittelbar: Beim Austempern wird austenitisierter Stahl bei einer Bainit-Umwandlungstemperatur gehalten, während er beim Martempern kurz oberhalb von Ms gehalten und anschließend an Luft abgekühlt wird. Martensit ist etwas anderes. Er bildet sich, wenn Austenit unter Ms abgekühlt wird, durch eine weitgehend diffusionslose Scherumwandlung. Der Kohlenstoff bleibt im übersättigten, tetragonal-raumzentrierten Martensitgitter eingeschlossen, und die Umwandlung verursacht eine schnelle Volumenänderung. Die Martensitmenge nimmt zu, während die Abkühlung durch den Martensitbildungsbereich fortgesetzt wird, der häufig mit Mf, der Martensitendtemperatur, beschrieben wird. Ein Teil des Austenits kann ungewandelt verbleiben, wenn Mf unterhalb der Raumtemperatur liegt oder wenn Legierungselemente den Umwandlungsbereich zu niedrigeren Temperaturen verschieben. Die Abkühlkurve muss daher mit der Umwandlungskinetik verglichen werden und nicht allein mit den Namen der Abschreckmedien. Ein kontinuierliches Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm zeigt, ob eine reale Abkühlgeschwindigkeit die Nasen der Perlit- und Bainitbereiche vermeidet. Ein TTT-Diagramm zeigt das isotherme Verhalten und ist für das Verständnis von Haltebehandlungen nützlich, bildet jedoch den Temperaturverlauf eines großen Werkstücks beim Durchlaufen von Öl, Salz, Polymer oder Luft nicht unmittelbar ab. Auch Kern und Oberfläche eines Querschnitts können unterschiedlichen Kurven folgen. Härte und Phasenverteilung hängen dann sowohl von den örtlichen Abkühlgeschwindigkeiten als auch von der nominellen Temperatur des Abschreckmediums ab. ### Martensitstarttemperatur und Umwandlungsbereich Ms ist die Temperatur, bei der die martensitische Umwandlung während der Abkühlung unter einer festgelegten Gruppe von Bedingungen beginnt. Sie ist keine universelle Konstante für „Stahl“. Kohlenstoff senkt Ms im Allgemeinen, weil er den Austenit stabilisiert. Auch Legierungselemente wie Mangan, Nickel, Chrom und Molybdän können die Austenitstabilität verändern und den Umwandlungsbereich verschieben. Die Kohlenstoffkonzentration kann sich zwischen der aufgekohlten Randschicht und dem kohlenstoffarmen Kern unterscheiden, sodass beide Bereiche unterschiedliche Ms-Werte besitzen. Auch die Größe der früheren Austenitkörner, die Austenitisierungstemperatur, gelöste Karbide, Eigenspannungen sowie die vorausgegangene Erwärmungs- und Abkühlungsgeschichte können die gemessenen Start- und Endtemperaturen beeinflussen. Restaustenit, Seigerungen und örtliche chemische Schwankungen erschweren praktische Messungen zusätzlich. Das in einem Diagramm eingetragene Ms ist daher an eine bestimmte Zusammensetzung und thermische Vorgeschichte gebunden und nicht einfach an eine Sortenbezeichnung. Das Martempern nutzt diese Temperaturabhängigkeit auf kontrollierte Weise. Das ASM Handbook Volume 4A (2013) definiert es als unterbrochenes Abschrecken unter Verwendung von Öl oder Salz und nennt Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Bewegung des Abschreckmediums und Abkühlgeschwindigkeit als steuernde Variablen. Das Bad wird knapp oberhalb von Ms gewählt, damit sich das Werkstück im Inneren ausgleichen kann, bevor Martensit entsteht. Anschließend wird es, üblicherweise an Luft, durch den Martensitbereich abgekühlt und muss vor dem Einsatz angelassen werden. Die kurze Ausgleichshaltezeit soll den Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern verringern; sie ist keine Bainithaltezeit. Beim Austempern wird ein entgegengesetztes Umwandlungsziel verfolgt. Der Stahl wird im Bainitfeld so lange gehalten, dass sich der Austenit in Bainit umwandelt, anstatt lediglich die Temperatur oberhalb von Ms auszugleichen. Eine Studie zum Niedertemperatur-Austempern aus dem Jahr 2020 berichtete unter den angegebenen Prüfbedingungen über Nanobainit, Martensit und Restaustenit sowie über Verschleißkoeffizienten, die bis zu 50 % niedriger waren als bei abgeschrecktem martensitischem Stahl. Dieses Ergebnis kann nicht auf jeden Stahl, jede Geometrie oder jeden Behandlungsablauf übertragen werden. Es zeigt jedoch, warum das Umwandlungsfeld und die Haltezeit für die tatsächlich verwendete Stahlsorte überprüft werden müssen. SAE AMS-H-6875C (2020) behandelt die Wärmebehandlungsanforderungen für vier Stahlklassen und gestattet Austempern, Ausbay-Abschrecken und Martempern, sofern dies festgelegt ist. Eine solche Zulassung macht die Verfahren nicht austauschbar. Die maßgebliche Spezifikation, das sortenspezifische Diagramm, die Querschnittsgröße und die gemessene thermische Vorgeschichte bestimmen, ob das beabsichtigte Produkt Bainit, Martensit nach dem Martempern oder ein unerwünschtes Mischgefüge ist. ## Funktionsweise des Bainitisierens: Abschrecken, Halten und bainitische Umwandlung Bainitisieren ist ein isothermischer Wärmebehandlungsablauf, der darauf ausgelegt ist, Austenit in Bainit umzuwandeln. Es ist nicht lediglich eine andere Bezeichnung für Martempern. Der Unterschied hängt davon ab, was während der Haltephase geschieht: Beim Bainitisieren wird der Stahl lange genug gehalten, damit eine gezielte bainitische Umwandlung stattfinden kann, während er beim Martempern nur so lange gehalten wird, bis die Temperatur annähernd gleichmäßig ist, bevor er durch die Martensitstarttemperatur Ms abgekühlt wird, um Martensit zu bilden. #### Ablauf des Bainitisierens 1. **Austenitisieren** Das Werkstück so erwärmen, dass der erforderliche Anteil zu Austenit wird. 2. **Überführen** Es rasch in ein kontrolliertes Bad überführen, ohne dass sich nennenswert Perlit bildet. 3. **Bainitisches Halten** Die ausgewählte Temperatur beibehalten, bis die erforderliche Umwandlung von Austenit zu Bainit stattgefunden hat. 4. **Endabkühlung** Auf Umgebungstemperatur abkühlen, wobei gegebenenfalls festgelegter Martensit oder Restaustenit erhalten bleibt. Der Zyklus beginnt mit dem Erwärmen des Werkstücks über seinen kritischen Umwandlungsbereich, sodass der erforderliche Anteil des Gefüges zu Austenit wird. Austenitisierungstemperatur und -dauer hängen von der Güte, der Querschnittsgröße, dem Ausgangsgefüge und der erforderlichen Kohlenstoffverteilung ab. Übermäßiges Erwärmen kann die Austenitkorngröße vergrößern oder Karbide auflösen, die eigentlich erhalten bleiben sollen, während unzureichendes Erwärmen Ferrit oder ungelöste Bestandteile zurücklassen kann, die das nachfolgende Umwandlungsverhalten verändern. ![Austempern und Martempern von Stahl](/images/uploads/6daadfb8-aba5-43ab-a051-e80de181fb04/wiki-inline-a-steel-gear-entering-a-controlled-molten-salt-bath-during-austempering-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/6daadfb8-aba5-43ab-a051-e80de181fb04/wiki-inline-a-steel-gear-entering-a-controlled-molten-salt-bath-during-austempering-2027x2560.avif "Bild vergrößern — Austempern und Martempern von Stahl")Rapid transfer helps the workpiece reach the selected bainitic range without unwanted pearlite formation. ### Abschrecken in den bainitischen Bereich Nach der Austenitisierung wird der Stahl schnell in ein Bad überführt, das innerhalb des bainitischen Umwandlungsbereichs gehalten wird. Bei vielen Stählen liegt dieser Bereich ungefähr zwischen 200 und 400 °C, obwohl das nutzbare Temperaturfenster werkstoffspezifisch und nicht fest vorgegeben ist. Eine Untersuchung an AISI 52100 definiert das Bainitisieren entsprechend: Abschrecken von der Austenitisierungstemperatur in ein Medium, das zwischen etwa 200 und 400 °C gehalten wird, gefolgt von einer Haltephase, bis sich Bainit bildet. Die Überführung muss schnell genug erfolgen, um den Perlitbereich zu durchqueren, ohne dass sich auf dem Weg nach unten ein wesentlicher Austenitanteil umwandelt. Dies ist ein Zeit-Temperatur-Problem. Der Stahl muss die Perlit-„Nase“ seines Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramms durchqueren, bevor die Inkubationszeit für Perlit erreicht ist. Härtbarkeit, Querschnittsdicke, Anordnung der Charge, Badbewegung sowie der Temperaturunterschied zwischen Werkstück und Bad beeinflussen, ob diese Bedingung erfüllt wird. Ein kleiner Stift kann den bainitischen Bereich schnell erreichen; ein schwerer Zahn eines Zahnrads oder eine dicke Platte kann dagegen ungleichmäßig abkühlen, sodass sich im Inneren Perlit oder Ferrit bildet, selbst wenn die Oberfläche dem vorgesehenen Ablauf folgt. Das Bad kann geschmolzenes Salz, Öl oder ein anderes geregeltes Wärmeübertragungsmedium enthalten, das für die vorgegebene Temperatur geeignet ist. Die Bezeichnung des Bades definiert das Verfahren nicht. Ein Salzbad kann sowohl für einen Bainitisierungs- als auch für einen Martemperzyklus verwendet werden, abhängig von seiner Temperatur und der Dauer der Haltephase. Die 2024 in ACS Omega veröffentlichte Untersuchung stellt diesen Unterschied für Ca(NO₃)₂–KNO₃-Schmelzsalzmischungen unmittelbar heraus: Beim Bainitisieren wird der austenitisierte Stahl bei einer bainitischen Umwandlungstemperatur gehalten, bis sich Austenit in Bainit umwandelt, während beim Martempern das Werkstück kurz oberhalb von Ms gehalten und anschließend an der Luft abgekühlt wird. Bei der Temperaturregelung müssen sowohl die während der Umwandlung freigesetzte und aufgenommene Wärme als auch die in das Bad eingebrachte Charge berücksichtigt werden. Die Badbewegung verringert örtliche Temperaturgradienten und trägt dazu bei, dass eine kühlere oder wärmere Grenzschicht den effektiven Zyklus nicht verändert. Zur Feststellung, ob Kern, Oberfläche und unterschiedliche Positionen innerhalb der Charge tatsächlich dem vorgesehenen Temperaturverlauf folgen, sind häufig Thermoelemente, eine Badkalibrierung und Versuche mit repräsentativen Chargen erforderlich. Das Verfahren reagiert empfindlich auf die Querschnittsgröße, da das Bad die Oberflächentemperatur ausgleichen kann, bevor das Zentrum dieselbe Temperatur erreicht hat. Das Bainitisierungsbad wird normalerweise oberhalb der effektiven Ms-Temperatur des Stahls gewählt, wenn konventioneller Bainit als gewünschtes Produkt vorgesehen ist. Auf diesem Temperaturniveau kann sich Austenit über einen diffusionsunterstützten, scherdominierten Mechanismus umwandeln, ohne unmittelbar Martensit zu bilden. Eine Abkühlung unter Ms, bevor die geplante bainitische Umwandlung abgeschlossen ist, verändert das Ergebnis: Der nicht umgewandelte Austenit kann sich dann in Martensit umwandeln, wodurch ein Mischgefüge entsteht. ### Halten bis zur erforderlichen Austenitumwandlung Sobald das Werkstück die Badtemperatur erreicht hat, wird es isotherm gehalten. Während dieser Phase keimt Bainit an Austenitkorngrenzen oder an anderen günstigen Stellen und wächst in den umgebenden Austenit hinein. Kohlenstoff wird aus dem bainitischen Ferrit in den verbleibenden Austenit zurückgewiesen, wodurch sich die Stabilität und Zusammensetzung beider Bereiche verändern. Die Umwandlungsgeschwindigkeit hängt von der Temperatur, der Legierungschemie, der vorherigen Austenitkorngröße und der bereits gebildeten Bainitmenge ab. Die Haltezeit wird nicht nach einer allgemeinen Regel wie „eine Stunde pro Zoll“ festgelegt. Sie muss auf Umwandlungsdaten, validierten Prozessversuchen oder einem geeigneten Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm beruhen. Eine kurze Haltezeit kann den Austenit absichtlich teilweise un­umgewandelt lassen. Wird der Stahl anschließend unter Ms abgekühlt, kann dieser Restaustenit Martensit bilden. Eine längere Haltezeit kann den größten Teil oder nahezu den gesamten umwandlungsfähigen Austenit in Bainit umwandeln und dadurch den späteren Martensitanteil verringern. Beide Abläufe können richtig sein, führen jedoch zu unterschiedlichen Werten für Härte, Zähigkeit, Maßänderung und Restaustenitgehalt. Unvollständige Umwandlung **Unvollständige Umwandlung** Ein Zustand, bei dem die bainitische Reaktion endet, bevor sich der gesamte umwandlungsfähige Austenit umgewandelt hat, sodass möglicherweise Restaustenit oder später entstehender Martensit zurückbleibt. Die Umwandlung kann auch enden, bevor der letzte Austenitanteil zu Bainit geworden ist, weil die Kohlenstoffanreicherung den verbleibenden Austenit stabilisiert. Dieser Zustand wird häufig als unvollständige Umwandlung oder unvollständige Reaktion bezeichnet. In einigen legierten Stählen ist der angereicherte Restaustenit erwünscht, weil er Verformungen aufnehmen und die Zähigkeit verbessern kann; in anderen Anwendungen kann ein übermäßiger Restaustenitgehalt während des Einsatzes oder einer späteren Abkühlung Maßänderungen verursachen. Die Spezifikation muss daher nicht nur die Badtemperatur, sondern auch das zulässige Phasengefüge und das Prüfverfahren festlegen. Bainitisierungstemperatur (°C) Berichtete Bainitisierungstemperaturen für die drei aufgekohlten niedriglegierten Stähle. Bainitisieren kann Verzüge verringern, weil der Stahl die abrupte, ungleichmäßige Volumenänderung vermeidet, die mit dem direkten Abschrecken zu Martensit verbunden ist. Eine SAE-Untersuchung aus dem Jahr 2013 an aufgekohlten Stählen AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320 berichtete bei aufgekohlten und bainitisierten Proben deutlich geringere Verzüge als bei aufgekohlten, abgeschreckten und angelassenen Proben. Die angegebenen Bainitisierungstemperaturen betrugen 260, 288 und 304 °C. Diese Ergebnisse gelten für die untersuchten chemischen Zusammensetzungen, Geometrien und Zyklusbedingungen; sie belegen keine gleich starke Verringerung für jedes aufgekohlte Bauteil. Das Ende der Haltephase kann durch einen erforderlichen Mindestanteil an Bainit, einen Härtebereich, eine Maßgrenze oder eine metallografische Anforderung bestimmt werden. Bainitisierter bainitischer Stahl erfordert nicht automatisch denselben Anlassschritt wie Martensit. Martemperter Stahl wird dagegen durch Ms abgekühlt, um Martensit zu bilden, und muss anschließend vor dem Einsatz angelassen werden. Für ein bainitisiertes Bauteil kann weiterhin eine Spannungsarmbehandlung bei niedriger Temperatur vorgeschrieben sein; dabei handelt es sich jedoch um eine gesonderte Anforderung und nicht um den bestimmenden Umwandlungsschritt. ![Austempern und Martempern von Stahl](/images/uploads/4ebd67e1-7258-4046-8ce3-01cbf4ec6311/wiki-inline-a-steel-bar-during-martempering-showing-surface-and-core-temperature-equalizatio-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/4ebd67e1-7258-4046-8ce3-01cbf4ec6311/wiki-inline-a-steel-bar-during-martempering-showing-surface-and-core-temperature-equalizatio-1920x1434.avif "Bild vergrößern — Austempern und Martempern von Stahl")Martempering reduces the surface-to-core temperature difference before martensitic transformation begins. ### Oberer Bainit, unterer Bainit und Mischgefüge Die Badtemperatur beeinflusst die Form des Bainits maßgeblich. Oberer Bainit bildet sich im Allgemeinen im höheren Teil des bainitischen Bereichs. Er besteht aus Bündeln oder Lamellen aus bainitischem Ferrit mit kohlenstoffangereicherten Bereichen dazwischen, in denen Karbide ausscheiden können. Seine Morphologie und Karbidverteilung unterscheiden sich von denen des unteren Bainits, der sich bei niedrigeren Temperaturen bildet. Unterer Bainit entsteht bei Temperaturen näher an Ms. Kohlenstoff hat weniger Zeit und Beweglichkeit, um in den umgebenden Austenit umzuverteilen, und Karbide können innerhalb der Platten oder Lamellen des bainitischen Ferrits ausscheiden. Dieses feinere Gefüge kann ein anderes Verhältnis von Härte, Festigkeit und Zähigkeit bieten als oberer Bainit. Der Übergang zwischen oberem und unterem Bainit liegt nicht bei einer einzigen, allgemein gültigen Temperatur, da Legierungselemente die Umwandlungsbereiche verschieben und die Karbidausscheidung verändern. Kurzzeitiges Bainitisieren bei niedriger Temperatur führte in der berichteten Untersuchung zu Verschleißkoeffizienten, die bis zu 50 % niedriger waren als bei abgeschrecktem martensitischem Stahl. Limited evidence Bainitisieren bei sehr niedriger Temperatur kann Gefüge erzeugen, die sich nicht angemessen als ein einziges, vollständig umgewandeltes bainitisches Produkt beschreiben lassen. Eine Untersuchung aus dem Jahr 2020 über kurzzeitiges Bainitisieren bei niedriger Temperatur in einem niedriglegierten Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt berichtete über Nanobainit zusammen mit Martensit und Restaustenit. Die angegebenen Verschleißkoeffizienten lagen unter den Prüfbedingungen der Untersuchung um bis zu 50 % niedriger als bei abgeschrecktem martensitischem Stahl. Diese Zahl ist ein Nachweis für den untersuchten Stahl und das angewandte Verschleißprüfverfahren, jedoch keine allgemeine Leistungsgarantie. Mischgefüge entstehen, wenn die Haltephase absichtlich vor Abschluss der bainitischen Reaktion beendet wird, wenn die gewählte Temperatur nahe der unteren Umwandlungsgrenze liegt oder wenn der Querschnitt nicht gleichmäßig abkühlen kann. Bei der anschließenden Abkühlung kann sich der nicht umgewandelte Austenit in Martensit umwandeln; ein Teil kann als Restaustenit erhalten bleiben, wenn die Kohlenstoffanreicherung seine effektive Ms-Temperatur senkt. Das Endgefüge kann daher oberen Bainit, unteren Bainit, Martensit, Restaustenit und, bei zu langsamer Überführung, Perlit enthalten. Die Prozessqualifizierung sollte Härte, Maßänderung, metallografisch bestimmte Phasenanteile und gegebenenfalls Restaustenit untersuchen. Röntgenbeugung, Mikroskopie, Dilatometrie