--- title: "Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl" description: "Erfahren Sie, wie Zusammensetzung, Temperatur, Zeit und Abkühlung die Ergebnisse der Wärmebehandlung von Stahl beeinflussen." canonical: https://steelequivalents.com/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl language: de robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/heat-treatment/heat-treatment-fundamentals.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepelné-zpracování/základy-tepelného-zpracování-oceli.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/tratamiento-térmico/fundamentos-del-tratamiento-térmico-del-acero.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/traitement-thermique/principes-fondamentaux-du-traitement-thermique-de-l-acier.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/hőkezelés/az-acél-hőkezelésének-alapjai.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/fondamenti-del-trattamento-termico-dell-acciaio.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/warmtebehandeling/basisprincipes-van-warmtebehandeling-voor-staal.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obróbka-cieplna/podstawy-obróbki-cieplnej-stali.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-térmico/fundamentos-do-tratamento-térmico-do-aço.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/термическая-обработка/основы-термической-обработки-стали.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/ısıl-işlem/çelik-için-isıl-işlemin-temelleri.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/热处理/钢的热处理基础.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/熱処理/鋼の熱処理の基礎.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/المعالجة-الحرارية/أساسيات-المعالجة-الحرارية-للفولاذ.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/열처리/강철-열처리-기초.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/tratamento-térmico/fundamentos-do-tratamento-térmico-de-aço.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/ऊष्मा-उपचार/इस्पात-के-ऊष्मा-उपचार-की-मूलभूत-बातें.md content_hash: sha256:70515ce896c26d4add7f6fe083596c3334dfe871395a183a5c0d1cf2a20be277 generated: 2026-09-26 --- > **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/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl > Canonical URL: https://steelequivalents.com/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-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 - [Was Wärmebehandlung bei Stahl bedeutet](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#was-wärmebehandlung-bei-stahl-bedeutet "Was Wärmebehandlung bei Stahl bedeutet") - [Stahlzusammensetzung und das Eisen-Kohlenstoff-System](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#stahlzusammensetzung-und-das-eisen-kohlenstoff-system "Stahlzusammensetzung und das Eisen-Kohlenstoff-System") - [Die wichtigsten Phasen und Gefügebestandteile](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#die-wichtigsten-phasen-und-gefügebestandteile "Die wichtigsten Phasen und Gefügebestandteile") - [Austenitisieren: Der Ausgangspunkt für viele Wärmebehandlungen](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#austenitisieren-der-ausgangspunkt-für-viele-wärmebehandlungen "Austenitisieren: Der Ausgangspunkt für viele Wärmebehandlungen") - [Umwandlungsdiagramme und Kinetik der Wärmebehandlung](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#umwandlungsdiagramme-und-kinetik-der-wärmebehandlung "Umwandlungsdiagramme und Kinetik der Wärmebehandlung") - [Wärmebehandlungsverfahren zum Weichglühen und Normalglühen](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#wärmebehandlungsverfahren-zum-weichglühen-und-normalglühen "Wärmebehandlungsverfahren zum Weichglühen und Normalglühen") - [Abschrecken, Härtung und Härtbarkeit](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#abschrecken-härtung-und-härtbarkeit "Abschrecken, Härtung und Härtbarkeit") - [Anlassen und die Kontrolle abgeschreckten Stahls](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#anlassen-und-die-kontrolle-abgeschreckten-stahls "Anlassen und die Kontrolle abgeschreckten Stahls") - [Austempern und Martempern](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#austempern-und-martempern "Austempern und Martempern") - [Oberflächenhärtung und Auslegung der Randschichteigenschaften](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#oberflächenhärtung-und-auslegung-der-randschichteigenschaften "Oberflächenhärtung und Auslegung der Randschichteigenschaften") - [Verzug, Eigenspannungen und Rissbildung](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#verzug-eigenspannungen-und-rissbildung "Verzug, Eigenspannungen und Rissbildung") - [Wärmebehandlung beim Schweißen und in der Fertigung](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#wärmebehandlung-beim-schweißen-und-in-der-fertigung "Wärmebehandlung beim Schweißen und in der Fertigung") - [Sprache zu Stahlsorten, Spezifikationen und Normen](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#sprache-zu-stahlsorten-spezifikationen-und-normen "Sprache zu Stahlsorten, Spezifikationen und Normen") - [Prozesskontrolle, Verifizierung und Fehleranalyse](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#prozesskontrolle-verifizierung-und-fehleranalyse "Prozesskontrolle, Verifizierung und Fehleranalyse") - [Ein einheitlicher Rahmen für die Auswahl einer Wärmebehandlung](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#ein-einheitlicher-rahmen-für-die-auswahl-einer-wärmebehandlung "Ein einheitlicher Rahmen für die Auswahl einer Wärmebehandlung") ## Was Wärmebehandlung bei Stahl bedeutet Die Wärmebehandlung ist eine geplante Abfolge von Erwärmungs-, Halte- und Abkühlvorgängen, die auf Stahl angewendet wird, damit sich sein innerer Aufbau und seine daraus resultierenden Eigenschaften kontrolliert verändern. Die Ofentemperatur ist nur ein Teil dieser Abfolge. Die vollständige Behandlung umfasst den Ausgangszustand des Werkstoffs, die Geschwindigkeit, mit der er die Temperatur erreicht, die Verweilzeit auf dieser Temperatur, die umgebende Atmosphäre, die Art und Weise, wie sich die Wärme durch den Querschnitt bewegt, sowie den Verlauf, auf dem der Stahl abkühlt. #### Was eine Behandlung verändern kann - **Gefüge** Phasenzusammensetzung, Phasenmorphologie, Fehlstellenstruktur und Kornstruktur - **Mechanisches Verhalten** Härte, Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität - **Verhalten bei der Fertigung** Zerspanbarkeit, Eigenspannung und Maßstabilität - **Oberflächenverhalten** Eine harte, verschleißbeständige Oberfläche über einem zäheren Kern Diese Unterscheidung grenzt die metallurgische Wärmebehandlung vom bloßen Erwärmen von Stahl und anschließenden Abkühlen ab. Eine Behandlung kann darauf ausgelegt sein, das Phasengefüge, die Phasenmorphologie, das Fehlstellengefüge, die Härte, die Festigkeit, die Zähigkeit, die Duktilität, die Zerspanbarkeit, die Maßbeständigkeit oder die Oberflächeneigenschaften zu verändern. Sie kann außerdem Eigenspannungen abbauen, die Körner verfeinern, Stahl für die Bearbeitung vorbereiten oder eine harte, verschleißbeständige Oberfläche über einem zäheren Kern erzeugen. \[1\] \[1\] [**Steel Heat Treating—Fundamentals and Processes**](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/Steel-Heat-Treating-Fundamentals-and-Processes). ASM International. ASM Handbook Volume 4A, 2024. Das ASM Handbook Volume 4A, *Steel Heat Treating—Fundamentals and Processes*, behandelt das Austenitisieren, Abschrecken, Weichglühen, Anlassen, Bainitstufen, Martempern, Randschichthärten, die Härte, die Härtbarkeit, den Verzug und verwandte Verfahren (ASM International, 2024). Diese Themen sind durch ein Grundprinzip miteinander verbunden: Die Reaktion eines Stahls hängt gemeinsam von seiner Zusammensetzung und seiner thermischen Vorgeschichte ab. ![Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl](/images/uploads/8141482c-ecb8-4b7f-8440-1696c9ef5f8c/wiki-inline-austenite-transforming-into-ferrite-pearlite-bainite-and-martensite-along-differ-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/8141482c-ecb8-4b7f-8440-1696c9ef5f8c/wiki-inline-austenite-transforming-into-ferrite-pearlite-bainite-and-martensite-along-differ-2027x2560.avif "Bild vergrößern — Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl")Cooling rate selects which transformation products form from austenite. ### Thermische Zyklen und metallurgische Veränderungen \[2\] \[2\] [**Steel Metallurgy & Heat Treatment course outline**](https://store.astm.org/astm-tpt-727.html). ASTM International. ASTM International course outline, 2024. Stahl enthält Phasen, deren Stabilität sich mit der Temperatur und der Zusammensetzung verändert. Ferrit ist eine relativ weiche, kubisch-raumzentrierte Eisenphase mit begrenzter Löslichkeit für Kohlenstoff. Austenit ist kubisch-flächenzentriert und kann wesentlich mehr Kohlenstoff lösen. Zementit beziehungsweise Eisencarbid ist hart und spröde. Abhängig vom Kohlenstoffgehalt, von der Abkühlgeschwindigkeit und von den Legierungszusätzen können diese Bestandteile Perlit, Bainit oder Martensit bilden. Das Kursprogramm *Steel Metallurgy & Heat Treatment* von ASTM International nennt Ferrit, Austenit, Zementit, Perlit, Martensit und Bainit als zentrale Phasen und Gefüge bei der Verarbeitung von Stahl (ASTM International, 2024). #### Verarbeitungsgrenze Austenitisierungszeit oder -temperatur nicht ohne metallurgischen Grund verlängern beziehungsweise erhöhen. Eine übermäßige Behandlung kann Austenitkörner vergrößern, Oxidation und Entkohlung verstärken und Zähigkeit oder Verzug verschlechtern. Beim Austenitisieren wird Stahl in einen Temperaturbereich erwärmt, in dem sich ein Teil oder die gesamte ursprüngliche Menge an Ferrit, Perlit oder Zementit in Austenit umwandelt. Das Halten ermöglicht das Auflösen von Kohlenstoff und den Abbau von Temperaturunterschieden; eine übermäßig lange Haltezeit kann jedoch die Austenitkörner vergrößern, die Oxidation verstärken und die spätere Zähigkeit oder den Verzug verschlechtern. Die erforderliche Temperatur und Zeit hängen von der Stahlsorte, dem vorherigen Gefüge, der Querschnittsdicke, der Ofenumwälzung und der angestrebten Umwandlung ab. Die Abkühlung bestimmt anschließend, was aus dem Austenit entsteht. Eine langsame Abkühlung kann die diffusionsgesteuerte Bildung von Ferrit und Perlit ermöglichen. Eine Abkühlung mittlerer Geschwindigkeit kann Bainit erzeugen. Eine schnelle Abkühlung kann die Diffusion lange genug unterdrücken, damit sich Austenit in Martensit umwandelt, ein übersättigtes und stark verspanntes Gefüge. Martensit verleiht eine hohe Härte, doch nicht angelassener Martensit kann erhebliche Eigenspannungen enthalten und für den Einsatz zu spröde sein. Beim Anlassen wird abgeschreckter Stahl unterhalb des Austenit-Umwandlungsbereichs erneut erwärmt. Dadurch werden eine kontrollierte Umverteilung des Kohlenstoffs und ein Spannungsabbau ermöglicht, während sich Härte und Zähigkeit verändern. Wesentliche Wärmebehandlungswege für Stahl und ihre üblichen Ziele. | Behandlung | Typischer Abkühl- oder Umwandlungsverlauf | Hauptzweck | |---|---|---| | Weichglühen | Langsames Abkühlen im Ofen | Erweichung, Duktilität, Spannungsabbau oder Zerspanbarkeit | | Normalglühen | Abkühlen an Luft aus dem austenitischen Bereich | Feineres, festeres Gefüge als beim vollständigen Weichglühen | | Abschrecken und Anlassen | Schnelles Abkühlen, gefolgt von erneutem Erwärmen unterhalb des austenitischen Bereichs | Ausgleich von Festigkeit, Härte und Zähigkeit | | Austempern | Isotherme Bildung von Bainit | Kontrolliertes bainitisches Gefüge | | Martempern | Temperaturausgleich vor der Bildung von Martensit | Verringertes Verzugsrisiko | Die wichtigsten Behandlungen stellen daher unterschiedliche thermische Verläufe und keine austauschbaren Rezepturen dar. Beim Weichglühen wird im Allgemeinen langsam abgekühlt, um Stahl weicher zu machen, die Duktilität zu verbessern, Eigenspannungen abzubauen oder die Zerspanbarkeit zu verbessern. Beim Normalisieren wird aus dem Austenitbereich an der Luft abgekühlt; dabei entsteht häufig ein feineres und festeres Gefüge als beim vollständigen Weichglühen. Das Abschrecken mit anschließendem Anlassen zielt auf ein ausgewähltes Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Härte und Zähigkeit ab. Beim Bainitstufen wird Bainit durch die Umwandlung bei einer mittleren Temperatur gebildet, während beim Martempern der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern verringert wird, bevor sich Martensit bildet. Dadurch wird das Verzugsrisiko gesenkt, ohne dass auf das Anlassen verzichtet werden kann. Beim Flammhärten und Induktionshärten wird nur eine Randschicht schnell erwärmt und anschließend abgeschreckt. Das Ergebnis kann eine martensitische Randschicht mit einem vergleichsweise zähen Inneren sein; Randschichthärte, Kohlenstoffgehalt, Geometrie, Energieeintrag und Zeitpunkt des Abschreckens müssen jedoch sämtlich kontrolliert werden. ISO 683-1:2016 legt Lieferanforderungen für unlegierte Stähle fest, die hauptsächlich zum Abschrecken und Anlassen, zum Bainitstufen, zum Flammhärten, zum Induktionshärten und in einigen Fällen im normalisierten Zustand bestimmt sind. Die Norm macht nicht einen einzigen Zyklus für jede Stahlsorte oder jedes Bauteil geeignet. ### Eigenschaften im Verhältnis zum Gefüge Stahleigenschaften hängen eher vom Mikrogefüge und der thermischen Vorgeschichte als allein von der Ofentemperatur ab. Strong evidence Mechanische Eigenschaften sind Folgen des Gefüges und keine unmittelbaren Folgen der Ofentemperatur. Zwei Stähle bei derselben Nenntemperatur können eine unterschiedliche Härte oder Zähigkeit aufweisen, weil sie unterschiedliche Kohlenstoffgehalte, Legierungselemente, Korngrößen, Ausscheidungen, Einschlussanteile oder Eigenspannungen besitzen. Selbst innerhalb einer Stahlsorte beginnen ein geschmiedeter Stab, ein kaltverformtes Blech und ein zuvor abgeschrecktes und angelassenes Bauteil die Behandlung nicht aus demselben metallurgischen Ausgangszustand. Härtbarkeit **Härtbarkeit** Die Fähigkeit eines Stahlquerschnitts, unter festgelegten Austenitisierungs- und Abkühlbedingungen über seine Tiefe hinweg ein gehärtetes Gefüge zu entwickeln; sie unterscheidet sich von der maximal erreichbaren Härte. #### Wichtige Begriffe zu Zusammensetzung und Verhalten Maximale Härte Die größte erreichbare Härte, wenn der betreffende Bereich ausreichend martensitisch wird; sie wird weitgehend durch den Kohlenstoffgehalt bestimmt. Härtbarkeit Die Tiefe, bis zu der ein Stahl unter einer bestimmten Abkühlbedingung ein gehärtetes Gefüge entwickeln kann. Restaustenit Austenit, der nach dem Abkühlen unter die Martensit-Endtemperatur bestehen bleibt. Kohlenstoffäquivalent Ein Zusammensetzungskennwert zur Abschätzung der Auswirkungen von Kohlenstoff und Legierungselementen auf Umwandlungen oder Schweißbarkeit. Kohlenstoff beeinflusst stark die Menge und die Härte des Martensits, während Chrom, Molybdän, Mangan, Nickel und andere Legierungselemente die Umwandlungstemperaturen verändern und diffusionsgesteuerte Reaktionen verzögern. Bor kann bei geeigneter Kontrolle die Härtbarkeit geeigneter Stähle erhöhen. Härtbarkeit ist nicht dasselbe wie maximale Härte. Die maximale Härte wird weitgehend durch den Kohlenstoffgehalt bestimmt; die Härtbarkeit beschreibt, wie tief ein Stahl unter einer bestimmten Abkühlbedingung ein gehärtetes Gefüge entwickeln kann. Das Gefüge erklärt auch, weshalb die Härte allein keine erfolgreiche Behandlung definieren kann. Ein hoher Härtewert kann auf Martensit hindeuten, lässt jedoch nicht erkennen, ob das Bauteil Abschrechrisse, einen übermäßigen Anteil an Restaustenit, grobe ehemalige Austenitkörner oder schädliche Zugspannungen enthält. Eine geringere Härte kann beabsichtigt sein, wenn Kerbschlagzähigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Zerspanbarkeit oder Maßbeständigkeit wichtiger sind. Das Eisen-Eisen-Carbid-Phasendiagramm beschreibt Gleichgewichts- oder quasigleichgewichtige Phasenbeziehungen. Es hilft bei der Bestimmung von Umwandlungsbereichen und Kohlenstofflöslichkeit, sagt jedoch nicht das vollständige Ergebnis eines praktischen Abschreckvorgangs voraus. Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder beschreiben Umwandlungen während des isothermen Haltens; Schaubilder für kontinuierliches Erwärmen und kontinuierliches Abkühlen beschreiben Verläufe, die den in Öfen und Produktionsanlagen verwendeten näherkommen. Das Behandlungskapitel von ASM aus dem Jahr 2024 unterscheidet ausdrücklich zwischen diesen Schaubildern und behandelt die Kontrolle von Verzug und Eigenspannungen. Dieser Unterschied ist wichtig, weil Umwandlungen Zeit benötigen und die industrielle Abkühlung nur selten sofort oder vollkommen gleichmäßig erfolgt. ### Warum die Temperatur allein nicht ausreicht #### Die Temperatur ist nur eine Steuergröße Aufheizrate des Bauteils, Querschnittstemperatur, Atmosphäre, Haltezeit, Verzögerung beim Umsetzen, Abkühlkurve und Geometrie bestimmen die tatsächliche Behandlung. Eine angegebene Temperatur wie 850 °C beschreibt einen Sollwert des Ofens und nicht den vollständigen thermischen Zustand eines Bauteils. Ein dünnes Blech mit 10 mm Dicke kann diese Temperatur schnell und gleichmäßig erreichen. Ein großer Zahn eines Zahnrads, eine dicke Welle oder eine Schweißreparatur können während eines beträchtlichen Teils des Zyklus eine heiße Oberfläche und einen kühleren Kern aufweisen. Wenn sich die Oberfläche vor dem Inneren umwandelt oder ausdehnt, entstehen Spannungen. Beim Abschrecken können anschließend thermische Schrumpfung und Umwandlungsdehnung hinzukommen, sodass Verzug oder Rissbildung entstehen, obwohl die Ofentemperatur korrekt war. Auch die Erwärmungsgeschwindigkeit verändert die Reaktion. Eine schnelle Erwärmung kann dazu führen, dass ein Querschnitt thermisch ungleichmäßig bleibt, und möglicherweise Umwandlungen überspringen, die bei einer langsameren Erwärmung auftreten würden. Sie kann außerdem die thermische Spannung erhöhen. Eine langsame Erwärmung kann ein unerwünschtes Kornwachstum begünstigen oder Oberflächenreaktionen ermöglichen, bevor die Zieltemperatur erreicht ist. Die Haltezeit muss lang genug sein, damit der kälteste Bereich den erforderlichen Zustand erreicht, und nicht lediglich lang genug, damit die Ofenanzeige den Sollwert anzeigt. Die Atmosphäre ist eine weitere Regelgröße. Sauerstoff kann Zunder und Entkohlung verursachen; kohlenstoffhaltige Atmosphären können das Kohlenstoffpotenzial der Oberfläche verändern. Beide Bedingungen verändern die Oberflächenhärte und die Abmessungen, selbst wenn der Kern den vorgesehenen Zyklus durchläuft. Salzbäder, Vakuumöfen, Schutzgase und Luftöfen führen daher zu unterschiedlichen Oberflächenergebnissen. #### Vorsicht beim Abschrecken Wasser, Salzlösung, Öl, Polymer oder Gas nicht allein aufgrund der Bezeichnung auswählen. Abkühlkurve, Umwälzung, Badzustand, Querschnittsgröße und Geometrie überprüfen, da eine übermäßige oder ungleichmäßige Abschreckintensität Verzug oder Rissbildung verursachen kann. Die Abkühlschärfe, die Umwälzung, die Temperatur des Abschreckmittels, die Ausrichtung des Bauteils und die Geometrie bestimmen die tatsächliche Abkühlkurve. Scharfe Ecken kühlen anders ab als breite Flächen, und Bohrungen oder dünne Stege können örtliche Temperaturgradienten erzeugen. Vorherige Kaltverformung, Seigerungen, Wärmeeinflusszonen von Schweißnähten und ein früheres Anlassen verändern ebenfalls die Keimbildungsstellen und die Umwandlungskinetik. \[3\] \[3\] [**Fundamentals of the Heat Treating of Steel**](https://dl.asminternational.org/technical-books/monograph/99/chapter-abstract/2112447/Fundamentals-of-the-Heat-Treating-of-Steel). ASM International. ASM technical monograph, 2024. \[4\] \[4\] [**ISO 17663:2023**](https://www.iso.org/standard/83142.html). International Organization for Standardization. International standard, 2023. ISO 17663:2023 ordnet die Wärmebehandlung im Zusammenhang mit dem Schweißen und verwandten Verfahren in einen Rahmen für Qualitätsanforderungen ein, der Arbeiten in Werkstätten oder vor Ort abdeckt, hauptsächlich für ferritische Stähle und verwandte geschweißte oder umgeformte Bauteile. Dieser Zusammenhang ist wichtig: Der thermische Zyklus muss festgelegt, überwacht und verifiziert werden, insbesondere wenn Spannungsarmglühen, Wasserstoffkontrolle, Zwischenlagenerwärmung oder eine örtliche Wärmebehandlung nach dem Schweißen die Gebrauchseigenschaften beeinflusst. Wärmebehandlung ist daher eine kontrollierte Vorgeschichte des gesamten Bauteils – und nicht nur eine einzelne Zahl auf der Steuerung eines Ofens. ## Stahlzusammensetzung und das Eisen-Kohlenstoff-System ### Reines Eisen und Kohlenstofflöslichkeit Die Wärmebehandlung von Stahl beginnt mit einem scheinbar einfachen System: Eisen mit Kohlenstoff. Die Einfachheit endet, sobald Temperatur, Zusammensetzung und Abkühlgeschwindigkeit gemeinsam betrachtet werden. Reines Eisen ändert mit steigender Temperatur seine Kristallstruktur. Unterhalb von 912 °C liegt es hauptsächlich als Ferrit oder α-Eisen mit einem kubisch-raumzentrierten (krz) Gitter vor. Zwischen 912 und 1394 °C wird es zu Austenit oder γ-Eisen mit einem kubisch-flächenzentrierten (kfz) Gitter. Von 1394 °C bis zu seinem Schmelzpunkt bei etwa 1538 °C liegt es als δ-Ferrit vor, einer weiteren krz-Form. Kohlenstofflöslichkeit Die Kohlenstofflöslichkeit unterscheidet sich im metastabilen Eisen-Eisenkarbid-System stark zwischen Ferrit und Austenit. Kohlenstoff besetzt Zwischengitterplätze in diesen Gittern, jedoch unterscheidet sich der verfügbare Raum erheblich. Ferrit löst nur sehr wenig Kohlenstoff: Seine maximale Gleichgewichtslöslichkeit beträgt bei 727 °C etwa 0,022 Gew.-% C, während seine Löslichkeit bei Raumtemperatur eher bei 0,008 Gew.-% C liegt. Austenit kann deutlich mehr Kohlenstoff enthalten und erreicht im metastabilen Eisen-Eisenkarbid-System bei 1147 °C etwa 2,14 Gew.