und Untersuchungen an aufgeschnittenen Chargen können bestätigen, ob das tatsächliche Produkt dem vorgesehenen Ablauf entspricht. SAE AMS-H-6875C, veröffentlicht im Jahr 2020, behandelt Wärmebehandlungsanforderungen für vier Stahlklassen und erlaubt Bainitisieren, Ausbay-Abschrecken und Martempern, sofern dies vorgeschrieben ist. Eine solche Erlaubnis ersetzt nicht die werkstoffspezifische Entwicklung des Zyklus. Stahlbezeichnung, Härtbarkeit, Querschnittsgröße, Badkapazität und Abnahmekriterien bestimmen weiterhin, ob der gewählte Bainitisierungszyklus metallurgisch erfolgreich ist. ## Wie Martempern funktioniert: Temperaturausgleich oberhalb von Ms, anschließend Martensitbildung Martempern ist ein unterbrochenes Abschrecken, das steuert, wann und wo sich Martensit bildet. Es ist kein Austempern unter einem anderen Namen. Beim Austempern wird Austenit innerhalb des Bainitumwandlungsbereichs gehalten, bis sich ein wesentlicher oder gezielt vorgesehener Anteil in Bainit umwandelt. Beim Martempern erfolgt das Halten knapp oberhalb der Martensitstarttemperatur, also **Ms**, und ist kurz genug, um eine unerwünschte diffusionsgesteuerte Umwandlung zu verhindern. Nachdem sich die Temperatur im gesamten Stahl ausgeglichen hat, wird das Werkstück durch den Martensitbereich abgekühlt. Das Endgefüge ist daher martensitisch und nicht bainitisch; es bleibt bis zu einem separaten Anlassvorgang unangelassen. ### Unterbrochenes Abschrecken oberhalb des Martensitstarts Das ASM-Handbuch, Band 4A, beschreibt Martempern als ein unterbrochenes Abschrecken in Öl oder Salz. Der Stahl wird zunächst auf seine festgelegte Austenitisierungstemperatur erwärmt, bei der das vorgesehene Austenitgefüge und die Kohlenstoffverteilung eingestellt werden. Anschließend wird er schnell in ein Bad überführt, das auf einer Temperatur knapp oberhalb von Ms gehalten wird. Das Bad muss die Wärme schnell genug abführen, um Perlit oder andere Umwandlungsprodukte höherer Temperatur zu vermeiden. Die Unterbrechung verhindert jedoch, dass die Oberfläche deutlich stärker abkühlt als der Kern, bevor die Martensitbildung beginnt. Ms ist keine für alle Stähle einheitliche Temperatur. Sie hängt vom Kohlenstoffgehalt, von den Legierungselementen, vom Zustand des Austenitkorns, von der vorangegangenen Wärmebehandlung und in manchen Fällen von der nach dem Abkühlen erwarteten Menge an Restaustenit ab. Ein unlegierter Kohlenstoffstahl und ein aufgekohlter niedriglegierter Stahl können daher unterschiedliche Martemperierbadtemperaturen erfordern. Das Bad wird mit einem ausreichenden Abstand oberhalb der jeweils maßgeblichen Ms ausgewählt und nicht, indem für jede Stahlsorte eine einheitliche Temperatur angewendet wird. Steuergrößen und Fehlerrisiken beim Martempern. | Variable | Standardanforderung beim Martempern | Risiko bei fehlender Regelung | |---|---|---| | Badtemperatur | Knapp oberhalb von Ms | Vorzeitige Bildung von Martensit oder Bainit | | Haltedauer | Nur bis sich die Temperaturen im Querschnitt der Gleichförmigkeit annähern | Unerwünschte diffusionsgesteuerte Umwandlung | | Abkühlung nach der Haltezeit | Kontrollierte Abkühlung durch den Martensitbereich | Übermäßiger Temperaturgradient oder unvollständige Härtung | | Anlassen | Separater Vorgang vor dem Einsatz | Hohe Spannungen und spröder, nicht angelassener Martensit | Die Haltezeit ist die entscheidende Unterbrechung. Sie muss lang genug sein, damit sich der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern verringert, aber kurz genug bleiben, um Bainit, Perlit oder ein anderes diffusionsgesteuertes Umwandlungsprodukt zu vermeiden. Diese Anforderung grenzt Martempern zuverlässiger vom Austempern ab als die Bezeichnung des Bades. Ein Salzschmelzbad kann für beide Verfahren verwendet werden; der Umwandlungsweg und der Halteplan bestimmen, welches Verfahren durchgeführt wird. Das *ASM-Handbuch Band 4A* von ASM International aus dem Jahr 2013 nennt Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Umwälzung und Abkühlgeschwindigkeit als maßgebliche Einflussgrößen. Diese Größen wirken zusammen. Eine übermäßige Umwälzung kann die Wärmeabfuhr an der Oberfläche erhöhen, während eine unzureichende Umwälzung örtliche Temperaturunterschiede im Bad verursachen kann. Ein Bad, das nominell oberhalb von Ms liegt, aber schlecht geregelt wird, kann über eine große Charge hinweg dennoch zu einem uneinheitlichen Umwandlungsablauf führen. #### Vorsicht beim Martempern Wenn das Werkstück während der Ausgleichshaltezeit Ms erreicht, kann sich Martensit bilden, bevor sich der Querschnitt ausgeglichen hat. Ist die Haltezeit zu lang oder die Temperatur zu niedrig, kann sich stattdessen Bainit bilden. Die Temperatur muss während des Haltens hoch genug bleiben, um die Martensitbildung zu unterdrücken. Erreicht das Werkstück im Bad Ms, kann sich Martensit bilden, bevor sich der Querschnitt ausgeglichen hat. Ist die Haltezeit zu lang oder die Temperatur zu niedrig, kann sich Bainit bilden. Wenn die Spezifikation Martensit verlangt, stellt dies einen Prozessfehler dar. ![Austempern und Martempern von Stahl](/images/uploads/ff02ac68-e924-4981-b958-2d45f2f45df9/wiki-inline-metallographic-style-close-up-comparison-of-upper-bainite-lower-bainite-martensi-1920x1920.jpg)[](/images/uploads/ff02ac68-e924-4981-b958-2d45f2f45df9/wiki-inline-metallographic-style-close-up-comparison-of-upper-bainite-lower-bainite-martensi-1920x1920.avif "Bild vergrößern — Austempern und Martempern von Stahl")Austempering and martempering are distinguished by the structures formed during their different temperature holds and cooling stages. ### Temperaturausgleich über den gesamten Querschnitt Beim konventionellen Abschrecken entsteht ein steiler Temperaturgradient. Die Oberfläche kühlt zuerst ab, während das Innere heißer bleibt und sich weiterhin thermisch ausdehnt. Sobald die Oberfläche Ms unterschreitet, beginnt sie, sich in Martensit umzuwandeln, und dehnt sich aus, während sich die Kristallstruktur des Austenits ändert. Der Kern kann zu diesem Zeitpunkt noch aus Austenit bestehen und eine andere Temperatur aufweisen. Wenn sich der Kern später umwandelt, wird seine Ausdehnung durch das bereits umgewandelte Außenmaterial behindert. Diese gegensätzlichen Dehnungen erzeugen innere Spannungen, Verzug und manchmal Abschreckrisse. Martempern verändert den zeitlichen Ablauf. Das heiße Werkstück wird in das Bad abgeschreckt, dort jedoch oberhalb von Ms gehalten, bis die Temperatur von außen nach innen weitgehend gleichmäßig ist. Die Martensitbildung wird anschließend während eines weiteren Abkühlschritts eingeleitet und nicht zu einem Zeitpunkt, an dem Oberfläche und Kern stark unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Die Verringerung des Temperaturgradienten zum Zeitpunkt der Umwandlung reduziert die Unterschiede zwischen thermischer Kontraktion und Umwandlungsdehnung. Der Vorteil besteht in einem geringeren Risiko für Verzug und Rissbildung, nicht in deren vollständiger Beseitigung. Eine dünne Platte, ein Zahnradzahn und eine schwere Welle gleichen ihre Temperaturen nicht mit derselben Geschwindigkeit aus. Querschnittsdicke, Geometrie, Bohrungen, scharfe Querschnittsübergänge und der Kontakt zwischen Teilen beeinflussen sämtlich den Wärmefluss. Auch die Härtbarkeit des Stahls ist von Bedeutung: Der Kern muss den Umwandlungsbereich schnell genug durchlaufen, um Perlit oder Bainit zu vermeiden, wenn ein überwiegend martensitisches Gefüge erforderlich ist. Eine Stahlsorte mit hoher Härtbarkeit kann nach dem Temperaturausgleich eine langsamere Abkühlgeschwindigkeit erlauben, während eine Stahlsorte mit niedriger Härtbarkeit eine kürzere Unterbrechung und eine schnellere Abkühlung erfordern kann. Auch der Kohlenstoff- und Legierungsgehalt verändern Ms und die Umwandlungskinetik. Deshalb sollten Badtemperatur und Haltezeit anhand der Stahlsorte, der Querschnittsgröße, der Anordnung der Charge und des gemessenen thermischen Verhaltens festgelegt werden, anstatt sie aus einer allgemeinen Tabelle zu übernehmen. \[2\] \[2\] **The Temperature Range of Martensite Formation**. Study on martensite formation, 1946. Source details supplied in the article; no URL provided Die Untersuchung von 1946 über den Temperaturbereich der Martensitbildung beschrieb die grundlegende Begründung als Abschrecken bis knapp oberhalb des Martensitbildungsbereichs mit anschließender langsamerer Abkühlung. Das Verfahren kann die Rissbildung verringern und dabei nur wenig Härte opfern, vorausgesetzt, der Stahl bleibt frei von unerwünschten diffusionsgesteuerten Umwandlungen. „Langsamer“ bedeutet nicht beliebig langsam; es bedeutet langsam genug, um den Thermoschock zu reduzieren, aber weiterhin schnell genug, um den Umwandlungsbereich mit einer für den jeweiligen Stahl geeigneten Geschwindigkeit zu durchlaufen. ### Luftabkühlung und der obligatorische Anlassschritt Nach dem Temperaturausgleich wird das Werkstück aus dem Öl- oder Salzbad entnommen und durch den Martensitbereich abgekühlt, üblicherweise an der Luft. Der *ASM-Leitfaden zur Wärmebehandlung* von 2020 beschreibt diese Abfolge als Halten des Stahls knapp oberhalb von Ms bis zum Temperaturausgleich, gefolgt von einer Luftabkühlung zur Bildung von Martensit. Während dieses Schritts wandelt sich der Austenit ohne den ausgeprägten Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern um, der mit dem direkten Abschrecken verbunden ist. #### Anforderung vor dem Einsatz Das Martempern ist nicht abgeschlossen, wenn das Bauteil die Luftkühlungsstufe verlässt. Der Martensit muss vor dem Einsatz der festgelegten separaten Anlassbehandlung unterzogen werden. Der entstehende Martensit ist unangelassen. Dieser Punkt ist wesentlich. Martempern schließt das Anlassen nicht ein, nur weil das Teil stufenweise abgekühlt wurde. Der während der Luftabkühlung gebildete Martensit ist hart und weist hohe innere Spannungen auf; abhängig vom Stahl und vom Abkühlungsverlauf kann er außerdem Restaustenit enthalten. Das Teil muss vor dem Einsatz einer separaten Anlassbehandlung unterzogen werden. Anlassen verringert Spannungen und Sprödigkeit und stellt Härte, Festigkeit, Zähigkeit und Maßbeständigkeit entsprechend der Spezifikation ein. Anlasstemperatur und Anlasszeit hängen von der Stahlsorte und den erforderlichen Eigenschaften ab. Ein kohlenstoffreicher Wälzlagerstahl wie AISI 52100 kann nicht mit demselben Anlassplan behandelt werden wie eine Einsatzstahlsorte wie AISI 8620. Auch eine aufgekohlte Randschicht und ein kohlenstoffarmer Kern reagieren unterschiedlich. Daher müssen die erforderlichen Eigenschaften, sofern zutreffend, in beiden Bereichen überprüft werden. SAE AMS-H-6875C: *Wärmebehandlung von Stahlrohmaterialien* umfasst vier Stahlklassen und gestattet Austempern, Ausbay-Abschrecken und Martempern, sofern dies festgelegt ist. Die alleinige Verfahrensbezeichnung legt noch keine Annahmebedingungen fest. Die Produktionsüberwachung kann aufgezeichnete Austenitisierungs- und Badtemperaturen, Überführungszeit, Unterbrechungszeit, Umwälzbedingungen, Anlassprotokolle, Härteprüfungen, metallografische Untersuchungen und Maßprüfungen erfordern. Bei der Überprüfung sollten außerdem die Fehlerarten betrachtet werden, die durch den Ablauf verhindert werden sollen. Härteverläufe können einen weichen Kern erkennen lassen, der durch unzureichende Härtbarkeit oder eine zu lange Unterbrechung verursacht wurde. Die Metallografie kann Martensit von Bainit unterscheiden und Perlit oder übermäßigen Restaustenit identifizieren. Eine Maßprüfung vor und nach der Wärmebehandlung zeigt, ob die Verringerung der Umwandlungsspannung bei der tatsächlichen Geometrie die erwartete Verbesserung bewirkt hat. Die aufeinanderfolgenden Stufen eines standardmäßigen Martemperzyklus. Das Verfahren weist daher eine genau festgelegte Abfolge auf: Austenitisieren, schnelles Abschrecken in auf knapp oberhalb von Ms gehaltenem Öl oder Salz, Halten nur bis zum Temperaturausgleich des Querschnitts ohne diffusionsgesteuerte Umwandlung, Abkühlen durch den Martensitbereich und Anlassen. Wird das Halten in eine Bainitumwandlungsbehandlung geändert, wird das Verfahren zum Austempern. Eine Änderung des nachfolgenden Anlassschritts ist nicht optional; ohne ihn ist der martemperierte Stahl lediglich unangelassener martensitischer Stahl mit einem kontrollierten Bildungsweg. ## Mikrostrukturen und Eigenschaften: Bainit im Vergleich zu angelassenem Martensit Austempern und Martempern können Abschreckspannungen verringern, erzeugen jedoch nicht dieselbe Endstruktur. Beim Austempern wird austenitisierter Stahl schnell auf eine Temperatur abgekühlt, bei der sich Bainit bilden kann, und dort so lange gehalten, bis die vorgesehene Umwandlung abgeschlossen ist. Das Produkt kann aus Oberbainit, Unterbainit oder einem Gemisch bestehen, das weiterhin untransformierten Austenit und nach der Endabkühlung Martensit enthält. Eine Studie aus dem Jahr 2013 zu AISI 52100 beschreibt den Austemperbereich mit ungefähr 200–400 °C, wobei das Halten fortgesetzt wird, bis sich Bainit bildet. Das Martempern folgt einem anderen Ablauf. Das Werkstück wird kurz in Öl oder Salz knapp oberhalb der Martensitstarttemperatur gehalten, sodass sich der Querschnitt einer gleichmäßigeren Temperatur annähern kann, bevor es durch den martensitischen Bereich abgekühlt wird. Der entstehende Martensit befindet sich noch nicht in einem einsatzfertigen Zustand: Er muss anschließend angelassen werden. Der ASM International *Heat Treating Subject Guide* (2020) beschreibt diese Abfolge ausdrücklich. Das ASM Handbook Volume 4A (2013) nennt die Austenitisierungstemperatur, die Badtemperatur, die Haltezeit, die Bewegung des Bades und die Abkühlgeschwindigkeit als steuernde Variablen. Der Unterschied ist von Bedeutung, weil Bainit und angelassener Martensit ihre Festigkeit durch unterschiedliche Anordnungen von Ferrit, Kohlenstoff und Carbiden erhalten. Ihre Härte kann sich überschneiden, doch eine ähnliche Härte macht ihr mechanisches Verhalten nicht austauschbar. ### Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Duktilität Gefügebestandteile, die für die beiden Behandlungen relevant sind. | Gefügebestandteil | Bildungsmechanismus | Eigenschaftliche Gesichtspunkte | |---|---|---| | Oberer Bainit | Bainitische Umwandlung bei höherer Temperatur mit Karbiden, die sich gewöhnlich zwischen ferritischen Bereichen befinden | Kann sich in Härte und Duktilität von unterem Bainit unterscheiden | | Unterer Bainit | Umwandlung bei niedrigerer Temperatur mit feineren Karbidstrukturen | Kann ein anderes Verhältnis von Festigkeit und Zähigkeit bieten | | Angelassener Martensit | Umverteilung von Kohlenstoff und Karbidbildung während des Anlassens | Härte und Zähigkeit hängen stark von Anlass temperatur und -dauer ab | | Restaustenit | Austenit, der nach der Abkühlung ungewandelt bleibt | Kann sich während des Einsatzes, beim Schleifen oder bei einer späteren Abkühlung umwandeln | Bainit besteht aus ferritischen Bereichen, die durch eine displazive Umwandlung entstehen, wobei Kohlenstoff abhängig von der Umwandlungstemperatur und der Legierungschemie in den Austenit ausgeschieden oder als Carbide ausgefällt wird. Oberbainit enthält im Allgemeinen Ferritnadeln oder -platten mit Carbiden zwischen ihnen. Unterbainit bildet sich bei niedrigeren Temperaturen und weist feinere Carbide innerhalb der ferritischen Platten oder in enger Verbindung mit ihnen auf. Die genaue Morphologie verändert sich mit dem Kohlenstoffgehalt, den Legierungszusätzen, der Abkühlgeschwindigkeit und der Haltezeit. Angelassener Martensit beginnt als übersättigte, stark verspannte, raumzentriert tetragonale Phase. Während des Anlassens tritt Kohlenstoff aus dem Martensit aus, zunächst bilden sich Übergangscarbide und anschließend stabilere Carbide, und die Matrix verliert einen großen Teil ihrer Tetragonalität und ihrer inneren Spannungen. Anlass-Temperatur und -Dauer bestimmen, wie weit diese Abfolge fortschreitet. Eine niedrige Anlasstemperatur kann eine hohe Härte erhalten, während gleichzeitig erhebliche Restspannungen bestehen bleiben; eine höhere Anlasstemperatur senkt die Härte gewöhnlich, verbessert jedoch die Zähigkeit und die Maßbeständigkeit. Eine verlängerte Behandlung kann bei Stählen, die Elemente wie Chrom, Molybdän oder Vanadium enthalten, zu einer weiteren Erweichung oder zu einer Sekundärhärtung führen. Weder Bainit noch angelassener Martensit weist grundsätzlich einen Härtevorteil auf. Feiner Unterbainit kann sehr hart sein, während Oberbainit weicher und duktiler sein kann. Eine bei niedriger Temperatur angelassene martensitische Struktur kann die Härte einer bestimmten bainitischen Struktur übertreffen; ein stärkeres Anlassen kann dem martensitischen Stahl jedoch eine geringere Härte und eine höhere Bruchbeständigkeit verleihen. Kohlenstoffgehalt, Größe der ehemaligen Austenitkörner, Härtbarkeit der Legierung, Umwandlungstemperatur und der Anteil der einzelnen Bestandteile müssen angegeben werden, bevor ein Vergleich aussagekräftig ist. Für die Zähigkeit gilt dieselbe Regel. Bainitischer Ferrit kann eine günstige Kombination aus Festigkeit und Widerstand gegen die Rissinitiierung bieten, wenn seine Platten fein sind und die Carbidschichten kontrolliert werden. Grober Bainit, untransformierter Austenit oder frischer, beim Abkühlen am Ende gebildeter kohlenstoffreicher Martensit können diesen Vorteil verringern. Angelassener Martensit kann eine hohe Zähigkeit bieten, wenn das Anlassen Spannungen abbaut und die Carbidausscheidungen verfeinert; unzureichendes Anlassen hinterlässt jedoch eine spröde Struktur. Übermäßiges Anlassen kann die Festigkeit beeinträchtigen. Duktilität ist nicht einfach die Folge der Wahl eines bestimmten Verfahrens. Sie hängt vom Volumenanteil und der Morphologie von Bainit, Martensit, Restaustenit, Carbiden, Einschlüssen und etwaigen kohlenstoffreichen Bereichen ab. Eine Mischstruktur kann eine nutzbringende Dehnung zeigen und dennoch spröde lokale Bestandteile enthalten. Zugfestigkeit, Streckgrenze, Schlagarbeitsvermögen, Bruchzähigkeit, Ermüdungsverhalten und Verschleißbeständigkeit sollten daher getrennt gemessen und nicht allein aus der Härte abgeleitet werden. Auch die Verformung kann sich unterscheiden. Untersuchungen an aufgekohltem AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320 verwendeten Austempertemperaturen von 260, 288 und 304 °C und berichteten über eine deutlich geringere Verformung als bei aufgekohlten, abgeschreckten und angelassenen Proben. Dieses Ergebnis bezieht sich auf die untersuchten aufgekohlten Geometrien und Behandlungspläne und stellt keine allgemeine Garantie dar. Martempern verringert die thermischen Gradienten, bevor sich Martensit bildet, und kann daher im Vergleich zu einer direkten Abschreckung ebenfalls Risse und Verformungen reduzieren, obwohl die martensitische Umwandlung weiterhin eine Volumenänderung verursacht. ### Restaustenit und Umwandlungsgemische Das Austempern wird häufig als Verfahren zur Erzeugung von Bainit beschrieben; „bainitisch“ bedeutet jedoch nicht zwangsläufig 100 % Bainit. Wenn das Halten endet, bevor der Austenit vollständig umgewandelt ist, kann der verbleibende Austenit als Restaustenit bestehen bleiben oder sich während der anschließenden Abkühlung in Martensit umwandeln. Eine Anreicherung des verbleibenden Austenits mit Kohlenstoff kann einen Teil davon bei Raumtemperatur stabilisieren. Das Ergebnis kann aus Bainit plus Restaustenit, Bainit plus Martensit oder Bainit plus beiden Bestandteilen bestehen. Dieses Gemisch beeinflusst die Eigenschaften stark. Restaustenit kann die scheinbare Duktilität verbessern und Umwandlungsdehnung aufnehmen; er kann sich jedoch auch unter Belastung, beim Schleifen oder während des Einsatzes umwandeln. Diese Umwandlung kann eine Maßänderung, eine lokale Aufhärtung oder Restspannungen verursachen. Martensit, der sich nach dem Austemperhaltezyklus aus untransformiertem Austenit bildet, kann härter und spröder sein als der im Bad gebildete Bainit. Röntgenbeugung, Metallografie, Dilatometrie und Härtekartierung können bei der Identifizierung dieser Bestandteile helfen; ein einzelner Wert der Gesamt- oder Volumenhärte kann dies nicht leisten. \[3\] \[3\] [**Short-term low-temperature austempering in medium-carbon low-alloy steel**](https://doi.org/10.1007/s12540-020-00957-6). Metal and Materials International, 2020. Die Studie aus dem Jahr 2020 zum kurzzeitigen Austempern bei niedriger Temperatur in einem mittelgekohlten niedriglegierten Stahl veranschaulicht diese Einschränkung. Die berichtete Struktur enthielt Nanobainit, Martensit und Restaustenit und nicht nur eine einzige Phase. Unter den Prüfbedingungen lagen die Verschleißkoeffizienten um bis zu 50 % niedriger als bei martensitischem, abgeschrecktem Stahl. Dieser Vergleich ist begrenzt: Er gilt für den untersuchten Stahl, die Probenvorbereitung, den Austemperplan, den Gegenkörper, die Belastung und die Verschleißprüfung. Er belegt nicht, dass jeder austemperte Stahl die Hälfte der Verschleißrate jedes abgeschreckten und angelassenen Stahls aufweist. Auch beim Martempern können Umwandlungsgemische entstehen, doch die vorgesehene Abfolge ist eine andere. Das Ausgleichshalten oberhalb der Martensitstarttemperatur sollte kurz genug sein, um eine wesentliche Bainitbildung zu vermeiden. Nach der Luftabkühlung durch den Martensitbereich enthält der Stahl Martensit, häufig zusammen mit etwas Restaustenit und möglicherweise ungelösten Carbiden. Das anschließende Anlassen verändert dann die martensitische Matrix und den Zustand der Carbide. Wenn die Austenitisierungsbehandlung zu viel Kohlenstoff gelöst hat oder der Stahl eine hohe Härtbarkeit besitzt und der abschließende Abkühlverlauf ungeeignet ist, kann ein beträchtlicher Anteil an Restaustenit verbleiben. Das SAE-Papier zum modifizierten Martempern grenzt dieses Verfahren dadurch ab, dass das Abschreckbad unterhalb der Martensitstarttemperatur liegt, um eine Bainitbildung zu vermeiden. Dieses Detail zeigt, warum die Badtemperatur allein keine ausreichende Bezeichnung für ein Verfahren darstellt: Das Verhältnis zwischen Badtemperatur, Martensitstarttemperatur, Haltezeit und Abkühlverlauf bestimmt die tatsächlich entstehenden Phasen. ### Warum Eigenschaftsangaben werkstoffsortenspezifisch sein müssen Die Stahlsorte bestimmt die Umwandlungskinetik. Wälzlagerstahl AISI 52100, Einsatzstahl AISI 8620, AISI 8822, AISI 4320 und ein mittelgekohlter niedriglegierter Stahl weisen nicht denselben Kohlenstoffgehalt, Legierungsgehalt, dieselbe Härtbarkeit, Martensitstarttemperatur, Carb idstabilität oder dasselbe Anlassverhalten auf. Selbst innerhalb einer Bezeichnung können Querschnittsgröße und Austenitisierungspraxis die Abkühlgeschwindigkeit im Kern so stark verändern, dass unterschiedliche Strukturen entstehen. Die Spezifikation legt außerdem das zulässige Verfahren und die Annahmekriterien fest. SAE AMS-H-6875C: *Heat Treatment of Steel Raw Materials* umfasst vier Stahlklassen und erlaubt Austempern, Ausbay-Abschrecken und Martempern, sofern dies festgelegt ist. Diese Erlaubnis weist nicht jeder Sorte dieselbe Härte, Zähigkeit oder Restaustenitgrenze zu. Die anzuwendende Werkstoffspezifikation, Zeichnung, Wärmebehandlungsvorschrift und Prüfmethodik müssen diese Grenzwerte vorgeben. Ein gültiger Vergleich nennt daher die Stahlsorte oder Stahlchemie, die Austenitisierungstemperatur, die Transferzeit, die Badtemperatur, die Haltedauer, das Abkühlverfahren, die Anlasstemperatur und -zeit, die Querschnittsgröße sowie das Prüfverfahren. Die Härte sollte mit einer mikrostrukturellen Untersuchung und, sofern relevant, mit einer Messung des Restaustenitgehalts und einer Maßprüfung kombiniert werden. Ohne diese Angaben sind Aussagen wie „Austempern ergibt höhere Zähigkeit“ oder „Martempern ergibt höhere Härte“ zu pauschal, um technisch zuverlässig zu sein. ## Kontrolle von Verzug, Rissbildung und Eigenspannungen ### Warum direktes Abschrecken thermische und Umwandlungsspannungen erzeugt Beim direkten Abschrecken wird austenitisierter Stahl einem starken Temperaturgradienten ausgesetzt. Die Oberfläche kommt zuerst mit dem Kühlmittel in Kontakt und zieht sich zusammen, während der Kern heiß und ausgedehnt bleibt; dadurch wird die Oberfläche durch den heißeren Innenbereich behindert. Während der frühen Abkühlphase kann die Oberfläche unter Druckspannung stehen, während der Kern Zugspannung trägt. Im weiteren Verlauf der Abkühlung zieht sich der Kern zusammen, und das Spannungsmuster kann sich umkehren. Dünne Querschnitte, scharfe Ecken, Bohrungen und Änderungen der Querschnittsdicke verstärken diese Unterschiede, weil sie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abkühlen. Auf die thermische Kontraktion folgt ein zweites Ereignis: Austenit wandelt sich um. In unlegierten Kohlenstoffstählen und niedriglegierten Stählen besitzt Martensit ein größeres spezifisches Volumen als der ursprüngliche Austenit. Die Temperatur, bei der diese Umwandlung beginnt, wird als Martensitstarttemperatur oder Ms bezeichnet. Wenn eine Oberflächenschicht Ms erreicht, während der Kern noch austenitisch ist, dehnt sich die Oberfläche infolge der martensitischen Umwandlung aus, während sich der Kern weiterhin thermisch zusammenzieht. Die Umwandlungsausdehnung ist über den Querschnitt nicht gleichmäßig verteilt. Daher addiert sie sich zu den bereits vorhandenen thermischen Spannungen, anstatt diese zu ersetzen. Der daraus resultierende Spannungszustand hängt vom zeitlichen Ablauf ab. Bei einem einsatzgehärteten Zahnrad kann beispielsweise zunächst die kohlenstoffangereicherte Randschicht umwandeln, während sich der kohlenstoffärmere Kern erst später umwandelt oder teilweise austenitisch bleibt. Eine harte, vergleichsweise spröde martensitische Randschicht kann dann Zug-Eigenspannungen enthalten, insbesondere in der Nähe von Geometrieunterbrechungen. Diese Kombination begünstigt Abschreckrisse. Selbst wenn keine Rissbildung auftritt, können unterschiedliche Schrumpfungen um eine Bohrung oder über einen Zahn hinweg Ovalität, Rundlauffehler, Biegung oder eine Veränderung des Zahnabstands verursachen. Die Abschreckintensität ist nur ein Teil des Problems. Die Austenitisierungstemperatur steuert die Korngröße sowie die Menge an Kohlenstoff und Legierungselementen, die im Austenit gelöst sind; die Umwälzung verändert den Wärmeübergangskoeffizienten; und die Härtbarkeit bestimmt, ob sich der Kern in Martensit oder in weichere Gefügeprodukte wie Bainit oder Perlit umwandelt. Das ASM Handbook, Volume 4A (2013), nennt Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Umwälzung und Abkühlgeschwindigkeit als wichtige Prozessgrößen des Martemperns. Dieselben Größen beeinflussen zusammen mit der Geometrie, dem Beladungsmuster, den Vorrichtungen und dem Zustand der aufgekohlten Randschicht auch den Verzug beim direkten Abschrecken. ### Wie unterbrochenes Abschrecken den Spannungsverlauf verändert Beim Martempern wird die Abfolge der Vorgänge verändert, anstatt lediglich ein anderes Bad auszuwählen. Das heiße, austenitisierte Werkstück wird schnell in Öl oder ein Schmelzsalz abgeschreckt, das knapp oberhalb seiner Ms-Temperatur gehalten wird. Es wird dort so lange gehalten, dass sich Oberfläche und Kern einer möglichst gleichmäßigen Temperatur annähern, jedoch nicht so lange, dass Bainit oder Perlit entsteht. Anschließend wird das Werkstück durch den Martensitbildungsbereich abgekühlt, üblicherweise an der Luft oder unter einer anderen kontrollierten Bedingung mit geringer Abschreckintensität, und vor dem Einsatz angelassen. Dieser Temperaturausgleich verringert den thermischen Unterschied, der beim Beginn der Martensitbildung vorhanden ist. Oberfläche und Kern wandeln sich weiterhin nicht exakt gleichzeitig um, und die martensitische Umwandlung verursacht weiterhin eine Ausdehnung; der Temperaturgradient und die damit verbundene Behinderung sind jedoch geringer. Martempern verringert daher den Verzug und die Wahrscheinlichkeit von Abschreckrissen, beseitigt jedoch keines von beidem vollständig. Ein komplexes Bauteil kann sich weiterhin verziehen, wenn seine Querschnitte unterschiedliche Abkühlzeiten aufweisen, das Bad unzureichend geregelt ist oder seine Härtbarkeit zu einem uneinheitlichen Umwandlungsverlauf führt. Der 2020 ASM Heat Treating Subject Guide beschreibt den Ablauf unmittelbar: Der Stahl wird knapp oberhalb von Ms gehalten, bis sich die Temperatur ausgeglichen hat, anschließend luftgekühlt, sodass sich Martensit bildet, und danach angelassen. Das Anlassen ist für den üblichen Einsatz nicht optional, da abgeschreckter Martensit hohe innere Spannungen und eine begrenzte Bruchzähigkeit aufweist. Endtemperatur und Haltezeit müssen auf die Stahlsorte, die Abmessungen, die geforderte Härte und den Zustand des Restaustenits abgestimmt werden. Das Austempern verfolgt einen anderen Zweck. Der austenitisierte Stahl wird in ein Bad abgeschreckt, das innerhalb des Bainitumwandlungsbereichs gehalten wird – in der für AISI 52100 angegebenen Definition ungefähr bei 200 bis 400 °C – und dort gehalten, bis der erforderliche Austenitanteil in Bainit umgewandelt ist. Die anschließende Abkühlung ergibt ein bainitisches Gefüge, möglicherweise mit Restaustenit oder Martensit, wenn die Haltezeit nicht ausreicht. Die 2024 veröffentlichte Studie in ACS Omega unterscheidet diesen Ablauf vom Martempern: Beim Austempern wird so lange gehalten, bis sich Austenit in Bainit umwandelt, während beim Martempern die Temperatur kurz oberhalb von Ms ausgeglichen wird und sich anschließend während der Abkühlung Martensit bildet. Da sich Bainit isotherm bildet, nachdem das Werkstück eine vergleichsweise gleichmäßige Badtemperatur erreicht hat, vermeidet das Austempern den ausgeprägten thermischen Ablauf vom Oberflächenbereich zum Kern, der für direktes Abschrecken typisch ist. Die Bainitumwandlung verteilt ihre Dehnung außerdem über die Haltezeit, anstatt die martensitische Ausdehnung über einen sich bewegenden Temperaturgradienten zu konzentrieren. Verzug und Eigenspannungen können dadurch geringer sein, jedoch nur dann, wenn Härtbarkeit, Querschnittsgröße und Umwandlungskinetik des Stahls es ermöglichen, dass der gesamte Querschnitt das Bad erreicht und die vorgesehene Reaktion vollständig abläuft, bevor Perlit oder unerwünschter Martensit entsteht. Martempern und Austempern sind daher keine austauschbaren Bezeichnungen für ein verzugreduziertes Abschreckverfahren. Beim Martempern entsteht weiterhin Martensit, und ein anschließendes Anlassen ist erforderlich. Das Austempern zielt auf Bainit ab und verwendet eine ausreichend lange isotherme Haltezeit, um diesen zu erzeugen. Spezifikationen können beide Verfahren zulassen: SAE AMS-H-6875C (2020), die die Wärmebehandlung für vier Stahlklassen abdeckt, führt Austempern, Ausbay-Abschrecken und Martempern auf, wenn die jeweils geltende Anforderung diese Verfahren vorgibt. Ein Prozessprotokoll sollte den tatsächlichen Temperatur-Zeit-Verlauf angeben und nicht lediglich feststellen, dass das Bauteil „im Salzbad abgeschreckt“ wurde. ### Die Belege für aufgekohlte niedriglegierte Stähle Das Bainitisieren verursachte bei den untersuchten Proben aus AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320 weniger Verzug als das Aufkohlen mit anschließendem konventionellem Abschrecken und Anlassen. Limited evidence Die SAE-Veröffentlichung „Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels“, SAE 2013-01-0949, untersuchte aufgekohlte Werkstoffe der Güten AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320. Verglichen wurden aufgekohlte und ausfemperte Proben mit Proben, die aufgekohlt, konventionell abgeschreckt und angelassen worden waren. Für die Austemperbehandlungen wurden Badtemperaturen von 260, 288 und 304 °C verwendet. Als Ergebnis wurde ein deutlich geringerer Verzug bei den aufgekohlten und ausfemperten Proben berichtet. Dieser Befund entspricht dem zugrunde liegenden Spannungsmechanismus. Durch das Aufkohlen entsteht ein Kohlenstoffgradient: Die Randschicht weist einen höheren Kohlenstoffgehalt, eine größere Härtbarkeit und eine andere Ms-Temperatur als der Kern auf. Beim direkten Abschrecken kühlen Randschicht und Kern daher nach unterschiedlichen Abläufen ab und wandeln sich nach unterschiedlichen Zeitplänen um. Das Austempern ersetzt diese schnelle, räumlich uneinheitliche martensitische Abfolge durch eine kontrollierte bainitische Haltephase, nachdem sich das Bauteil der Badtemperatur angenähert hat. Der geringere Verzug ist daher glaubwürdig und metallurgisch schlüssig, stellt jedoch keinen universellen Korrekturfaktor für jedes Zahnrad, jede Welle oder jeden Lagerring dar. Die Übertragbarkeit auf ein anderes Bauteil hängt zunächst von der Geometrie ab. Ein dünner Ring kann sich schnell ausgleichen, während eine dicke Zahnradnabe einen heißen Kern behalten kann, nachdem die Randschicht bereits die Badtemperatur erreicht hat. AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320 unterscheiden sich zudem hinsichtlich ihres Legierungsgehalts und ihrer Härtbarkeit. Daher gewährleistet dieselbe Badtemperatur nicht dieselben Phasenanteile. Einsatzhärtetiefe, Oberflächenkohlenstoffgehalt, Restaustenit, Karbidzustand, vorherige Austenitkorngröße und Gleichmäßigkeit des Aufkohlens beeinflussen sowohl die Umwandlungsdehnung als auch die Rissempfindlichkeit. Auch Vorrichtungen und Beladung sind von Bedeutung. Ein während der Abkühlung eingespanntes Bauteil kann eine geringere freie Bewegung zeigen, jedoch höhere Eigenspannungen aufbauen; ein lose abgestütztes Bauteil kann sich stärker verziehen und dabei einen Teil dieser Spannungen abbauen. Badzusammensetzung, Umwälzung, Abstand zwischen den Beladungsteilen, Transferzeit und Temperaturgleichmäßigkeit müssen überprüft werden. Maßprüfungen vor und nach der Wärmebehandlung, Härteverläufe von der Randschicht bis zum Kern, metallografische Untersuchungen und, falls erforderlich, Messungen der Eigenspannungen liefern aussagekräftigere Informationen, als davon auszugehen, dass ein benanntes Verfahren automatisch ein bestimmtes Ergebnis garantiert. ## Bäder, Wärmeübertragung und Prozessregelung Die Auswahl des Bades definiert den Prozess nicht allein. Sowohl beim Austempern als auch beim Martempern können Salz oder Öl verwendet werden; dennoch unterscheiden sich die Temperaturverläufe und die angestrebten Umwandlungszustände. Beim Austempern wird der austenitisierte Stahl in ein Bad überführt, das auf einer Temperatur der bainitischen Umwandlung gehalten wird — in der Beschreibung von AISI 52100 durch G. A. H. D. et al. (2013) ungefähr 200 bis 400 °C — und dort gehalten, bis sich Bainit bildet. Beim