-% C. Dieser Unterschied ist für das Härten von zentraler Bedeutung. Während des Austenitisierens tritt Kohlenstoff in das kfz-Gitter ein und kann sich zusätzlich aus Zementit lösen. Wird der Austenit anschließend schnell genug abgekühlt, kann der Kohlenstoff nicht auf gewöhnlichem Weg herausdiffundieren. Das Gitter verändert sich in Richtung einer krz-Form, doch der eingeschlossene Kohlenstoff bildet Martensit, eine übersättigte und stark verspannte Phase. Kohlenstoff erhöht daher nicht nur als direkter gelöster Bestandteil die Härte. Er verändert, welche Phasen stabil sind, bei welchen Temperaturen Umwandlungen beginnen, wie viel Karbid sich bilden kann und wie das Material auf die Abkühlung reagiert. Bei niedrigen Konzentrationen können sich während langsamer Abkühlung leicht Ferrit und Perlit bilden. Bei höheren Konzentrationen verschiebt sich das Gleichgewicht zu einem höheren Perlit- oder Zementitanteil. Bei schneller Abkühlung kann derselbe Kohlenstoff stattdessen im Martensit verbleiben. Der Kohlenstoffgehalt einer Nennsorte beschreibt nicht die vollständige thermische Vorgeschichte. Querschnittsdicke, ursprüngliche Korngröße, Aufheizgeschwindigkeit, Austenitisierungstemperatur, Haltezeit, Abschreckmedium, Oberflächenzustand und Temperaturgleichmäßigkeit können das entstehende Gefüge verändern. Die Darstellung der Grundlagen von Stahl durch ASM International aus dem Jahr 2024 behandelt das Eisen-Kohlenstoff-System aus diesem Grund gemeinsam mit Austenitisieren, Umwandlungsdiagrammen, Härte, Härtbarkeit, Abschrecken, Anlassen und der Kontrolle von Eigenspannungen: Die Zusammensetzung stellt die Möglichkeiten bereit, während der Wärmezyklus zwischen ihnen auswählt. ### Das Eisen-Eisenkarbid-Phasendiagramm Phasen- und Umwandlungsdiagramme beantworten unterschiedliche Fragen zur Wärmebehandlung. | Diagramm | Dargestellter thermischer Verlauf | Hauptanwendung | |---|---|---| | Eisen-Eisenkarbid | Gleichgewichts- oder nahe am Gleichgewicht liegende Beziehungen zwischen Zusammensetzung und Temperatur | Phasenstabilität und Kohlenstofflöslichkeit | | TTT | Isothermes Halten | Beginn und Ende der Umwandlung beim Halten auf konstanter Temperatur | | CCT | Kontinuierliches Abkühlen | Umwandlungsvorhersage für praktische Abschreck- und Ofenzyklen | | CHT | Kontinuierliches Erwärmen | Umwandlungsverhalten beim Erwärmen mit einer festgelegten Rate | Das allgemein als Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm bezeichnete Diagramm ist genauer das metastabile Eisen-Eisenkarbid- oder Fe–Fe₃C-Diagramm. Zementit, Fe₃C, enthält 6,67 Gew.-% Kohlenstoff. Er stellt nicht unter allen Bedingungen den endgültigen Gleichgewichtszustand des Kohlenstoffs dar; Graphit ist unter bestimmten Bedingungen thermodynamisch stabiler als Zementit, insbesondere in bestimmten Gusseisenarten und siliziumhaltigen Zusammensetzungen. Dennoch beschreibt das Fe–Fe₃C-Diagramm die Umwandlungen vieler Stähle mit zweckmäßiger Genauigkeit, da sich Zementit leicht bildet und über praxisrelevante Zeiträume bestehen bleiben kann. Seine wichtigste invariante Reaktion für gewöhnliche Kohlenstoffstähle ist die eutectoide Umwandlung bei etwa 727 °C: Austenit → Ferrit + Zementit. Eutektoide Umwandlung **Eutektoide Umwandlung** Eine Festkörperreaktion, bei der sich Austenit im metastabilen Eisen-Eisenkarbid-System nahe 727 °C in Ferrit und Zementit umwandelt. Bei der eutectoiden Zusammensetzung von etwa 0,76 Gew.-% C erzeugt diese Reaktion Perlit, ein schichtförmiges Gemisch aus Ferrit und Zementit. Stähle mit weniger als etwa 0,76 Gew.-% C werden in diesem System als untereutektoid bezeichnet; bei langsamer Abkühlung bildet sich voreutektoider Ferrit, bevor der verbleibende Austenit zu Perlit wird. Stähle oberhalb der eutectoiden Zusammensetzung und unterhalb des Gusseisenbereichs sind übereutektoid; voreutektoider Zementit bildet sich, bevor der Rest des Austenits zu Perlit umwandelt. Die Grenzwerte sind Konventionen des Diagramms und können zwischen verschiedenen Quellen geringfügig variieren, doch die Abfolge ist der entscheidende Punkt. Das Diagramm zeigt außerdem die eutektische Reaktion bei etwa 4,3 Gew.-% C und 1147 °C, bei der sich im metastabilen System die Flüssigkeit in Austenit und Zementit umwandelt. Gewöhnliche Stähle liegen deutlich unterhalb dieses Kohlenstoffgehalts, während Gusseisen häufig in dessen Nähe liegt oder ihn überschreitet. Die Liquiduslinie, die Soliduslinie, Ferrit, Austenit, Zementit und die Zweiphasengebiete zeigen, welche Bestandteile bei einer bestimmten Zusammensetzung und Temperatur im Gleichgewicht nebeneinander bestehen können. Sie geben einem Ingenieur jedoch nicht an, welche Bestandteile ein Bauteil nach einer industriellen Abschreckung enthalten wird. Ein Gleichgewichtsdiagramm setzt ausreichend Zeit für die Diffusion voraus und bildet den Zeitfaktor nicht ab. Es kann weder den Beginn der Martensitbildung noch die Bildung von Bainit, den Perlitabstand oder die Tiefe, bis zu der ein Querschnitt gehärtet wird, vorhersagen. Für diese Fragen sind Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme (TTT-Diagramme) für isotherme Bedingungen sowie kontinuierliche Erwärmungs- oder kontinuierliche Abkühlungs-Umwandlungsdiagramme (CCT-Diagramme) bei veränderlicher Temperatur erforderlich. Das Kapitel von ASM aus dem Jahr 2024 über grundlegende Prinzipien der Wärmebehandlung behandelt diese Diagramme ausdrücklich getrennt vom Eisen-Kohlenstoff-Diagramm und ebenso Verzug und Eigenspannungen. Die Abkühlgeschwindigkeit kann das Endgefüge verändern, ohne den Kohlenstoffgehalt des Stahls zu verändern. Strong evidence Langsam abgekühlter Stahl kann sich den durch das Gleichgewichts- oder metastabile Diagramm dargestellten Phasenbeziehungen annähern. Stahl, der durch die Nase einer Umwandlungskurve abgekühlt wird, kann Perlit oder Bainit bilden; bei noch schnellerer Abkühlung kann er die Martensitstarttemperatur erreichen, bevor eine diffusionsgesteuerte Umwandlung stattfindet. Das Endgefüge kann daher aus Ferrit-Perlit, Bainit, Martensit, Restaustenit oder einem Gemisch bestehen, selbst wenn der Kohlenstoffgehalt unverändert bleibt. ### Kohlenstoffklassifizierung und Auswirkungen von Legierungselementen Die Kohlenstoffklassifizierung liefert eine erste Beschreibung, jedoch keine vollständige Wärmebehandlungsspezifikation. Kohlenstoffarme Stähle werden häufig als Stähle mit weniger als etwa 0,25 Gew.-% C beschrieben, mittelgekohlte Stähle als Stähle mit etwa 0,25–0,60 Gew.-% C und kohlenstoffreiche Stähle als Stähle mit etwa 0,60–1,00 Gew.-% C oder mehr. Diese Bereiche sind praxisbezogene Gruppierungen und keine universell geltenden Normgrenzen. Eine Bezeichnung wie AISI 1045 kennzeichnet einen mittelgekohlten Stahl mit nomineller Zusammensetzung, während ISO 683-1:2016 unlegierte Stähle behandelt, die hauptsächlich zum Härten und Anlassen, zur isothermen Bainitbildung, zum Flammhärten, zum Induktionshärten und in bestimmten Fällen für normalisierte Zustände vorgesehen sind. Die Bezeichnung allein ersetzt weder die festgelegten chemischen Grenzwerte noch die Anforderungen an die Wärmebehandlung. Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts steigert im Allgemeinen die erreichbare Härte im abgeschreckten Zustand, da Martensit mehr eingeschlossenen Kohlenstoff enthält. Sie senkt außerdem die Martensitstarttemperatur, erhöht das Risiko von Restaustenit und kann die Gefahr von Abschreckrissen und Verzug vergrößern. Kohlenstoffreiche Stähle können eine engere Kontrolle der Austenitisierungstemperatur erfordern, da übermäßiges Lösen oder Kornwachstum die Zähigkeit beeinträchtigen kann. Bei niedrigeren Kohlenstoffgehalten kann Martensit relativ weich sein, sofern Legierungselemente und Abkühlbedingungen keine zusätzliche Festigung bewirken. Legierungselemente verändern das Diagramm und die Umwandlungskinetik. Mangan und Nickel stabilisieren im Allgemeinen den Austenit und senken die Umwandlungstemperaturen; Mangan verzögert außerdem die Bildung von Ferrit und Perlit und erhöht dadurch die Härtbarkeit. Chrom, Molybdän und Wolfram verlangsamen diffusionsgesteuerte Umwandlungen und können bei dickeren Querschnitten eine tiefere Härtung ermöglichen. Chrom, Molybdän, Vanadium und Niob können stabile Legierungskarbid bilden, während Titan besonders stabiles Titancarbonitrid bildet. Diese Teilchen können das Austenitkornwachstum begrenzen, unter Umständen jedoch auch höhere Austenitisierungstemperaturen oder längere Haltezeiten für eine teilweise Auflösung erfordern. Silizium festigt Ferrit und neigt dazu, die Zementitbildung zu unterdrücken, wodurch Bainit- und Anlassreaktionen beeinflusst werden. Bor kann, wenn es in geringsten kontrollierten Mengen vorhanden und vor einer Verbindung mit Sauerstoff und Stickstoff geschützt ist, die Härtbarkeit deutlich erhöhen, indem es die Ferritkeimbildung an den früheren Austenitkorngrenzen verzögert. Nickel verbessert im Allgemeinen die Zähigkeit und bildet nicht auf dieselbe Weise wie Chrom oder Molybdän ein Karbid. Legierungselemente verändern außerdem das Anlassverhalten. Molybdän kann die Anlassversprödung verringern und die Sekundärhärtung unterstützen; Chrom, Vanadium und Wolfram können beim Anlassen bei hohen Temperaturen eine Ausscheidung von Sekundärkarbiden bewirken. Ein vergüteter legierter Stahl kann daher bei gleichem Kohlenstoffgehalt und gleicher nominaler Anlasstemperatur deutlich anders reagieren als ein unlegierter Kohlenstoffstahl. Das Referenzwerk *Steel and Its Heat Treatment* aus dem Jahr 1984 behandelt Kohlenstoffstähle, legierte Stähle, Borstähle, [mikrolegierte Stähle](/de/kategorien/mikrolegierte-stähle "mikrolegierte Stähle") und [Dualphasenstähle](/de/kategorien/dualphasenstähle "Dualphasenstähle") anhand ihrer TTT-Diagramme, Härtbarkeit, Anlassversprödung und ihrem Wärmebehandlungsverhalten und nicht allein anhand des Kohlenstoffgehalts. Die Zusammensetzung legt die Phasenstabilität fest. Zeit und Temperatur bestimmen, ob die möglichen Umwandlungen stattfinden können. Die Bauteilgeometrie und das Eigenspannungsmanagement bestimmen, ob das entstehende Bauteil den Prozess übersteht. Diese Wechselwirkung und nicht eine einzelne Kohlenstoffzahl bildet die Grundlage für die Auswahl eines Wärmebehandlungszyklus. ## Die wichtigsten Phasen und Gefügebestandteile Die Wärmebehandlung von Stahl verändert die Eigenschaften, indem sie beeinflusst, welche Phasen sich bilden, in welchen Mengen sie vorliegen und wie diese Bereiche angeordnet sind. Der Kursplan von ASTM International nennt Ferrit, Austenit, Zementit, Perlit, Martensit und Bainit als wichtige Bestandteile der Stahlmetallurgie. ASM International gliedert dasselbe Themengebiet in Gleichgewichtsbeziehungen, Umwandlungskinetik, Härtbarkeit, Abschrecken, Anlassen und Spannungskontrolle. Diese Unterscheidung ist wichtig, weil das Eisen-Eisenkarbid-Diagramm angibt, welche Phasen bei einer bestimmten Zusammensetzung und Temperatur stabil oder metastabil sind, während TTT- und CCT-Diagramme zeigen, ob ein realer Wärmezyklus ausreichend Zeit für die Bildung dieser Phasen oder Umwandlungsprodukte lässt. Eine Phase weist eine eigenständige Kristallstruktur und einen bestimmten Bereich der chemischen Zusammensetzung auf. Ein Mikrogefügebestandteil kann mehr als eine Phase in einer charakteristischen Anordnung enthalten. Die Fachliteratur hält diese Unterscheidung nicht immer aufrecht: Die Bezeichnungen „Perlitphase“ und „Bainitphase“ erscheinen häufig in ingenieurwissenschaftlichen Texten, obwohl Perlit und Bainit treffender als Umwandlungs-Mikrogefügebestandteile beschrieben werden. Die unpräzise Ausdrucksweise ist verständlich, da beide einen erkennbaren Umwandlungsbereich, eine charakteristische Morphologie und ein typisches Eigenschaftsverhalten aufweisen. ![Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl](/images/uploads/cfdb2664-4688-4412-b002-0efb09990f0d/wiki-inline-polished-steel-microstructure-showing-ferrite-grains-pearlite-colonies-and-dark-1920x1920.jpg)[](/images/uploads/cfdb2664-4688-4412-b002-0efb09990f0d/wiki-inline-polished-steel-microstructure-showing-ferrite-grains-pearlite-colonies-and-dark-1920x1920.avif "Bild vergrößern — Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl")Steel properties depend on the phases present and how they are arranged. ### Ferrit, Austenit und Zementit Ferrit ist die kubisch-raumzentrierte (BCC) Form des Eisens und wird in unlegiertem Kohlenstoffstahl unterhalb der A1-Umwandlungstemperatur normalerweise als α-Ferrit bezeichnet. Seine Kohlenstofflöslichkeit ist sehr gering. Bei 727 °C, der für das Eisen-Eisenkarbid-Diagramm üblicherweise verwendeten eutektoiden Temperatur, kann Ferrit nur etwa 0,022 Gew.-% Kohlenstoff lösen; bei niedrigeren Temperaturen nimmt seine Gleichgewichtslöslichkeit weiter ab. Legierungselemente verändern diesen Wert und können die Ferritstabilität beeinflussen, doch im Vergleich zu Martensit oder karbidreichen Strukturen bleibt Ferrit im Allgemeinen ein relativ weicher, duktiler Gefügebestandteil. Das bedeutet nicht, dass Ferrit mechanisch unbedeutend ist. Eine ferritische Matrix kann plastische Dehnung aufnehmen und spröder Rissbildung widerstehen und dadurch Duktilität und Zähigkeit unterstützen, sofern Korngröße, Einschlussgehalt und die umgebenden Gefügebestandteile kontrolliert werden. Seine geringe Härte begrenzt gewöhnlich die Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß, obwohl ein feinkörniges ferritisches Gefüge unter Kontakt- oder zyklischer Belastung bessere Leistungen erbringen kann als ein grobkörniges. Ferrit trägt durch seine Wärmeausdehnung, seinen Elastizitätsmodul und seine Umwandlungsgeschichte außerdem zum Maßverhalten bei. Eine ungleichmäßige Ferritbildung über einen Querschnitt kann örtliche Unterschiede in Festigkeit und Eigenspannung verursachen. Austenit ist die kubisch-flächenzentrierte (FCC) Form des Eisens und wird als γ-Eisen bezeichnet. Seine Kohlenstofflöslichkeit ist deutlich höher als die von Ferrit: Im Eisen-Eisenkarbid-Diagramm liegt das Maximum bei ungefähr 2,14 Gew.-% Kohlenstoff und etwa 1147 °C. Austenit ist daher die zentrale Ausgangsphase für viele Wärmebehandlungen von Stahl. Beim Austenitisieren lösen sich Ferrit und Zementit in einem durch Zusammensetzung, Temperatur, Zeit und das Ausgangsgefüge bestimmten Umfang auf. Eine vollständige Auflösung ist nicht immer beabsichtigt; ungelöste Legierungskarbidphasen können bei legierten Stählen für die Korngrößenkontrolle oder die Verschleißleistung erforderlich sein. Bei Austenitisierungstemperaturen ist Austenit im Allgemeinen duktiler als die beim Abkühlen entstehenden Produkte; sein Verhalten bei Raumtemperatur hängt jedoch davon ab, ob er stabil ist. Kohlenstoff, Mangan, Nickel, Chrom und andere Legierungselemente können die Umwandlungstemperaturen senken oder die Zersetzung verzögern. Anschließend bestimmen Querschnittsgröße und Abkühlungsgeschwindigkeit, ob sich Austenit in Perlit, Bainit, Martensit oder ein Gemisch daraus umwandelt. Kornwachstum des Austenits infolge übermäßiger Erwärmung kann die Zähigkeit nach dem Abkühlen verringern, selbst wenn die Endhärte akzeptabel erscheint. Zementit ist Eisenkarbid, Fe₃C. Im metastabilen Eisen-Eisenkarbid-System handelt es sich um eine harte, relativ spröde Verbindung mit einem Kohlenstoffgehalt von 6,67 Gew.-%. Zementit tritt häufig als Platten oder Teilchen innerhalb von Perlit, als mit bainitischem Ferrit verbundene Teilchen oder als kugelig ausgebildete Teilchen in einem geglühten Gefüge auf. Seine Härte kann die Beständigkeit gegen Abrasion und Eindrücken verbessern, doch ein zusammenhängendes oder grobes Zementitnetzwerk kann Duktilität und Bruchzähigkeit verringern. Die Karbidform ist ebenso wichtig wie die Karbidmenge: Abgerundete Teilchen unterbrechen Risswege im Allgemeinen weniger stark als dünne Filme oder miteinander verbundene Korngrenzenkarbide. Der Begriff „Gleichgewicht“ erfordert hier eine sorgfältige Verwendung. Zementit ist gegenüber Graphit metastabil, stellt jedoch für die meisten Diagramme und Wärmebehandlungsberechnungen für Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle das praktisch relevante Karbidbezugssystem dar. Legierungszugaben können andere Karbide stabilisieren, beispielsweise chromreiche Karbide, sodass Fe₃C allein nicht jeden Werkzeugstahl oder hochlegierten Stahl beschreiben kann. ### Perlit und Bainit Perlit bildet sich, wenn Austenit sich kooperativ in abwechselnde Bereiche aus Ferrit und Zementit zersetzt. In einer konventionellen grobperlitischen Kolonie erscheinen die beiden Phasen als Lamellen; bei niedrigeren Umwandlungstemperaturen wird der Lamellenabstand kleiner. Perlit ist daher ein zweiphasiger Mikrogefügebestandteil und keine einzelne kristallografische Phase. Seine Härte steigt mit abnehmendem Lamellenabstand, weil feine Zementitbarrieren die Versetzungsbewegung behindern. Grobperlit bietet im Allgemeinen eine höhere Duktilität und bessere Zerspanbarkeit als Feinstperlit, während Feinstperlit eine nützliche Kombination aus Festigkeit, Verschleißbeständigkeit und mittlerer Zähigkeit liefern kann. Die Perlitbildung wird durch Diffusion gesteuert. Kohlenstoff muss aus den Bereichen, die zu Ferrit werden, in den Zementit umverteilt werden; daher benötigt die Umwandlung eine bestimmte Zeit bei geeigneter Temperatur. Eine langsame Ofenabkühlung begünstigt relativ groben Perlit, während beim Normalisieren durch die schnellere Abkühlung an Luft und die feinere Ausgangsaustenitkorngröße ein feinerer Perlit entsteht. Keine dieser Reaktionen ist universell: Legierungsgehalt, Kohlenstoffgehalt, Wanddicke und Abkühlbedingungen bestimmen die tatsächliche Koloniegröße und den tatsächlichen Anteil. Perlit kann auch zur Maßänderung beitragen, da die Umwandlung von Austenit mit einer Änderung des spezifischen Volumens verbunden ist und eine ungleichmäßige Abkühlung Eigenspannungen hinterlassen kann. Bainit bildet sich aus Austenit bei Temperaturen unterhalb des Perlitbereichs und oberhalb der Temperatur, bei der die Martensitbildung beginnt, obwohl die Grenzen für jeden Stahl keine festen Konstanten sind. Er besteht hauptsächlich aus ferritischen Bereichen mit kohlenstoffangereicherten Zonen und Karbidteilchen. Oberer Bainit bildet sich typischerweise bei höheren Umwandlungstemperaturen, wobei die Karbide zwischen den ferritischen Leisten oder Platten liegen; unterer Bainit bildet sich bei niedrigeren Temperaturen, wobei feinere Karbide innerhalb des Ferrits oder in enger Verbindung mit ihm entstehen. Die genaue Morphologie hängt von Kohlenstoffgehalt, Legierungsgehalt, Umwandlungstemperatur und Abkühlverlauf ab. Auch Bainit ist ein Mikrogefügebestandteil und keine einzelne Phase. Seine Härte übersteigt gewöhnlich die von grobem Perlit und kann sich dem unteren Bereich der Härte von angelassenem Martensit annähern oder mit ihm überlappen; ohne Angabe von Zusammensetzung und Zustand sollte jedoch keine einzelne Härte zugeordnet werden. Bainitische Gefüge können eine hohe Festigkeit und Verschleißbeständigkeit bei gleichzeitig größerer Zähigkeit als unangelassener Martensit bieten. Beim Zwischenstufenvergüten soll ein kontrolliertes bainitisches Gefüge erzeugt werden; eine unvollständige Umwandlung kann jedoch Restaustenit zurücklassen. Die Verformung kann bei bestimmten Geometrien geringer sein als bei einem direkten Abschrecken, da die Umwandlung gleichmäßiger erfolgt; Wärmegradienten und Umwandlungsspannungen bleiben jedoch von Bedeutung. ### Martensit und Restaustenit Martensit bildet sich, wenn Austenit schnell genug abkühlt, um die diffusionsgesteuerte Bildung von Perlit und Bainit zu unterdrücken. Er ist ein diffusionsloses, displazitives Umwandlungsprodukt: Der Kohlenstoff hat während der Umwandlung keine Zeit, sich in Gleichgewichtszementit umzuverteilen, und bleibt daher in einem übersättigten Eisengitter eingeschlossen. In Kohlenstoffstahl wird das entstehende Gefüge gewöhnlich als kubisch-raumzentriert tetragonal (BCT) beschrieben, obwohl die Tetragonalität stark vom Kohlenstoffgehalt abhängt und bei Martensit mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gering sein kann. Martensit kann in Stählen mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt als Leistenmartensit oder in Stählen mit höherem Kohlenstoffgehalt als Plattenmartensit auftreten. Frischer, unangelassener Martensit ist hart, weil seine Übersättigung, Gitterverzerrung, hohe Versetzungsdichte und Umwandlungsunterstruktur die plastische Verformung behindern. Diese Härte kann die Beständigkeit gegen Eindrücken und abrasiven Verschleiß verbessern, doch unangelassener Martensit weist häufig eine begrenzte Zähigkeit auf und kann anfällig für Rissbildung sein, insbesondere wenn Kohlenstoffgehalt, frühere Austenitkorngröße, Abschreckintensität und Eigenspannung hoch sind. Das Anlassen ermöglicht eine kontrollierte Karbidausscheidung und einen Spannungsabbau und verringert dadurch die Härte zugunsten einer verbesserten Duktilität und Bruchbeständigkeit. Der gewählte Anlasszustand muss an die Betriebsanforderung angepasst werden, anstatt die maximale Härte als einziges Ziel zu betrachten. Nicht jeder Austenit wandelt sich beim Abschrecken zwangsläufig um. Der Austenit, der unterhalb der Martensit-Endtemperatur verbleibt, wird als Restaustenit bezeichnet. Seine Menge hängt von Kohlenstoff- und Legierungsgehalt, Austenitisierungsbedingungen, Abkühlungsgeschwindigkeit sowie den Temperaturen Ms und Mf ab. Restaustenit kann in einigen sorgfältig kontrollierten Gefügen die Zähigkeit verbessern, ist jedoch auch maßlich instabil. Er kann sich während des Betriebs, einer Tiefkühlbehandlung, des Schleifens, einer Stoßbelastung oder des Anlassens in Martensit umwandeln und dadurch eine verzögerte Ausdehnung, eine Härteänderung oder Verformung verursachen. Seine Umwandlung kann außerdem örtliche Spannungen erzeugen und Rissbildung einleiten, wenn der umgebende Martensit die Volumenänderung behindert. Aus diesem Grund belegen Härtemessungen allein nicht, ob ein abgeschreckter Stahl das beabsichtigte Gefüge aufweist. Eine Spezifikation kann zusätzlich zur Härte die Kontrolle von Restaustenit, Korngröße, Entkohlung oder Verformung verlangen. ISO 683-1:2016 behandelt unlegierte Stähle, die hauptsächlich zum Härten und Anlassen, zum Zwischenstufenvergüten, zum Flammhärten, zum Induktionshärten und für bestimmte normalisierte Zustände vorgesehen sind. ISO 17663:2023 ordnet die mit dem Schweißen und mit umgeformten Bauteilen verbundene Wärmebehandlung in einen Rahmen für Qualitätsanforderungen ein, hauptsächlich für ferritische Stähle. Beide Normen spiegeln den praktischen Grundsatz wider: Die Auswahl der Phasen und die Kontrolle der Umwandlungen müssen mit Zusammensetzung, Geometrie, thermischer Vorgeschichte sowie den erforderlichen mechanischen und maßlichen Eigenschaften verknüpft werden. ## Austenitisieren: Der Ausgangspunkt für viele Wärmebehandlungen #### Austenitisierungsfolge 1. **Erwärmen** Das Bauteil in den erforderlichen austenitbildenden Bereich erwärmen. 