Martempern wird der Stahl in ein Bad knapp oberhalb der Martensitstarttemperatur überführt, die Temperatur über den Querschnitt ausgeglichen und anschließend an der Luft abgekühlt, sodass sich Martensit gleichmäßiger bildet. Danach ist ein Anlassen erforderlich. Das ASM Handbook Volume 4A (2013) bietet einen nützlichen Regelungsrahmen für das Martempern: Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Umwälzung und Abkühlgeschwindigkeit. Diese Variablen zeigen auch, warum ein Badprozess unterschiedliche Ergebnisse liefern kann, wenn scheinbar ähnliche Ofenzyklen verwendet werden. Werkstoffsorte, Querschnittsdicke, Härtbarkeit, Chargenmasse, Überführungsverzögerung und Badzustand bestimmen, ob der vorgeschriebene thermische Verlauf tatsächlich erreicht wird. ### Öl, Nitrat-Nitrit-Salze und Salzschmelzgemische Öl ist vertraut und praktisch, doch sein Wärmeübertragungsverhalten verändert sich während des Abschreckens. Wenn heißer Stahl in Öl eintritt, kann sich an der Oberfläche ein Dampfmantel bilden. Diese Filmphase überträgt Wärme vergleichsweise langsam und ungleichmäßig. Wenn der Film zusammenbricht, kann die Siedekernbildung Wärme wesentlich schneller abführen, gefolgt von einer langsameren konvektiven Abkühlung. Die Umwälzung zerstört den Dampfmantel und führt kühleres Öl zum Werkstück. Öltemperatur, Viskosität, Oxidation, Wasserkontamination, Schlamm sowie das Verhältnis von Chargenmasse zu Badvolumen verändern diesen Ablauf. Zwei Tanks mit demselben nominalen Öl können daher unterschiedliche Abkühlkurven erzeugen. Gealtertes Öl kann eine höhere Viskosität oder ein verändertes Benetzungsverhalten aufweisen. Wasserkontamination kann örtliches Sieden und in schweren Fällen eine Brand- oder durch Dampf verursachte Ausstoßgefahr hervorrufen. Ein überfüllter Korb schirmt Oberflächen von der Umwälzung ab, während eine große heiße Charge die Öltemperatur erhöht und den nächsten Abschnitt des Abschreckvorgangs verlangsamt. Die relevante Variable ist daher nicht lediglich „Ölabschrecken“, sondern die gemessene Abkühlreaktion unter der tatsächlichen Chargen- und Umwälzbedingung. Nitrat-Nitrit-Salzbäder übertragen Wärme im Allgemeinen schnell, weil die Flüssigkeit den Stahl unmittelbar benetzt und nicht in gleicher Weise wie ein Ölabschreckbad von einem dauerhaft bestehenden Dampfmantel abhängt. Die Konvektion innerhalb der Salzschmelze kann das Bad vergleichsweise gleichmäßig halten, und die Stahloberfläche kann sich der Badtemperatur schnell annähern. Diese schnelle Übertragung ist wertvoll, wenn ein martempertes Bauteil den Perlit- oder Bainitbereich durchlaufen muss, ohne dass zu große Temperaturunterschiede zwischen Oberfläche und Kern entstehen. Sie hilft auch beim Austempern, die Bauteile die ausgewählte bainitische Temperatur erreichen zu lassen, bevor die Umwandlung ungleichmäßig fortschreitet. Das Salz ist nicht wartungsfrei. Salz Zusammensetzung, Oxidation, Feuchtigkeit, Verschleppung, Schlamm und Verunreinigungen beeinflussen Schmelzverhalten, Viskosität, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeübertragung. Nitrat-Nitrit-Gemische erfordern außerdem eine Regelung der Betriebstemperatur und des chemischen Zustands, da Zersetzung und Verunreinigung das Bad verändern und Sicherheitsgefahren verursachen können. Werkstücke müssen vor dem Eintauchen trocken sein; in die Salzschmelze eingebrachtes Wasser kann sich explosionsartig in Dampf umwandeln. Die ACS-Omega-Studie von Sun et al. (2024) untersuchte Ca(NO3)2–KNO3-Salzschmelzgemische und behandelte die Messung der Wärmeübertragung als zentrale Fragestellung. Ihr Wert für die Verfahrenstechnik liegt nicht in der Festlegung eines bestimmten Calcium-Nitrat/Kalium-Nitrat-Verhältnisses als universell gültiges Austemperrezept. Verschiedene Salz Zusammensetzungen weisen unterschiedliche Liquidustemperaturen, thermische Eigenschaften, Viskositäten und nutzbare Bereiche auf. Die Messungen der Studie helfen dabei, Badzusammensetzung und Temperatur mit dem Wärmeübertragungsverhalten in Beziehung zu setzen; ein Produktionszyklus erfordert jedoch weiterhin eine validierte Abkühlkurve, werkstoffspezifische Umwandlungsdaten und die Regelung des tatsächlichen Bades. ### Einfluss von Badtemperatur, Umwälzung und Charge Die Badtemperatur ist eine Umwandlungsvariable und nicht nur eine Ofeneinstellung. Beim Austempern muss das Bad innerhalb des Bereichs bleiben, in dem der ausgewählte Stahl mit akzeptabler Geschwindigkeit in Bainit umwandeln kann. Die Haltezeit wird fortgesetzt, bis die erforderliche Austenit-Bainit-Reaktion stattgefunden hat, wie anhand von Zeit-Temperatur-Umwandlungsdaten oder durch metallografische Überprüfung festgestellt wird. Beim Martempern wird das Bad normalerweise knapp oberhalb des Martensitstarts, häufig als Ms bezeichnet, lange genug gehalten, damit der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern auf ein akzeptables Maß sinkt. Eine zu lange Haltezeit oder eine zu niedrige Temperatur kann die Bildung von Bainit ermöglichen und dadurch den vorgesehenen martensitischen Ablauf vereiteln. Die Umwälzung muss nach Methode und Intensität spezifiziert werden, statt vage als „gute Zirkulation“ beschrieben zu werden. Pumpenstrom, Position des Laufrads, Bewegung des Werkstücks und Korbausführung bestimmen, ob alle Oberflächen einer vergleichbaren Flüssigkeitsbewegung ausgesetzt sind. Übermäßige Bewegung kann empfindliche Bauteile beschädigen oder Luft eintragen; unzureichende Bewegung hinterlässt stagnierende Bereiche und vergrößert örtliche Abkühlunterschiede. Salzbäder benötigen normalerweise eine Umwälzung, um Wärme aus der Charge abzuführen und die Temperaturgleichmäßigkeit wiederherzustellen, obwohl ihr unmittelbarer Kontakt eine schnellere Übertragung als bei Öl ermöglicht. Der Einfluss der Charge wird häufig unterschätzt. Ein einzelnes kleines Probestück kann eine nahezu konstante Badtemperatur erfahren, während ein Produktionskorb beim Eintreten die Badtemperatur absenken und eine Erholungsphase verursachen kann. Die äußeren Teile einer dicht gepackten Charge können sich anders abkühlen als die inneren Teile, weil die Abstände den Zugang der Flüssigkeit einschränken. Teile sollten mit ausreichendem Abstand angeordnet werden, damit Badkontakt und Umwälzung gewährleistet sind. Vorrichtungen sollten so ausgelegt sein, dass ineinanderliegende Teile, Kontaktmarkierungen und eingeschlossenes Salz vermieden werden. Das bei der Qualifizierung verwendete Lademuster sollte dem in der Produktion verwendeten Muster entsprechen. Auch die Temperaturmessung erzeugt Abweichungen. Ein Ofenthermoelement misst die Ofenatmosphäre oder eine nahegelegene Vorrichtung und nicht unbedingt die Kerntemperatur des Stahls. Eine Badregelung kann an einem Punkt nahe einer Heizung messen, während sich der kälteste Bereich an anderer Stelle befindet. Unabhängige Sensoren sollten die Arbeitszone erfassen, und an repräsentativen Teilen angebrachte Thermoelemente können die tatsächliche thermische Verzögerung bestimmen. Bei dicken Querschnitten kann ein Oberflächen-Thermoelement den Eintritt in das Bad anzeigen, während das Zentrum noch wesentlich heißer ist. Genau diesen Unterschied soll das Martempern vor der Martensitbildung verringern. ### Abschreckintensität und Überführungszeit Die Abschreckintensität beschreibt, wie schnell Wärme aus dem Stahl abgeführt wird; die aussagekräftige Größe ist jedoch die vollständige Abkühlkurve durch den kritischen Umwandlungsbereich. Öl-Umwälzung, Salzzirkulation, Badtemperatur, Bauteilgeometrie und Härtbarkeit des Stahls tragen hierzu bei. Ein Stahl mit hoher Härtbarkeit kann über einen großen Querschnitt Martensit bilden, während eine Stahlsorte mit geringerer Härtbarkeit unter denselben Bedingungen teilweise bainitisch oder perlitisch bleibt. Ecken von Querschnitten kühlen schnell ab, schwere Zentren langsam. Dasselbe Bad kann daher nicht dieselbe Gefügestruktur in einem dünnen Stift und einem dicken Zahnrad gewährleisten. Die Überführungsverzögerung beginnt, wenn das Teil den Austenitisierungsofen verlässt, und endet, wenn die Arbeitsflächen eingetaucht sind. Während dieses Zeitraums kann die Oberfläche an der Luft abkühlen, während der Kern nahe der Austenitisierungstemperatur bleibt. Die Verzögerung kann bei empfindlichen Stahlsorten außerdem eine unerwünschte Umwandlung ermöglichen und dazu führen, dass sich das erste Teil einer Charge thermisch vom letzten unterscheidet. Kurze, reproduzierbare Überführungswege, abgedeckte Überführungsvorrichtungen und eine synchronisierte Handhabung verringern diese Variationsquelle. Nach dem Eintauchen folgt die Erholung des Bades. Die eintretende Charge entzieht dem Bad Wärme, und um einen überfüllten Korb können örtliche Kaltzonen entstehen. Die Regelung kann den Sollwert anzeigen, während sich die Arbeitszone noch erholt. Eine definierte Erholungsgrenze — basierend auf der gemessenen Badtemperatur am Ort der Charge — sollte bestimmen, wann die nächste Charge eintritt. Ohne diese Grenze können aufeinanderfolgende Chargen trotz identischer nominaler Rezepte unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten erfahren. Die Arbeit von 1946 zum Temperaturbereich der Martensitbildung erklärt den Zweck des Martemperns: Abschrecken bis knapp oberhalb des Martensitbildungsbereichs, Angleichen der Temperaturen und anschließendes langsameres Abkühlen. Dadurch werden thermische und Umwandlungsspannungen reduziert, was das Risiko von Rissen und Verzug senkt, während bei geeigneten Stahl- und Querschnittsbedingungen nur wenig Härte eingebüßt wird. Das Austempern folgt einer anderen Anforderung: Das Bad muss während der gesamten bainitischen Haltezeit stabil bleiben. Eine Studie aus dem Jahr 2020 über kurzzeitiges Austempern bei niedriger Temperatur berichtete über Nanobainit, Martensit und Restaustenit sowie über Verschleißkoeffizienten, die bis zu 50 % niedriger waren als bei abgeschrecktem martensitischem Stahl. Dieses Ergebnis lässt sich jedoch nicht automatisch auf eine andere Stahlsorte oder einen anderen Zyklus übertragen. \[4\] \[4\] [**Heat Treatment of Steel Raw Materials**](https://www.normsplash.com/Samples/SAE/165267379/SAE-AMSH-6875C-2020-en.pdf). SAE International. SAE AMS-H-6875C, 2020. SAE AMS-H-6875C (2020) behandelt vier Stahlklassen und erlaubt Austempern, Ausbay-Abschrecken und Martempern, sofern dies spezifiziert ist. Die Einhaltung hängt daher von der spezifizierten Stahlsorte, dem Ablauf, der Ausrüstung und der Überprüfung ab — nicht allein vom Namen des Bades. Temperaturaufzeichnungen, Aufzeichnungen der Überführungszeit, Ladekonfiguration, Badvermessungen, Härteprüfung, Maßprüfung und Metallografie sind erforderlich, um nachzuweisen, dass die beabsichtigte Umwandlung tatsächlich stattgefunden hat. ## Modifiziertes Martempern und seine Abgrenzung zum Austempern ### Standard-Martempern im Vergleich zum modifizierten Martempern Martempern und Austempern unterbrechen beide die direkte Abkühlung von der Austenitisierungstemperatur auf Raumtemperatur, jedoch aus unterschiedlichen metallurgischen Gründen. Beim Austempern soll Bainit erzeugt werden. Beim Martempern sollen Temperaturunterschiede verringert werden, bevor sich Martensit bildet, um Verzug und Abschreckrisse zu begrenzen. Beim Standard-Martempern wird austenitisierter Stahl in Öl oder ein geschmolzenes Salz abgeschreckt, das knapp oberhalb der Martensitstarttemperatur des Stahls, also **Ms**, gehalten wird. Das Werkstück verbleibt nur so lange in diesem Bad, bis sich seine Oberfläche und sein Kern einer ähnlichen Temperatur angenähert haben. Anschließend wird es durch den Martensitumwandlungsbereich abgekühlt, üblicherweise durch Abkühlung an der Luft. Da sich Martensit während dieses abschließenden Abkühlungsschritts bildet, muss das Verfahren vor dem Einsatz durch Anlassen ergänzt werden. Der *Heat Treating Subject Guide* (2020) von ASM International beschreibt diese Abfolge als Halten knapp oberhalb von Ms, Temperaturausgleich, Abkühlung an der Luft zur Martensitbildung und anschließendes Anlassen. Die Temperatur wird nicht anhand einer allgemeingültigen Tabelle ausgewählt. Ms variiert mit dem Kohlenstoffgehalt, den Legierungselementen, der vorherigen Austenitkorngröße und dem Zustand des Austenits. Eine aufgekohlte Oberfläche kann beispielsweise ein deutlich niedrigeres Ms aufweisen als der kohlenstoffärmere Kern. Auch die Querschnittsdicke ist von Bedeutung, da Wärme die Oberfläche schneller verlässt als die Mitte. Das Bad muss daher anhand von Umwandlungsdaten für den konkreten Stahl und das konkrete Bauteil ausgewählt werden und nicht lediglich anhand einer nominellen Werkstoffbezeichnung. ASM Handbook Volume 4A (2013) nennt Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Bewegung des Bades und Abkühlungsgeschwindigkeit als maßgebliche Einflussgrößen beim Martempern. Diese Größen bestimmen, ob sich das Bauteil sicher ausgleicht, mit der Bainitbildung beginnt, sich im Bad teilweise in Martensit umwandelt oder übermäßige thermische und Umwandlungsspannungen entwickelt. Ein kurzes, gut kontrolliertes Halten ist für das Standardverfahren von zentraler Bedeutung. Beim modifizierten Martempern wird der Ort der Unterbrechung verändert. In der Beschreibung des modifizierten Martemperns durch SAE liegt die Temperatur des Abschreckbads unterhalb von Ms, während beim Standard-Martempern ein Bad oberhalb von Ms verwendet wird. Dieser Unterschied ist keine geringfügige Anpassung eines ansonsten identischen Vorgangs. Er verändert den Zeitpunkt des Beginns der Martensitbildung und damit den thermischen sowie den Umwandlungsverlauf, den das Werkstück durchläuft. Ein Bad unterhalb von Ms kann dazu führen, dass die Martensitbildung einsetzt, während sich der Stahl noch im Bad befindet. Das Werkstück wird dabei nicht einfach auf eine niedrigere Ausgleichstemperatur abgekühlt, bevor eine spätere Umwandlung erfolgt. Ein Teil des Austenits kann während des Haltens im Bad umwandeln, während sich der verbleibende Anteil während der anschließenden Abkühlung umwandelt. Die entstehenden Gefügeanteile hängen von der Härtbarkeit des Stahls, der tatsächlichen Badtemperatur, der Verweilzeit im Bad und der Temperaturverteilung über den Querschnitt ab. SAE AMS-H-6875C (2020), *Heat Treatment of Steel Raw Materials*, behandelt vier Stahlklassen und erlaubt Austempern, Ausbay-Abschrecken und Martempern, sofern dies spezifiziert ist. Diese Erlaubnis macht die Verfahren nicht austauschbar. Eine Verfahrensspezifikation, Zeichnung oder Anforderung des Bestellers muss weiterhin den vorgesehenen Ablauf und die Prüfkriterien festlegen. Die alleinige Angabe „martemperiert“ kann unzureichend sein, wenn ein modifiziertes Martempern vorgesehen ist. ### Warum ein Bad unterhalb von Ms den Umwandlungsverlauf verändert Ms kennzeichnet ungefähr den Beginn einer diffusionslosen Umwandlung von Austenit in Martensit während der Abkühlung. Dies bedeutet nicht, dass sämtlicher Austenit bei einer einzigen festen Temperatur sofort zu Martensit wird. Die Umwandlung erstreckt sich über einen Temperaturbereich, und die gebildete Menge hängt hauptsächlich davon ab, wie weit der Stahl unter Ms abgekühlt wird. Die Haltezeit kann indirekt ebenfalls von Bedeutung sein: Sie ermöglicht den thermischen Ausgleich des Bauteils, während die Umwandlung entsprechend der örtlichen Temperatur fortschreitet. Wird das Bad unterhalb von Ms angeordnet, kann das Werkstück in den martensitischen Bereich eintreten, bevor sich seine Temperatur vollständig ausgeglichen hat. Dadurch kann der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern in einer späteren Phase verringert werden; dies geschieht jedoch, während sich Umwandlungsdehnung entwickelt. Beim Standard-Martempern wird die Bildung des größten Teils des Martensits bis nach dem Temperaturausgleich verzögert. Das modifizierte Martempern nimmt einen früheren Beginn der Umwandlung in Kauf, um ein anderes Gleichgewicht zwischen thermischen Gradienten, Umwandlungsspannungen und Restaustenit zu erreichen. Die Abgrenzung zum Austempern wird durch die während des Haltens beabsichtigte Phasenumwandlung bestimmt. Beim Austempern wird austenitisierter Stahl in einen Temperaturbereich abgeschreckt, in dem sich Bainit bilden kann, und dort gehalten, bis der erforderliche Austenit umgewandelt ist. Eine Studie aus dem Jahr 2013 zu AISI 52100 beschreibt das Austempern als Abschrecken in ein Medium, das bei etwa 200 bis 400 °C gehalten wird, mit anschließendem Halten, bis sich Bainit bildet. Eine 2024 in ACS Omega veröffentlichte Studie unterscheidet ebenfalls zwischen dem Austempern, bei dem bei einer Bainitumwandlungstemperatur gehalten wird, und dem Martempern, bei dem kurz oberhalb von Ms gehalten wird, bevor zur Bildung von Martensit an der Luft abgekühlt wird. Die Temperaturbereiche können sich bei bestimmten Stählen überschneiden, sodass die Badtemperatur allein die Bezeichnung des Verfahrens nicht festlegen kann. Ein Bad bei 300 °C kann bei einer Werkstoffsorte Bainit, bei einer anderen Martensit oder bei zu kurzer Haltezeit beziehungsweise bei sich überschneidenden Umwandlungskurven ein Mischgefüge erzeugen. Die maßgeblichen Nachweise ergeben sich aus dem Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten oder dem kontinuierlichen Abkühlungsumwandlungsverhalten des Stahls sowie aus der metallografischen Überprüfung. Eine Studie aus