2. **Temperaturausgleich herstellen** Dem kältesten maßgeblichen Bereich erlauben, den erforderlichen Zustand zu erreichen. 3. **Selektiv lösen** Kohlenstoff umverteilen und, sofern vorgesehen, einen Teil der Karbidpopulation auflösen. 4. **Korngröße steuern** Unnötige Temperatur oder Haltezeit vermeiden, die ein Austenitkornwachstum fördert. 5. **Zügig umsetzen** Den festgelegten Abkühlverlauf ohne unkontrollierte Verzögerung einleiten. Austenitisieren ist das kontrollierte Erwärmen von Stahl in den Temperaturbereich, in dem sich Austenit bildet, gefolgt von einer ausreichenden Haltezeit bei dieser Temperatur für die erforderliche Umwandlung und chemische Umverteilung. Es ist die Ausgangsstufe für viele Abschreck- und Anlassbehandlungen, Martemper-, Austemper-, Flammhärte- und Induktionshärtezyklen. Ohne Austenit kann der anschließende Abkühlschritt nicht die beabsichtigte Martensit- oder Bainitstruktur erzeugen. Der Zweck besteht nicht einfach darin, den Stahl heiß zu machen. Ziel ist es, vor der durch die Abkühlung veränderten Umwandlungsroute Austenit mit dem richtigen Kohlenstoffgehalt, der richtigen Verteilung der Legierungselemente, der richtigen Korngröße und einer ausreichenden räumlichen Gleichmäßigkeit zu erzeugen. Die Kursübersicht zur Stahlmetallurgie von ASTM International aus dem Jahr 2024 ordnet Austenit neben Ferrit, Zementit, Perlit, Martensit und Bainit als zentralen Bestandteil des Gefüge- und Prozessrahmens ein. Auch ASM International behandelt das Austenitisieren als ein Element eines größeren Systems, das Umwandlungsdiagramme, Härtbarkeit, Abschrecken, Verzug und die Kontrolle von Eigenspannungen umfasst. ### Erwärmen in das Austenitfeld Bei unlegiertem Kohlenstoffstahl beginnt das Austenitisieren oberhalb der unteren kritischen Temperatur, bei der sich Ferrit und Perlit in Richtung Austenit umwandeln. Die genaue Temperatur hängt vom Kohlenstoffgehalt, dem Ausgangsgefüge, der Erwärmungsgeschwindigkeit und den Legierungszusätzen ab. Ein untereutektoider Stahl, beispielsweise eine typische mittelgekohlte Stahlsorte, muss üblicherweise über die obere kritische Temperatur erwärmt werden, damit sich Ferrit auflöst und das Gefüge überwiegend austenitisch wird. Ein übereutektoider Stahl wird häufig zwischen der unteren kritischen Temperatur und der Zementitlöslichkeitsgrenze erwärmt, wenn ein bestimmter Anteil an ungelöstem Zementit gezielt erhalten bleiben soll. Das Eisen–Eisenkarbid-Diagramm beschreibt die Stabilität der Gleichgewichtsphasen, ein Ofenzyklus ist jedoch kein Gleichgewichtsexperiment. Die Erwärmungsgeschwindigkeit verschiebt die beobachteten Umwandlungstemperaturen, und Legierungselemente können die Austenitbildung oder die Auflösung von Karbiden verzögern. Chrom, Molybdän, Vanadium, Wolfram und Titan können stabile Karbide bilden, deren Auflösung höhere Temperaturen oder längere Haltezeiten erfordert. Nickel und Mangan verändern die Umwandlungstemperaturen und die Härtbarkeit, ohne sich in gleicher Weise wie karbidbildende Elemente zu verhalten. Kohlenstoff ist besonders wichtig: Er muss in kontrollierter Menge in den Austenit eintreten, da seine Konzentration die Martensitstarttemperatur, die Härte, den Restaustenit und die Maßänderung beeinflusst. Das Austenitisieren geht dem Abschrecken daher voraus, weil das Abschrecken den Austenit umwandelt, der zum Beginn der Abkühlung vorhanden ist. Wenn Ferrit, Perlit oder ungelöste Karbide über den festgelegten Anteil hinaus verbleiben, kann das Endgefüge weiche Bereiche oder eine Kohlenstoffverteilung enthalten, die von der Auslegungsannahme abweicht. Wird der Stahl jedoch zu stark erhitzt, besteht die Lösung nicht automatisch in einer höheren Härte. Eine übermäßige Temperatur kann die Austenitkörner vergröbern, die Oxidation und Entkohlung verstärken, Verzug begünstigen und Karbide auflösen, die eigentlich das Kornwachstum begrenzen oder für Verschleißbeständigkeit sorgen sollten. Dasselbe Prinzip gilt für Oberflächenbehandlungen. Beim Induktions- oder Flammhärten kann nur eine oberflächennahe Schicht das Austenitfeld erreichen. Die Erwärmungstiefe, die Spitzentemperatur und die Zeit oberhalb des kritischen Bereichs bestimmen die Einhärtungstiefe. Ein kurzer, intensiver Zyklus kann eine feine Korngröße bewahren, erzeugt jedoch auch steile Temperaturgradienten und erfordert eine präzise Kontrolle von Leistung, Vorschubgeschwindigkeit, Kopplung und Kühlung. ### Auflösung, Kornwachstum und Homogenisierung Wenn sich Ferrit und Perlit umwandeln, löst sich Zementit auf und Kohlenstoff diffundiert in den neu gebildeten Austenit. Der Vorgang erfolgt nicht unmittelbar. Ein Bauteil kann zwar die richtige Ofentemperatur aufweisen, während sein Kern noch unterhalb des Umwandlungsbereichs liegt, insbesondere wenn der Querschnitt groß, die Beladung dicht oder die Ofenumwälzung unzureichend ist. Die Haltezeit sollte daher auf der Zeit basieren, die der kälteste relevante Bereich des Bauteils benötigt, um die Temperatur zu erreichen, und nicht lediglich auf dem Zeitpunkt, an dem die Ofenanzeige ihren Sollwert erreicht. Die Auflösung hat konkurrierende Auswirkungen. Zeit und Temperatur müssen ausreichen, um unerwünschten Perlit oder Ferrit zu beseitigen und den Kohlenstoff so zu verteilen, dass sich der Austenit während der Abkühlung wie vorgesehen umwandeln kann. Bei legierten Stählen müssen sich einige Karbide möglicherweise teilweise auflösen, um dem Austenit Kohlenstoff und Legierungselemente zuzuführen. Eine vollständige Auflösung kann jedoch unerwünscht sein. Verbleibende Legierungskarbide können das Austenitkornwachstum begrenzen, zur Verschleißbeständigkeit beitragen und den Kohlenstoffgehalt der Matrix steuern. Das Kornwachstum beschleunigt sich, wenn Austenit unnötig lange bei zu hoher Temperatur gehalten wird. Grobe ehemalige Austenitkörner vermindern die Zähigkeit und können die Gefahr von Abschreckrissen oder die Bruchanfälligkeit erhöhen, selbst wenn die Härte einem nominalen Zielwert entspricht. Außerdem verändern sie die Umwandlungskinetik und können die Tiefe und Gleichmäßigkeit der Härtung beeinflussen. Feinkörniger Austenit entsteht nicht durch eine allgemein gültige Haltezeit; er ist das Ergebnis einer Abstimmung von Temperatur, Erwärmungsgeschwindigkeit, Ausgangszustand, Legierungszusammensetzung und Querschnittsgröße. Die Vorbehandlung ist von Bedeutung. Normalgeglühter, geglühter, geschmiedeter, kaltverformter und geschweißter Stahl kann mit unterschiedlichen Karbidverteilungen, Korngrößen und Eigenspannungen in den Ofen gelangen. Ein geschmiedetes Bauteil aus 42CrMo4 und ein dünnes Blech derselben Nennsorte reagieren nicht zwangsläufig identisch auf denselben Behandlungsplan. ISO 683-1:2016 behandelt unlegierte Stähle, die hauptsächlich zum Härten und Anlassen, Austempern, Flammhärten, Induktionshärten und in einigen Fällen für normalgeglühte Zustände vorgesehen sind; die Sortenbezeichnung und der festgelegte Lieferzustand bleiben wesentliche Eingangsgrößen für den Zyklus. Das Austenitisieren kann auch die lokale chemische Zusammensetzung homogenisieren, jedoch nur innerhalb praktischer Grenzen. Erstarrungsseigerungen, Bänderungen aus dem Walzen, Unterschiede im Schweißgut und Oberflächenverunreinigungen können bestehen bleiben, wenn die Diffusionswege groß sind. Eine längere Haltezeit kann einige Gradienten verringern, gleichzeitig jedoch Kornwachstum und Oberflächenschäden verursachen. Die Wärmebehandlung kann nicht jeden Fehler aus der Vorbearbeitung beseitigen. ### Kontrolle von Zeit, Temperatur und Atmosphäre Der Ofen-Sollwert ist nur eine Regelgröße. Der tatsächliche Wärmezyklus umfasst die Erwärmungsgeschwindigkeit, die Anordnung der Beladung, die Bauteiltemperatur, die Temperaturgleichmäßigkeit, die Haltezeit, die Transportzeit zum Abschreckbad und die das Stahlteil umgebende Atmosphäre. Die Geometrie beeinflusst all diese Faktoren. Dünne Kanten erwärmen sich schnell und können überhitzen, bevor eine dicke Nabe die Zieltemperatur erreicht; Bohrungen, Keilnuten, Gewinde und abrupte Querschnittsänderungen erzeugen örtliche Temperatur- und Spannungskonzentrationen. Vorrichtungen können Oberflächen von der Strahlungswärme abschirmen oder die Umwälzung behindern. Thermoelemente, die in der Nähe der Ofenwand angeordnet sind, können eine stabile Temperatur anzeigen, während der Bauteilkern noch kälter ist. In der Fertigungspraxis werden daher bei Bedarf qualifizierte Ofenvermessungen, Beladungsthermoelemente, repräsentative Prüfkörper oder validierte Wärmeübertragungsmodelle eingesetzt. ISO 17663:2023 legt Qualitätsanforderungen für Wärmebehandlungen in Luft oder kontrollierten Atmosphären fest, die in Werkstätten oder vor Ort durchgeführt werden, hauptsächlich für ferritische Stähle und verwandte geschweißte oder umgeformte Bauteile. Der Anwendungsbereich spiegelt das praktische Problem wider: Wiederholbare Ergebnisse erfordern dokumentierte Anlagen, Überwachung, Kalibrierung und Abnahmekriterien. Die Atmosphärenkontrolle schützt die Oberflächenchemie. Oxidierende Ofengase erzeugen Zunder, während entkohlende Bedingungen der Oberfläche Kohlenstoff entziehen. Eine entkohlte Schicht kann die Oberflächenhärte nach dem Abschrecken verringern, selbst wenn Zusammensetzung und Härte des Kerns korrekt sind. Vakuum, Inertgas, Salz oder kontrollierte endotherme Atmosphären können diese Auswirkungen vermindern, doch jedes dieser Verfahren bringt eigene Prozesskontrollen und Sicherheitsanforderungen mit sich. Der Oberflächenzustand muss durch Härteverläufe, metallografische Untersuchungen, Maßprüfungen oder die Messung der chemischen Eindringtiefe überprüft werden, wenn die Anwendung dies erfordert. Die Haltezeit bei Temperatur sollte lang genug für die erforderliche Umwandlung und den Temperaturausgleich sein, aber nicht länger. Die Abkühlung muss unverzüglich beginnen, sobald der festgelegte Austenitzustand erreicht ist, da Transportverzögerungen den Wärmeverlauf verändern können, insbesondere bei Stählen mit hoher Härtbarkeit oder bei großen Bauteilen. Das Endergebnis ergibt sich aus dem gesamten Zeit-Temperatur-Verlauf und nicht aus einer Zahl, die auf der Ofensteuerung angezeigt wird. Mit dieser Unterscheidung beginnt ein reproduzierbares Austenitisieren. ## Umwandlungsdiagramme und Kinetik der Wärmebehandlung Ein Wärmebehandlungsplan kann nicht allein anhand der Temperatur festgelegt werden. Der Stahl muss zunächst austenitisiert und anschließend einem bestimmten Zeit-Temperatur-Verlauf unterzogen werden, der bestimmt, ob sich Austenit in Ferrit, Perlit, Bainit oder Martensit umwandelt. Kohlenstoffgehalt, Legierungszusätze, ursprüngliche Korngröße, Querschnittsdicke, Aufheizgeschwindigkeit und der Zustand des Ausgangsgefüges beeinflussen diesen Verlauf. Umwandlungsdiagramme bieten eine Möglichkeit, diese Variablen mit beobachtbaren Vorgängen zu verknüpfen: dem Beginn der Umwandlung, der Geschwindigkeit ihres Ablaufs und dem Zeitpunkt, zu dem sie im Wesentlichen abgeschlossen ist. Das Eisen-Eisenkarbid-Phasendiagramm beschreibt das Phasengleichgewicht oder eine annähernde Gleichgewichtsstabilität der Phasen. Es sagt nicht voraus, welches Ergebnis ein schnelles Abschrecken hervorbringt. TTT- und CCT-Diagramme behandeln diese offene Frage, indem sie zeigen, wie die Umwandlung sowohl von der Zeit als auch von der Temperatur abhängt. Die Darstellung der Grundlagen von Stahl durch ASM International aus dem Jahr 2024 ordnet diese Diagramme neben Austenitisieren, Härtbarkeit, Abschrecken, Weichglühen, Anlassen und der Kontrolle von Eigenspannungen ein, da keine dieser Maßnahmen zuverlässig festgelegt werden kann, ohne die Umwandlungskinetik zu berücksichtigen. ![Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl](/images/uploads/caca3c43-3b3a-4def-9370-72f00bcbbff6/wiki-inline-a-schematic-ttt-diagram-showing-pearlite-bainite-and-martensite-transformation-r-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/caca3c43-3b3a-4def-9370-72f00bcbbff6/wiki-inline-a-schematic-ttt-diagram-showing-pearlite-bainite-and-martensite-transformation-r-1920x1094.avif "Bild vergrößern — Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl")Transformation diagrams show how time and temperature shape the final structure. ### Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme Ein Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm, allgemein als TTT-Diagramm oder isothermes Umwandlungsdiagramm bezeichnet, wird erstellt, indem Proben in den Austenitbereich erwärmt, rasch auf ausgewählte konstante Temperaturen überführt, dort gehalten und die Zeitpunkte des Beginns und des Endes der Umwandlung gemessen werden. Die Zeit wird auf einer logarithmischen horizontalen Achse aufgetragen, während die Temperatur vertikal dargestellt wird. Die daraus entstehenden Beginn- und Endkurven bilden bei perlitischen und bainitischen Reaktionen häufig eine charakteristische C-Form. Die Beginnkurve kennzeichnet die ungefähre Inkubationszeit, bevor ein messbarer Anteil des Austenits umgewandelt ist. Die Endkurve zeigt an, wann die ausgewählte Umwandlung gemäß dem Prüfverfahren im Wesentlichen abgeschlossen ist. Zwischen den Kurven entwickeln sich Ferrit, Perlit oder Bainit schrittweise; das Diagramm besagt nicht, dass sich die gesamte Probe in einem einzigen Augenblick umwandelt. Eine horizontale Linie bei einer gewählten Temperatur schneidet daher nach einer Inkubationszeit die Beginnkurve und erreicht die Endkurve nach einer längeren Haltezeit. Bei Temperaturen knapp unterhalb des eutektoiden Bereichs kann Austenit groben Perlit bilden, bei dem Ferrit und Zementit relativ weit voneinander entfernt angeordnet sind. Bei niedrigeren Temperaturen verringert sich der Lamellenabstand und der Perlit wird feiner. Ein noch niedrigerer Temperaturbereich kann zur Bildung von Bainit führen, dessen Anordnung von Ferrit und Karbid sich von derjenigen des Perlits unterscheidet. Die genauen Grenzen hängen von der Stahlzusammensetzung und den Prüfbedingungen ab. Legierungselemente wie Chrom, Molybdän, Nickel und Mangan verzögern im Allgemeinen diffusionsgesteuerte Reaktionen, indem sie die Phasenstabilität und die Diffusionsgeschwindigkeiten der substitutionell gelösten Atome verändern; ihre Wirkungen sind jedoch nicht bei jeder Stahlsorte identisch. Verwendung von Umwandlungsdiagrammen bei isothermen und kontinuierlichen Wärmebehandlungswegen. | Diagramm oder Weg | Wesentliche Bedingung | Typische Umwandlung oder Zweck | |---|---|---| | TTT | Halten bei konstanter Temperatur | Umwandlungskinetik von Perlit oder Bainit | | CCT | Kontinuierliches Abkühlen | Praktische Ofen- und Abschreckverläufe | | Austempern | Halten oberhalb von Ms und unterhalb des Perlitbereichs | Isotherme Bainitbildung | | Martempern | Halten nahe Ms zum Temperaturausgleich | Verringerter Temperaturgradient vor der Martensitbildung | Ein TTT-Diagramm ist besonders nützlich zum Verständnis isothermer Verfahren wie dem Bainitisieren. Austenit wird rasch auf eine ausgewählte Bainittemperatur abgekühlt, dort gehalten, bis die gewünschte Umwandlung stattgefunden hat, und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Diagramm hilft festzustellen, ob der Abkühlverlauf den Perlitbereich vermeidet und ob die Haltezeit ausreicht, um den erforderlichen Austenitanteil umzuwandeln. Es kann außerdem zeigen, warum eine für eine Zusammensetzung ausreichend erscheinende Haltezeit bei einer anderen Zusammensetzung nicht ausreicht. Die Martensitstarttemperatur, bezeichnet mit Ms, wird anders behandelt. Martensit entsteht durch eine diffusionslose Umwandlung: Der Kohlenstoff hat keine Zeit, sich während der Gitterumwandlung von Austenit in eine übersättigte tetragonal-raumzentrierte Struktur in Zementit umzuverteilen. Martensit beginnt sich zu bilden, wenn der Stahl unter seine von der Zusammensetzung abhängige Temperatur Ms abgekühlt wird. Die gebildete Menge nimmt im Allgemeinen zu, wenn die Temperatur in Richtung der Martensitfinishtemperatur Mf sinkt. Die Reaktion wird nicht in derselben Weise durch eine Inkubationszeit gesteuert wie die Perlitbildung. Wenn das Abschrecken oberhalb von Ms beendet wird, beginnt keine Martensitbildung; endet es zwischen Ms und Mf, kann ein Teil des Austenits untransformiert bleiben. ### Diagramme für kontinuierliches Erwärmen und kontinuierliches Abkühlen Industrieöfen und Abschreckanlagen reproduzieren nur selten die abrupten Temperaturänderungen, die zur Erstellung eines TTT-Diagramms verwendet werden. Ein Bauteil erwärmt sich kontinuierlich, kann über seinen Querschnitt Temperaturgradienten entwickeln und kühlt anschließend kontinuierlich an der Luft, in Öl, Polymer, Wasser, Salz oder einem kontrollierten Gas ab. Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme für kontinuierliches Erwärmen (CHT-Diagramme) beschreiben die Umwandlung während des Erwärmens mit einer festgelegten Geschwindigkeit, während Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme für kontinuierliches Abkühlen (CCT-Diagramme) die Umwandlung während eines ununterbrochenen Abkühlvorgangs beschreiben. Neigung zu diffusionsgesteuerten Umwandlungen Neigung zur martensitischen Umwandlung Der Artikel beschreibt langsameres Abkühlen als begünstigend für Ferrit und Perlit und schnelleres Abkühlen als begünstigend für Martensit; die dargestellten Werte sind ordinal und keine gemessenen Eigenschaften. Ein CCT-Diagramm enthält gewöhnlich mehrere Abkühlkurven, von denen jede eine andere Abkühlgeschwindigkeit darstellt. Eine langsame Kurve kann die Beginnbereiche von Ferrit und Perlit durchqueren und diffusionsgesteuerte Umwandlungsprodukte bilden, bevor sie den Bainit- oder Martensitbereich erreicht. Eine schnellere Kurve kann diese Bereiche umgehen und in das Martensitfeld eintreten. Die zum Vermeiden einer Umwandlung vor dem Erreichen von Ms erforderliche Abkühlgeschwindigkeit ist die kritische Abkühlgeschwindigkeit für die jeweilige Probe und den jeweiligen Austenitisierungszustand, nicht ein universeller Wert für eine Stahlfamilie. Der Schnittpunkt der Kurve mit den Grenzen für den Beginn und das Ende der Umwandlung ermöglicht eine praxisnahe Vorhersage der entstehenden Gefüge. Beispielsweise kann ein Abkühlverlauf für eine Probe aus AISI 1045 durch Ferrit-Perlit-Bereiche führen, die ein vergleichbarer Verlauf bei einer Probe aus AISI 4140 vermeidet, weil Chrom, Molybdän und Mangan die Umwandlungsreaktionen zu längeren Zeiten verschieben. Die beiden Stahlsorten können daher nicht ein gemeinsames allgemeines CCT-Diagramm verwenden, selbst wenn beide abgeschreckt und angelassen werden. CCT-Diagramme sind im Allgemeinen für Normalglühen, Luftabkühlung, direktes Abschrecken und industrielle Ofenzyklen nützlicher als TTT-Diagramme. Sie können anzeigen, ob die Oberfläche und das Zentrum eines dickwandigen Bauteils unterschiedlichen Verläufen folgen werden. Das Zentrum kühlt langsamer ab, weil die Wärme durch das umgebende Material geleitet werden muss; daher kann es Perlit oder Bainit bilden, während die Oberfläche Martensit erreicht. Dies bildet die Grundlage der Härtbarkeit: nicht einfach die maximal an der Oberfläche erzielbare Härte, sondern die Tiefe, bis zu der unter einem festgelegten Abschreckvorgang ein bestimmtes Gefüge oder eine bestimmte Härte erzeugt werden kann. Keines der beiden Diagramme ist eine universelle Karte. Ein beispielsweise für AISI 4140 ausgewiesenes Diagramm kann unter Verwendung eines festgelegten Kohlenstoffbereichs, einer Austenitisierungstemperatur, einer Haltezeit, einer ursprünglichen Korngröße, einer Probengeometrie und eines Abschreckmediums erstellt worden sein. Eine Änderung jedes einzelnen dieser Faktoren kann das Umwandlungsverhalten verändern. Eine feinere ursprüngliche Austenitkorngröße stellt mehr Keimbildungsstellen bereit und kann einige diffusionsgesteuerte Umwandlungen beschleunigen; übermäßiges Kornwachstum kann sie verzögern. Ein industrieller Wärmebehandlungszyklus muss daher anhand des tatsächlichen Schmelzenbereichs, der Abmessungen, der Ofengleichmäßigkeit und der Abschreckbedingungen überprüft werden. ### Auswirkungen von Keimbildung, Wachstum und Umwandlungsgeschwindigkeit Eine diffusionsgesteuerte Umwandlung erfordert sowohl Keimbildung als auch Wachstum. Bei der Keimbildung entstehen kleine Bereiche einer neuen Phase, während beim Wachstum Atome über die Grenzfläche transportiert werden und diese Bereiche sich vergrößern. Bei Temperaturen nahe der Gleichgewichtsumwandlungstemperatur kann die treibende Kraft für eine schnelle Keimbildung zu gering sein. Bei deutlich niedrigeren Temperaturen wird die Diffusion langsam. Die Umwandlung ist häufig bei einer mittleren Temperatur am schnellsten, was den Umwandlungsnasenpunkt der C-förmigen Beginnkurve erklärt. Die Inkubation ist der Zeitraum, bevor sich genügend stabile Keime gebildet haben, damit die Umwandlung nachgewiesen werden kann. Sie ist im allgemeinen verfahrenstechnischen Sinn keine verlorene Zeit; vielmehr spiegelt sie das Wechselspiel zwischen thermodynamischer Triebkraft, Grenzflächenenergie und atomarer Beweglichkeit wider. Das Halten von Austenit nahe dem Nasenpunkt eines TTT-Diagramms kann daher nur sehr wenig Zeit beanspruchen, bevor die Perlitbildung beginnt, während eine Haltezeit bei höherer Temperatur eine wesentlich längere Inkubation erfordern kann. Auch die Wachstumsgeschwindigkeit bestimmt das entstehende Gefüge. Ein schnelleres Wachstum bei höheren Umwandlungstemperaturen führt tendenziell zu gröberem Perlit, während die Umwandlung bei niedrigeren Temperaturen einen feineren Abstand und gewöhnlich eine höhere Festigkeit hervorbringt. Bainit entsteht durch eine andere Kombination aus Ferritwachstum und Kohlenstoffumverteilung, und seine Morphologie verändert sich mit der Temperatur. Martensit umgeht das gewöhnliche diffusionsgesteuerte Wachstum, erzeugt jedoch eine hohe Versetzungsdichte, Gitterverzerrungen und Eigenspannungen; gewöhnlich ist ein Anlassen erforderlich, um diese Auswirkungen zu verringern und Härte sowie Zähigkeit anzupassen. Laboratoriumsdiagramme isolieren die Variablen bei kleinen Proben. Industrielle Bauteile tun dies nicht. Ein geschmiedeter Welle kann mit Seigerungen, Zunder, Eigenspannungen und einem inhomogenen Ausgangsgefüge in den Ofen gelangen. Seine Oberfläche kann sich schneller erwärmen und abkühlen als sein Kern, während Ecken, Bohrungen und scharfe Übergänge den Wärmefluss verändern. ISO 17663:2023 behandelt daher die mit dem Schweißen und verwandten Verfahren verbundene Wärmebehandlung als qualitätskontrollierten Vorgang, der in Werkstätten oder vor Ort durchgeführt wird und auch die Beachtung thermischer Aufzeichnungen und Prozessbedingungen umfasst. ISO 683-1:2016 legt dagegen Lieferanforderungen für unlegierte Stähle fest, die hauptsächlich zum Abschrecken und Anlassen, Bainitisieren, Flammhärten, Induktionshärten und für ausgewählte normalgeglühte Zustände bestimmt sind. Umwandlungsdiagramme geben den Weg vor, ersetzen jedoch nicht die Messung. Thermoelemente, Härteprüfungen, metallografische Untersuchungen sowie Aufzeichnungen der Ofen- und Abschreckbedingungen sind erforderlich, um zu bestätigen, dass der vorgesehene Verlauf tatsächlich eingehalten wurde. Die entscheidende Frage lautet nicht, ob ein Stahl „erwärmt und abgekühlt“ wurde, sondern welche Umwandlungen an welchen Stellen stattfanden und wie ihr zeitlicher Ablauf das endgültige Verhältnis von Härte, Zähigkeit, Verzug und Eigenspannungen bestimmt hat. ## Wärmebehandlungsverfahren zum Weichglühen und Normalglühen Weichglüh- und Normalglühwege unterscheiden sich in Zweck und Abkühlverlauf. | Behandlung | Erwärmungsbedingung | Abkühlbedingung | Typisches Ergebnis | |---|---|---|---| | Vollständiges Weichglühen | In den Austenitbereich | Langsames Abkühlen im Ofen | Weiches, vergleichsweise grobes Ferrit-Perlit-Gefüge | | Weichglühen auf Kugelzementit | Bei oder knapp unter Ac1, häufig wiederholt | Langsames, kontrolliertes Abkühlen | Abgerundete Zementitteilchen in Ferrit | | Zwischenglühen | Unterhalb Ac1 | Kontrolliertes Abkühlen | Rekristallisiertes, weicheres kohlenstoffarmes Stahlgefüge | | Normalglühen | In den Austenitbereich | Abkühlen an ruhender Luft | Feineres und häufig festeres Ferrit-Perlit-Gefüge | Weichglühen ist kein festgelegtes Verfahren mit einem einzigen Erwärmungs- und Abkühlungsrezept. Es umfasst eine Gruppe thermischer Zyklen, die ausgewählt werden, um Härte, Duktilität, Zerspanbarkeit, Eigenspannungen, Gefüge oder den durch einen vorherigen Prozess hinterlassenen Zustand zu verändern. Der erforderliche Zyklus hängt vom Kohlenstoffgehalt, den Legierungszusätzen, der Querschnittsgröße, der vorausgegangenen Umformung, der Erwärmungsgeschwindigkeit, der Haltezeit, der Temperaturgleichmäßigkeit im Ofen und dem vorgesehenen Abkühlungsverlauf ab. Ein Verfahren, das ein dünnes kohlenstoffarmes Blech erweicht, kann für ein dickes Schmiedestück aus Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt ungeeignet sein, selbst wenn beide als „weichgeglüht“ bezeichnet werden. Die Phasenumwandlungen hinter diesen Verfahren werden gewöhnlich anhand des Eisen-Eisenkarbid-Diagramms erörtert. Dieses Diagramm beschreibt jedoch Gleichgewichtsbeziehungen und nicht die für die Umwandlung erforderliche Zeit. Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten verändern das tatsächliche Verhalten. Diagramme für kontinuierliches Erwärmen und kontinuierliches Abkühlen sowie Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme zeigen, wann Austenit entsteht und wann er sich in Ferrit, Perlit, Bainit oder andere Gefügeprodukte umwandelt. Die Darstellung der Wärmebehandlung von Stahl durch ASM International aus dem Jahr 2024 ordnet Weichglühen, Austenitisieren, Umwandlungsdiagramme, Härte und die Kontrolle von Eigenspannungen ausdrücklich in denselben Prozessrahmen ein. ### Vollglühen und verwandte Weichglühzyklen Vollglühen besteht im Allgemeinen darin, Stahl in den Austenitbereich zu erwärmen, ihn ausreichend lange zu halten, damit der Querschnitt einen geeigneten Zustand erreicht, und ihn im Ofen langsam abzukühlen. Bei untereutektoidem Stahl liegt die Austenitisierungstemperatur normalerweise über der oberen kritischen Temperatur Ac3, sodass sich der ursprüngliche Ferrit und Perlit ausreichend auflösen und Austenit bilden. Bei übereutektoidem Stahl wird der Zyklus gewöhnlich oberhalb von Ac1, jedoch unterhalb von Acm gewählt, sodass ein Teil des proeutektoiden Zementits erhalten bleibt, anstatt sämtliche Karbide aufzulösen. Die genaue Vorgehensweise variiert je nach Güte und Querschnittsgröße. Während der langsamen Ofenabkühlung wandelt sich der Austenit vergleichsweise nahe am Gleichgewicht um. Untereutektoide Zusammensetzungen bilden proeutektoiden Ferrit, gefolgt von Perlit; eutektoider Stahl wandelt sich hauptsächlich in Perlit um; übereutektoider Stahl bildet Perlit mit proeutektoidem Zementit. Das entstehende Gefüge ist gewöhnlich weicher und gröber als das durch Luftabkühlung erzeugte Gefüge. Gröberer Perlit weist einen größeren Lamellenabstand auf, wodurch der Widerstand gegen Zerspanung und Verformung sinkt, zugleich aber auch Festigkeit und Härte abnehmen. Das Ziel besteht häufig darin, den Stahl vor der Bearbeitung oder Kaltumformung zu erweichen. Vollglühen kann die Schnittkräfte verringern, den Werkzeugverschleiß reduzieren und eine gleichmäßigere Härte in einem großen Schmiedestück oder Gussstück erzielen. Es kann außerdem ein uneinheitliches Gussgefüge oder ein durch vorherige Überhitzung entstandenes Gefüge durch eine besser vorhersehbare Ferrit-Perlit-Anordnung ersetzen. Es beseitigt jedoch nicht automatisch jeden Fehler: Seigerungen, übermäßiges Kornwachstum, Entkohlung und Karbidnetzwerke können bestehen bleiben oder deutlicher hervortreten, wenn Temperatur und Haltezeit schlecht kontrolliert werden. Ein dicker Querschnitt erschwert die Kontrolle des Ergebnisses. Seine Oberfläche folgt der Ofentemperatur schneller als sein Kern, während der Kern langsamer abkühlt und sich bei einer anderen Temperatur umwandeln kann. Die Außenzone kann daher feineren Perlit als die Mitte enthalten oder eine andere Ferritbildung aufweisen, selbst wenn der Ofenzyklus korrekt aufgezeichnet wurde. Die Temperaturmessung muss das Werkstück repräsentieren und darf sich nicht lediglich auf die Ofenatmosphäre beziehen. Sphäroidisieren ist ein weiterer Weichglühzyklus, der insbesondere für kohlenstoffreiche Stähle und Werkzeugstähle von Bedeutung ist, die vor dem Härten bearbeitet werden müssen. Langes Halten knapp unterhalb von Ac1 oder wiederholtes Erwärmen über Ac1 mit anschließender langsamer Abkühlung begünstigt die Bildung von abgerundeten Zementitteilchen in einer Ferritmatrix. Sphäroidisierte Karbide machen kohlenstoffreichen Stahl im Allgemeinen leichter zerspanbar als ein feinlamellarer Perlit und schaffen einen geeigneten Ausgangszustand für das anschließende Austenitisieren. Der Zyklus kann langwierig sein, da der Zementit seine Form durch Diffusion verändern muss; ein kurzer Aufenthalt im Ofen kann nicht dasselbe Ergebnis hervorbringen. Isothermes Glühen ermöglicht eine genauere Kontrolle als gewöhnliche Ofenabkühlung. Der Stahl wird aus dem Austenitisierungsbereich auf eine ausgewählte Temperatur im Perlitumwandlungsbereich abgekühlt, dort gehalten, bis die Umwandlung weitgehend abgeschlossen ist, und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Halten kann ein gleichmäßigeres Gefüge erzeugen und bei bestimmten Güten den Gesamtzyklus verkürzen, erfordert jedoch eine kontrollierte Ausrüstung und einen auf die Zusammensetzung abgestimmten Umwandlungsplan. ### Rekristallisationsglühen und Spannungsarmglühen Rekristallisationsglühen ist gewöhnlich eine unterkritische Wärmebehandlung, die nach der Kaltumformung auf kohlenstoffarmen oder niedriglegierten Stahl angewendet wird. Das Material wird unterhalb von Ac1 erwärmt, häufig auf einen Bereich, der eine Rekristallisation ohne Austenitbildung ermöglicht, anschließend gehalten und mit kontrollierter Geschwindigkeit abgekühlt. Neue, vergleichsweise spannungsfreie Ferritkörner ersetzen die durch Walzen, Ziehen, Biegen oder Pressen entstandenen gestreckten und verzerrten Körner. Die Härte nimmt ab, die Duktilität kehrt zurück, und der Stahl kann erneut besser umgeformt werden. Die Temperatur muss hoch genug für die Rekristallisation sein, darf jedoch nicht so hoch liegen, dass unerwünschtes Kornwachstum einsetzt. Der vorherige Umformgrad ist von Bedeutung: Stark kaltverformter Stahl enthält mehr gespeicherte Energie und kann leichter rekristallisieren als schwach verformtes Material. Auch der Kohlenstoffgehalt und die Legierungselemente beeinflussen die Rekristallisationskinetik. Ein für ein kohlenstoffarmes Blech geeigneter Zyklus kann nicht unmittelbar auf eine höher kohlenstoffhaltige oder legierte Güte übertragen werden. Das Spannungsarmglühen behandelt ein anderes Problem. Eigenspannungen entstehen durch Schweißen, Bearbeitung, ungleichmäßige Abkühlung, Gießen, Umformen oder örtliche Erwärmung. Ein unterkritisches Halten ermöglicht begrenzte Diffusion und plastische Anpassung, um Spannungen zu verringern, ohne die Matrix gezielt umzuwandeln. Die Behandlung kann Verformungen während einer späteren Bearbeitung reduzieren und das Risiko von Rissen oder Maßänderungen senken, lässt Eigenspannungen jedoch nicht gleichmäßig verschwinden. Scharfkantige Geometrien, Schrumpfbehinderungen beim Schweißen, Temperaturgradienten und ungleiche Querschnittsdicken bleiben weiterhin von Bedeutung. Das Spannungsarmglühen nach dem Schweißen erfordert Aufmerksamkeit für das Schweißgut, die Wärmeeinflusszone, den Grundwerkstoff und die Bauteilbehinderungen. ISO 17663:2023 legt Qualitätsanforderungen für die Wärmebehandlung in Luft oder kontrollierten Atmosphären, in Werkstätten oder vor Ort fest, hauptsächlich für ferritische Stähle und damit verbundene geschweißte oder umgeformte Bauteile. Die praktische Bedeutung liegt darin, dass Ofenkalibrierung, Anordnung der Thermoelemente, Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten, Auflagebedingungen und Aufzeichnungen das Ergebnis ebenso stark beeinflussen können wie die Nenn-Temperatur. ### Normalglühen und Kornfeinung Normalglühen bedeutet gewöhnlich, Stahl in den Austenitbereich zu erwärmen, ihn bis zur Umwandlungsbereitschaft zu halten und ihn anschließend an ruhender Luft statt im Ofen abzukühlen. Die Luftabkühlung ist schneller als die Ofenabkühlung, sodass sich der Austenit bei einer niedrigeren Temperatur umwandelt und bei vielen Kohlenstoffstählen und niedriglegierten Stählen feineren Ferrit und Perlit bildet. Der normalgeglühte Zustand ist gewöhnlich fester und härter als der vollgeglühte Zustand, behält jedoch eine brauchbare Duktilität. Der Begriff „Kornfeinung“ muss näher erläutert werden. Normalglühen kann grobe Körner verfeinern, die durch Schmieden, Gießen, thermische Zyklen beim Schweißen oder übermäßige Erwärmung entstanden sind. Es kann jedoch nicht jede Form von Seigerung korrigieren oder ein durchgehendes Karbidnetzwerk beseitigen. Die Kornfeinung hängt von der Austenitkorngröße ab, die während der Erwärmung entsteht. Übermäßige Temperatur oder Haltezeit kann die Austenitkörner vor der Luftabkühlung wachsen lassen und dadurch das angestrebte Ergebnis beeinträchtigen. Der Kohlenstoffgehalt verändert sowohl die Umwandlungstemperatur als auch die endgültigen Gefügeanteile. Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts steigert im Allgemeinen bis zur eutektoiden Zusammensetzung den Perlitanteil und erhöht die Härte nach dem Normalglühen. Eine kohlenstoffarme Güte kann überwiegend ferritisch bleiben und relativ wenig Perlit enthalten; eine Güte mit mittlerem Kohlenstoffgehalt entwickelt mehr Perlit und eine höhere Festigkeit; eine übereutektoide Güte kann Perlit plus proeutektoiden Zementit bilden. Legierungselemente können die Umwandlung verzögern und das Ferrit-Perlit-Gleichgewicht verändern. Daher können einige Stähle bei der Luftabkühlung Bainit oder andere Gefügeprodukte bilden, wenn der Querschnitt dünn oder die Abkühlungsgeschwindigkeit ausreichend hoch ist. Die Querschnittsgröße kehrt diese Situation um. Ein dünnes Bauteil verliert Wärme schnell und kann zu einem feineren Gefüge normalisieren, während der Kern eines schweren Querschnitts langsam abkühlt und sich einem geglühten Zustand annähern kann. Geometrie, Kontakt mit Vorrichtungen, Ofenbeladung und Luftbewegung führen zu weiteren Abweichungen. Normalglühen ist daher ein festgelegtes Abkühlungsverfahren und nicht lediglich eine Bezeichnung für jeden außerhalb eines Ofens abgekühlten Stahl. ISO 683-1:2016 erkennt unlegierte Stähle an, die für mehrere Wärmebehandlungszustände geliefert werden, darunter in bestimmten Fällen normalgeglühte Zustände; die festgelegte Güte und der Lieferzustand bestimmen weiterhin die zulässige Mikrostruktur und die Eigenschaften. ## Abschrecken, Härtung und Härtbarkeit \[5\] \[5\] [**Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treatment**](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/49/chapter-abstract/608501/Basic-Principles-and-Design-Guidelines-for-Heat). ASM International. ASM Handbook chapter, 2024. Abschrecken ist nicht einfach eine schnelle Abkühlung nach dem Erwärmen. Es ist der gezielte Versuch, einen austenitisierten Stahl so schnell durch bestimmte Temperaturbereiche zu führen, dass diffusionsgesteuerte Umwandlungen wie Perlit und proeutektoider Ferrit unterdrückt werden, während Martensit oder ein anderer spezifizierter Härtungsgefügezustand entsteht. Das Ergebnis hängt von der Zusammensetzung, der Austenitkorngröße, der Querschnittsgeometrie, der Temperaturgleichmäßigkeit, der Abkühlkurve und den während der Umwandlung erzeugten Spannungen ab. Das ASM Handbook Volume 4A behandelt diese Variablen zusammen mit Austenitisieren, Härte, Härtbarkeit, Abschrecken, Anlassen, Bainitisieren, Martempern und Randschichthärten (ASM International, 2024). ### Abschrecken und martensitische Umwandlung Vor dem Abschrecken wird der Stahl auf Bedingungen erwärmt, unter denen sich Austenit bildet. Bei untereutektoiden Stählen bedeutet dies normalerweise ein Erwärmen über die obere kritische Temperatur, sodass sich Ferrit und Perlit ausreichend in Austenit auflösen. Bei einem eutektoiden Stahl muss das perlitische Gemisch in Austenit umgewandelt werden; bei einem übereutektoiden Stahl kann die Behandlung abhängig von der vorgegebenen Temperatur einen Teil des proeutektoiden Zementits erhalten. Die Haltezeit muss es dem Querschnitt ermöglichen, einen geeigneten und möglichst gleichmäßigen Zustand zu erreichen. Eine übermäßig lange Haltezeit oder eine zu hohe Temperatur kann jedoch die Austenitkörner vergrößern, die Oxidation verstärken und die Verformung verschlimmern. Austenit kann wesentlich mehr Kohlenstoff lösen als Ferrit. Bei langsamer oder mäßiger Abkühlung hat der Kohlenstoff Zeit zu diffundieren, sodass sich Ferrit, Zementit oder Perlit bilden können. Durch schnelles Abkühlen wird diese Zeit verkürzt. Wenn der Abkühlverlauf die Bereiche der Perlit- und Bainit-Umwandlung in einem Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm umgeht, erreicht der Austenit die Martensitstarttemperatur Ms. Anschließend bildet sich Martensit durch eine diffusionslose Scherumwandlung, während der Kohlenstoff in einer übersättigten, raumzentriert tetragonalen Struktur eingeschlossen bleibt. Durch weiteres Abkühlen entsteht zusätzlicher Martensit, bis die Martensitfinishtemperatur Mf erreicht wird. Martensit erhöht die Härte, weil sein verzerrtes Gitter der Versetzungsbewegung widersteht. Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst dieses Verhalten stark: Ein höherer gelöster Kohlenstoffgehalt erhöht im Allgemeinen die Härte des abgeschreckten Martensits und senkt Ms und Mf. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur kann ein Stahl daher noch etwas unverwandelten Austenit enthalten, insbesondere wenn der Kohlenstoff- und Legierungsgehalt hoch ist oder der Querschnitt keine ausreichend niedrige Temperatur erreicht. Restaustenit kann sich später während des Betriebs, der Bearbeitung, einer Tieftemperaturbehandlung oder des Anlassens umwandeln und dadurch Abmessungen und Spannungen verändern. Der Kern eines großen Bauteils kühlt langsamer ab als seine Oberfläche. Dieser Unterschied kann dazu führen, dass sich im Inneren Perlit oder Bainit bildet, selbst wenn die Oberfläche martensitisch wird. Das Abschrecken erzeugt außerdem Temperaturgradienten: Die Oberfläche zieht sich zuerst zusammen, während der heiße Kern dieser Kontraktion entgegenwirkt. Die Umwandlungsdehnung bildet eine weitere Spannungsquelle, da die Umwandlung von Austenit in Martensit mit einer Volumenzunahme verbunden ist. Rissbildung ist die extreme Folge, häufiger sind jedoch Verformung, Eigenspannungen und Maßänderungen. Das gewünschte Gefüge muss daher über den gesamten Querschnitt beurteilt werden und nicht allein anhand eines Oberflächenhärtewerts. Auf das Abschrecken folgt normalerweise das Anlassen. Dabei werden Abschreckspannungen verringert und übersättigter Martensit durch kontrollierte Ausscheidungs- und Erholungsvorgänge in angelassenen Martensit umgewandelt. Die gewählte Anlasstemperatur und -zeit bestimmen das Verhältnis zwischen Härte, Festigkeit, Zähigkeit und Maßstabilität. Ein abgeschrecktes Bauteil, das nicht angelassen wird, kann zwar eine hohe Härte, aber eine geringe Beständigkeit gegen Rissbildung oder Stoßbeanspruchung aufweisen. ### Härte im Vergleich zur Härtbarkeit Härte ist der gemessene Widerstand gegen eine örtlich begrenzte Verformung. Rockwell-C-, Vickers- und Brinell-Prüfungen geben an, was an einer bestimmten Prüfposition unter einer festgelegten Last, mit einem definierten Eindringkörper und nach einem bestimmten Verfahren geschieht. Ein Oberflächenhärtewert sagt nicht aus, wie tief das Bauteil gehärtet wurde, ob der Kern martensitisch ist oder ob das Ergebnis durch Abschrecken, Aufkohlen, Induktionshärten oder eine andere Behandlung erzielt wurde. Die Härtbarkeit ist etwas anderes. Sie bezeichnet die Fähigkeit eines Stahlquerschnitts, unter festgelegten Austenitisierungs- und Abschreckbedingungen über seine Tiefe hinweg ein gehärtetes Gefüge zu entwickeln. Sie beschreibt das Umwandlungsverhalten und nicht eine einzelne Härtezahl. Zwei Stähle können bei vollständig martensitischem Gefüge eine ähnliche maximale Oberflächenhärte erreichen und sich dennoch stark darin unterscheiden, bis zu welcher Tiefe diese Härte erhalten bleibt. Der Kohlenstoff bestimmt weitgehend die maximale Härte des Martensits; Legierungselemente wie Mangan, Chrom, Molybdän und Nickel verzögern im Allgemeinen diffusionsgesteuerte Umwandlungen und erhöhen die Härtbarkeit. Bor kann bei sehr kleinen, kontrollierten Zugaben eine starke Wirkung haben, sofern es an den Austenitkorngrenzen wirksam bleibt. Jominy-Stirnabschreckversuch **Jominy-Stirnabschreckversuch** Ein genormter Versuch, bei dem ein Ende einer austenitisierten Probe mit Wasser abgeschreckt und die Härte in verschiedenen Abständen vom abgeschreckten Ende gemessen wird, um die Härtbarkeit zu charakterisieren. Die Härtbarkeit wird durch die Stirnabschreckprüfung nach Jominy als Härteprofil entlang einer genormten Probe ausgedrückt. Auf ein Ende trifft Wasser, wodurch sich über die Probenlänge unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten ergeben. Die in festgelegten Abständen gemessene Härte zeigt, wie weit der Stahl unter dieser Prüfbedingung Martensit bilden kann. Die Kurve ist keine unmittelbare Garantie für jedes Bauteil. Ein dickes Zahnrad, ein dünnes Blech und ein komplexes Gussstück weisen unterschiedliche thermische Vorgeschichten auf, selbst wenn sie aus derselben Stahlschmelze gefertigt wurden. Die Querschnittsgröße ist entscheidend, da die Wärme vom Inneren zur kühlenden Oberfläche gelangen muss. Ein kleiner Durchmesser kann über den gesamten Querschnitt schnell abkühlen, während sich in einem schweren Querschnitt Martensit möglicherweise nur in der Nähe der Außenfläche bildet. Die Geometrie verändert die Situation zusätzlich: Bohrungen, scharfe Ecken, Keilnuten, dünne Stege und abrupte Übergänge der Wanddicke konzentrieren Wärmefluss und Spannung. Auch die Austenitkorngröße beeinflusst die Härtbarkeit. Gröbere Körner bieten weniger Keimbildungsstellen für Ferrit und Perlit und verzögern häufig diese Umwandlungen. Ein übermäßiges Kornwachstum verringert jedoch die Zähigkeit und kann die Verformung oder Rissbildung verstärken. Die Härtbarkeit darf nicht mit „Härte nach jedem Abschrecken“ verwechselt werden. Ein Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt kann an der Oberfläche sehr hart sein und dennoch eine begrenzte Härtungstiefe aufweisen. Umgekehrt kann ein mittelgekohlter legierter Stahl eine geringere maximale martensitische Härte besitzen, aber dieses Gefüge weiter in einen großen Querschnitt hinein entwickeln. Die Behandlungsspezifikation muss die Stahlsorte, die Austenitisierungstemperatur, die Haltebedingungen, das Abschreckmittel, die Umwälzung, die Bauteilgeometrie und die Abnahmestellen festlegen. ### Kühlmedien und Abschreckintensität #### Variablen, die die Abschreckintensität verändern - **Medium** Wasser, Salzlösung, Öl, Polymer, Gas oder ein unterbrochener Verlauf führen zu einem jeweils anderen Abkühlverhalten. - **Umwälzung** Die Flüssigkeitsbewegung durchbricht Dampffilme und führt an der Oberfläche kühlere Flüssigkeit nach. - **Zustand** Temperatur, Konzentration, Verunreinigung, Alterung und Badvolumen verändern die Abkühlung. - **Geometrie** Ecken, Bohrungen, Stege und dicke Querschnitte erzeugen örtliche Unterschiede bei der Abkühlung. - **Ausrichtung** Die Lage des Bauteils verändert den Zugang des Fluids und die daraus resultierende Abkühlkurve. Wasser, Salzlösung, Öl, Polymerlösungen, Gas und unterbrochenes Abkühlen sind Klassen von Kühlverfahren und keine beliebig austauschbaren Rezepturen. Ihre Wirkung hängt von Temperatur, Konzentration, Umwälzung, Verunreinigung, Badvolumen, Beladung des Bades mit Bauteilen und Oberflächenzustand ab. Selbst dasselbe nominelle Abschreckmittel kann in unterschiedlichen Anlagen verschiedene Abkühlkurven erzeugen. Wasser bietet normalerweise eine starke Kühlwirkung im Hochtemperaturbereich, doch die Bildung eines Dampfhautfilms kann eine heiße Oberfläche vorübergehend isolieren. Wenn der Dampfmantel zusammenbricht, kann die Abkühlung sehr intensiv und ungleichmäßig werden. Salzlösung verringert die Beständigkeit des Dampfhautfilms und kann dadurch aggressiver kühlen, wodurch das Risiko von Verformung und Rissbildung steigt. Diese Medien können für komplizierte Formen oder für Stähle mit hoher Härtbarkeit