dem Jahr 2020 zum kurzzeitigen Austempern bei niedriger Temperatur in einem mittelgekohlten niedriglegierten Stahl berichtete über Nanobainit, Martensit und Restaustenit. Die Verschleißkoeffizienten lagen um bis zu 50 % niedriger als bei abgeschrecktem martensitischem Stahl; dieses Ergebnis gilt jedoch für die untersuchte Zusammensetzung, Geometrie und Prozessführung. Es kann nicht automatisch auf ein martempertes Bauteil übertragen werden. Austempern kann den Verzug verringern, weil sich Bainit bei einer vergleichsweise konstanten Temperatur und nicht innerhalb eines unkontrollierten Temperaturgradienten bildet. Bei aufgekohltem AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320 stellte eine 2013 veröffentlichte SAE-Studie bei aufgekohlten und ausgetemperten Proben deutlich weniger Verzug fest als bei aufgekohlten, abgeschreckten und angelassenen Proben; die angegebenen Austempertemperaturen betrugen 260, 288 und 304 °C. Dies ist ein Nachweis für eine bestimmte Gruppe aufgekohlter Stähle und kein Beleg dafür, dass jedes ausgetemperte Bauteil weniger verzieht. ### Unbeabsichtigte Bainitbildung vermeiden Das modifizierte Martempern wird teilweise ausgewählt, um das Werkstück während der Unterbrechung aus dem bainitbildenden Bereich herauszuhalten. Das Bad muss unterhalb von Ms liegen, zugleich aber so eingestellt sein, dass die Haltezeit nicht ausreicht, um die Bainitbildung zu ermöglichen. Befindet sich das Bad in einem Temperaturbereich, in dem der Stahl eine nennenswerte Bainitkinetik aufweist, oder erfolgen Überführung und Halten zu langsam, kann das Gefüge Bainit enthalten, obwohl der Vorgang als Martempern bezeichnet wurde. Deshalb bedeutet „modifiziert“ nicht einfach „ein kälteres Bad verwenden“. Der Ablauf muss die Austenitisierungsbedingungen, die Überführungszeit, die Badtemperatur, die Bewegung des Bades, die zulässige Haltezeit, das Abkühlverfahren und die Anlassbehandlung festlegen. Die Badtemperatur muss am Ort des Werkstücks gemessen werden und darf nicht aus der Einstellung des Ofens oder des Salzbehälters abgeleitet werden. Beladungsgröße und Salzzirkulation können örtliche Abweichungen verursachen, die groß genug sind, um den Umwandlungsverlauf zu verändern. Der Bediener benötigt außerdem Angaben zur Härtbarkeit des Stahls und zu den Grenzen der Querschnittsgröße. Ein Stahl mit geringer Härtbarkeit kann im Kern Perlit oder Bainit bilden, bevor das Bauteil den vorgesehenen martensitischen Umwandlungsweg erreicht. Ein Stahl mit hoher Härtbarkeit kann nach der Abkühlung beträchtliche Mengen an Austenit zurückbehalten, insbesondere dort, wo eine Kohlenstoffanreicherung oder Aufkohlung Ms abgesenkt hat. Das Anlassen verringert anschließend die Sprödigkeit des Martensits und baut Umwandlungsspannungen ab; es beseitigt jedoch keinen Bainit, der während eines ungeeigneten Haltens entstanden ist. Die Überprüfung sollte eine Härtekartierung mit Metallografie, Maßprüfung und, falls erforderlich, einer Messung des Restaustenits kombinieren. Ein einzelner Oberflächenhärtewert kann bei jedem Bauteil ein vollständig martensitisches Gefüge nicht zuverlässig von einem Mischgefüge aus Martensit und Bainit unterscheiden. Die praktische Abgrenzung wird daher durch den spezifizierten thermischen Ablauf und die tatsächlich gebildeten Phasen bestimmt – nicht durch die Bezeichnung des Bades. ## Stahlsorten, Härtbarkeit und Querschnittsgröße Die Stahlsorte bestimmt, ob ein vorgeschlagener Bainitstufen- oder Martempervorgang die vorgesehene Struktur im gesamten Bauteil erzeugen kann. Der Kohlenstoffgehalt steuert die Menge an Martensit, die sich bilden kann, während Chrom, Mangan, Nickel, Molybdän und andere Legierungselemente die Umwandlungskurven verschieben und die Härtbarkeit erhöhen. Die Querschnittsgröße bestimmt anschließend, wie eng die Temperatur im Bauteilinneren der Badtemperatur folgt. Ein Verfahren, das bei einem kleinen Prüfstück funktioniert, kann dazu führen, dass sich im Zentrum eines größeren Bauteils Perlit, Ferrit oder oberer Bainit bildet, bevor die erforderliche Umwandlung abgeschlossen ist. Die Unterscheidung zwischen den beiden Verfahren bleibt wesentlich. Beim Bainitstufen wird der austenitisierte Stahl in einem Bereich der bainitischen Umwandlung gehalten, bis sich der festgelegte Anteil an Austenit in Bainit umgewandelt hat. Beim Martempern wird die Abkühlung knapp oberhalb der Martensitstarttemperatur unterbrochen, damit sich der Querschnitt thermisch ausgleichen kann; anschließend wird das Bauteil durch den Bereich der Martensitbildung abgekühlt. Das martensitische Gefüge muss vor dem Einsatz anschließend angelassen werden. Die Badtemperatur allein kennzeichnet das Verfahren nicht; entscheidend sind der Umwandlungsweg und die entstehenden Phasen. ### Überlegungen zu AISI 52100 und Wälzlagerstählen Sortenspezifische Faktoren, die das Bainitisieren und Martempern beeinflussen. | Stahl | Hauptanwendung oder Zustand | Im Artikel genanntes Verfahrensproblem | |---|---|---| | AISI 52100 | Hochkohlenstoffhaltiger Chrom-Wälzlagerstahl | Auflösung von Karbiden, Restaustenit, Abschreckspannungen und Maßänderung | | AISI 8620 | Aufkohlungsstahl | Kohlenstoffgradient zwischen Randschicht und Kern sowie Härtbarkeit | | AISI 8822 | Aufkohlungsstahl | Unterschiedliches Verhalten von Randschicht und Kern gegenüber 8620 | | AISI 4320 | Nickel-Chrom-Molybdän-Aufkohlungsstahl | Geometrie, Randschichthärtetiefe und Umwandlungsverhalten | AISI 52100 ist ein hochkohlenstoffhaltiger Chrom-Wälzlagerstahl, der üblicherweise als UNS G52986 bezeichnet wird. Seine Nennzusammensetzung beträgt ungefähr 1,00 Gew.-% Kohlenstoff und 1,5 Gew.-% Chrom, wobei die jeweils geltende Werkstoffspezifikation den zulässigen Bereich und die Anforderungen an die Reinheit festlegt. Diese Zusammensetzung verleiht 52100 nach dem Härten eine hohe erreichbare Härte und einen hohen Verschleißwiderstand, macht jedoch auch Restaustenit, die Auflösung von Karbiden, Härtespannungen und Maßänderungen zu wichtigen Gesichtspunkten. Eine Studie zu AISI 52100 beschreibt das Bainitstufen als Abschrecken aus der Austenitisierungstemperatur in ein Medium, das auf etwa 200 bis 400 °C gehalten wird, mit anschließendem Halten, bis sich Bainit bildet. Dieser Bereich definiert die in der Untersuchung angewandte Bainitstufenbehandlung und stellt kein allgemeingültiges Temperaturfenster für jeden Wälzlagerquerschnitt oder jede gewünschte Bainitmorphologie dar. Im unteren Bereich ist die Umwandlung langsamer und das entstehende Gefüge kann feiner sein; bei höheren Temperaturen kann die Umwandlung schneller ablaufen, jedoch gröberen Bainit erzeugen. Die gewählte Temperatur muss außerdem das Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten des Stahls, die Korngröße des vorherigen Austenits, den Zustand der Karbide und die Querschnittsdicke berücksichtigen. Anwendungen in Wälzlagern stellen Anforderungen, die über die Nennhärte hinausgehen. Die Wälzkontaktermüdung wird durch nichtmetallische Einschlüsse, die Karbidverteilung, Restaustenit, Eigenspannungen, die Oberflächenbeschaffenheit und örtliche Unterschiede der Umwandlung beeinflusst. Eine Oberfläche, die das vorgesehene bainitische Gefüge erreicht, während der Kern Perlit enthält, stellt kein erfolgreich bainitisch umgewandeltes Wälzlagerbauteil dar. Ebenso kann ein martempertes 52100-Bauteil im Vergleich zu einem direkten Abschrecken in Öl eine geringere Verformung aufweisen; unmittelbar nach dem Abkühlen enthält es jedoch weiterhin unangelassenen Martensit und muss angelassen werden. Das Anlassen verringert außerdem die Sprödigkeit und stabilisiert die Maße, wobei die gewählte Temperatur die erforderliche Härte und Wälzkontaktermüdungsfestigkeit erhalten muss. Ein kleiner Ring aus 52100 kann sich in einem Salzbad rasch ausgleichen, sodass der gesamte Querschnitt in den Bainitbereich gelangt, bevor eine wesentliche Umwandlung einsetzt. Ein größerer Ring, eine größere Rolle oder ein größerer Wälzlagerring kann im Zentrum deutlich langsamer reagieren. Die Oberfläche kann bereits mit der Umwandlung beginnen, während der Kern noch durch einen anderen Temperaturbereich abkühlt. Die Haltezeit kann daher nicht allein anhand des Durchmessers festgelegt werden; sie muss mit dem langsamsten relevanten Bereich verknüpft und durch Härteprüfung, metallografische Untersuchung, Maßprüfung und, falls erforderlich, eine Analyse des Restaustenits überprüft werden. ### Aufgekohlte AISI 8620, 8822 und 4320 Aufgekohlte niedriglegierte Stähle stellen ein Problem mit zwei Zonen dar. Durch das Aufkohlen wird der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche erhöht, während der Kern einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt behält. Die Randschicht besitzt daher eine höhere Härtbarkeit und ein größeres Martensitpotenzial als der Kern; dennoch müssen beide Bereiche einem miteinander verträglichen Wärmebehandlungszyklus folgen. Kohlenstoffgradienten verändern außerdem die Martensitstarttemperatur: Die kohlenstoffreiche Randschicht beginnt die martensitische Umwandlung im Allgemeinen bei einer niedrigeren Temperatur als der kohlenstoffärmere Kern. Die Umwandlung erfolgt über den Querschnitt hinweg nicht gleichzeitig. Untersuchungen an aufgekohltem AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320 verwendeten Bainitstufentemperaturen von 260, 288 und 304 °C. Die aufgekohlten und bainitisch umgewandelten Proben zeigten in diesen Versuchen deutlich geringere Verformungen als die aufgekohlten, abgeschreckten und angelassenen Proben. Dieses Ergebnis stützt einen Wirkmechanismus und stellt keine pauschale Aussage dar. Beim Bainitstufen wird der starke, ungleichmäßige thermische und umwandlungsbedingte Stoß eines direkten Abschreckens durch eine kontrollierte isotherme Umwandlung ersetzt. Dadurch wird der Unterschied zwischen der Ausdehnung und der Schrumpfung von Randschicht und Kern verringert. Die Verformung wird dadurch nicht beseitigt, und das berichtete Ergebnis kann nicht automatisch auf eine andere Zahnradgeometrie, Einsatzhärtungstiefe, Aufkohlungsatmosphäre oder Stahlcharge übertragen werden. AISI 8620, bezeichnet als UNS G86200, enthält Nickel, Chrom und Molybdän in Mengen, die nach dem Aufkohlen eine ausreichende Kernhärtbarkeit unterstützen. AISI 8822, bezeichnet als UNS G88220, besitzt gegenüber 8620 einen stärker nickellegierten Aufbau und wird für ein anderes Verhältnis zwischen dem Verhalten von Randschicht und Kern ausgewählt. AISI 4320, bezeichnet als UNS G43200, ist ebenfalls ein aufkohlender Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl. Die genaue chemische Zusammensetzung muss der maßgeblichen Spezifikation entnommen werden, da bereits geringe Unterschiede bei Kohlenstoff, Mangan, Nickel, Chrom und Molybdän die Start- und Endzeiten der Umwandlung verschieben können. Das Verhältnis zwischen Randschicht und Kern ist entscheidend. Fehlt dem Kern eine ausreichende Härtbarkeit, kann er während des Überführens oder Haltens Perlit oder Ferrit bilden, selbst wenn die aufgekohlte Randschicht Bainit oder später Martensit entwickelt. Ist die Bainitstufenhaltezeit für den Kern ausreichend, für den gewählten Zustand der Randschicht jedoch zu lang, kann die Randschicht eine unerwünschte Morphologie oder zu viel Restaustenit entwickeln. Beim Martempern muss das Bad während des Temperaturausgleichs oberhalb des maßgeblichen Martensitstartbereichs bleiben; nach dem Abkühlen an der Luft wandeln sich Randschicht und Kern in unterschiedlichen Temperaturbereichen um und müssen beide angelassen werden. ### Dicke, Kohlenstoffgradienten und Legierungsverhalten Die Abkühlung folgt bei einem realen Bauteil nicht nur einer einzigen Kurve. Ein dünner Zahn, ein kleiner Bolzen oder ein schmaler Wälzlagerring kann sich der Badtemperatur rasch annähern, während das Zentrum eines dicken Zahnradrohlings oder einer Welle deutlich heißer bleibt. Auch Umwälzung, Anordnung der Charge, Badzirkulation, Oberflächenzustand und der Kontakt mit Vorrichtungen verändern die Wärmeübertragungsrate. Das ASM Handbook Volume 4A nennt Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Umwälzung und Abkühlgeschwindigkeit als steuernde Variablen beim Martempern. Diese Variablen sind für die Prozessführung maßgeblich und nicht lediglich für die Wiederholbarkeit im Labor. Härtbarkeit **Härtbarkeit** Die Fähigkeit eines Stahls, unter einer festgelegten Abkühlbedingung bis zu einer bestimmten Tiefe ein martensitisches Gefüge zu entwickeln und zu erhalten; sie ist nicht mit der Härte gleichzusetzen. Die Härtbarkeit bestimmt, ob der Kern während der Abkühlung die Bildung unerwünschter Umwandlungsprodukte vermeiden kann. Sie ist von der Härte zu unterscheiden. Die Härte beschreibt den an einer bestimmten Stelle gemessenen Widerstand; die Härtbarkeit beschreibt die Tiefe oder den Querschnittsbereich, über den ein Stahl unter einer bestimmten Abkühlbedingung ein martensitisches Gefüge entwickeln kann. Legierungselemente wie Mangan, Chrom, Nickel und Molybdän verzögern im Allgemeinen die Perlit- und Bainitreaktionen, sodass dem Zentrum mehr Zeit bleibt, den vorgesehenen Umwandlungsbereich zu erreichen. Sie gewährleisten jedoch keine gleichmäßigen Ergebnisse, da auch die Austenitkorngröße, die vorherige Verarbeitung und Kohlenstoffgradienten die Kinetik beeinflussen. Beim Bainitstufen muss der langsamste Bereich den Bainitbereich erreichen, ohne auf seiner Abkühlkurve zuvor die Perlitnase zu durchqueren. Das Bad muss anschließend ausreichend schnell Wärme abführen, um unerwünschte Umwandlungen zu unterdrücken, zugleich aber so kontrolliert bleiben, dass keine großen Temperaturunterschiede innerhalb des Bauteils entstehen. Beim Martempern muss sich der gesamte Querschnitt einer Temperatur knapp oberhalb der Martensitstarttemperatur annähern, bevor das Werkstück durch den martensitischen Bereich abgekühlt wird. Ein dicker Querschnitt, der sich noch nicht ausgeglichen hat, kann an seiner Oberfläche umwandeln, während der Kern sich thermisch noch zusammenzieht; dadurch nehmen innere Spannungen und Verformungen zu. Normen ersetzen diese Analyse nicht. SAE AMS-H-6875C, Heat Treatment of Steel Raw Materials, behandelt vier Stahlklassen und lässt Bainitstufen, Ausbay-Abschrecken und Martempern zu, sofern dies festgelegt ist. Die Spezifikation, die Zeichnung, die Stahlsorte, die Querschnittsgröße und das freigegebene Verfahren müssen daher gemeinsam betrachtet werden. Die Überprüfung sollte bei aufgekohlten Bauteilen eine Messung der Randschichttiefe, die Kern- und Oberflächenhärte, eine Gefügeuntersuchung an mehreren Stellen, eine Maßprüfung sowie Prüfungen auf Restaustenit oder Abschreckrisse umfassen, sofern die Anwendung dies erfordert. Ein Etikett am Bad kann nicht nachweisen, dass das Zentrum dem erforderlichen Umwandlungsverlauf gefolgt ist. ## Spezifikationsrahmen: AMS-H-6875C und Prozessdokumentation SAE AMS-H-6875C, *Wärmebehandlung von Stahlrohmaterialien*, legt Wärmebehandlungsanforderungen für vier Stahlklassen fest. Seine Bedeutung liegt im verfahrenstechnischen Rahmen: Das Dokument erlaubt Bainitisieren, Ausbay-Abschrecken und Martempern, wenn die jeweils geltende Werkstoff- oder Teilespezifikation eines dieser Verfahren vorschreibt. Diese Erlaubnis genehmigt jedoch nicht jede Salzbadtemperatur, jede Transferverzögerung, jede Haltezeit oder jede Abkühlpraxis. Der Käufer, die zuständige Konstruktionsstelle oder die maßgebliche Werkstoffspezifikation muss weiterhin den erforderlichen Zyklus und die Annahmekriterien festlegen. Diese Unterscheidung ist wichtig, weil diese Verfahren nicht dieselben Umwandlungsprodukte erzeugen. Beim Bainitisieren wird austenitisierter Stahl rasch auf einen Temperaturbereich abgekühlt, in dem sich Bainit bilden kann, und anschließend so lange gehalten, bis die erforderliche Umwandlung von Austenit in Bainit im Wesentlichen abgeschlossen ist. Eine Studie aus dem Jahr 2013 zu AISI 52100 beschrieb, dass das Bainitisiermedium bei ungefähr 200 bis 400 °C gehalten wurde, bis sich Bainit gebildet hatte. Der genaue Bereich hängt von der chemischen Zusammensetzung des Stahls, der Querschnittsgröße, der Härtbarkeit und der gewünschten Bainitmorphologie ab. Martempern verfolgt ein anderes Ziel. Das Werkstück wird in Öl oder geschmolzenes Salz abgeschreckt, das knapp oberhalb der Martensitstarttemperatur gehalten wird, üblicherweise als Ms bezeichnet, und verbleibt dort nur so lange, bis sich die Temperatur über den gesamten Querschnitt ausgeglichen hat. Anschließend wird es, häufig an Luft, durch den martensitischen Bereich abgekühlt. Martensit bildet sich während dieser anschließenden Abkühlung und nicht während der Ausgleichshaltezeit. Vor dem Einsatz ist ein Anlassen erforderlich, da abgeschreckter Martensit hohe Eigenspannungen aufweist und übermäßig spröde sein kann. Das *ASM Handbook Volume 4A* von ASM International aus dem Jahr 2013 nennt Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Umwälzung und Abkühlgeschwindigkeit als maßgebliche Variablen beim Martempern. Auch das Ausbay-Abschrecken ist ein spezifizierter Prozess des unterbrochenen Abschreckens; seine zulässige Anwendung darf jedoch nicht als Synonym für Bainitisieren verstanden werden. Die Bezeichnung beschreibt den Abschreckweg und die Anordnung des Bades; die entstehenden Phasen hängen von der Umwandlungskinetik des Stahls und vom tatsächlichen