ungeeignet sein, wenn ein weniger intensives Abschrecken das erforderliche Gefüge erzielen kann. Öl kühlt im Allgemeinen weniger heftig als Wasser oder Salzlösung und kann den Thermoschock verringern. Allerdings verändern Ölsorte, Temperatur, Umwälzung, Oxidation und Verunreinigung sein Verhalten. Polymerlösungen decken einen breiten Bereich ab: Konzentration und Umwälzung können angepasst werden, um die Abschreckintensität zu verändern. Dabei ist jedoch eine Kontrolle erforderlich, da eine Änderung der Konzentration den Prozess verändert. Das Abschrecken mit Gas, einschließlich Druckgas aus einem Inertgas, kann eine sauberere und gleichmäßigere Kühlung ermöglichen. Seine Abschreckintensität kann jedoch für einen großen Querschnitt oder eine Stahlsorte mit geringer Härtbarkeit unzureichend sein. Die Abschreckintensität betrifft das Verhältnis zwischen dem Abschreckmittel und der Bauteiloberfläche und nicht lediglich die Bezeichnung des Mediums. Die Umwälzung zerstört Dampfhautfilme und führt der Oberfläche kontinuierlich kältere Flüssigkeit zu. Eine übermäßige oder ungleichmäßige Umwälzung kann eine uneinheitliche Härte und Verformung hervorrufen. Ein Abschreckmittel in schlechtem Zustand kann Wasser, abgebautes Polymer, Schlamm oder übermäßig viele Oxidationsprodukte enthalten; seine Abkühlkurve weicht dann vom qualifizierten Prozess ab. Unterbrochenes Abkühlen verändert den Abkühlverlauf gezielt. Beim Martempern wird das Bauteil schnell auf eine Temperatur oberhalb von Ms oder in deren Nähe abgekühlt und so lange gehalten, bis sich die Temperatur ausgeglichen hat, ohne dass eine wesentliche Bainit- oder Perlitbildung zugelassen wird. Anschließend wird es durch den Martensitbereich abgekühlt. Dadurch wird der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern verringert und die Verformung kann reduziert werden; die Umwandlungsspannung wird jedoch nicht beseitigt. Beim Bainitisieren wird der austenitisierte Stahl stattdessen in ein Bad überführt, in dem sich Bainit isotherm bildet. So entsteht ein spezifizierter gehärteter Gefügezustand, ohne dass ein gewöhnliches martensitisches Abschrecken erforderlich ist. Die Behandlung von Umwandlungsdiagrammen und der Kontrolle von Eigenspannungen durch ASM aus dem Jahr 2024 macht den zentralen Punkt deutlich: Das Abschrecken muss anhand des kontinuierlichen Abkühlverhaltens des Stahls und der thermischen Vorgeschichte des Bauteils ausgelegt werden. ISO 683-1:2016 behandelt unlegierte Stähle, die hauptsächlich zum Abschrecken und Anlassen, Bainitisieren, Flammhärten, Induktionshärten sowie für bestimmte normalisierte Zustände bestimmt sind. Für geschweißte oder umgeformte Bauteile aus Ferritstahl ordnet ISO 17663:2023 die Wärmebehandlung in einen qualitätsgesicherten Prozess ein, der in einer Werkstatt oder vor Ort stattfinden kann. Keine der beiden Normen macht ein bestimmtes Kühlmedium allgemein geeignet. Die richtige Wahl ist diejenige, die das erforderliche Gefüge und die erforderlichen Eigenschaften erzeugt und gleichzeitig Härteabweichungen, Verformung, Eigenspannungen und Rissbildung innerhalb der festgelegten Grenzen hält. ## Anlassen und die Kontrolle abgeschreckten Stahls ### Warum Martensit im Abschreckzustand selten der Endzustand ist Durch Abschrecken kann Martensit entstehen, doch Martensit ist ein Zustand, der durch Unterdrückung der Diffusion erzeugt wird, und kein stabiler Endzustand für die meisten technischen Bauteile. Während des Abschreckens wandelt sich Austenit in eine übersättigte, verzerrte, tetragonal raumzentrierte Struktur um, in der der Kohlenstoff nur wenig Zeit zur Umverteilung hat. Das Ergebnis können eine sehr hohe Härte und Festigkeit, aber auch erhebliche Eigenspannungen, geringe Duktilität, eine niedrige Bruchzähigkeit und eine instabile Maßhaltigkeit sein. Das Problem besteht nicht einfach darin, dass der Stahl „zu hart“ ist. Verschiedene Bereiche eines Bauteils kühlen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ab. Die Oberfläche kann sich vor dem Kern umwandeln, während Ecken und Bohrungen lokale Behinderungen verursachen. Wärmekontraktion, Umwandlungsdehnung, Restaustenit und die mit der Martensitbildung verbundene Volumenänderung können sich zu Zugspannungen, Verzug oder Abschreckrissen verbinden. Ein großer Querschnitt kann außerdem ein Gemisch aus Martensit, Bainit, Perlit und Restaustenit enthalten, anstatt eine einzige gleichmäßige Struktur aufzuweisen. Kohlenstoffgehalt, Legierungszusätze, Härtbarkeit, Querschnittsgröße, Abschreckmedium, Umwälzung und Geometrie beeinflussen sämtlich dieses Ergebnis. \[6\] \[6\] [**Steel and Its Heat Treatment**](https://www.sciencedirect.com/book/9780408014243/steel-and-its-heat-treatment). Elsevier. Technical reference, 1984. Anlassen ist das kontrollierte Wiedererwärmen von abgeschrecktem Stahl auf eine Temperatur unterhalb des maßgeblichen Umwandlungsbereichs, üblicherweise unterhalb der Temperatur, bei der sich neuer Austenit bilden würde. Der Stahl wird ausreichend lange auf dieser Temperatur gehalten, damit ausgewählte Diffusions- und Ausscheidungsreaktionen ablaufen können, und anschließend unter kontrollierten Bedingungen abgekühlt. Diese Behandlung verringert die Sprödigkeit und die Eigenspannungen und stellt gleichzeitig Härte, Zugfestigkeit, Zähigkeit, Verschleißbeständigkeit und Maßhaltigkeit ein. Wie ASM International in seinem Material zur Wärmebehandlung aus dem Jahr 2024 erläutert, muss das Anlassen im Zusammenhang mit Austenitisieren, Umwandlungsdiagrammen, Härte und Härtbarkeit, Abschrecken, Verzug sowie der Kontrolle von Eigenspannungen betrachtet werden. Dieser Zusammenhang ist entscheidend. Anlassen kann eine ungeeignete Austenitisierung oder ein unkontrolliertes Abschrecken nicht korrigieren; es verändert die Struktur, die in den vorherigen Prozessschritten entstanden ist. ### Anlassreaktionen und Eigenschaftsoptimierung Das Anlassen beginnt mit der Umverteilung des im Martensit eingeschlossenen Kohlenstoffs. In der frühesten Phase bewegt sich der Kohlenstoff über kurze Distanzen und kann Übergangskarbide bilden, während die tetragonale Verzerrung des Martensits abnimmt. Die Matrix wird weniger übersättigt, und ein Teil der mit dem Gitter im Abschreckzustand verbundenen Spannungen wird abgebaut. Dies kann zu einer mäßigen Verringerung der Härte führen und zugleich die Rissbeständigkeit verbessern. Bei weiterem Anlassen gehen die Übergangsstrukturen in stabilere Karbidanordnungen über. In unlegierten Kohlenstoffstählen wird Zementit zum wichtigsten Karbid und bildet sich innerhalb einer ferritischen Matrix, während die martensitische Struktur ihre extreme Übersättigung verliert. In legierten Stählen können Chrom, Molybdän, Vanadium, Wolfram oder andere karbidbildende Elemente die Ausscheidungsreaktionen verändern und bei geeigneten Temperaturverläufen Legierungskarbide erzeugen. Diese Reaktionen laufen nicht augenblicklich ab. Die Temperatur bestimmt, welche Reaktionen möglich sind und wie schnell sie ablaufen; die Zeit bestimmt, wie weit sie fortschreiten. Die Einstellung der Eigenschaften hängt daher vom vollständigen Zeit-Temperatur-Verlauf ab und nicht allein von einer nominellen Ofeneinstellung. Höhere Anlasstemperaturen beschleunigen im Allgemeinen die Kohlenstoffumverteilung und die Vergröberung der Karbide. Dadurch verringern sich Härte und Festigkeit stärker, während Zähigkeit und Duktilität häufig in nützlichem Maß zunehmen. Niedrigere Temperaturen bewahren mehr Härte, bauen jedoch weniger Spannungen ab und lassen einen größeren Anteil der abgeschreckten Struktur chemisch und mechanisch instabil. Die tatsächliche Reaktion hängt von Kohlenstoffgehalt, Legierungsgehalt, vorheriger Austenitkorngröße, Martensitmorphologie, Restaustenit und der Bauteilgröße ab. Restaustenit erfordert besondere Aufmerksamkeit. Er kann sich während des Anlassens oder später im Betrieb umwandeln und dadurch eine Maßänderung verursachen, die bei Präzisionsteilen unzulässig ist. Ein Anlassplan kann so ausgelegt werden, dass dieses Risiko verringert wird; das Ergebnis hängt jedoch von der Stahlsorte sowie von Menge und Stabilität des Restaustenits ab. Bei einigen Bauteilen ist mehr als ein Anlasszyklus erforderlich, wobei zwischen den Zyklen abgekühlt wird, damit die neu umgewandelten Bestandteile anschließend erneut angelassen werden. Wiederholte Zyklen können außerdem die Maßhaltigkeit verbessern, wenn der erste Zyklus zusätzliche Umwandlungen sichtbar macht oder auslöst. Die Haltezeit auf Temperatur muss für den kältesten oder am wenigsten erwärmten Bereich der Charge ausreichen und darf nicht lediglich daran bemessen werden, dass die Ofenanzeige den Sollwert erreicht hat. Dicke Querschnitte, dicht gepackte Chargen und Bauteile mit großen Massenunterschieden können Temperaturgradienten entwickeln. Die Gleichmäßigkeit der Erwärmung ist folglich eine metallurgische Einflussgröße. Eine Oberfläche, die die vorgesehene Temperatur früh erreicht, kann überanlassen, während sich der Kern dieser Temperatur noch nähert. Ofenkalibrierung, Anordnung der Charge, Abstände zwischen den Bauteilen, Atmosphärenkontrolle und die Überwachung an repräsentativen Stellen gehören zur Behandlung, insbesondere wenn Festigkeits- oder Maßtoleranzen vorgegeben sind. Die Unterscheidung zwischen Gleichgewichtszustand und Umwandlungsverhalten bleibt auch hier nützlich. Das Eisen-Eisenkarbid-Diagramm zeigt die Gleichgewichtsbeziehungen der Phasen, während das Anlassen von kinetischen Reaktionen abhängt, die während eines begrenzten Temperaturzyklus ablaufen. Die Erörterung der Wärmebehandlung von Stahl durch ASM aus dem Jahr 2024 trennt diese Gleichgewichtskonzepte vom Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten sowie vom Verhalten bei kontinuierlichem Erwärmen oder kontinuierlichem Abkühlen. Auch das Anlassen ist ein kinetischer Prozess: Zwei Zyklen, die dieselbe nominelle Temperatur erreichen, können unterschiedliche Strukturen erzeugen, wenn sich ihre Aufheizgeschwindigkeiten, Haltezeiten, Abkühlgeschwindigkeiten oder vorherigen Abschreckbedingungen unterscheiden. ISO 683-1:2016 behandelt unter anderem die technischen Lieferbedingungen für unlegierte Stähle, die hauptsächlich zum Vergüten vorgesehen sind. Für geschweißte oder umgeformte Bauteile aus ferritischem Stahl ordnet ISO 17663:2023 die Wärmebehandlung in einen Rahmen der Qualitätskontrolle ein, der Arbeiten in Werkstätten oder vor Ort sowie in Luft oder kontrollierten Atmosphären umfasst. Keine der beiden Normen macht einen einzigen Anlasszyklus für jede Stahlsorte oder jede Geometrie geeignet. Der spezifizierte Stahl, die Erzeugnisform, die Querschnittsgröße und die geforderten Eigenschaften bestimmen weiterhin das Verfahren. ### Anlassversprödung und Temperaturkontrolle Die Anlassversprödung ist eine anerkannte Schadensart und nicht lediglich ein unbeabsichtigter Härteverlust. Das Fachwerk *Steel and Its Heat Treatment* (Elsevier, 1984) führt Anlassversprödung als eines der zentralen Themen der Wärmebehandlung von Stahl auf. Bei anfälligen legierten Stählen kann sich die Versprödung nach bestimmten Anlass- und Abkühlverläufen entwickeln, insbesondere wenn sich Verunreinigungselemente an den früheren Austenitkorngrenzen anreichern. Phosphor, Zinn, Antimon und Arsen werden häufig mit diesem Mechanismus in Verbindung gebracht, während die Legierungszusammensetzung und die vorherige Verarbeitung die Empfindlichkeit beeinflussen. Die Gefahr besteht in einer Verringerung der Kerbschlagzähigkeit ohne eine entsprechende Veränderung der konventionellen Zugeigenschaften. Ein Bauteil kann eine scheinbar akzeptable Härte beibehalten und dennoch unter Stoßbeanspruchung oder bei niedrigeren Betriebstemperaturen anfälliger für interkristallinen Bruch werden. Temperaturbereich und Ausprägung sind keine allgemein gültigen Größen: Sie hängen von der Stahlchemie, der Seigerung, der Austenitkornstruktur, der Haltezeit und der Abkühlpraxis ab. Eine von der Stahlsorte und der Spezifikation losgelöste Vorgabe kann daher irreführend sein. Die Kontrolle kann die Auswahl einer weniger anfälligen Zusammensetzung, die Begrenzung schädlicher Restelemente, die Vermeidung ungeeigneter Temperaturbeanspruchungen und die Anwendung der vorgeschriebenen Abkühlpraxis nach dem Anlassen umfassen. Bei einigen legierten Stählen ist nach dem Anlassen eine schnelle Abkühlung durch den anfälligen Temperaturbereich erforderlich; bei anderen kann die maßgebliche Spezifikation ein anderes Verfahren oder eine Überprüfung der Kerbschlagzähigkeit vorschreiben. Die richtige Vorgehensweise wird durch die Werkstoffnorm, die Funktion des Bauteils und die Prüfanforderungen bestimmt. Die Temperaturmessung muss den Stahl und nicht nur die Ofenatmosphäre repräsentieren. Die Platzierung der Thermoelemente, Gleichmäßigkeitsprüfungen des Ofens, die Chargengröße und die Überführungszeit beeinflussen den tatsächlichen Zyklus. Eine verzögerte Überführung oder eine ungleichmäßige Abkühlung kann die Karbidausscheidung und das Versprödungsrisiko verändern, selbst wenn der aufgezeichnete Sollwert korrekt erscheint. Anlassen ist daher eine Regelungsaufgabe: Die Zusammensetzung bestimmt die möglichen Reaktionen, das Abschrecken legt die Ausgangsstruktur fest, und der anschließende Zeit-Temperatur-Verlauf bestimmt das Gleichgewicht zwischen Härte, Zähigkeit, Spannungsabbau und Stabilität. ## Austempern und Martempern Austempern und Martempern sind unterschiedliche Verfahren des unterbrochenen Abschreckens. | Verfahren | Halteposition | Beabsichtigte Umwandlung | Hauptvorteil | |---|---|---|---| | Austempern | Oberhalb Ms und unterhalb des Perlitbereichs | Bainit | Kontrolliertes bainitisches Gefüge und potenziell geringerer Verzug | | Martempern | Nahe Ms oder knapp oberhalb davon | Martensit beim anschließenden Abkühlen | Verringerter Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern vor der Martensitbildung | | Direktes Abschrecken | Durch den Umwandlungsbereich ohne Ausgleichshaltezeit | Gewöhnlich Martensit, sofern die Abkühlung ausreicht | Einfacher Weg, jedoch höheres Risiko durch Temperaturgradienten | Austempern und Martempern sind kontrollierte Alternativen zum direkten Abschrecken mit anschließendem Anlassen. Keines der beiden Verfahren ist lediglich eine andere Wahl des Abschreckbads. Beide legen für Austenit einen jeweils charakteristischen Zeit-Temperatur-Verlauf fest, und das Ergebnis hängt davon ab, ob der Stahl die Perlitbildung vermeiden, den erforderlichen Umwandlungsbereich erreichen und über den gesamten Querschnitt ausreichend gleichmäßig bleiben kann. Kohlenstoffgehalt, Legierungszusätze, vorherige Austenitkorngröße, Geometrie und Badkapazität beeinflussen dieses Ergebnis. Der Unterschied ist grundlegend. Beim Austempern soll sich Austenit isotherm in Bainit umwandeln, bevor das Bauteil auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Beim Martempern wird das Abschrecken nahe der Martensitstarttemperatur unterbrochen, sodass sich Temperaturunterschiede verringern können, bevor Martensit entsteht; die martensitische Umwandlung erfolgt dann während des weiteren Abkühlens, gefolgt vom Anlassen. Das 2024 von ASM International veröffentlichte ASM Handbook Volume 4A behandelt beide Verfahren als eigenständige Prozesse im Rahmen der umfassenderen Untersuchung von Austenitisieren, Härtbarkeit, Abschrecken, Anlassen und der Kontrolle von Eigenspannungen. ### Isotherme Umwandlungsverfahren Beim Austempern wird der Stahl zunächst über seinen kritischen Temperaturbereich erwärmt, um Austenit zu erzeugen. Anschließend wird er rasch in ein Bad überführt, das oberhalb der Martensitstarttemperatur Ms, jedoch unterhalb des Perlitumwandlungsbereichs gehalten wird. Die Badtemperatur wird üblicherweise innerhalb eines Bereichs von ungefähr 250 bis 400 °C gewählt, wobei das zweckmäßige Intervall je nach Stahlsorte und gewünschter Bainitmorphologie erheblich variiert. Das Bauteil verbleibt bei dieser Temperatur, bis der vorgesehene Anteil des Austenits in Bainit umgewandelt ist; danach wird es auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Dieses Verfahren vermeidet den direkten Durchgang durch den Perlitbereich und verhindert bei abgeschlossener Umwandlung die Bildung von frischem Martensit während der Endabkühlung. Bainit besteht aus ferritischen Bereichen, die durch einen displaziven Anteil der Umwandlung entstehen, sowie – abhängig von Temperatur, Zusammensetzung und der auf das Gefüge angewandten Terminologie – aus kohlenstoffangereichertem Restaustenit oder Karbid. Oberer Bainit bildet sich im Allgemeinen bei höheren Austempertemperaturen; unterer Bainit entsteht bei niedrigeren Temperaturen und enthält üblicherweise feineren Ferrit und feiner verteilte Karbide. Ein TTT-Diagramm lässt den Prozess unkompliziert erscheinen: die Nase umgehen, in das Bainitfeld eintreten, bis zum Abschluss der Umwandlung halten und abkühlen. Die tatsächliche Fertigung ist weniger fehlertolerant. Die erforderliche Überführungszeit muss kürzer sein als die verfügbare Zeit bis zum Beginn der Perlitbildung, während das Bad Wärme schnell genug abführen muss, damit der gesamte Querschnitt eine nahezu gleichmäßige Temperatur erreicht. Bei einem dicken Zahn eines Zahnrads, einer Feder oder einem Lagerbauteil kann die Oberfläche bereits umwandeln, während der Kern noch auf die Badtemperatur abkühlt. Wenn der Kern nicht denselben Umwandlungsweg vollständig durchläuft, entsteht ein Mischgefüge. Das Austempern hängt daher stark von Härtbarkeit und Querschnittsgröße ab. Legierungselemente wie Mangan, Chrom, Molybdän und Nickel verzögern im Allgemeinen die diffusionsgesteuerten Umwandlungen und verschieben die Perlit- und Bainitreaktionen zu längeren Zeiten; gleichzeitig verändern sie jedoch Ms, die Bainitkinetik, die Stabilität des Restaustenits und die erforderliche Badtemperatur. Ein kohlenstoffarmer Stahl entwickelt möglicherweise nicht die von einer kohlenstoffreicheren austemperierten Stahlsorte erwartete Festigkeit, während ein übermäßiger Kohlenstoff- oder Legierungsgehalt die Umwandlungszeit verlängern oder nach dem Abkühlen Restaustenit zurücklassen kann. Auch das Martempern beginnt mit dem Austenitisieren, verfolgt jedoch ein anderes Ziel. Das austenitisierte Bauteil wird in ein Bad abgeschreckt, das knapp oberhalb von Ms gehalten wird, häufig in einem für die jeweilige Stahlsorte ausgewählten Bereich und nicht bei einer allgemein festgelegten Temperatur. Es wird so lange gehalten, dass sich Oberfläche und Kern einer ähnlichen Temperatur annähern, jedoch nicht so lange, dass eine nennenswerte Bildung von Bainit oder Perlit einsetzt. Anschließend wird das Bauteil, üblicherweise in Luft oder einem anderen kontrollierten Medium, durch den Martensitbereich abgekühlt und angelassen. Das Bad gleicht die Temperatur aus; normalerweise schließt es keine isotherme Umwandlung ab. Martensit bildet sich danach über einen Temperaturbereich, sodass das Martempern ein martensitisches Härtungsverfahren bleibt. Der anschließende Anlassschritt verringert die Sprödigkeit und stellt Härte, Zähigkeit und Maßbeständigkeit ein. Wird auf diesen Anlassschritt verzichtet, können hohe Eigenspannungen und ein nicht akzeptables Rissrisiko zurückbleiben, insbesondere bei Stählen mit höherem Kohlenstoffgehalt. ### Überlegungen zu Verzug und Rissbildung Ein direktes Abschrecken erzeugt zwei wesentliche Spannungsquellen. Thermische Spannungen entstehen, weil sich die Oberfläche abkühlt und zusammenzieht, bevor dies im Inneren geschieht. Umwandlungsspannungen entstehen, weil sich Austenit in Gefügebestandteile mit unterschiedlichen spezifischen Volumina umwandelt, insbesondere wenn Martensit zu unterschiedlichen Zeitpunkten über den Querschnitt entsteht. Die Geometrie verstärkt beide Effekte: scharfe Ecken, dünne Stege in Verbindung mit massiven Naben, Keilnuten, Bohrungen und abrupte Querschnittsänderungen konzentrieren die Dehnung. Das Austempern verringert den Temperaturgradienten nach der Überführung, weil das Bauteil vor der Bainitbildung auf eine relativ gleichmäßige Badtemperatur gebracht wird. Die bainitische Umwandlung erfolgt außerdem über ein stärker begrenztes und kontrollierteres Intervall als bei einem intensiven, von der Oberfläche ausgehenden Abschrecken zu Martensit. Verzug und Rissbildung können daher geringer sein, werden jedoch nicht vollständig beseitigt. Ungleichmäßige Badbewegung, verzögerte Überführung, Schwankungen der Badtemperatur oder eine unvollständige Umwandlung können in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Gefüge erzeugen. Bainit, Restaustenit, Martensit und Perlit können nebeneinander vorliegen, wobei jeder dieser Bestandteile eine unterschiedliche Maß- und Spannungsgeschichte aufweist. Das Martempern begegnet demselben Problem, indem es die schnelle Abkühlung von der martensitischen Umwandlung trennt. Der Temperaturausgleich vor dem Unterschreiten von Ms verringert den Unterschied zwischen Oberfläche und Kern, wenn die große Volumenänderung des Martensits einsetzt. Das Verfahren kann im Vergleich zum direkten Abschrecken die Abschreckrissbildung und Maßänderung verringern, insbesondere bei komplexen Formen. Es kann jedoch nicht jeden Verzug verhindern, da weiterhin Martensit entsteht und seine Umwandlung nicht vollkommen gleichmäßig abläuft. Vorherige Kaltverformung, inhomogener Austenit, Entkohlung, verbliebene Schmiedeeigenspannungen und asymmetrische Geometrie bleiben wirksame Ursachen. Die Prozesskontrolle muss mehr umfassen als nur den Ofensollwert. Austenitisierungstemperatur und Haltezeit steuern Kornwachstum und Kohlenstoffverteilung. Die Überführungszeit entscheidet darüber, ob das Bauteil das vorgesehene Bad erreicht, bevor Perlitbildung oder eine unerwünschte Umwandlung an der Oberfläche einsetzt. Badtemperatur, Umwälzung, Verunreinigungen, Beladungsdichte sowie der Zustand von Salz oder Öl beeinflussen die Wärmeabfuhr. Temperatursensoren müssen das Werkstück repräsentieren und nicht nur den Ofen oder das Bad. ISO 17663:2023 legt Qualitätsanforderungen an die Wärmebehandlung unter Luft oder kontrollierten Atmosphären fest, einschließlich Arbeiten in Werkstätten und auf Baustellen an ferritischen Stählen sowie an verwandten geschweißten oder umgeformten Bauteilen; ihre Betonung der Verfahrenskontrolle ist unmittelbar relevant, wenn Eigenspannungen und Maßgenauigkeit von Bedeutung sind. ### Wann bainitische oder unterbrochen abgeschreckte