Zeit-Temperatur-Verlauf ab. Ein Prozessdokument muss daher angeben, ob das beabsichtigte Gefüge Bainit, Martensit nach dem Temperaturausgleich oder ein anderes Ergebnis ist, das von der maßgeblichen Spezifikation zugelassen wird. ### Anwendungsbereich von AMS-H-6875C AMS-H-6875C stellt einen allgemeinen Rahmen für die Wärmebehandlung von Stahlrohmaterialien bereit und ist kein universelles Rezept für jede Güte und jede Geometrie. Es behandelt Anforderungen im Zusammenhang mit Vorgängen wie Erwärmen, Austenitisieren, Abschrecken, Abkühlen, Anlassen und Prüfen. Das Dokument umfasst vier Stahlklassen und erlaubt drei alternative Abläufe – Bainitisieren, Ausbay-Abschrecken und Martempern –, wenn diese durch die maßgebliche technische oder werkstoffbezogene Anforderung spezifiziert sind. Diese Formulierung ist wichtig. Eine Norm kann ein Verfahren anerkennen, ohne es für ein bestimmtes Bauteil zulässig zu machen. Beispielsweise kann eine niedriglegierte Einsatzstahlsorte bei einer bestimmten Querschnittsdicke eine ausreichende Härtbarkeit für einen bainitischen Kern aufweisen, während ein größerer Querschnitt einer anderen Sorte während derselben Badhaltezeit möglicherweise nicht vollständig umwandelt. Aufgekohlte Proben aus AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320 zeigten in der Studie SAE 2013-01-0949 nach dem Bainitisieren eine deutlich geringere Verformung als nach dem herkömmlichen Aufkohlen, Abschrecken und Anlassen. In den Versuchen wurden Bainitisierungstemperaturen von 260, 288 und 304 °C verwendet. Diese Ergebnisse stützen eine Verfahrensauswahl für die geprüften Bedingungen; sie legen diese Temperaturen jedoch nicht für jedes Bauteil fest. Eine Spezifikation, die auf AMS-H-6875C verweist, sollte daher die Werkstoffbezeichnung und den Zustand, den zulässigen Wärmebehandlungsweg sowie alle zusätzlichen Anforderungen angeben. Die chemische Zusammensetzung der Güte bestimmt Beginn und Ende der Bainitumwandlung, die Ms-Temperatur, die Härtbarkeit, das Verhalten des Restaustenits und das Anlassverhalten. Querschnittsdicke und Form bestimmen den Temperaturgradienten sowie die Zeit, die der Kern benötigt, um der Oberfläche in das Bad zu folgen. ### Wann Bainitisieren, Ausbay-Abschrecken oder Martempern zulässig ist Bainitisieren ist nur zulässig, wenn die geltende Spezifikation dieses Verfahren ausdrücklich auswählt oder als alternativen Ablauf akzeptiert. Die Haltezeit muss lang genug für die erforderliche Bainitumwandlung sein, wie durch eine Qualifizierung oder ein validiertes Zeit-Temperatur-Verfahren festgelegt. Ein zu frühes Beenden kann dazu führen, dass Martensit und Restaustenit gemeinsam mit Bainit vorliegen. Eine Studie aus dem Jahr 2020 zum kurzzeitigen Bainitisieren bei niedriger Temperatur in einem mittelgekohlten niedriglegierten Stahl berichtete über ein gemeinsames Auftreten von Nanobainit, Martensit und Restaustenit; die Verschleißkoeffizienten lagen unter den Prüfbedingungen der Studie um bis zu 50 % niedriger als bei abgeschrecktem martensitischem Stahl. Das gemischte Gefüge zeigt, weshalb die alleinige Bezeichnung „bainitisiert“ keine ausreichende Annahmeangabe ist. Martempern ist zulässig, wenn die maßgebliche Anforderung ein unterbrochenes Abschrecken zur Verringerung thermischer und umwandlungsbedingter Spannungen vorschreibt. Das Bad muss während der Ausgleichsstufe oberhalb von Ms bleiben, und die Haltezeit darf sich nicht in einen unbeabsichtigten Bainitumwandlungsbereich erstrecken, sofern dieses Gefüge nicht zulässig ist. Die Arbeiten aus dem Jahr 1946 zum Temperaturbereich der Martensitbildung beschrieben den grundlegenden Zweck: Abkühlen bis knapp oberhalb des Martensitbildungsbereichs, Temperaturausgleich und anschließend langsameres Abkühlen durch diesen Bereich. Rissbildung und Verformung können verringert werden; die Härte hängt jedoch weiterhin von einer vollständigen martensitischen Umwandlung, der Härtbarkeit des Stahls und dem anschließenden Anlassen ab. Auch das Ausbay-Abschrecken muss an eine festgelegte Spezifikation und kontrollierte Badbedingungen gebunden sein. Der Verfahrensname allein definiert nicht die Phasenzusammensetzung. Ein Bad unterhalb von Ms kann beispielsweise bereits während des Eintauchens die Martensitbildung einleiten, während ein Bad oberhalb von Ms das mit dem herkömmlichen Martempern verbundene Ausgleichsprinzip unterstützt. Die Spezifikation muss diesen Unterschied eindeutig festlegen. ### Was eine Prozessspezifikation festlegen muss Eine anwendbare Prozessspezifikation beginnt mit der genauen Stahlgüte und Normbezeichnung einschließlich Produktform, Ausgangszustand sowie gegebenenfalls dem aufgekohlten oder entkohlten Zustand. Anschließend wird der ausgewählte Ablauf festgelegt: Bainitisieren, Ausbay-Abschrecken, Martempern oder herkömmliches Abschrecken und Anlassen. Die Austenitisierungsanweisung sollte, soweit geregelt, den Ofentyp oder die Ofenatmosphäre, die Zieltemperatur, den zulässigen Bereich, das Erwärmungsverfahren sowie die Halte- oder Ausgleichszeit angeben. „Auf Austenitisierungstemperatur erwärmen“ ist für die Produktionsüberwachung unzureichend. Das Dokument sollte festlegen, ob die Zeit nach der Wiedererwärmung des Ofens, nach dem Temperaturausgleich der Charge oder ab dem Einsetzen gemessen wird. Die Anforderungen an das Bad müssen ebenso präzise sein. Sie sollten das Medium – Öl, Nitrat-/Nitritsalz, wasserbasiertes Polymer oder ein anderes zugelassenes Medium – sowie die Betriebstemperatur, die zulässige Abweichung, gegebenenfalls das Badvolumen oder das Beladungsverhältnis, Richtung und Intensität der Umwälzung sowie die Überwachungshäufigkeit festlegen. Eine 2024 in ACS Omega veröffentlichte Studie mit Ca(NO₃)₂–KNO₃-Schmelzsalzmischungen betonte die unterschiedlichen Umwandlungswege, die durch eine Bainithaltezeit beziehungsweise eine kurze Haltezeit oberhalb von Ms erzeugt werden. Die Salzchemie ist daher eine Prozessvariable und nicht lediglich ein Detail des Behälters. Die Transferzeit vom Ofen zum Bad muss einen Höchstwert aufweisen, wobei die Messpunkte definiert sein müssen. Die Spezifikation sollte außerdem die Eintauchlage, die Umwälzung während des Eintauchens, die Badhaltezeit und das Kriterium für deren Beendigung angeben. Beim Bainitisieren kann dies eine qualifizierte Zeit sein, die ausreicht, um den erforderlichen Bainitanteil zu erreichen. Beim Martempern handelt es sich normalerweise um die für den Temperaturausgleich erforderliche Zeit, ohne eine unzulässige Bainitbildung zu ermöglichen. Die Abkühlung nach der Haltezeit muss festgelegt werden: Abkühlung an Luft, in ruhender Luft, mit Zwangsluft oder nach einem anderen zugelassenen Verfahren, einschließlich der Temperatur, bei der das Bauteil das Bad verlässt. Die Anforderungen an das Anlassen sollten die Mindestverzögerung nach dem Abschrecken, die Anlasstemperatur, die Haltezeit bei dieser Temperatur, die Anzahl der Zyklen, die Ofengleichmäßigkeit und das Abkühlverfahren angeben. Martemperter Stahl darf ohne das vorgeschriebene Anlassen nicht in den Einsatz gelangen. Schließlich müssen die Annahmekriterien messbar sein. Das Dokument sollte die Härtemessstellen und Grenzwerte, die zulässige Härteabweichung, das erforderliche Gefüge und unzulässige Bestandteile, gegebenenfalls Grenzwerte für Restaustenit, den Oberflächenzustand sowie die Maßannahme definieren. Messungen der Verformung benötigen Bezugsflächen, Messmittel, Stichprobenhäufigkeit und eine maximal zulässige Änderung. Qualifizierungsaufzeichnungen sollten Ofendiagramme, Badtemperaturaufzeichnungen, Protokolle der Transferzeiten, Härteergebnisse, metallografische Untersuchungen und Maßberichte mit der Charge und der genauen Stahlgüte verknüpfen. Ohne diese Aufzeichnungen bleibt ein nominell zulässiger Ablauf ein unkontrollierter Prozess und stellt keinen Konformitätsnachweis dar. ## Auslegung eines Zyklus: Von Umwandlungsdaten zu Betriebsparametern Ein zuverlässiger Zyklus beginnt mit dem Stahl und dem Bauteil, nicht mit einer vertrauten Badtemperatur. Erfassen Sie die Güte, die chemische Zusammensetzung, die vorausgegangene Wärmebehandlung, die Querschnittsdicke, die Form, den Oberflächenzustand und die erforderlichen Eigenschaften. Wälzlagerstahl AISI 52100, aufgekohlter AISI 8620 und ein niedriglegierter Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt weisen nicht dieselbe Umwandlungskinetik auf, selbst wenn ihre Bauteile in dasselbe Salzbad passen. Auch der Ausgangszustand ist wichtig: Grobe ehemalige Austenitkörner, ungelöste Karbide, die Aufkohlungstiefe und Seigerungen können die Härtbarkeit, die Umwandlungszeit und das Maßverhalten verändern. Das erforderliche Phasenprodukt gibt die Richtung vor. Beim Bainitstufen wird der Stahl in einen Temperaturbereich gebracht, in dem sich Bainit bildet, und anschließend gehalten, bis sich das ausgewählte Austenitvolumen umgewandelt hat. Beim Martempern wird die Abkühlung dagegen knapp oberhalb der Martensitstarttemperatur unterbrochen, die Temperatur über den Querschnitt ausgeglichen und anschließend die Bildung von Martensit während einer kontrollierten Abkühlung zugelassen. Bei Letzterem ist vor dem Einsatz ein Anlassen erforderlich. Die Bezeichnung des Bades allein kennzeichnet das Verfahren nicht. Umwandlungsdaten sollten die Martensitstarttemperatur, den Martensitfinishbereich, die Bainitstarttemperatur und die erforderliche Zeit zur Vermeidung von Perlit oder Ferrit bestimmen. Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme und kontinuierliche Abkühlungs-Umwandlungsdiagramme liefern eine erste Schätzung, ersetzen jedoch keine Versuche mit der tatsächlichen Güte und dem tatsächlichen Ausgangszustand. Der Kohlenstoffgehalt, die Legierungselemente, die Austenitkorngröße und die Chemie der aufgekohlten Randschicht verschieben die Kurven. Der Verfahrensentwickler stimmt anschließend das Umwandlungsfenster auf ein Bad, die Beladung, die Transferzeit und die Bauteilgeometrie ab. Das ASM Handbook Volume 4A (2013) nennt Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Bewegung und Abkühlgeschwindigkeit als bestimmende Variablen beim Martempern. Diese Variablen wirken zusammen. Eine Badtemperatur, die für eine kleine Probe funktioniert, kann versagen, wenn eine schwere Beladung eingebracht wird, weil die Beladung Wärme schneller entzieht, als die Badheizungen sie wieder zuführen können. Der Zeitplan besteht daher aus gemessenen Bauteiltemperaturen und Rückgewinnungsgrenzen, nicht allein aus Ofen- und Badsollwerten. ### Auswahl des Austenitisierungszustands Wählen Sie die Austenitisierungstemperatur anhand der Stahlspezifikation, von Informationen zum Phasengleichgewicht und des angestrebten Gefüges. Die Temperatur muss genügend Kohlenstoff und Legierungselemente lösen, um die erforderliche Härtbarkeit bereitzustellen. Eine überhöhte Temperatur oder zu lange Haltezeit kann jedoch die ehemaligen Austenitkörner vergröbern, den Restaustenitgehalt erhöhen, die Oxidation fördern und den Verzug verschlechtern. Bei aufgekohlten Bauteilen müssen Kern und Randschicht getrennt betrachtet werden. Die Randschicht kann deutlich mehr Kohlenstoff als der Kern enthalten, sodass sich ihre Martensitstarttemperatur und ihr Verhalten gegenüber Restaustenit erheblich unterscheiden können. Die Austenitisierungszeit sollte auf der Querschnittsgröße und dem Aufheizverhalten des Ofens beruhen; die Haltezeit beginnt, wenn der kälteste relevante Ort – nicht die Ofenanzeige – die vorgeschriebene Temperatur erreicht hat. Ein Ofensollwert ist die Luft- oder Regelfühlertemperatur an einem Ort. Die Stahltemperatur bleibt während der Beladung dahinter zurück und kann während der Rückgewinnung über oder unter ihr liegen. Wärmestrahlung, Kontakt mit Vorrichtungen, Bauteilabstände und die Ofenumwälzung erzeugen zusätzliche Unterschiede. Ein an einem repräsentativen Bauteil angebrachter Thermoelement zeigt nach dem Transfer üblicherweise einen verzögerten Temperaturanstieg, gefolgt von einem vorübergehenden Über- oder Unterschwingen. Der Ausgangszustand bestimmt, wie viel Zeit erforderlich ist. Kugelgesättigter AISI 52100, normalgeglühter niedriglegierter Stahl und aufgekohlter AISI 8620 können selbst bei derselben Nominaltemperatur unterschiedliche Lösungszeiten benötigen. Zu langes Halten kann Karbide lösen, die eigentlich erhalten bleiben sollten, während zu kurzes Halten eine chemische Inhomogenität über den Querschnitt hinterlässt. Die Metallografie von austenitisierten Proben kann die Karbidauflösung und die Korngröße bestätigen, bevor ein Produktionszyklus festgelegt wird. Beim Martempern muss der Austenitisierungszustand genügend Austenit erzeugen, damit nach der Umwandlung und dem Anlassen die vorgegebene Härte erreicht wird. Beim Bainitstufen muss er außerdem eine Austenitchemie und Korngröße vermeiden, die die Bainitstarttemperatur oder die Inkubationszeit außerhalb des Betriebsbereichs des Bades verschieben. Die Auswahl ist ein Kompromiss, sollte jedoch anhand von Umwandlungsdaten und nicht anhand eines allgemeinen Wertes wie „auf … °C erwärmen“ getroffen werden. ### Auswahl von Badtemperatur und Haltezeit Wählen Sie eine Bainitisierungstemperatur innerhalb des für den Stahl ermittelten bainitischen Umwandlungsbereichs. AISI 52100 wurde in Untersuchungen mit Medien bainitisiert, die ungefähr zwischen 200 und 400 °C gehalten wurden, wobei die Haltezeit bis zur Bildung von Bainit fortgesetzt wurde. Dieser Bereich ist ein grober Bezugswert und kein allgemein gültiges Produktionsfenster. Eine Studie in ACS Omega aus dem Jahr 2024 beschreibt Bainitstufen ebenfalls als Halten von austenitisiertem Stahl bei einer Temperatur der bainitischen Umwandlung, bis sich Austenit in Bainit umwandelt. Die erforderliche Haltezeit kann aus einem isothermen Umwandlungsdiagramm abgelesen und anschließend durch Härteprüfung und Metallografie überprüft werden, da sich Probengröße und Ausgangszustand des Diagramms vom Bauteil unterscheiden können. Die Bainitisierungstemperatur verändert das Verhältnis von Umwandlungsgeschwindigkeit, Bainitmorphologie, Härte und Restaustenit. Niedrigere Temperaturen verlängern im Allgemeinen die Inkubations- und Umwandlungszeiten und können feinere bainitische Gefüge erzeugen; höhere Temperaturen verkürzen den Zyklus, können jedoch gröberen Bainit und ein anderes Härteverhalten hervorbringen. Eine Studie aus dem Jahr 2020 über kurzzeitiges Bainitisieren bei niedriger Temperatur berichtete über Nanobainit, Martensit und Restaustenit sowie über Verschleißkoeffizienten, die bis zu 50 % niedriger waren als bei abgeschrecktem martensitischem Stahl. Dieses Ergebnis gilt für den untersuchten Stahl und Zyklus; es kann nicht auf jede Güte übertragen werden. Die Temperatur des Martemperierbades wird knapp oberhalb der Martensitstarttemperatur eingestellt, mit ausreichendem Abstand, um eine vorzeitige Martensitbildung während des Temperaturausgleichs zu verhindern. Das Werkstück verbleibt nur so lange im Bad, bis sich die Temperaturen über den Querschnitt einander angenähert haben. Anschließend wird es zur Abkühlung durch den martensitischen Bereich aus dem Bad genommen und danach angelassen. Zu langes Halten bei dieser Temperatur kann je nach Stahl Bainit oder andere Umwandlungen ermöglichen. Beim modifizierten Martempern wird das Bad absichtlich unterhalb der Martensitstarttemperatur angeordnet; dies ist ein anderer Zeitplan, weshalb die Unterscheidung in der schriftlichen Verfahrensspezifikation erscheinen muss. Die Badkapazität umfasst mehr als das Tankvolumen. Messen Sie die Temperaturgleichmäßigkeit, die Bewegung, die Umwälzung, die thermische Erholung und das zulässige Verhältnis von Beladungsmasse zu Badmasse. Ein Salzbad auf Basis von Ca(NO₃)₂–KNO₃, Öl oder einem anderen Medium überträgt Wärme abhängig von seiner Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Bewegung und Betriebstemperatur. Wenn eine große oder dicht gepackte Beladung eingebracht wird, kann die Badtemperatur abfallen und sich nur langsam erholen. Durchläuft der Stahl einen Bereich des Perlitstarts, bevor das Bad seine Temperatur wiederhergestellt hat, geht das angestrebte Phasengleichgewicht verloren. Erfassen Sie die niedrigste Badtemperatur nach der Beladung und die erforderliche Zeit für die Rückkehr in das Regelband. Die Haltezeit sollte beginnen, wenn das Bauteil die Zieltemperatur erreicht, nicht zwangsläufig, wenn das Gestell in das Bad eingeführt wird. Bei großen Querschnitten erfordert dies ein Thermoelement im Kern oder eine validierte Zeitbeziehung. Dünne Kanten können sich bereits umwandeln, während der Kern noch erwärmt wird; daher gehören Grenzen für die Querschnittsgröße und Transferzeiten in die Verfahrensanweisung. ### Einsatz von Thermoelementen, Proben und unterbrochenen Versuchen Bringen Sie Thermoelemente an den für die Umwandlung maßgeblichen Stellen an: in der Mitte des dicksten Querschnitts, an einer dünnen Kante, an einer dem Bad ausgesetzten Oberfläche und bei aufgekohlten Bauteilen nach Möglichkeit sowohl in der Randschicht als auch im Kern. Verwenden Sie Drähte und Befestigungsverfahren, die dem Ofen und dem Bad standhalten, und überprüfen Sie die Kalibrierung über den Betriebsbereich. Die aufgezeichnete Kurve sollte die Ofenerwärmung, die Austenitisierung, den Transfer, den Eintritt in das Bad, den Temperaturausgleich, die Entnahme, die Luftabkühlung und