Gefüge von Bedeutung sind Das Austempern wird in Betracht gezogen, wenn eine bestimmte Kombination aus Festigkeit, Zähigkeit, Ermüdungseigenschaften, Verschleißbeständigkeit und Maßkontrolle wichtiger ist als das Erreichen der maximalen Härte im abgeschreckten Zustand. Austempergusseisen mit Kugelgraphit ist ein eigenständiges Werkstoffsystem; bei Stählen kann das Verfahren jedoch auf geeignete Federn, Zahnräder, Bolzen, Klammern und Verschleißbauteile angewandt werden, sofern Stahlsorte und Querschnitt eine vollständige bainitische Umwandlung erlauben. Das Zielgefüge muss präzise angegeben werden. „Bainit“ allein bezeichnet weder oberen noch unteren Bainit, den Restaustenitgehalt, den Zustand der Karbide noch die Härte. Das Martempern ist geeigneter, wenn ein martensitisches Gefüge erforderlich ist, direktes Abschrecken jedoch zu unzulässigem Verzug oder zu Rissbildung führt. Das Verfahren hängt besonders von Querschnittsdicke und Härtbarkeit ab: Ein großer Querschnitt kann im Kern zu langsam abkühlen, sodass sich Perlit oder Bainit bildet, bevor der martensitische Umwandlungsweg etabliert ist. Ein kleiner Querschnitt kann so schnell abkühlen, dass der Vorteil des Temperaturausgleichs begrenzt bleibt. Das Bad muss außerdem über ausreichende Kapazität und Umwälzung verfügen, um seine Temperatur unter Belastung aufrechtzuerhalten. Keine der beiden Behandlungen ist universell geeignet. Die TTT- und CCT-Diagramme des exakt eingesetzten Stahls und nicht ein allgemeines Eisen-Kohlenstoff-Diagramm bestimmen, ob das Verfahren durchführbar ist. ASTM International nennt Ferrit, Austenit, Zementit, Perlit, Martensit und Bainit als zentrale Phasen der Wärmebehandlung von Stahl, während die Ausführungen von ASM aus dem Jahr 2024 zu Umwandlungsdiagrammen diese Phasen mit Zeit und Abkühlgeschwindigkeit verknüpfen. ISO 683-1:2016 umfasst ausdrücklich unlegierte Stähle, die hauptsächlich für das Härten und Anlassen, Austempern, Flammhärten, Induktionshärten und bestimmte normalisierte Zustände vorgesehen sind; die Bezeichnung nach dieser Norm macht es jedoch nicht überflüssig, die Kinetik, die Grenzen der Anlagen und die Prüfanforderungen für das tatsächliche Bauteil zu überprüfen. ## Oberflächenhärtung und Auslegung der Randschichteigenschaften Oberflächenhärtung ist nicht einfach ein Verfahren, um die Außenseite eines Stahlbauteils „hart“ zu machen. Sie dient dazu, verschiedenen Bereichen desselben Bauteils unterschiedliche Eigenschaften zuzuweisen. Die Oberfläche kann in kohlenstoffreichen Martensit oder eine andere harte Struktur umgewandelt werden, während der Kern zäher, weicher oder bereits angelassen bleibt. Das Auslegungsziel ist daher ein Eigenschaftsprofil über den Querschnitt und nicht eine einzelne Härtezahl. Das ASM Handbook Volume 4A behandelt Flammhärten und Induktionshärten innerhalb der umfassenderen Gruppe der Oberflächenhärteverfahren für Stahl. ISO 683-1:2016 nennt ebenfalls Stähle, die hauptsächlich für das Vergüten, das isothermische Umwandlungshärten, das Flammhärten, das Induktionshärten und in einigen Fällen für normalisierte Zustände vorgesehen sind. Diese Verfahren beruhen auf derselben metallurgischen Abfolge wie das konventionelle Härten: Der ausgewählte Bereich wird in den Austenitbereich erwärmt, dort lange genug für die erforderliche Umwandlung gehalten und anschließend so schnell abgekühlt, dass die Bildung von Ferrit, Perlit oder Bainit unterdrückt wird. Das Ergebnis hängt von der Zusammensetzung, dem Ausgangsgefüge, dem Temperaturverlauf und den Abkühlbedingungen ab. ### Flammhärten und Induktionshärten Beim Flammhärten wird eine Oberfläche örtlich mit einer Brenngasflamme erwärmt und anschließend mit Wasser, einer Polymerlösung oder einem anderen kontrollierten Medium abgeschreckt. Die Flamme kann über eine ebene Fläche, einen Zahn, einen Zapfen, eine Schiene, einen Nocken oder einen anderen geformten Bereich geführt werden. Das Erwärmungsmuster wird durch die Brennerausführung, den Abstand zwischen Flamme und Oberfläche, den Gasdurchsatz, die Vorschubgeschwindigkeit, die Bauteilgeometrie und die Wärmeleitfähigkeit des Stahls bestimmt. Ein langsamerer Vorschub oder ein höherer Wärmeeintrag vergrößert im Allgemeinen die Austenitisierungstiefe; ein übermäßiger Wärmeeintrag kann jedoch zu Kornwachstum, Aufschmelzung, Entkohlung oder übermäßiger Verformung führen. Beim Induktionshärten wird Wärme durch ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Ein in der Nähe der Oberfläche induzierter elektrischer Strom führt zur Erwärmung, wobei deren Verteilung stark von der Frequenz bestimmt wird. Höhere Frequenzen konzentrieren die Erwärmung näher an der Oberfläche; niedrigere Frequenzen ermöglichen es elektromagnetischer Eindringung und Wärmediffusion, größere Tiefen zu erreichen. Die Frequenz allein legt die Randschichttiefe jedoch nicht fest. Leistung, Kopplung zwischen Induktor und Bauteil, Erwärmungszeit, Vorschubgeschwindigkeit, Induktorform, Stromverteilung und die Verzögerung bis zum Abschrecken verändern das Temperaturfeld. Ein zahnförmiges Bauteil kann sich beispielsweise ungleichmäßig erwärmen, weil Spitzen, Zahnfüße, Schultern und dünne Querschnitte Wärme mit unterschiedlichen Raten abführen. Das Erwärmungsmuster muss an die Geometrie angepasst und darf ihr nicht einfach aufgeprägt werden. Eine scharfe Ecke kann heißer werden als eine angrenzende breite Fläche, weil die Wärme in ein geringeres Volumen diffundieren kann. Eine Bohrung kann relativ kalt bleiben, während ein Außendurchmesser austenitisiert wird. Unterbrochene Vorschubbewegungen, überlappende Induktionsdurchläufe oder abrupte Querschnittsänderungen können Zonen mit unterschiedlicher Härte und unterschiedlichen Eigenspannungen erzeugen. Die Temperaturmessung ist daher schwierig: Ein optisches Pyrometer kann eine Stelle an der Oberfläche erfassen, die für die heißeste Kante nicht repräsentativ ist, während ein Thermoelement das örtliche Erwärmungsmuster beeinflussen kann. Das Ausgangsgefüge legt die Anfangsbedingungen für die Austenitisierung fest. Feiner Perlit, angelassener Martensit, Ferrit-Carbid-Gemische und kugeliger Zementit lösen sich nicht mit identischer Geschwindigkeit auf. Carbidgröße und -verteilung beeinflussen die für den Austenit verfügbare Kohlenstoffmenge, während Legierungselemente die Umwandlungskinetik und die Härtbarkeit beeinflussen. Bei einem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt wie C45 oder SAE 1045 wird die erreichbare martensitische Randschicht hauptsächlich durch den Kohlenstoffgehalt und die Abkühlgeschwindigkeit bestimmt. Bei einem legierten Stahl wie 42CrMo4, der ASTM A29 Güte 4140 entspricht, sofern diese Bezeichnung anwendbar ist, verzögern Legierungselemente diffusionsgesteuerte Umwandlungen und können die Bildung von Martensit in größeren Abkühltiefen ermöglichen. Die Gütebezeichnung entbindet jedoch nicht von der Notwendigkeit, die tatsächliche chemische Zusammensetzung und das Verhalten des Querschnitts zu überprüfen. ![Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl](/images/uploads/7b362941-10c1-43c4-b704-c7a775caaf03/wiki-inline-a-cutaway-steel-gear-tooth-with-a-hard-martensitic-surface-case-and-a-tougher-te-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/7b362941-10c1-43c4-b704-c7a775caaf03/wiki-inline-a-cutaway-steel-gear-tooth-with-a-hard-martensitic-surface-case-and-a-tougher-te-2027x2560.avif "Bild vergrößern — Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl")Surface hardening assigns wear resistance to the case while preserving toughness in the core. ### Eigenschaften von Randschicht und Kern Die gehärtete Randschicht muss als räumliches Profil spezifiziert werden. Die Oberflächenhärte beschreibt die erste Messstelle, gibt jedoch nicht an, wie weit sich das gehärtete Gefüge erstreckt. Die Randschichttiefe kann durch eine metallografische Grenze, eine kritische Härte oder ein technisches Kriterium wie die wirksame Randschichttiefe definiert werden. Diese Definitionen sind nicht austauschbar. Ein Oberflächenwert von 60 HRC kann mit einer flachen Randschicht, einem allmählichen Übergang oder einem starken Härteabfall in geringer Tiefe unterhalb der Oberfläche einhergehen. Der Zustand des Kerns ist ebenso wichtig. Ein Bauteil kann einen zähen, vergüteten martensitischen Kern, einen normalisierten Ferrit-Perlit-Kern oder ein weicheres Gefüge benötigen, das Verformung ohne Rissbildung aufnehmen kann. Wenn bereits ein hochfester Kern vorhanden ist, darf die örtliche Erwärmung angrenzende Bereiche nicht anlassen oder überhitzen. Besitzt der Kern eine geringe Härtbarkeit, kann das Abschrecken eine harte Schale über einem relativ weichen Inneren erzeugen. Für die Kontaktwechselfestigkeit kann dies zulässig sein, nicht jedoch für ein Bauteil, dessen Biegefestigkeit vom gesamten Querschnitt abhängt. Der Übergangsbereich erfordert besondere Aufmerksamkeit. Er enthält Material, das Austenitisierungstemperaturen ausgesetzt war, die für eine vollständige Umwandlung nicht ausreichten, oder Abkühlgeschwindigkeiten, die zur Bildung eines vollständig martensitischen Gefüges zu langsam waren. Sein Härtegradient bestimmt die Dehnungsverträglichkeit zwischen Randschicht und Kern. Ein steiler Gradient kann Spannungen konzentrieren; ein breiter Gradient kann die Maximalspannung verringern, bietet in der Tiefe jedoch möglicherweise einen geringeren Verschleißwiderstand. Ein Anlassen nach dem Härten kann die Sprödigkeit verringern und das Eigenschaftsprofil stabilisieren, senkt jedoch ebenfalls die Härte. Der ausgewählte Zyklus muss die Anlassbeständigkeit, den Restaustenit, die Carbidabscheidung und die Maßänderung berücksichtigen. Oberflächenhärte, wirksame Randschichttiefe, Form des Übergangsbereichs, Eigenspannungen und Verformung sollten daher gemeinsam bewertet werden. Eine hohe Druckeigenspannung an der Oberfläche kann den Widerstand gegen Biegeermüdung verbessern, während Zugspannungen die Rissinitiierung fördern können. Vorzeichen und Betrag hängen von der Umwandlungsdehnung des Martensits, der Wärmekontraktion, der Querschnittsgeometrie, der Behinderung und dem Zeitpunkt des Abschreckens ab. Eine Härteprüfung allein kann diesen Spannungszustand nicht erkennen. ### Temperaturgradienten und Selbstabschreckung Die örtliche Härtung funktioniert, weil die erwärmte Schicht und das kühlere Innere unterschiedlichen thermischen Verläufen folgen. Während der Erwärmung dehnt sich die Oberfläche aus, während der Kern sie behindert. Beim Abkühlen zieht sich die Oberfläche zuerst zusammen und kann in Martensit umwandeln, während der Kern noch heiß ist. Die Martensitbildung führt zusätzlich zu einer Umwandlungsdehnung. Diese miteinander konkurrierenden thermischen und umwandlungsbedingten Dehnungen erzeugen Eigenspannungen und können Biegung, Unrundheit, Rundlauffehler oder Rissbildung verursachen. Eine Selbstabschreckung tritt auf, wenn die nicht erwärmte Masse des Bauteils der austenitisierten Schicht so schnell Wärme entzieht, dass sich ohne ein separates äußeres Abschreckmittel Martensit bildet, oder wenn diese innere Wärmesenke eine Oberflächenabschreckung wesentlich unterstützt. Sie ist bei dicken Querschnitten mit kühlem Kern und hoher Wärmeleitfähigkeit am wirksamsten. Dünne Querschnitte, schmale Vorsprünge und zuvor erwärmte Bauteile zeigen eine geringere Selbstabschreckung. Häufig werden zusätzliche Sprühvorrichtungen eingesetzt, weil die Selbstabschreckung allein an jeder Stelle möglicherweise keine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit erreicht. Die maßgebliche Abkühlgeschwindigkeit ist innerhalb der Randschicht nicht gleichmäßig. Die Oberfläche kann durch den Kontakt mit dem Sprühmedium schnell abkühlen, während die Grenzfläche zwischen Randschicht und Kern durch Wärmeleitung abkühlt und der Kern heiß bleibt. Die Härtbarkeit des Stahls bestimmt, ob die einzelnen Bereiche die in Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubildern dargestellten Ferrit-, Perlit- und Bainitbereiche vermeiden. Der Kohlenstoffgehalt bestimmt die Härte des Martensits; Legierungselemente verschieben das Umwandlungsverhalten; die Geometrie bestimmt den Wärmefluss. Die Prozessqualifizierung sollte das tatsächliche Bauteil und nicht nur einen Prüfquerschnitt erfassen. Metallografische Schliffe, Härteverläufe, Maßprüfungen und Messungen der Eigenspannungen können Fehler aufdecken, die eine Prüfung der Oberflächenhärte nicht erkennt. ISO 17663:2023 ordnet die Wärmebehandlung in Werkstätten oder vor Ort in einen Rahmen von Qualitätsanforderungen ein, hauptsächlich für ferritische Stähle und verwandte geschweißte oder umgeformte Bauteile. Ihr Anwendungsbereich unterstreicht einen praktischen Punkt: Temperaturaufzeichnungen, Anlagenkontrolle, Kalibrierung, Abkühlverfahren und Prüfung gehören zur Behandlungsspezifikation. Die Auslegung der Randschichteigenschaften ist erfolgreich, wenn der Wärmezyklus, das Gefüge, der Spannungszustand und das Maßergebnis als ein zusammenhängendes Problem behandelt werden. ## Verzug, Eigenspannungen und Rissbildung Verzug ist keine geringfügige Maßabweichung, die zu einer ansonsten erfolgreichen Wärmebehandlung hinzukommt. Er gehört zu den wesentlichen Ergebnissen, die vorhergesagt und kontrolliert werden müssen. Das Kapitel „Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treatment“ von ASM International aus dem Jahr 2024 behandelt Verzug und Eigenspannungen gemeinsam mit den Phasenumwandlungen und nicht als nachträgliche Gesichtspunkte des Abschreckens. Diese Schwerpunktsetzung ist gerechtfertigt: Ein Bauteil kann zwar die geforderte Härte erreichen, dennoch versagen, weil es sich verbiegt, seinen Durchmesser verändert, seine Ebenheit verliert oder Zugspannungen enthält, die später einen Riss auslösen. Drei miteinander verbundene, aber unterschiedliche Zustände müssen voneinander getrennt werden. **Verzug** ist eine sichtbare oder messbare Veränderung der Form oder Abmessungen. **Eigenspannung** ist ein sich selbst ausgleichendes Spannungsfeld, das verbleibt, nachdem äußere Belastungen und Temperaturgradienten verschwunden sind; sie kann auch ohne sichtbare Formänderung vorhanden sein. **Abschreckrissbildung** ist ein tatsächlicher Bruch, der gewöhnlich entsteht, wenn Umwandlungs- und Wärmespannungen die örtliche Festigkeit und Zähigkeit des Stahls überschreiten. Ein Bauteil kann daher gerade, aber stark eigengespannt sein, sich ohne Rissbildung verformen oder Risse aufweisen, obwohl die endgültige Maßänderung gering erscheint. ![Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl](/images/uploads/8e61a9d8-d6f1-4d41-a2ed-e968e2f1422d/wiki-inline-a-thick-steel-shaft-during-quenching-with-different-surface-and-core-temperature-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/8e61a9d8-d6f1-4d41-a2ed-e968e2f1422d/wiki-inline-a-thick-steel-shaft-during-quenching-with-different-surface-and-core-temperature-1920x1288.avif "Bild vergrößern — Grundlagen der Wärmebehandlung von Stahl")Uneven cooling and transformation strain can produce distortion, residual stress, or cracking. ### Temperaturgradienten und Umwandlungsdehnung Während des Erwärmens ändert sich die Temperatur an der Oberfläche eines Stahlbauteils gewöhnlich früher als in seinem Kern. Der heißere Bereich dehnt sich aus, während der kältere Innenbereich diese Ausdehnung behindert. Erreicht die Oberfläche zuerst den Austenitisierungsbereich, unterscheidet sich ihre elastische und plastische Reaktion von der des noch ferritischen oder perlitischen Kerns. Beim Abkühlen kehrt sich die Reihenfolge um, doch das Spannungsmuster hebt sich nicht einfach auf, da sich Festigkeit, Wärmeausdehnung und Phasenstabilität kontinuierlich verändern. Die Umwandlungsdehnung stellt eine zweite Quelle der Maßänderung dar. Austenit besitzt eine andere Kristallstruktur und ein anderes spezifisches Volumen als Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit. Wenn sich Austenit umwandelt, kann sich das Bauteil je nach Umwandlungsprodukt und Kohlenstoffgehalt ausdehnen oder zusammenziehen. Die Bildung von Martensit führt im Allgemeinen zu einer Volumenzunahme, wobei deren Höhe und Zeitpunkt vom im Mischkristall gelösten Kohlenstoff, vom Legierungsgehalt und von der örtlichen Abkühlgeschwindigkeit abhängen. Eine Oberfläche, die die Martensitstarttemperatur erreicht, während der Kern noch austenitisch ist, kann sich gegen einen Kern ausdehnen, der sich thermisch weiterhin zusammenzieht. Später wandelt sich der Kern um und verändert das Spannungsgleichgewicht erneut. Das Ergebnis ist ein fortlaufender Wettstreit zwischen thermischer Kontraktion, Umwandlungsdehnung und Behinderung. Eine dünne Kante kann schnell abkühlen und sich umwandeln, wobei sie an Festigkeit gewinnt, bevor sich der Innenbereich verändert. Ein dicker Mittelbereich kann heiß und vergleichsweise nachgiebig bleiben und sich anschließend umwandeln, während die bereits gehärtete Oberfläche die Bewegung behindert. Zug-Eigenspannungen an der Oberfläche sind besonders gefährlich, da Risse häufig dort beginnen: an scharfen Ecken, Einschlüssen, entkohlten Bereichen, Schleifspuren oder anderen Spannungskonzentratoren. Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschreibt Gleichgewichtsbeziehungen zwischen Phasen, kann diese Abfolge jedoch nicht allein vorhersagen. Hierfür sind Umwandlungsdiagramme und tatsächliche Verläufe der kontinuierlichen Abkühlung erforderlich. Die ASM-Wärmebehandlungsreferenz nennt Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme sowie Umwandlungsdiagramme für kontinuierliches Erwärmen und kontinuierliches Abkühlen als Hilfsmittel, um die thermische Vorgeschichte mit der Phasenbildung in Beziehung zu setzen. Dieselbe nominelle Abschreckung kann daher in einem unlegierten Kohlenstoffstahl wie C45 und einem legierten Stahl wie 42CrMo4 unterschiedliche Spannungsfelder erzeugen, weil sich die Härtbarkeit und damit der Ort und der Zeitpunkt der Martensitbildung ändern. Rissbildung erfordert mehr als einen hohen Härtewert. Sie hängt von der örtlichen Zugspannung, der temperaturabhängigen Festigkeit und Duktilität des Stahls, dem Zeitpunkt der Umwandlung, der Bauteilgeometrie, dem Oberflächenzustand und metallurgischen Fehlern ab. Eine verzögerte Rissbildung kann nach dem Abkühlen auftreten, wenn Wasserstoff, verbleibende Spannungen und hochfester Martensit zusammenwirken. Das Anlassen reduziert einige der mit unangelassenem Martensit verbundenen Spannungen und Sprödigkeit, kann jedoch kein durch einen Riss getrenntes Material wieder zusammenfügen. ### Geometrie, Spannvorrichtungen und Zugang zum Abschreckmittel Die Geometrie steuert sowohl den Wärmefluss als auch die mechanische Behinderung. Lange, schlanke Wellen biegen sich leichter als kurze, dicke Querschnitte. Ein Ring kann seine Rundheit verändern oder im Durchmesser wachsen. Eine Platte mit ungleichmäßiger Dicke kann sich schüsselförmig verformen, weil ihre beiden Flächen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abkühlen. Bohrungen, Nuten, Rillen, Gewinde, abrupte Absatzübergänge und Sackhohlräume stören die Strömung des Abschreckmittels und erzeugen örtliche Unterschiede in der Abschreckintensität. Eine scharfe einspringende Ecke konzentriert die Spannung genau dort, wo sich thermische und Umwandlungsdehnungen am schnellsten verändern. Die Querschnittsgröße bestimmt außerdem, ob die beabsichtigte Umwandlung über die gesamte Dicke hinweg stattfindet. Ein niedriglegierter Stahl kann nahe der Oberfläche Martensit bilden, zum Kern hin jedoch Bainit oder Perlit, wenn der Kern zu langsam abkühlt. Dieser Gefügeunterschied erzeugt örtliche Unterschiede im Volumen, in der Härte, in der Festigkeit und im späteren Anlassverhalten. Die Maßänderung ist dann nicht lediglich eine gleichmäßige Maßstabsänderung, sondern wird zu einem Formproblem. Spannvorrichtungen können eine Bewegung unterdrücken und gleichzeitig eine andere erzwingen. Das Einspannen einer Platte in ebener Lage während des Abschreckens kann die Biegung während des Vorgangs verringern; nach dem Lösen kann die freigesetzte elastische Energie jedoch Rückfederung oder Verwindung verursachen. Ein Dorn kann eine Bohrung vorübergehend in Form halten und gleichzeitig die Umfangsspannung um diese Bohrung erhöhen. Auf nur wenigen Punkten aufliegende Stützen können nicht abgestützte Bereiche frei verziehen lassen, während eine übermäßige Behinderung das Rissrisiko erhöhen kann. Lasten sollten so angeordnet werden, dass die Bauteile abgestützt sind, ohne die Umwälzung zu behindern oder eine unnötige mechanische Zwangsbeanspruchung aufzubringen. Der Zugang des Abschreckmittels muss als geometrische Fragestellung und nicht nur als Frage der Auswahl des Abschreckbads betrachtet werden. Einander zugewandte Flächen, ineinandergestellte Bauteile, Sackbohrungen und dicht gepackte Körbe können eine geringere Flüssigkeitsbewegung erfahren als frei zugängliche Flächen. Dampfmäntel oder eingeschlossene Luft können die Abkühlung an ausgewählten Stellen verzögern. Die Umwälzung muss ausreichend sein, um Dampf zu entfernen und eine vorhersehbare Abkühlbedingung aufrechtzuerhalten; eine übermäßige oder ungleichmäßige Umwälzung kann jedoch die Unterschiede zwischen verschiedenen Orientierungen vergrößern. Badtemperatur, Zustand des Fluids, Transferzeit und Beladungsmuster sind sämtlich von Bedeutung. Konstruktive Änderungen verringern das Risiko häufig, bevor ein Ofenzyklus ausgewählt wird. Großzügige Radien ersetzen scharfe Ecken; Übergänge der Wanddicke werden sanfter gestaltet; Bohrungen und Nuten werden so angeordnet, dass starke örtliche Behinderungen vermieden werden; und Bearbeitungszugaben ermöglichen die kontrollierte Entfernung von Verzug nach der Wärmebehandlung. Keine einzelne Geometrieregel verhindert jeden möglichen Fehler. Eine Geometrie, die für das Abschrecken in Öl sicher ist, kann sich in Wasser, Polymer, Salz oder Gas anders verhalten. ### Prozesssteuerung für Maßbeständigkeit Die Maßkontrolle beginnt mit einem reproduzierbaren Wärmezyklus über die gesamte Charge hinweg. Eine gleichmäßige Ofentemperatur, eine geeignete Abstützung, eine kontrollierte Aufheizgeschwindigkeit und eine ausreichende Haltezeit verringern die Unterschiede zwischen Oberfläche und Kern. Eine zu lange Haltezeit kann jedoch das Kornwachstum fördern, die Oxidation verstärken oder den Verzug durch unnötige Temperatureinwirkung verschlimmern. Eine kontrollierte Atmosphäre begrenzt Zunderbildung und Entkohlung, die andernfalls Oberflächenhärte und Maßverhalten verändern. Der Transfer vom Ofen in das Abschreckbad muss schnell genug erfolgen, um die vorgegebene thermische Vorgeschichte zu bewahren, und von Charge zu Charge gleichbleibend sein. Die Orientierung der Beladung sollte kritische Oberflächen reproduzierbar freilegen. Die Abschreckintensität sollte zur Härtbarkeit des Stahls und zum erforderlichen Gefüge passen und nicht ausschließlich nach der maximalen Abkühlgeschwindigkeit ausgewählt werden. Eine geeignete Umwälzung und Flüssigkeitszirkulation sind unerlässlich; ihre Intensität und Richtung müssen jedoch überwacht werden, da ein nominell identisches Bad verschiedene Flächen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abkühlen kann. Eine gestufte oder unterbrochene Abkühlung kann den Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern vor der abschließenden Umwandlung verringern. Beim Martempern wird der Stahl beispielsweise auf einer Temperatur oberhalb oder in der Nähe des Martensitstartbereichs gehalten, bis sich die Temperaturen angeglichen haben; anschließend kann sich Martensit gleichmäßiger bilden. Beim Bainitisieren wird ein anderer Umwandlungsweg genutzt: Der Stahl wird so gehalten, dass sich Bainit bildet, anstatt direkt in den martensitischen Bereich abzukühlen. Diese Verfahren können bei geeigneten Stahlsorten und Geometrien den Verzug verringern, machen jedoch die Überprüfung von Härtbarkeit, Querschnittsgröße, Badregelung und Umwandlungskinetik nicht überflüssig. Das Anlassen sollte innerhalb des festgelegten Prozessfensters auf das Abschrecken folgen. Bei manchen Bauteilen verringert eine separate Spannungsarmbehandlung nach der Schruppbearbeitung oder nach einem früheren Wärmebehandlungsschritt die Wahrscheinlichkeit, dass Eigenspannungen während der Endbearbeitung freigesetzt werden. Spannungsarmbehandlung ist kein universelles Heilmittel: Sie kann die Härte verändern, Maßtoleranzen beeinflussen oder Spannungen, die durch eine starke Abschreckung eingeschlossen wurden, nicht beseitigen. Die Prüfung muss mehr als die Oberflächenhärte erfassen. Je nach Bauteil können Maßprüfungen vor und nach der Behandlung Länge, Rundheit, Geradheit, Ebenheit, Bohrungsmaß und Rundlauf umfassen. Härteverläufe, metallografische Untersuchungen, Magnetpulverprüfungen und Ultraschallprüfungen können unterschiedliche Fehlerklassen sichtbar machen. ISO 17663:2023 legt Qualitätsanforderungen an die Wärmebehandlung von ferritischen Stählen und verwandten geschweißten oder umgeformten Bauteilen in Luft oder kontrollierten Atmosphären fest, einschließlich Arbeiten, die in Werkstätten oder vor Ort ausgeführt werden. Ihr Qualitätsfokus unterstützt die Aufzeichnung von Ofentemperaturen, Transferzeiten, Badbedingungen, Chargenidentifikation und Prüfergebnissen. Die Maßbeständigkeit ist daher ein Ergebnis von Konstruktion und Prozessführung. Gleichmäßiges Erwärmen ist hilfreich, ein kontrollierter Transfer ist hilfreich, eine geeignete Umwälzung ist hilfreich und eine Spannungsarmbehandlung kann hilfreich sein; keine dieser Maßnahmen ist in jedem Fall ausreichend. Der zulässige Zyklus ist derjenige, der die erforderlichen Phasen und Eigenschaften erzeugt und gleichzeitig thermische Dehnung, Umwandlungsdehnung, Behinderung und Eigenspannung innerhalb der für das Bauteil zulässigen Grenzen für Verzug und Bruch hält. ## Wärmebehandlung beim Schweißen und in der Fertigung Die Wärmebehandlung in der Fertigung beginnt, bevor ein Ofenzyklus festgelegt wird. Schweißen, Brennschneiden, Umformen, Richten und örtliche Reparaturen führen jeweils zu thermischen Vorgeschichten im Stahl, häufig nur in einem Teil eines Bauteils. Ein Schweißlichtbogen kann einen schmalen Bereich über den Austenitisierungsbereich hinaus erwärmen, während das angrenzende Material relativ kühl bleibt; anschließend fließt Wärme in den Grundwerkstoff, wodurch steile Temperaturgradienten und eine ungleichmäßige Schrumpfung entstehen. Das entstehende Schweißgut, die Fusionsgrenze, die Wärmeeinflusszone (HAZ) und der unbeeinflusste Grundwerkstoff können daher unterschiedliche Mikrostrukturen, Härtewerte und Eigenspannungen aufweisen. Das Ergebnis hängt von der Zusammensetzung, der Wanddicke, der Einspannung, der Nahtgeometrie, dem Wärmeeintrag, der Vorwärmung, der Zwischenlagentemperatur, den Abkühlbedingungen und jeder späteren Behandlung ab. Eine von einem zerspanten Prüfstück übernommene Behandlungsvorschrift kann nicht all diese Variablen berücksichtigen. ### Vorwärmung, Wärmebehandlung nach dem Schweißen und örtliche Wärmezyklen Die Vorwärmung verringert den Temperaturunterschied zwischen dem Schweißbereich und dem umgebenden Stahl. Dadurch wird die Abkühlung nach dem Schweißen im Allgemeinen verlangsamt, sodass diffusibler Wasserstoff mehr Zeit zum Entweichen hat und die Wahrscheinlichkeit wasserstoffunterstützter Rissbildung in empfindlichen Stählen sinkt. Außerdem werden die thermischen Gradienten reduziert, wodurch sich schrumpfungsbedingte Spannungen verringern können. Die Vorwärmung ist jedoch keine universelle Schutzmaßnahme: Eine überhöhte Temperatur kann die HAZ vergrößern, die Zähigkeit verändern, den Verzug erhöhen oder eine festgelegte Schweißanweisung beeinträchtigen. Die maßgebliche Temperatur ist nicht einfach die Temperatur des Brenners, der Induktionsspule oder des Lichtbogens. Entscheidend ist die Temperatur des Werkstücks an festgelegten Messstellen, einschließlich des Bereichs um die Verbindung und gegebenenfalls des Zwischenlagenbereichs. Wanddicke, Nahtbehinderung, Kohlenstoffgehalt, Legierungszusätze und Härtbarkeit beeinflussen die Abkühlgeschwindigkeit. Ein Kohlenstoff-Mangan-Stahl und ein niedriglegierter Cr-Mo-Stahl können auf dieselbe nominale Vorwärmtemperatur sehr unterschiedlich reagieren. Beim Schweißen kann sich in denjenigen Bereichen der HAZ Austenit bilden, die den kritischen Umwandlungsbereich überschreiten. Beim Abkühlen kann sich dieser Austenit abhängig vom Verlauf der kontinuierlichen Abkühlung in Ferrit, Perlit, Bainit oder Martensit umwandeln. In der Nähe der Fusionsgrenze können grobe Körner entstehen, während weiter entfernt teilweise umgewandelte oder angelassene Bereiche auftreten. Diese Zonen werden allein durch das Gleichgewichtsdiagramm Eisen–Eisencarbid nicht dargestellt. Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme (TTT-Diagramme) beschreiben das isotherme Verhalten; Diagramme der Umwandlung beim kontinuierlichen Aufheizen und kontinuierlichen Abkühlen (CCT-Diagramme) sind für viele reale Fertigungszyklen zweckmäßiger. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) kann harte Umwandlungsprodukte anlassen, Eigenspannungen reduzieren, Abmessungen stabilisieren und die Widerstandsfähigkeit gegen Schädigungen im Betrieb verbessern. Bei einem ferritischen Stahl kann die Behandlung darin bestehen, das geschweißte Bauteil auf einen festgelegten Temperaturbereich zu erwärmen, es so lange zu halten, bis der maßgebliche Querschnitt den erforderlichen Zustand erreicht, und es unter kontrollierten Bedingungen abzukühlen. Der tatsächliche Zyklus muss sich aus der Werkstoffspezifikation, dem Konstruktionsregelwerk, der Schweißanweisung oder einer qualifizierten technischen Anweisung ergeben. PWHT ist nicht lediglich ein „Spannungsarmglühen“, da sie Härte, Zähigkeit, Festigkeit und Mikrostruktur verändern kann. Die örtliche PWHT reagiert besonders empfindlich auf die Geometrie. Ein um eine Rundnaht erwärmtes Band erzeugt ein sich bewegendes Temperaturfeld, und die Temperatur außerhalb des erwärmten Bandes muss so geregelt werden, dass scharfe thermische Gradienten keine neuen Spannungen verursachen. Große Behälter, Rohrleitungen und Reparaturen vor Ort können mehrere Heizzonen, Isolierung, kontrollierte Abkühlung und mehrere Thermoelemente erfordern. Eine Ofenbehandlung kann eine gleichmäßigere Umgebung schaffen, doch Beladung, Ofenkalibrierung, Auflagerbedingungen und der kälteste Bereich des Bauteils bleiben von Bedeutung. Ein Ofen gewährleistet keine gleichmäßige Werkstücktemperatur. Dasselbe Prinzip gilt für verwandte Verfahren. Beim Flammrichten werden gezielt örtliche Ausdehnung und Schrumpfung erzeugt; beim Induktionserwärmen kann eine Oberfläche gehärtet werden, während darunter ein steiler Übergang bestehen bleibt; beim Warmumformen verändern sich Korngefüge und Eigenspannungen; und beim thermischen Schneiden kann eine gehärtete oder erweichte Kante zurückbleiben. Jedes Verfahren sollte als festgelegter Wärmezyklus und nicht als isolierter Temperaturmesswert behandelt werden. ### Ferritische Stähle und geschweißte oder umgeformte Bauteile Ferritische Stähle umfassen viele Kohlenstoffstähle, Kohlenstoff-Mangan-Stähle, niedriglegierte Stähle, Druckbehälterstähle, Baustähle und Rohrleitungsstähle. Ihr Verhalten wird durch Kohlenstoff- und Legierungsgehalt, ursprüngliche Korngröße, Querschnittsabmessungen und Abkühlgeschwindigkeit bestimmt. Die bekannten Phasen, die im Kurs *Steel Metallurgy & Heat Treatment* von ASTM International genannt werden – Ferrit, Austenit, Zementit, Perlit, Martensit und Bainit –, sind keine austauschbaren Bezeichnungen. Sie stehen für unterschiedliche Anordnungen und Umwandlungsprodukte mit jeweils unterschiedlicher Härte, Festigkeit, Zähigkeit und unterschiedlichem Rissverhalten. Eine Schweißung kann in einer schnell abgekühlten, härtbaren HAZ Martensit erzeugen, selbst wenn die massive Platte ferritisch-perlitisch bleibt. Durch Anlassen kann diese Härte verringert werden, doch das Ergebnis hängt von der ursprünglichen Zusammensetzung und der thermischen Einwirkung ab. Das Wiedererwärmen einer Schweißung beeinflusst außerdem bereits aufgetragene Lagen: Eine spätere Lage kann das durch eine frühere Lage erzeugte Material anlassen, verfeinern oder teilweise umwandeln. In dicken, eingespannten Querschnitten können Oberfläche und Kern unterschiedlichen Abkühlungsverläufen folgen, sodass Härte und Eigenspannungen über die Wanddicke variieren können. Umgeformte Bauteile erfordern dieselbe Aufmerksamkeit. Biegen, Pressen und örtliches Richten verändern die Geometrie und können Kaltverfestigung, Ausdünnung, Eigenspannungen oder Änderungen im Kornverlauf verursachen. Wird ein umgeformtes Bauteil aus ferritischem Stahl anschließend geschweißt, verbindet sich die vorangegangene Umformhistorie mit dem thermischen Schweißzyklus. Glühen, Normalisieren, Vergüten oder eine festgelegte Spannungsarmbehandlung können bei einer Konstruktion geeignet und bei einer anderen schädlich sein. ISO 683-1:2016 behandelt technische Lieferbedingungen für unlegierte Stähle, die hauptsächlich zum Vergüten, Bainitischen Härten, Flammhärten, Induktionshärten und in bestimmten Fällen im normalisierten Zustand vorgesehen sind; die Norm macht eine einzelne Behandlung jedoch nicht zu einer allgemeinen Anweisung für gefertigte Baugruppen. Das *ASM Handbook Volume 4A* von ASM International aus dem Jahr 2024 behandelt Austenitisieren, Glühen, Anlassen, Abschrecken, Härtbarkeit, Oberflächenhärten, Bainitisches Härten, Martempern, Härte und die Kontrolle von Eigenspannungen. Diese Themen erklären, warum eine festgelegte Behandlung an eine Stahlsorte und ein Bauteil gebunden sein muss und nicht nur an einen Ofen-Sollwert. Verzug entsteht sowohl durch thermische Ausdehnung als auch durch Umwandlungsdehnung. Die Einspannung bestimmt, welcher Anteil dieser Bewegung in Eigenspannungen umgewandelt wird. ### Qualitätsanforderungen nach ISO 17663:2023 ISO 17663:2023 ist die einschlägige Norm für Qualitätsanforderungen an die Wärmebehandlung im Zusammenhang mit dem Schweißen und verwandten Verfahren. Sie umfasst die Behandlung in Luft oder kontrollierten Atmosphären, unabhängig davon, ob sie in Werkstätten oder vor Ort durchgeführt wird, und gilt hauptsächlich für ferritische Stähle sowie verwandte geschweißte oder umgeformte Bauteile. Ihre Bedeutung liegt im verfahrenstechnischen Ansatz: Der Wärmezyklus wird zu einer kontrollierten Fertigungsmaßnahme mit festgelegten Verantwortlichkeiten, Ausrüstungen, Messungen, Aufzeichnungen und Prüfungen. Ein konformes Qualitätssystem geht nicht davon aus, dass ein allgemeines Ofenprogramm ausreichend ist. Die anzuwendende Verfahrensanweisung legt den Werkstoff, das Bauteil, den Zweck der Behandlung, das Erwärmungsverfahren, den Temperaturbereich, die Haltebedingungen, das Abkühlverfahren und die maßgeblichen Messstellen fest. Wenn der Prozess kritisch ist, weist eine Verfahrensqualifikation nach, dass der vorgeschlagene Zyklus an repräsentativem Werkstoff und repräsentativer Geometrie zu zulässigen Eigenschaften und Maßergebnissen führt. Bei der Qualifikation müssen möglicherweise Wanddicke, Nahtkonfiguration, Anordnung der örtlichen Erwärmung, Einspannung und das Verhältnis zwischen aufgezeichneter Lufttemperatur und tatsächlicher Bauteiltemperatur berücksichtigt werden. Die Temperaturmessung ist daher eine Kontrollfunktion und keine bloße Verzierung eines Diagramms. Thermoelemente, Sensoren, Aufzeichnungsgeräte und Kalibrierstatus müssen für den Prozess geeignet und so angeordnet sein, dass wesentliche heiße und kalte Bereiche erfasst werden. Für Ofen- oder örtliche Erwärmungsanlagen müssen Gleichmäßigkeit, Isolierung, die gegebenenfalls vorgeschriebene Atmosphäre, Erwärmungsgeschwindigkeit, Abkühlgeschwindigkeit und der Schutz vor unbeabsichtigter Verunreinigung oder Oxidation kontrolliert werden. Örtliche Systeme erfordern besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich der Anordnung der Zonen und des Wärmeverlusts an Auflagern, Anbauteilen und freien Kanten. Aufzeichnungen dokumentieren, was mit dem Bauteil geschehen ist. Dazu können die Identifikation des Werkstoffs und der Schweißung, der Stand der Verfahrensanweisung, die Identifikation der Ausrüstung, die Sensorpositionen, Temperatur-Zeit-Diagramme, Angaben zum Bediener oder Prüfer, Unterbrechungen, Reparaturen und die Behandlung von Abweichungen gehören. Die Rückverfolgbarkeit verknüpft diese Aufzeichnungen mit der Schmelzennummer, der Schweißnahtnummer, der Baugruppe oder dem umgeformten Teil. Bei der Prüfung wird anschließend die ausgeführte Arbeit mit der zutreffenden Spezifikation verglichen, einschließlich Sichtprüfung, Maßkontrollen, Härteprüfung, zerstörungsfreier Prüfung oder mechanischer Prüfung, sofern dies durch die maßgeblichen Konstruktions- und Fertigungsunterlagen gefordert wird. ISO 17663:2023 ersetzt weder die Werkstoffnorm noch das Konstruktionsregelwerk oder die Schweißanweisung. Sie stellt einen Qualitätsrahmen für die Kontrolle der Behandlung bereit, die in diesen Dokumenten gefordert wird. Diese Unterscheidung ist wichtig: Eine erfolgreiche Fertigung wird durch eine kontrollierte und rückverfolgbare thermische Vorgeschichte nachgewiesen, gefolgt von Belegen dafür, dass das fertige Bauteil das erforderliche Gefüge, die erforderlichen Eigenschaften und die erforderlichen Abmessungen beibehält. ## Sprache zu Stahlsorten, Spezifikationen und Normen Eine Stahlbezeichnung und ein Wärmebehandlungszustand kennzeichnen unterschiedliche Teile der Werkstoffdokumentation. Die Bezeichnung beantwortet die Frage: „Welche Stahlsorte wurde spezifiziert?“ Der Zustand beantwortet die Frage: „Wie wurde dieser Stahl geliefert oder behandelt, bevor er den nächsten Fertigungsschritt erreichte?“ Werden diese Fragen miteinander verwechselt, kann aus einer korrekten Werkstoffangabe eine falsche Prozessannahme werden. Eine Sortenbezeichnung kennzeichnet normalerweise eine durch eine Norm festgelegte Zusammensetzungsklasse oder Produktkategorie. Sie besagt nicht von sich aus, dass jedes aus dieser Sorte gefertigte Teil vergütet wurde, und sie garantiert auch keine bestimmte Härte nach der Behandlung. Ein Lieferzustand beschreibt dagegen den Zustand, in dem der Werkstoff geliefert wird, beispielsweise unbehandelt, normalgeglüht, vergütet oder anderweitig gemäß der geltenden Produktspezifikation bearbeitet. Die genau zulässigen Zustände und Anforderungen hängen von der Norm, der Produktform und der Bestellspezifikation ab. Die Wärmebehandlung fügt eine dritte Ebene hinzu. Sie ist ein kontrollierter thermischer Zyklus und nicht lediglich ein benannter Zustand. Aufheizgeschwindigkeit, Austenitisierung, Haltezeit, Abkühlintensität, Atmosphäre, Temperaturgleichmäßigkeit, Bauteilgeometrie und Querschnittsabmessungen beeinflussen sämtlich das entstehende Gefüge. Kohlenstoff und Legierungselemente beeinflussen die Phasenstabilität und die Umwandlungskinetik; deshalb kann dieselbe nominelle Stahlsorte unterschiedlich reagieren, wenn sich ihre Abmessungen, die Ofenbeladung oder die Anordnung der Kühlung ändern. Das *ASM Handbook Volume 4A* von ASM International aus dem Jahr 2024 behandelt die Physikalische Metallkunde, Härte und Härtbarkeit, das Abschrecken, Weichglühen, Anlassen, isotherme Bainitumwandlung, Martempern, Austenitisieren sowie Verfahren der Randschichthärtung. Diese Themen erklären, warum eine Bezeichnung keine Prozessspezifikation ersetzen kann. Ferrit, Austenit, Zementit, Perlit, Martensit und Bainit bilden sich unter unterschiedlichen thermischen und kinetischen Bedingungen. Die Bezeichnung eines Stahls liefert einen Teil der Ausgangsinformationen, während die Behandlungsroute bestimmt, welche Umwandlungen möglich werden und wie gleichmäßig sie ablaufen. ### Unlegierte Stähle zum Vergüten Unlegierter Stahl ist nicht gleichbedeutend mit einem Stahl, der nach einem universell gültigen Härtezyklus bearbeitet werden kann. Sein Verhalten hängt vom Kohlenstoffgehalt, vom ursprünglichen Gefüge, von der Querschnittsdicke, der Aufheimpraxis und den Abkühlbedingungen ab. Beim Abschrecken kann sich dort Martensit bilden, wo die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend hoch ist, während langsam abkühlende Bereiche in andere Gefügeprodukte umwandeln können. Das Anlassen verändert anschließend das abgeschreckte Gefüge und baut Spannungen ab oder verteilt sie neu; das Endergebnis hängt jedoch weiterhin von der vollständigen thermischen Vorgeschichte ab. Die maßgebliche technische Frage lautet daher nicht einfach, ob eine Sorte ein „Vergütungsstahl“ ist. Entscheidend ist vielmehr, ob der spezifizierte Werkstoff bei seinem tatsächlichen Querschnitt und seiner tatsächlichen Geometrie über eine festgelegte Behandlungsroute das erforderliche Gefüge und die erforderlichen Eigenschaften erreichen kann. Die Härtbarkeit ist von Bedeutung, weil die Härte allein nicht beschreibt, wie tief ein Querschnitt umwandelt. Verzug und Eigenspannungen sind ebenfalls relevant, da ein Bauteil zwar ein nominelles Härteziel erreichen, jedoch die Anforderungen an Maßhaltigkeit oder Einsatzverhalten verfehlen kann. Das Gleichgewichtsdiagramm Eisen–Eisenkarbid hilft dabei, die Phasenstabilität unter annähernden Gleichgewichtsbedingungen zu bestimmen; es sagt jedoch allein nicht das Ergebnis eines schnellen Abschreckens voraus. Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme beschreiben isotherme Umwandlungen; Diagramme für kontinuierliches Aufheizen und kontinuierliches Abkühlen behandeln veränderliche Temperaturverläufe unmittelbarer. Die Darstellung der Wärmebehandlung von Stahl in der ASM-Ausgabe von 2024 verknüpft diese Diagramme ausdrücklich mit Austenitisierung, Umwandlungsverhalten, Verzug und der Kontrolle von Eigenspannungen. Diese Verbindung ist für unlegierte Stähle, die gehärtet werden sollen, von entscheidender Bedeutung. Ein normalgeglühter Zustand veranschaulicht den Unterschied zwischen Sorte und Behandlungsroute. Durch Normalglühen kann ein anderes Ausgangsgefüge als im Zustand „warmgewalzt“ oder „geglüht“ eingestellt werden, wodurch das nachfolgende Verhalten beim Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen beeinflusst wird. Dieser Zustand sollte als spezifizierter Bearbeitungszustand und nicht als automatische Eigenschaft der Bezeichnung behandelt werden. ### Bezeichnung, Lieferzustand und Behandlungsroute Eine Werkstoffangabe sollte mindestens drei Fragen voneinander trennen: die Identität des Stahls, den Zustand, in dem er geliefert wird, und die für das Bauteil erforderliche Behandlung. Die erste Frage kann durch eine genormte Bezeichnung ausgedrückt werden. Die zweite kann in der Produktspezifikation oder der Bestelldokumentation als Lieferzustand angegeben sein. Die dritte gehört in eine Prozessspezifikation, die festlegt, wie das Bauteil erwärmt, gehalten, abgekühlt, geprüft und abgenommen wird. Diese Dokumentation sollte außerdem das Bauteil und nicht nur den Ofensollwert berücksichtigen. Eine dünne Kante und eine dicke Nabe durchlaufen nicht dieselbe thermische Vorgeschichte. Bohrungen, Ecken, Querschnittsänderungen und der Kontakt mit Vorrichtungen verändern den Wärmestrom und die Entstehung von Spannungen. Die Ofenatmosphäre kann die Oberflächenchemie und die Zunderbildung beeinflussen; Temperaturgleichmäßigkeit und Beladungsanordnung wirken sich darauf aus, ob alle Bereiche den vorgesehenen Zyklus erhalten. Kühlmedien und Umwälzung verändern die Wärmeabfuhr, während verzögertes Umsetzen oder ungleichmäßiges Eintauchen Temperaturgradienten verursachen kann. Die Bezeichnung der Behandlung allein bleibt unvollständig. „Vergütet“ bezeichnet eine Abfolge, jedoch nicht das vollständige Verfahren. Eine anwendbare Prozessspezifikation muss die geltende Sorte und den geltenden Zustand, die Anlagenregelung, die Temperaturmessung, die Vorgaben für Erwärmung und Halten, die Anforderungen an das Umsetzen, das Kühlverfahren, die Anlasspraxis und die Prüfkriterien festlegen. Darüber hinaus können Vorgaben für Härtekarten, Maßprüfungen, den Oberflächenzustand und die Korrektur von Verzug erforderlich sein. Normen legen Anforderungen und Geltungsbereiche fest; sie ersetzen jedoch nicht die ingenieurtechnische Beurteilung eines bestimmten Bauteils. ISO 17663:2023 bietet einen eigenständigen Kontext für Qualitätsanforderungen an Wärmebehandlungen im Zusammenhang mit dem Schweißen und verwandten Verfahren. Die Norm behandelt Wärmebehandlungen in Luft oder kontrollierten Atmosphären, unabhängig davon, ob sie in Werkstätten oder vor Ort durchgeführt werden, und gilt hauptsächlich für ferritische Stähle sowie entsprechende geschweißte oder umgeformte Bauteile. Ihr Vorhandensein macht nicht jeden Wärmebehandlungsvorgang zu einem Schweißverfahren, zeigt jedoch, warum die Qualitätskontrollen der jeweils ausgeführten Arbeit entsprechen müssen. ### ISO 