das Anlassen zeigen. Nicht der Ofensollwert, sondern die Temperaturkurve des Bauteils bestätigt den Zyklus. Proben sollten das Produktionsmaterial, den Ausgangszustand, die Querschnittsdicke und die Oberflächenchemie nachbilden. Eine einfache dünne Probe kann zu schnell reagieren und fälschlich eine ausreichende Badkapazität nahelegen. Eine Stufenprobe oder ein produktionsähnlicher Kontrollkörper kann die thermische Verzögerung zwischen Oberfläche und Kern sichtbar machen. Platzieren Sie Proben während der Qualifizierung an den kältesten, am dichtesten belegten und repräsentativsten Stellen der Beladung. Unterbrochene Versuche liefern Umwandlungsnachweise. Entnehmen Sie Proben nach mehreren Haltezeiten, schrecken oder kühlen Sie sie nach einem festgelegten Verfahren ab und untersuchen Sie polierte Schliffe auf Bainit, Martensit, Perlit, Karbide und Restaustenit. Messen Sie die Härte von der Oberfläche bis zur Mitte sowie in verschiedenen Orientierungen. Eine Härtekartierung kann einen weichen Kern, eine übermäßig umgewandelte Kante oder Änderungen der Randschichttiefe aufdecken, die eine einzelne Rockwell-Messung nicht erkennen lässt. Maßmessungen müssen diese Prüfungen begleiten, können sie jedoch nicht ersetzen. Erfassen Sie Durchmesser, Ebenheit, Rundlauf, Länge und Verzug vor und nach der Wärmebehandlung bei kontrollierten Temperaturen. Aufgekohlte Proben aus AISI 8620, 8822 und 4320 zeigten in einer SAE-Studie aus dem Jahr 2013 nach dem Bainitstufen deutlich weniger Verzug als nach dem Aufkohlen mit anschließendem konventionellem Abschrecken und Anlassen; dabei wurden Bainitisierungstemperaturen von 260, 288 und 304 °C verwendet. Das Ergebnis bestätigt die Verfahrenslogik, ist jedoch keine pauschale Garantie für jede Geometrie. Vergleichen Sie abschließend Metallografie, Härtekartierung, erforderlichenfalls Messungen des Restaustenits und Maßdaten mit der maßgeblichen Spezifikation. SAE AMS-H-6875C (2020) umfasst vier Stahlklassen und erlaubt Bainitstufen, Ausbay-Abschrecken und Martempern, sofern dies vorgeschrieben ist. Der freigegebene Zyklus sollte die Güte und den Zustand, den Austenitisierungsbereich, die Transfergrenze, die Badtemperatur und die Anforderung an die thermische Erholung, das Kriterium für Temperaturausgleich oder Umwandlung, das Kühlverfahren, die Anlassbehandlung und die Prüfbelege angeben. Ein solcher Detaillierungsgrad macht aus Umwandlungsdaten einen wiederholbaren Betriebsparameter. ## Fehlerbilder und diagnostische Metallografie Ein fehlerhaft wärmebehandeltes Bauteil sollte anhand seines Umwandlungsverlaufs und nicht allein anhand des Badnamens diagnostiziert werden. Beim Austempering soll austenitisierter Stahl bei einer Temperatur der bainitischen Umwandlung gehalten werden, bis sich Bainit bildet. Martempering unterscheidet sich davon: Das Werkstück wird auf eine Temperatur knapp oberhalb der Martensitstarttemperatur abgeschreckt und dort nur so lange gehalten, bis sich der Querschnitt einer gleichmäßigen Temperatur angenähert hat. Anschließend wird es abgekühlt, sodass sich vor dem Anlassen Martensit bildet. Eine Phase, die am falschen Ort oder in der falschen Menge vorliegt, weist gewöhnlich auf ein Problem mit dem Wärmebehandlungsplan, der Wärmeübertragung oder der Härtbarkeit hin. ### Perlit oder Bainit, die während eines unbeabsichtigten Prozessschritts entstanden sind Perlit in einem austemperierten Bauteil weist im Allgemeinen darauf hin, dass ein Teil des Austenits vor der vorgesehenen bainitischen Haltephase in den Perlit-Umwandlungsbereich gelangt ist. Die häufigste Ursache ist eine unzureichende Überführungsgeschwindigkeit vom Austenitisierungsofen in das Salz- oder Ölbad. Ein langer Transport durch die Luft, eine zu dicht angeordnete Beladung oder eine Verzögerung beim Absenken des Werkstücks in das Bad kann eine Umwandlung an der Oberfläche ermöglichen. Die Ofentemperatur kann korrekt sein, während das Bauteil dennoch versagt, weil die Oberfläche die Perlitstartkurve bereits überschritten hat. Eine unzureichende Badregelung führt zum gleichen Ergebnis. Ein Salzbad mit mangelhafter Umwälzung, übermäßiger Beladung oder einem falsch kalibrierten Thermoelement kann örtlich begrenzte Bereiche unterhalb der spezifizierten Temperatur enthalten. Die zuerst in eine kalte Zone eingebrachten Teile können Perlit bilden, bevor sie die vorgesehene Austempering-Temperatur erreichen. Die AISI-52100-Studie von 2013 beschreibt das Austempering zwischen etwa 200 und 400 °C, wobei das Werkstück gehalten wird, bis sich Bainit bildet. Dieser Bereich berechtigt jedoch nicht dazu, ohne Prüfung der Umwandlungskinetik des Stahls beliebige Temperaturen innerhalb dieses Bereichs auszuwählen. Kohlenstoffgehalt, Legierungszusätze, Austenitkorngröße und Querschnittsdicke verändern die verfügbare Zeit, bevor die Perlitbildung beginnt. In der metallografischen Untersuchung erscheint Perlit als Kolonien aus Ferrit und Zementit, bei geeigneter Vergrößerung häufig mit lamellenartigem Erscheinungsbild. Grober Perlit nahe der Oberfläche deutet auf einen langsamen Eintritt in das Bad oder eine Abkühlung der Oberfläche hin, während ein Band oder ein isolierter Bereich durch den Querschnitt auf eine uneinheitliche Badtemperatur oder einen Kontakt mit Vorrichtungen hindeutet. Eine Härteverteilung kann die Folge sichtbar machen: Perlitische Bereiche sind deutlich weicher als vollständig bainitische oder martensitische Bereiche. Untersuchen Sie einen Querschnitt von der Oberfläche bis zum Zentrum und vergleichen Sie mehrere Stellen rund um das Bauteil, anstatt sich auf ein einziges poliertes Gesichtsfeld zu verlassen. Bainit kann auch während eines Prozesses entstehen, der eigentlich Martensit erzeugen soll. Beim standardmäßigen Martempering dient die Haltezeit oberhalb der Martensitstarttemperatur, also Ms, dem Temperaturausgleich; sie ist keine Haltephase für eine bainitische Umwandlung. Eine übermäßig lange Haltezeit, eine Badtemperatur innerhalb des Bainitbereichs oder eine langsame Abkühlung durch diesen Bereich ermöglicht die Bildung von Bainit, bevor sich Martensit entwickelt. Das entstehende Gefüge kann in benachbarten Bereichen oberen Bainit, unteren Bainit und Martensit aufweisen. Eine Studie in ACS Omega aus dem Jahr 2024 macht den Prozessunterschied ausdrücklich deutlich: Beim Austempering wird Stahl bei einer Temperatur der bainitischen Umwandlung gehalten, bis sich Austenit umwandelt, während er beim Martempering kurz oberhalb von Ms gehalten und anschließend an der Luft abgekühlt wird. Vor einer Beanstandung der Stahlchemie sollten die Badaufzeichnungen geprüft werden. Das ASM Handbook, Band 4A, nennt Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Umwälzung und Abkühlgeschwindigkeit als maßgebliche Variablen für das Martempering. Dieselben Variablen beeinflussen, ob eine Austempering-Behandlung das vorgesehene Phasenfeld erreicht. Ein ausgefallenes Thermoelement, ein überlasteter Tank oder eine unzureichende Umwälzung kann das Gefüge unmittelbarer erklären als eine geringfügige Abweichung der chemischen Zusammensetzung. ### Unvollständige Umwandlung und Restaustenit Restaustenit entsteht, wenn Austenit seine vorgesehene Umwandlung während des Abkühlens oder Haltens nicht vollständig abschließt. In einem martemperten Bauteil sollte sich Austenit während der anschließenden kontrollierten Abkühlung größtenteils in Martensit umwandeln. Der umgewandelte Anteil hängt jedoch vom Kohlenstoffgehalt, von der Legierung, der Abkühlgeschwindigkeit und der Endtemperatur ab. Hochkohlenstoffhaltige Randzonen, insbesondere bei aufgekohlten Stählen, weisen üblicherweise niedrigere Ms- und Mf-Temperaturen auf als der kohlenstoffarme Kern. Daher können sie nach demselben Abkühlzyklus mehr Austenit zurückbehalten. Beim Austempering tritt ein anderes Fehlerbild auf. Wenn die Haltephase endet, bevor die bainitische Reaktion abgeschlossen ist, bleibt nicht umgewandelter Austenit zurück und kann sich während des Abkühlens, im Betrieb oder beim Schleifen später in Martensit umwandeln. Dadurch entsteht ein gemischtes Gefüge aus Bainit, Martensit und Restaustenit anstelle des vorgesehenen, überwiegend bainitischen Gefüges. Die Studie von 2020 über kurzzeitiges Niedertemperatur-Austempering von mittelgekohltem niedriglegiertem Stahl berichtete über das gemeinsame Auftreten von Nanobainit, Martensit und Restaustenit. Die dort berichtete Verringerung des Verschleißkoeffizienten um bis zu 50 % gegenüber abgeschrecktem martensitischem Stahl gilt für das untersuchte Material und den untersuchten Prozess, nicht für jedes teilweise umgewandelte Bauteil. Restaustenit lässt sich anhand der Härte allein nicht zuverlässig identifizieren. Er kann weich genug sein, um einen Messwert zu senken, während eine spannungsinduzierte Umwandlung während des Eindrückens den scheinbaren Wert erhöhen kann. Verwenden Sie nach dem Ätzen mit Nital zunächst die optische Metallografie als Vorprüfung und bestätigen Sie größere Mengen bei Bedarf mit Röntgenbeugung, magnetischen Verfahren oder quantitativer Bildanalyse. Achten Sie auf Maßänderungen, verzögertes Risswachstum oder eine Zunahme der Abmessungen während des Betriebs, da sich Restaustenit in frischen, unangelassenen Martensit umwandeln kann. Bei aufgekohlten Bauteilen sind Randzone und Kern getrennt zu untersuchen. Ein Härteverlauf von der Randzone zum Kern sollte im Verhältnis zu den beobachteten Phasen dargestellt werden. Eine harte Randzone mit Restaustenit und ein weicherer bainitischer oder perlitischer Kern weisen auf unterschiedliche örtliche Umwandlungsreaktionen hin, nicht notwendigerweise auf eine fehlerhafte Stahlschmelze. Umgekehrt deutet eine gleichmäßig niedrige Härte bei fehlendem Martensit in beiden Bereichen auf unzureichende Austenitisierung, eine übermäßig lange Überführungsverzögerung, eine unzureichende Abschreckintensität oder einen Fehler der Badtemperatur hin. ### Risse, Weichzonen, Verzug und gemischte Gefüge Risse entstehen gewöhnlich durch das Zusammenwirken von Umwandlungsspannung, Wärmespannung, scharfkantiger Geometrie, Eigenspannung und übermäßiger Härte. Martempering verringert den Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern, bevor sich Martensit bildet. Dadurch können Rissbildung und Verzug gegenüber dem direkten Abschrecken reduziert werden; die Notwendigkeit des Anlassens entfällt jedoch nicht. Der ASM-Leitfaden *Heat Treating Subject Guide* aus dem Jahr 2020 stellt fest, dass martemperter Stahl vor dem Einsatz angelassen werden muss. Unangelassener Martensit, insbesondere in einer aufgekohlten Randzone, bleibt unter der Einwirkung des Schleifens oder einer Betriebslast rissgefährdet. Untersuchen Sie Rissflächen und polierte Querschliffe getrennt voneinander. Abschreckrisse folgen häufig den früheren Austenitkorngrenzen oder erstrecken sich von Ecken, Keilnuten und abrupten Querschnittsänderungen nach innen. Schleifrisse sind gewöhnlich flach und in Schleifrichtung ausgerichtet. Eine Farbeindringprüfung kann oberflächenoffene Risse auffinden, während die Metallografie zeigt, ob ein Riss Oxid, Entkohlung oder frischen Martensit an seinen Rändern enthält. Weichzonen können durch unzureichende Umwälzung, eine Abschirmung durch Vorrichtungen, ungenügende Badzirkulation, Entkohlung oder eine für die Querschnittsgröße unzureichende Härtbarkeit entstehen. Verzug kann auf ungleichmäßige Erwärmung, asymmetrische Aufkohlung, uneinheitliche Abkühlung oder eine verzögerte Umwandlung zwischen dünnen und dicken Bereichen zurückzuführen sein. Die SAE-Studie von 2013 über aufgekohlte Stähle AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320 verwendete Austempering-Temperaturen von 260, 288 und 304 °C und stellte deutlich weniger Verzug fest als bei aufgekohlten, abgeschreckten und angelassenen Proben. Diese Ergebnisse schließen jedoch einen von der Geometrie oder der Belastung abhängigen Verzug nicht aus. Gemischte Gefüge erfordern eine räumliche Diagnose. Vergleichen Sie, soweit zutreffend, Rand, mittleren Radius, Zentrum, Zahnfuß und Zahnspitze. Setzen Sie jedes Mikrobild mit dem Härteprofil und dem Zeit-Temperatur-Verlauf in Beziehung. Erst nachdem Überführungszeit, Badtemperatur, Umwälzung, Beladung, Austenitisierung und Anlassen überprüft worden sind, sollten chemische Zusammensetzung, Härtbarkeit oder eine Materialverwechslung als primäre Erklärung in Betracht gezogen werden. ## Vergleich von Austempern, Martempern und konventionellem Abschrecken und Anlassen Die drei Verfahren können selbst dann deutlich unterschiedliche Eigenschaften hervorbringen, wenn sie vom gleichen austenitisierten Stahl ausgehen. Ihre Bezeichnungen beschreiben die Umwandlungsabläufe und nicht lediglich das zum Abschrecken verwendete Flüssigmedium. Öl, Nitrat-Nitrit-Salz und andere Medien können bei mehr als einem Ablauf eingesetzt werden; entscheidend sind der Temperaturverlauf, die Verweilzeit bei jeder Temperatur und die zugelassene Umwandlung. ### Umwandlungsweg und endgültiges Gefüge Beim konventionellen Abschrecken und Anlassen wird austenitisierter Stahl so schnell abgekühlt, dass die Bildung von Perlit und Bainit weitgehend vermieden wird. Der Austenit durchläuft die Martensit-Starttemperatur Ms und wandelt sich während der weiteren Abkühlung zunehmend in Martensit um. Der entstehende Martensit ist hart, steht jedoch unter hohen Spannungen, weshalb vor dem Einsatz ein Anlassen erfolgt. Beim Anlassen scheiden sich kohlenstoffhaltige Verbindungen aus, innere Spannungen werden abgebaut und das Verhältnis zwischen Härte, Festigkeit, Zähigkeit und Maßbeständigkeit verändert sich. Beim Martempern wird der Zeitpunkt dieser Abfolge verändert, nicht jedoch ihr Hauptprodukt. Das Werkstück wird aus der Austenitisierungstemperatur in ein Ölbad oder ein Schmelzsalzbad abgeschreckt, das knapp oberhalb von Ms gehalten wird. Es verbleibt dort nur so lange, bis sich Oberfläche und Kern einer ähnlichen Temperatur angenähert haben. Anschließend wird das Werkstück, üblicherweise an der Luft, durch den Martensitbildungsbereich abgekühlt. Der Martensit bildet sich somit, nachdem sich ein großer Teil des Querschnitts thermisch ausgeglichen hat, und nicht während noch ein steiles Temperaturgefälle zwischen Oberfläche und Kern besteht. Martempern macht ein anschließendes Anlassen nicht überflüssig. Der *Heat Treating Subject Guide* von ASM International (2020) stellt fest, dass martemperter Stahl vor dem Einsatz anschließend angelassen werden muss. Das Austempern folgt einem anderen Umwandlungsweg. Austenitisierter Stahl wird in ein Bad abgeschreckt, das innerhalb des Bainitumwandlungsbereichs gehalten wird, und dort so lange gehalten, bis der erforderliche Anteil des Austenits in Bainit umgewandelt ist. Eine Studie aus dem Jahr 2013 zu AISI 52100 beschreibt einen Austemperbereich von ungefähr 200 bis 400 °C, wobei die Haltezeit fortgesetzt wird, bis sich Bainit bildet. Abhängig von Kohlenstoffgehalt, Legierungselementen, Temperatur und Haltezeit kann das Produkt aus Oberbainit, Unterbainit oder einem Gefügegemisch aus Martensit und Restaustenit bestehen. Das Verfahren ist nicht einfach „Martempern mit längerer Haltezeit“. Eine Studie aus dem Jahr 2024 in *ACS Omega* unterscheidet ausdrücklich zwischen dem Austempern, bei dem bis zur Bainitumwandlung gehalten wird, und dem Martempern, bei dem die Temperatur oberhalb von Ms kurz ausgeglichen wird, bevor an der Luft abgekühlt wird. Austemperter Stahl kann weiterhin eine nachfolgende Behandlung oder einen Stabilisierungsschritt erfordern, wird jedoch nicht automatisch demselben Anlassvorgang unterzogen, der bei vollständig martensitischem, abgeschrecktem Stahl eingesetzt wird. Der erforderliche Ablauf hängt vom vorgegebenen Gefüge und den Einsatzbedingungen ab. Ein kurzzeitiges Austempern bei niedriger Temperatur kann neben Martensit und Restaustenit auch Nanobainit erzeugen. In einer Studie aus dem Jahr 2020 zu einem niedriglegierten Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt führte dieses Gefüge zu Verschleißkoeffizienten, die bis zu 50 % niedriger waren als bei abgeschrecktem martensitischem Stahl. Dieses Ergebnis belegt einen verfahrensspezifischen Vorteil in jenem Versuch; es begründet keine allgemeingültige Rangfolge der Verschleißbeständigkeit. ### Ziele hinsichtlich Verzug und Rissbildung Beim konventionellen Abschrecken ist das Werkstück zwei wesentlichen Ursachen für Maßänderungen ausgesetzt: Wärmekontraktion und Umwandlungsdehnung. Die Oberfläche kühlt ab und wandelt sich um, bevor dies im Kern geschieht. Dadurch treten im Querschnitt veränderliche Spannungen auf, während sich Temperatur und Phasenanteil über die Wanddicke hinweg ändern. Komplexe Formen, scharfe Ecken, Bohrungen, Übergänge von dünnen zu dicken Querschnitten und aufgekohlte Randschichten sind besonders empfindlich. Übersteigen die Spannungen die örtliche Festigkeit des heißen oder sich umwandelnden Werkstoffs, kann es zur Rissbildung kommen. Das Martempern wirkt dem Anteil entgegen, der aus dem Temperaturgefälle entsteht, indem der Stahl nahe bei, jedoch oberhalb von Ms gehalten wird, bevor die Martensitbildung einsetzt. Oberfläche und Kern wandeln sich anschließend innerhalb eines ähnlicheren Temperaturintervalls um. Eine Arbeit aus dem Jahr 1946 über den Temperaturbereich der Martensitbildung beschrieb dieses Prinzip als Abschrecken bis knapp oberhalb des martensitischen Bereichs mit anschließender langsamer Abkühlung. Dadurch wird die Rissbildung verringert, während nur wenig Härte eingebüßt wird. Das Verfahren reduziert den Verzug, gewährleistet jedoch keine vollständige Maßkontrolle, da die martensitische Umwandlung weiterhin eine Volumenänderung und Eigenspannungen verursacht. Austempern kann den Verzug aus einem anderen Grund verringern. Ein großer Teil der Umwandlung erfolgt isotherm als Bainit und nicht über eine sich bei kontinuierlich fallender Temperatur bewegende Martensitfront. Auch Bainit weist eine eigene Umwandlungsdehnung auf, und Restaustenit kann sich später während der Bearbeitung oder im Einsatz umwandeln. Folglich kann Austempern eine Verzugsklasse vermindern, zugleich aber andere Probleme der Maßbeständigkeit verursachen, wenn die Umwandlung unvollständig oder unzureichend kontrolliert ist. \[5\] \[5\] [**Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels**](https://saemobilus.sae.org/papers/austempering-process-carburized-low-alloy-steels-2013-01-0949). SAE International. SAE Technical Paper 2013-01-0949, 2013. Untersuchungen an aufgekohlten niedriglegierten Stählen verdeutlichen die Abhängigkeit von Geometrie und Werkstoff. Der SAE-Beitrag 2013-01-0949 untersuchte aufgekohltes AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320 bei Austempertemperaturen von 260, 288 und 304 °C. Die aufgekohlten und austemperten Proben zeigten in diesen Versuchen deutlich weniger Verzug als die aufgekohlten, abgeschreckten und angelassenen Proben. Dieses Ergebnis lässt sich nicht automatisch auf jede Einsatzhärtungstiefe, jede Querschnittsgröße oder jede Kombination aus Ofen- und Badanordnung übertragen. Die Härtbarkeit bestimmt, ob der Kern den vorgesehenen Umwandlungsbereich erreicht, bevor sich Perlit bildet, während Umwälzung, Badtemperatur, Beladung und Transferzeit den tatsächlichen Temperaturzyklus beeinflussen. ### Wann der Vergleich technisch nicht gerecht ist Die Behauptung, Austempern erzeuge eine höhere Härte, Zähigkeit, Verschleißbeständigkeit oder Maßbeständigkeit als Martempern oder konventionelles Abschrecken und Anlassen, ist unvollständig, sofern beim Vergleich nicht die für die Umwandlung maßgeblichen Variablen kontrolliert werden. Die Proben müssen dieselbe Stahlsorte einschließlich derselben Schmelze und desselben chemischen Zustands, dieselbe Geometrie und Querschnittsdicke, dieselbe Austenitisierungstemperatur, Haltezeit, Atmosphäre und dasselbe Ausgangsgefüge sowie einen vergleichbaren Oberflächenzustand, eine vergleichbare Rauheit, Entkohlung und aufgekohlte Randschicht aufweisen. Auch die Annahmekriterien müssen der vorgesehenen Funktion entsprechen. Ein alleiniger Vergleich der Rockwell-Härte kann ein martensitisches Gefüge begünstigen und dabei Rissempfindlichkeit, Instabilität des Restaustenits, Kerbschlagzähigkeit oder Verzug außer Acht lassen. Ein Verschleißversuch mit nur einer Last, einem Gegenkörper und einer Schmierbedingung kann Gefüge nicht für jede Kontaktanwendung einordnen. Bei Maßmessungen muss angegeben werden, wann sie durchgeführt wurden, da sich Restaustenit nach dem Abschrecken, Austempern, Bearbeiten oder im Einsatz umwandeln kann. Auch die Spezifikation ist von Bedeutung. SAE AMS-H-6875C (2020) behandelt die Wärmebehandlungsanforderungen für vier Stahlklassen und erlaubt Austempern, Ausbay-Abschrecken und Martempern, wenn das Verfahren spezifiziert ist. Die Überprüfung sollte daher das vorgeschriebene Härteprofil, das Gefüge, gegebenenfalls die Einsatzhärtungstiefe, die Verzuggrenzen sowie den Nachweis umfassen, dass keine Risse und keine unzulässige Entkohlung vorliegen. Das ASM Handbook, Band 4A (2013), nennt Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Umwälzung und Abkühlgeschwindigkeit als maßgebliche Variablen beim Martempern. Eine Änderung dieser Variablen kann einen direkten Verfahrensvergleich ungültig machen. | Konventionelles Abschrecken und Anlassen | Martempern | Austempern | |---|---|---| | Kühlt ohne Ausgleichshaltezeit durch Ms, bildet direkt Martensit und lässt ihn anschließend an. | Unterbricht die Abkühlung knapp oberhalb von Ms, sodass sich der Querschnitt vor der kontrollierten martensitischen Umwandlung ausgleichen kann; anschließend ist ein Anlassen erforderlich. | Schreckt in den Bainitbereich ab und hält dort, bis sich Austenit in Bainit umwandelt; der endgültige Ablauf wird durch das angestrebte bainitische Gefüge festgelegt. | ## Praktische Referenz-Checkliste und Terminologie-Glossar ### Vor der Festlegung eines Zyklus zu beantwortende Fragen Beginnen Sie mit dem erforderlichen Mikrogefüge und nicht mit der Bezeichnung des Bades. Sowohl beim Austempern als auch beim Martempern können Salzschmelze oder Öl verwendet werden; die Umwandlungswege und die entstehenden Gefüge unterscheiden sich jedoch. Austempern wird festgelegt, wenn Bainit das gewünschte Gefüge ist. Martempern wird festgelegt, wenn das Bauteil nach einer Unterbrechung zum Temperaturausgleich Martensit bilden und anschließend angelassen werden soll. Erfassen Sie die Werkstoffbezeichnung exakt in der gelieferten Form, beispielsweise AISI 52100, AISI 8620, AISI 8822, AISI 4320 oder die jeweils zutreffende SAE-, ASTM-, EN- oder AMS-Bezeichnung. Die Chemische Zusammensetzung bestimmt die Härtbarkeit, die Auflösung von Karbiden, die Bainitkinetik, die Martensit-Starttemperatur und den Restaustenit. Ein an AISI 52100 nachgewiesener Zyklus kann nicht automatisch auf aufgekohlten AISI 8620 übertragen werden. Dokumentieren Sie Querschnittsgröße und -form einschließlich Dickenänderungen, Bohrungen, Keilnuten, scharfer Ecken und der Masse der Charge. Ein dünner Ring und ein dicker Zahn eines Zahnrads kühlen nicht mit derselben Geschwindigkeit ab, selbst wenn sie sich im selben Bad befinden. Klären Sie, ob der Werkstoff aufgekohlt oder nicht aufgekohlt ist. Bei aufgekohlten Bauteilen sind Einsatzhärtungstiefe, Zielwert des Oberflächenkohlenstoffs, Kernzusammensetzung und die Frage anzugeben, ob das gewünschte Bainit- oder Martensitgefüge für die Randschicht, den Kern oder beide Bereiche gilt. Die Austenitisierungstemperatur muss auf den Werkstoff und dessen Zustand abgestimmt werden. Sie muss die erforderliche Austenitbildung ermöglichen, ohne übermäßiges Kornwachstum, unerwünschte Karbidauflösung oder ungewöhnlich hohe Restaustenitanteile zu verursachen. In der Spezifikation sollten außerdem Ofenatmosphäre, Aufheizgeschwindigkeit, soweit die Verformung von Bedeutung ist, Haltezeit, Anordnung der Charge sowie die Definition der Temperatur angegeben werden: Ofen-Sollwert, Bauteiltemperatur oder gemessene effektive Temperatur. Legen Sie die Transferzeit vom Ofen zum Abschreckbad fest. Ein langer oder variabler Transfer kann eine Abkühlung der Oberfläche, die Bildung von Ferrit oder Perlit in einem schlecht härtbaren Stahl oder ungleiche thermische Bedingungen innerhalb einer Charge verursachen. Geben Sie die Badzusammensetzung und die Betriebstemperatur an, statt lediglich „Salzabschreckung“ zu schreiben. Ein Nitrat-Nitrit-Salz, Öl oder ein anderes Medium weist ein jeweils unterschiedliches Wärmeübertragungsverhalten und unterschiedliche sichere Betriebsgrenzen auf. Umwälzung, Zirkulation, Badbeladung und Wiedererreichen der Badtemperatur gehören ebenfalls zum Zyklus. Beim Austempern sind der Bainit-Umwandlungsbereich und die erforderliche Zeit zu bestimmen, damit der ausgewählte Querschnitt eine annähernd gleichmäßige Temperatur erreicht und die beabsichtigte Umwandlung vollständig abläuft. Beim Martempern ist die Martensit-Starttemperatur bzw. **Ms** zu bestimmen und die Unterbrechung oberhalb dieser Temperatur festzulegen. Die Haltezeit dient dem Temperaturausgleich; sie soll nicht zur Bainitbildung führen. Die anschließende Abkühlgeschwindigkeit muss die Martensitbildung ermöglichen, ohne übermäßige Temperaturgradienten zu erzeugen. Klären Sie, ob ein separates Anlassen zwingend erforderlich ist, und legen Sie dessen Temperatur, Zeit, Atmosphäre und Anzahl der Zyklen fest. Legen Sie schließlich vor Beginn der Behandlung die Nachweise für die Abnahme fest. Die Härte allein kann weder beweisen, dass beim Austempern Bainit entstanden ist, noch dass beim Martempern das gewünschte Martensitgefüge gebildet wurde. Fordern Sie metallografische Untersuchungen, eine Maßprüfung und gegebenenfalls eine Restaustenitmessung, wenn Werkstoffgüte, Kohlenstoffgehalt, aufgekohlte Randschicht oder Einsatzanforderung den Restaustenitanteil relevant machen. ### Wesentliche Begriffe: Ms, Bainit, Martensit, Austempern, Martempern **Ms** beziehungsweise Martensit-Starttemperatur ist die Temperatur, bei der unter den maßgeblichen Bedingungen während der Abkühlung die Martensitbildung beginnt. Sie ist keine für „Stahl“ allgemein gültige Konstante. Legierungsgehalt, Kohlenstoffgehalt im Austenit, vorherige Wärmebehandlung und Spannungszustand beeinflussen sie. Beim Martempern wird die Abkühlung knapp oberhalb von Ms unterbrochen, damit sich Temperaturunterschiede innerhalb des Bauteils verringern können, bevor die martensitische Umwandlung beginnt. **Martensit** ist ein diffusionslos gebildetes Umwandlungsprodukt, das entsteht, wenn Austenit so schnell abgekühlt wird, dass Diffusionsprodukte unterdrückt werden. Seine Latten- oder Plattenmorphologie und seine hohe Härte entstehen durch eine displazive Umwandlung und eine Kohlenstoffübersättigung. Martensit wird üblicherweise angelassen, da die Spannungen und Sprödigkeit im abgeschreckten Zustand sowie die Maßinstabilität im Einsatz unzulässig sein können. **Bainit** bildet sich aus Austenit in einem Temperaturbereich unterhalb des Perlitbereichs und oberhalb des unteren martensitischen Bereichs, wobei der genaue Umwandlungsbereich von der Zusammensetzung und vom Zustand des vorherigen Austenits abhängt. Bainit enthält ferritische Bereiche mit Karbidausscheidungen oder Kohlenstoffanreicherung; seine Morphologie verändert sich mit der Umwandlungstemperatur. Ein ausisothermisch gehärtetes Bauteil kann ebenfalls Martensit oder Restaustenit enthalten, wenn die Haltezeit zu kurz, die Badtemperatur ungeeignet oder die Umwandlungskinetik nicht vollständig bekannt ist. **Austempern** bezeichnet das Abschrecken von austenitisiertem Stahl auf eine Temperatur, bei der sich Bainit bildet, das Halten bis zum Erreichen der spezifizierten Austenit-zu-Bainit-Umwandlung und anschließend das Abkühlen auf Umgebungstemperatur. Eine Studie aus dem Jahr 2013 zu AISI 52100 beschrieb ein Austempermedium, das bei etwa 200 bis 400 °C gehalten wurde, wobei bis zur Bainitbildung gehalten wurde. Bei aufgekohltem AISI 8620, AISI 8822 und AISI 4320 wurden Austempertemperaturen von 260, 288 und 304 °C eingesetzt; unter den untersuchten Bedingungen wurde eine geringere Verformung als beim konventionellen Aufkohlen, Abschrecken und Anlassen berichtet. Diese Werte sind Prozessdaten und keine allgemein gültigen Einstellungen. **Martempern** ist ein unterbrochenes Abschrecken. Das ASM Handbook Volume 4A (2013) nennt Austenitisierungstemperatur, Badtemperatur, Haltezeit, Umwälzung und Abkühlgeschwindigkeit als bestimmende Einflussgrößen. Das Werkstück wird kurzzeitig in Öl oder Salz knapp oberhalb von Ms gehalten, bis sich seine Temperatur ausgeglichen hat, und anschließend durch den martensitischen Bereich abgekühlt. Das Ergebnis soll Martensit und nicht Bainit sein; vor dem Einsatz muss das Bauteil anschließend angelassen werden. Eine Untersuchung der Martensitbildung aus dem Jahr 1946 begründete die Strategie zur Rissreduzierung: Temperaturgradienten vor der Umwandlung verringern, ohne dabei auf einen wesentlichen Teil der erreichbaren Härte zu verzichten. Die Bezeichnungen beschreiben daher die Umwandlungsabsicht. Ein Salzbad macht einen Zyklus nicht zum Austempern, und eine kurze Haltezeit macht ihn nicht zum Martempern. Das beobachtete Mikrogefüge entscheidet, ob der beabsichtigte Prozess stattgefunden hat. SAE AMS-H-6875C (2020) erfasst vier Stahlklassen und erlaubt Austempern, Ausbay-Abschrecken und Martempern, sofern dies spezifiziert ist; die jeweils geltenden Werkstoff- und Produktanforderungen bleiben maßgebend. ### Mindestaufzeichnungen für eine reproduzierbare Wärmebehandlung #### Mindestangaben zur Prozessdokumentation - **Werkstoff** Stahlbezeichnung, Schmelz- oder Losnummer, Querschnittsgröße und Zustand nach dem Aufkohlen. - **Erwärmung** Austenitisierungstemperatur, Atmosphäre, Erwärmungszeit und Haltezeit. - **Überführung und Bad** Überführungszeit, Badzusammensetzung, Temperatur, Bewegung, Beladung und Wiederherstellung der Badbedingungen. - **Umwandlung** Kriterium und Dauer des Temperaturausgleichs oder der bainitischen Haltezeit. - **Abkühlung und Anlassen** Endabkühlverfahren, Anlasstemperatur, -dauer und -atmosphäre sowie Zyklen. - **Überprüfung** Härte, Metallografie, Bestimmung des Restaustenits und Maßprüfung. Eine reproduzierbare Aufzeichnung verknüpft den Werkstoff, den thermischen Verlauf, den Zustand des Bades und die Prüfergebnisse. Mindestens sind folgende Angaben zu dokumentieren: - Stahlbezeichnung, Schmelzen- oder Chargennummer, Querschnittsgröße, Bauteilgeometrie, Chargenmasse sowie aufgekohlter oder nicht aufgekohlter Zustand; - Einsatzhärtungstiefe sowie Angaben zum Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche oder im Kern, sofern Aufkohlen beteiligt ist; - Austenitisierungstemperatur, Ofenatmosphäre, Aufheiz- und Haltezeiten sowie gemessene Chargentemperatur; - Transferzeit vom Ofen zum Bad, Badzusammensetzung, Badtemperatur, Umwälzung oder Zirkulation, Abstand der Bauteile und Wiedererreichen der Badtemperatur; - beim Austempern die Ausgleichszeit, Temperatur und Dauer der Umwandlungshaltezeit sowie der Nachweis, dass die bainitische Reaktion den spezifizierten Zustand erreicht hat; - beim Martempern Ms, sofern bestimmt, Badtemperatur oberhalb von Ms, Ausgleichshaltezeit, abschließendes Abkühlverfahren und Abkühlgeschwindigkeit sowie der Zeitpunkt, ab dem die martensitische Umwandlung ablaufen durfte; - Anlasstemperatur, Anlasszeit, Atmosphäre, Abkühlverfahren und Anzahl der Anlasszyklen; - Messstelle der Härte, Prüfverfahren, Härteskala und Ergebnisse; Präparation für die metallografische Untersuchung und repräsentative Aufnahmen; Verfahren und Anteil der Restaustenitbestimmung, soweit relevant; sowie Maßprüfungen vor und nach der Behandlung. Eine Zyklusaufzeichnung sollte die Kalibrierung der Messgeräte und die tatsächlichen Temperaturverläufe ausweisen, nicht nur die nominalen Sollwerte. Bei vorhandener Randschicht ist das Mikrogefüge an der Oberfläche, im Kern und im Übergangsbereich zu prüfen. Die Maßprüfung sollte die am stärksten verformungsgefährdeten Merkmale umfassen: Außendurchmesser, Bohrung, Zahnform, Ebenheit, Rundlauf und Verformung über Querschnittsänderungen hinweg. **Kurzübersicht:** Stahlbezeichnung, Querschnittsgröße, aufgekohlter oder nicht aufgekohlter Zustand, Austenitisierungstemperatur, Transferzeit, Badzusammensetzung und Badtemperatur, Umwälzung, Ausgleichs- oder Umwandlungshaltezeit, abschließende Abkühlung, Anlassen, Härte, Metallografie, gegebenenfalls Restaustenitbewertung und Maßprüfung festlegen. Anschließend das Gefüge überprüfen. Bainit bestätigt die Austemperabsicht; Martensit, der nach dem Temperaturausgleich gebildet und anschließend angelassen wurde, bestätigt die Martemperabsicht. ## Quellen 1. \[1\] ASM International. [ASM Handbook Volume 4A: Martempering of Steels](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278992/Martempering-of-Steels-1). ASM Handbook, 2013. [](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#wiki-cite-ref-1) https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278992/Martempering-of-Steels-1 2. \[2\] The Temperature Range of Martensite Formation. Study on martensite formation, 1946. [](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#wiki-cite-ref-2) Source details supplied in the article; no URL provided 3. \[3\] [Short-term low-temperature austempering in medium-carbon low-alloy steel](https://doi.org/10.1007/s12540-020-00957-6). Metal and Materials International, 2020. [](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#wiki-cite-ref-3) https://doi.org/10.1007/s12540-020-00957-6 4. \[4\] SAE International. [Heat Treatment of Steel Raw Materials](https://www.normsplash.com/Samples/SAE/165267379/SAE-AMSH-6875C-2020-en.pdf). SAE AMS-H-6875C, 2020. [](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#wiki-cite-ref-4) https://www.normsplash.com/Samples/SAE/165267379/SAE-AMSH-6875C-2020-en.pdf 5. \[5\] SAE International. [Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels](https://saemobilus.sae.org/papers/austempering-process-carburized-low-alloy-steels-2013-01-0949). SAE Technical Paper 2013-01-0949, 2013. [](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/austempern-und-martempern-von-stahl#wiki-cite-ref-5) https://saemobilus.sae.org/papers/austempering-process-carburized-low-alloy-steels-2013-01-0949 **Auf einen Blick** Produkt des Bainitisierens Bainit Produkt des Martemperns Martensit nach kontrollierter Abkühlung Haltezeit beim Bainitisieren Temperatur der bainitischen Umwandlung Haltezeit beim Martempern Knapp oberhalb von Ms Anlassen nach der Behandlung Beim Martempern von Stahl erforderlich [Zurück zu Wärmebehandlung](/de/wiki/wärmebehandlung "Wärmebehandlung — Steel Wiki")