683-1:2016 im Kontext Der genaue Titel lautet **ISO 683-1:2016, Wärmebehandelbare Stähle, legierte Stähle und [Automatenstähle](/de/kategorien/automatenstähle "Automatenstähle") — Teil 1: Unlegierte Stähle zum Vergüten**. Der Titel ordnet unlegierte Stähle in eine umfassendere Normenreihe ein und benennt zugleich den konkreten Teil, den das Dokument behandelt. ISO 683-1:2016 legt innerhalb ihres angegebenen Geltungsbereichs technische Lieferanforderungen fest, jedoch kein universell gültiges Wärmebehandlungsrezept. Strong evidence Nach Angaben der International Organization for Standardization legt ISO 683-1:2016 technische Lieferanforderungen für unlegierte Stähle fest, die hauptsächlich zum Vergüten, zur isothermen Bainitumwandlung, zur Flammhärtung, zur Induktionshärtung und in bestimmten Fällen für normalgeglühte Zustände vorgesehen sind. „Technische Lieferanforderungen“ markieren die wichtige Grenze der Normensprache. Das Dokument legt Anforderungen an Werkstoffe fest, die innerhalb seines Geltungsbereichs geliefert werden; es stellt kein universelles Rezept für jedes Bauteil dar, das aus einem abgedeckten Stahl gefertigt wird. Diese Unterscheidung verhindert zwei häufige Fehler. Erstens beweist eine von ISO 683-1:2016 abgedeckte Bezeichnung nicht, dass ein fertiges Bauteil die erforderliche Behandlung erhalten hat. Zweitens legt die Auswahl eines Lieferzustands nicht den vollständigen Wärmezyklus fest, der zur Erreichung eines Konstruktionsziels erforderlich ist. Die Bauteilspezifikation muss weiterhin Geometrie, Querschnittsabmessungen, Erwärmung, Haltezeit, Abkühlung, Atmosphäre, Verzugskontrolle, Eigenspannungen und Verifizierung berücksichtigen. ISO 683-1:2016 ist daher eine Werkstoff- und Lieferreferenz innerhalb eines umfassenderen Kontrollsystems. ASM International, ASTM International, NPTEL und das Referenzwerk *Steel and Its Heat Treatment* aus dem Jahr 1984 beschreiben die Wärmebehandlung anhand von Phasenumwandlungen und der Zeit-Temperatur-Vorgeschichte. Die Norm liefert den vertraglichen Werkstoffrahmen; die metallurgische Analyse und eine kontrollierte Prozessspezifikation bestimmen, ob das tatsächliche Bauteil den erforderlichen Zustand erreicht. ## Prozesskontrolle, Verifizierung und Fehleranalyse Die Wärmebehandlung sollte als kontrollierte Abfolge verifiziert und nicht allein anhand der Härte beurteilt werden. Vor dem Beschicken des Ofens sind die Stahlsorte, die Schmelzen- oder Gießnummer, die Produktform, die Querschnittsabmessungen und der Ausgangszustand zu bestätigen. Ein vergüteter Stab aus legiertem Stahl ist nicht mit einem normalisierten Stab aus Kohlenstoffstahl austauschbar, selbst wenn beide einen ähnlichen Kohlenstoffgehalt aufweisen. Das Ausgangsgefüge aus Ferrit und Perlit, eine vorausgegangene Kaltverformung, die Korngröße, die Seigerungen und der Bearbeitungszustand beeinflussen das Austenitisierungsverhalten, die Umwandlungskinetik, den Verzug und die Endhärte. #### Prüfliste zur Verifizierung Werkstoffschmelze, Ausgangszustand, Ofen- und Beladungstemperaturen, Atmosphäre, Haltezeit, Umsetzzeit, Zustand des Abschreckmittels, Anlasszyklus, Prüforte und Maßergebnisse dokumentieren. Die Prozessaufzeichnung sollte diese Materialidentität mit der vollständigen thermischen Historie verknüpfen: Ofensollwert und gemessene Temperatur, Zustand der Atmosphäre, Anordnung der Charge, gegebenenfalls Aufheizgeschwindigkeit, Einwirk- oder Haltezeit, Transferzeit, Abschreckmedium und Bewegung, Abkühlungsverlauf, Anlasszyklus sowie alle nachgelagerten Arbeitsgänge. Das ASM Handbook Volume 4A (ASM International, 2024) behandelt Härte, Härtbarkeit, Abschrecken, Verzug und die Kontrolle von Eigenspannungen als Bestandteile derselben wärmebehandlungstechnischen Problemstellung. Dieser Zusammenhang ist von Bedeutung. Ein Bauteil kann eine spezifizierte Oberflächenhärte erreichen und dennoch einen ungeeigneten Kern, übermäßige Zugspannungen oder eine Geometrieänderung aufweisen, die eine Montage verhindert. ISO 683-1:2016 legt technische Lieferanforderungen für unlegierte Stähle fest, die hauptsächlich zum Vergüten, zur isothermischen Umwandlungshärtung, zum Flammenhärten, zum Induktionshärten und in bestimmten Fällen im normalisierten Zustand vorgesehen sind. ISO 17663:2023 behandelt Qualitätsanforderungen an Wärmebehandlungen in Luft oder kontrollierten Atmosphären, die in Werkstätten oder vor Ort durchgeführt werden, hauptsächlich für ferritische Stähle sowie zugehörige geschweißte oder umgeformte Bauteile. Diese Normen schaffen einen Qualitätsrahmen; sie machen jedoch nicht jede Stahlsorte, jede Geometrie und jeden Betriebszustand zu einer einheitlichen, universell gültigen Abnahmeregel. Die jeweils geltende Zeichnung, Werkstoffspezifikation, Arbeitsanweisung und Prüfplanung müssen festlegen, was zulässig ist. ### Ofenatmosphäre und Temperaturgleichmäßigkeit Die Temperaturregelung beginnt mit der Messung und nicht mit der Anzeige des Reglers. Ein Ofen kann 850 °C anzeigen, während die Charge aufgrund der Position des Sensors, von Strahlungsgradienten, beschädigter Isolierung, blockierter Umwälzung oder einer überlasteten Arbeitszone einer anderen Temperatur ausgesetzt ist. Temperaturgleichmäßigkeitsprüfungen und kalibrierte Lastthermoelemente machen diese Unterschiede sichtbar. Die entscheidende Frage ist nicht lediglich, ob der Ofen seinen Sollwert erreicht hat, sondern ob das Bauteil innerhalb der gesamten Charge die erforderliche Temperatur erreicht hat und für die vorgesehene Zeit auf dieser Temperatur gehalten wurde. Die Anordnung der Charge beeinflusst das Aufheizen und Abkühlen. Eng zusammengepackte Bauteile können sich gegenseitig vor der Strahlungswärme abschirmen und den Gas- oder Abschreckmittelfluss behindern. Große Querschnitte erwärmen sich im Zentrum langsamer als an der Oberfläche; dünne Vorsprünge können überhitzen, während der Kern noch unterhalb des vorgesehenen Austenitisierungsbereichs liegt. Eine Haltezeit, die ab der Wiederherstellung der Ofentemperatur gemessen wird, kann daher metallurgisch etwas anderes bedeuten als eine Haltezeit, die nach dem Temperaturausgleich der Charge gemessen wird. Die Atmosphärenregelung dient zwei Zwecken: Sie begrenzt die chemische Veränderung an der Oberfläche und unterstützt eine reproduzierbare Wärmeübertragung. Ein Überschuss an Sauerstoff oder Wasserdampf fördert Oxidation und Zunderbildung. Ein Kohlenstoffpotenzial unterhalb des für den Stahl erforderlichen Gleichgewichtswerts kann Entkohlung verursachen, wobei der Oberfläche Kohlenstoff entzogen und die erreichbare Härte verringert wird. Ein überhöhtes Kohlenstoffpotenzial kann Aufkohlung verursachen, verbunden mit einer harten, spröden Oberfläche oder einem anomalen Kohlenstoffgradienten. Endogas, Stickstoff-Methanol-Systeme, Vakuum, Salz und Luft stellen jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Überwachung. Je nach Prozess können Taupunkt, Sauerstoffpotenzial, Kohlenstoffpotenzial, Gasdurchfluss, Druck und Alarmaufzeichnungen relevant sein. Der Transfer vom Ofen zum Abschreckbad ist ein weiterer Kontrollpunkt. Eine Verzögerung ermöglicht eine teilweise Umwandlung, insbesondere in der Nähe der Nase eines Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramms für kontinuierliche Abkühlung, und kann zur Bildung von Ferrit, Perlit oder Bainit führen, bevor die Martensitbildung abgeschlossen ist. Abschrecktemperatur, Bewegung, Verunreinigung, Konzentration und Ausrichtung des Bauteils bestimmen anschließend die Abschreckintensität. Ein Abschreckmedium, das an einer Stelle schnell abkühlt, kann an einer anderen Stelle aufgrund von Dampfmänteln, stagnierendem Fluss oder einem veränderten Zustand der Flüssigkeit langsam abkühlen. Das Ergebnis ist eine Prozesshistorie und keine einzelne Abkühlgeschwindigkeitszahl. ### Härte-, Gefüge- und Maßprüfungen Die Verifizierung sollte mehrere miteinander verknüpfte Untersuchungen umfassen. Die Härte ist ein schnelles Mittel zur Beurteilung des Behandlungsergebnisses, ihre Aussagekraft hängt jedoch von der Lage, dem Verfahren, dem Oberflächenzustand und der Querschnittsgröße ab. Es sind die spezifizierten Bereiche zu prüfen und nicht nur die am leichtesten zugängliche Oberfläche. Bei Querschnittsdicken, bei denen Gradienten zu erwarten sind, sollten Oberfläche und Kern verglichen werden; sofern das Prüfverfahren eine einwandfreie Prüfoberfläche erfordert, sind Zunder oder entkohltes Material zu entfernen. Ein Härteverlauf kann zeigen, ob durch Induktions- oder Flammenhärten die vorgesehene Randschichthärtetiefe erzielt wurde, während eine Einzelmessung einen abrupten Übergang verbergen kann. Die Gefügeuntersuchung erklärt Härteergebnisse, die widersprüchlich erscheinen. Nach dem Abschrecken kann das Gefüge Martensit, Bainit, Ferrit, Perlit und Restaustenit in Anteilen enthalten, die durch Kohlenstoffgehalt, Legierungszusätze, Abkühlgeschwindigkeit und örtliche Geometrie bestimmt werden. Das Anlassen verändert den Martensit und baut einen Teil der Abschreckspannungen ab; es beseitigt jedoch nicht jeden vorherigen Prozessfehler. Metallografische Schliffe sollten aus repräsentativen oder verdächtigen Bereichen entnommen, ohne Überhitzung oder Verschmierung präpariert und unter Berücksichtigung der Stahlsorte und der Behandlungshistorie interpretiert werden. Die Oberflächenprüfung kann Oxidation, Zunder, Entkohlung, Aufkohlung, Abschreckrisse, Schleifrisse, Überwalzungen und örtliche Überhitzung erkennen. Entkohlung erscheint häufig als kohlenstoffarme ferritische Schicht unterhalb der Oberfläche. Oxidation hinterlässt Zunder oder bei starker Ausprägung einen interkristallinen Angriff. Übermäßiger Restaustenit kann bei hohem Kohlenstoff- oder Legierungsgehalt, unzureichender Abschreckintensität, einer zu hohen Abschrecktemperatur oder einer Martensit-Start-Temperatur auftreten, die so niedrig ist, dass die Umwandlung bei Raumtemperatur unvollständig bleibt. Er kann sich später während des Betriebs, der Bearbeitung oder einer Kältebehandlung umwandeln und dadurch Maßveränderungen verursachen. Die Maße sind vor und nach der Behandlung an festgelegten Bezugsflächen zu messen. Länge, Durchmesser, Ebenheit, Rundheit, Rundlauf, Bohrungsgröße und relevante Profilmerkmale sind entsprechend der Bauteilzeichnung zu dokumentieren. Der Verzug wird durch ungleichmäßiges Erwärmen, Volumenänderungen infolge von Umwandlungen, Temperaturgradienten, asymmetrische Geometrie, Abschreckströmung, Bearbeitungseigenspannungen und Behinderungen verursacht. Eigenspannungen können auch dann bestehen bleiben, wenn die Maße innerhalb der Toleranz liegen; daher sind Verzugsregelung und Spannungsregelung miteinander verbundene, jedoch nicht identische Aufgaben. Die Behandlung von Verzug und Eigenspannungen im ASM Handbook von 2024 ist daher für die Prüfplanung unmittelbar relevant. ### Interpretation nichtkonformer Ergebnisse Ein nichtkonformes Ergebnis ist ein Hinweis auf einen Prozess- oder Materialzustand, der eine Absonderung und Untersuchung erfordert, und keine Aufforderung, den Zyklus ohne Diagnose einfach zu wiederholen. Zunächst ist die Rückverfolgbarkeit zu sichern: Ofencharge, Materialschmelze, geprüfte Stellen, verwendete Prüfmittel, Kalibrierstatus und das genaue Ergebnis sind zu erfassen. Vor einer metallurgischen Ursachenbewertung sind Prüfverfahren und Probenlage zu bestätigen. Ein fälschlich niedriger Härtewert kann durch Zunder, Entkohlung, eine raue Oberfläche, einen zu flachen Prüfeindruck oder eine zu geringe Entfernung vom Rand verursacht werden. Weiche Stellen entstehen häufig durch unzureichende Abschreckintensität, ungenügende Bewegung, Dampfblasenbildung, behinderten Flüssigkeitsstrom, eine zu lange Transferzeit, unzureichendes Austenitisieren oder einen Querschnitt, der für den ausgewählten Stahl und das Abschreckmedium zu groß ist. Eine ungleichmäßige Ofentemperatur oder eine ungeeignete Anordnung der Charge kann dasselbe Erscheinungsbild verursachen. Eine übermäßige Härte kann auf unzureichendes Anlassen, eine falsche Anlasstemperatur, eine aufgekohlte Oberfläche oder ein Gefüge mit nicht angelassenem Martensit hindeuten. Sie kann auch das Ergebnis einer Prüfung an einem dünnen gehärteten Bereich statt am vorgesehenen Grundwerkstoff sein. Entkohlung weist auf eine unzureichende Atmosphärenregelung, eine zu lange Einwirkungsdauer, die Entfernung von Zunder oder einen vorausgegangenen Erwärmungsvorgang hin. Oxidation deutet auf einen Lufteintritt, ein ungeeignetes Ofenpotenzial, einen hohen Taupunkt oder eine zu lange Einwirkungsdauer hin. Grobkorn entsteht üblicherweise durch eine zu hohe Austenitisierungstemperatur, eine zu lange Haltezeit, wiederholtes Erwärmen oder örtliche Überhitzung; es kann die Zähigkeit verringern und die Verzugsanfälligkeit erhöhen. Rissbildung kann durch starkes Abschrecken, scharfe Ecken, Schleifschäden, bereits vorhandene Fehler, Wasserstoff oder Oberflächenverunreinigungen sowie durch Eigenspannungen verursacht werden, die sich mit Umwandlungsspannungen überlagern. Rissform und Risslage sind häufig aussagekräftiger als die Härte. Unerwarteter Restaustenit sollte Anlass sein, Kohlenstoff- und Legierungsgehalt, tatsächliche Austenitisierungstemperatur, Abkühlgeschwindigkeit, Unterbrechungen beim Abschrecken sowie jede stabilisierende Wirkung aufgrund der Geometrie oder Querschnittsdicke zu überprüfen. Ein Maßzuwachs nach der Behandlung kann diese Diagnose stützen, ist für sich allein jedoch kein Beweis. Korrekturmaßnahmen können eine Umklassifizierung, zusätzliches Anlassen, Spannungsarmglühen, eine erneute Prüfung oder eine Zurückweisung umfassen; die geeignete Entscheidung hängt von der maßgeblichen Spezifikation und der technischen Bewertung ab. Die wesentliche Disziplin besteht darin, jeweils nur eine identifizierte Prozessvariable zu ändern und das resultierende Gefüge, die Eigenschaften, den Oberflächenzustand und die Maße zu verifizieren. ## Ein einheitlicher Rahmen für die Auswahl einer Wärmebehandlung Die Wärmebehandlung sollte anhand des erforderlichen Eigenschaftsprofils und der Einsatzbedingungen ausgewählt werden, nicht anhand einer vertrauten Temperatur oder einer allgemeinen Werkstoffbezeichnung. Ein kontrollierter Wärmezyklus verändert Stahl durch Phasenumwandlungen. Die dabei entstehenden Gefüge aus Ferrit, Perlit, Bainit, Martensit, Restaustenit und Karbiden hängen jedoch von der Zusammensetzung, der Querschnittsgröße, der Erwärmungsgeschwindigkeit, dem Abkühlungsverlauf und dem Ausgangszustand des Werkstoffs ab. Daher kann dieselbe nominelle Behandlung bei einem Bauteil eine zweckmäßige Zähigkeit erzeugen, bei einem anderen jedoch Rissbildung, übermäßigen Verzug oder eine unzureichende Kernhärte verursachen. Das *ASM Handbook Volume 4A* von ASM International führt die physikalische Metallkunde, Härte und Härtbarkeit, das Abschrecken, das Weichglühen, das Anlassen, das Bainitstufen, das Martempern, das Austenitisieren und das Randschichthärten als miteinander verbundene Bestandteile der Wärmebehandlung von Stahl auf und nicht als isolierte Verfahren (ASM International, 2024). Diese Verbindung bildet die Grundlage für die Auswahl eines Verfahrens. ### Mit den erforderlichen Eigenschaften und Einsatzbedingungen beginnen Definieren Sie das technische Ziel, bevor Sie einen Wärmezyklus auswählen. Die erforderliche Härte kann sich auf den gesamten Querschnitt, eine Verschleißoberfläche oder eine bestimmte Randschichttiefe beziehen. Zugfestigkeit und Streckgrenze sind relevant, ersetzen jedoch weder Zähigkeit noch Duktilität oder Ermüdungsfestigkeit. Eine harte martensitische Oberfläche kann dem abrasiven Verschleiß widerstehen, gleichzeitig aber die Widerstandsfähigkeit gegen Stoßbelastungen verringern oder die Empfindlichkeit gegenüber Schleifschäden erhöhen. Ein Gefüge mit geringerer Härte aus Bainit oder angelassenem Martensit kann wiederholte Belastungen zuverlässiger aufnehmen. Bei der Auswahl der Wärmebehandlung müssen Härte, Zähigkeit, Maßstabilität und Verschleißbeständigkeit gegeneinander abgewogen werden, anstatt eine einzelne Eigenschaft zu maximieren. Die Einsatzbedingung bestimmt, welcher Zielkonflikt akzeptabel ist. Ein Zahnradzahn ist Kontaktspannungen, Gleitverschleiß, Biegeermüdung und häufig einem Härtegradienten vom Rand zum Kern ausgesetzt. Eine Welle benötigt möglicherweise einen zähen Kern, einen harten Lagersitz und nach der Behandlung enge Rundlauftoleranzen. Bei einem druckhaltenden geschweißten Bauteil stehen Eigenspannungen, Wasserstoffkontrolle, Zähigkeit und Prüfung stärker im Vordergrund als eine maximale Härte. Temperatur, korrosive Einwirkungen, Schmierung, Stoßbelastung, zyklische Spannungen und die Folgen eines Bruchs gehören in dieselbe erste Bewertung. Die Maßtoleranz muss zusammen mit den mechanischen Eigenschaften festgelegt werden. Ein Bauteil mit einer Toleranz von wenigen Hundertstelmillimetern darf nicht so behandelt werden, als wäre der Verzug eine nachträglich zu korrigierende Angelegenheit. Die Geometrie verändert das Temperaturfeld: Dünne Kanten erwärmen und kühlen schnell ab, Bohrungen verändern die lokale Steifigkeit, scharfe Ecken konzentrieren Spannungen, und lange, asymmetrische Querschnitte verformen sich, während sich Umwandlungsdehnungen entwickeln. Der gewünschte Gradient zwischen Oberfläche und Kern muss ebenfalls ausdrücklich festgelegt werden. Durchhärten, selektives Härten und Spannungsarmglühen stellen unterschiedliche thermische und mechanische Anforderungen. Der Ausgangszustand ist Bestandteil der Spezifikation. Gussgefüge, vorherige Kaltverformung, normalisiertes Ferrit-Perlit, kugelige Karbide, zuvor angelassener Martensit und eine Wärmeeinflusszone einer Schweißnaht reagieren nicht gleich. Ein geschweißtes Bauteil kann bereits vor Beginn der geplanten Behandlung Härtegradienten und Zugeigenspannungen enthalten. ISO 17663:2023 behandelt Qualitätsanforderungen an die Wärmebehandlung unter Luft oder in kontrollierten Atmosphären, in Werkstätten oder vor Ort, hauptsächlich für ferritische Stähle sowie damit verbundene geschweißte oder umgeformte Bauteile. Die praktische Bedeutung liegt darin, dass Prozessprotokoll, Temperaturmessung, Atmosphärenregelung und Prüfplan zur Vorgeschichte und zum Risiko des Bauteils passen müssen. ### Die Stahlzusammensetzung an das Umwandlungsverhalten anpassen Kohlenstoff bestimmt die für Martensit verfügbare Kohlenstoffmenge und beeinflusst die Anteile und die Härte von Ferrit, Perlit und Zementit. Legierungselemente verändern die Umwandlungstemperaturen, die Karbidstabilität, die Härtbarkeit, das Anlassverhalten und das Oxidationsverhalten. AISI 1045 und AISI 4140 dürfen nicht allein deshalb mit derselben Abschreckannahme behandelt werden, weil beide abgeschreckt und angelassen werden können. Der Chrom-Molybdän-Gehalt von AISI 4140 verzögert diffusionsgesteuerte Umwandlungen und ermöglicht bei vergleichbaren Querschnitten im Allgemeinen ein stärkeres Durchhärten als der unlegierte Kohlenstoffstahl AISI 1045. AISI 52100 enthält zusätzlich viel Kohlenstoff und Chrom, wobei die Karbidkontrolle für die Leistungsfähigkeit und die Maßstabilität von Lagern entscheidend wird. Das Eisen-Eisenkarbid-Diagramm hilft bei der Bestimmung von Gleichgewichtsphasen und der Kohlenstofflöslichkeit, sagt jedoch nicht das Gefüge voraus, das durch einen realen Abkühlungszyklus entsteht. Austenit kann sich in Perlit oder Bainit umwandeln, wenn die Abkühlung den entsprechenden Zeit-Temperatur-Bereich durchläuft. Wird die Diffusion ausreichend unterdrückt, kann er sich bei Temperaturen, die durch die Zusammensetzung des Stahls bestimmt werden, in Martensit umwandeln. Die Darstellung von ASM aus dem Jahr 2024 zu Umwandlungsdiagrammen unterscheidet Gleichgewichtskonzepte vom Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten (TTT) und vom kontinuierlichen Abkühlungs-Umwandlungsverhalten (CCT). Diese Unterscheidung verhindert einen häufigen Fehler: die Auswahl einer Austenitisierungstemperatur aus einem Phasendiagramm und die Annahme, dass damit das Ergebnis der Abkühlung bereits festgelegt sei. Verwenden Sie ein TTT-Diagramm, um isotherme Haltezeiten zu beurteilen, und ein CCT-Diagramm, um die praktische Abkühlung aus dem Austenit zu bewerten. Die Frage ist nicht einfach, ob ein Abschreckmittel „schnell“ ist. Entscheidend ist vielmehr, ob die Abkühlungskurve des tatsächlichen Querschnitts gegebenenfalls den Perlit- oder Bainitnasenbereich umgeht und anschließend den martensitischen Bereich mit einer Geschwindigkeit durchläuft, die thermische Spannungen und Umwandlungsspannungen begrenzt. Ein großer Durchmesser kann in seinem Zentrum langsam abkühlen, während eine dünne Kante schnell abkühlt, sodass in einem einzigen Bauteil unterschiedliche Gefüge entstehen. Die Härtbarkeit, die beispielsweise mit dem Stirnabschreckversuch nach Jominy geprüft wird, beschreibt die Tiefe, bis zu der ein Stahl unter einer definierten Abkühlbedingung eine bestimmte Härte entwickeln kann. Sie garantiert jedoch keine bestimmte Härte bei jeder Geometrie. Diese Überlegung kann von einer maximalen Abschreckschärfe wegführen. Abschrecken und Anlassen können die erforderliche Festigkeit liefern, während das Martempern den Temperaturunterschied während der Martensitbildung verringern und dadurch das Verzugsrisiko reduzieren kann. Das Bainitstufen kann ein Bainitgefüge mit zweckmäßiger Zähigkeit und verringerter Abschreckverformung erzeugen, sofern Stahl und Querschnittsgröße die erforderliche isotherme Umwandlung zulassen. Normalisieren kann ein uneinheitliches Ausgangsgefüge verfeinern, während Weichglühen oder Kugelglühen die Zerspanbarkeit vor dem Härten verbessern kann. Flammhärten und Induktionshärten können eine hohe Oberflächenhärte bei gleichzeitig zäherem Kern erzeugen, sofern Erwärmungsmuster, Frequenz, Vorschubgeschwindigkeit und Selbstabschreckfähigkeit kontrolliert werden. ### Leistungsfähigkeit, Herstellbarkeit und Risiko ausgleichen Ein technisch erreichbares Mikrogefüge kann dennoch eine schlechte Wahl für die Fertigung sein. Berücksichtigen Sie Ofenkapazität, Beladungsanordnung, Gleichmäßigkeit der Erwärmung, Bewegung des Abschreckmittels, Verunreinigung des Abschreckmittels, Atmosphäre, Vorrichtungen, Bearbeitungsfolge und die Möglichkeit, die Temperatur an repräsentativen Stellen zu messen. Die Auswahl der Atmosphäre ist nicht nebensächlich: Oxidation, Entkohlung, Aufkohlung und Zunder können Oberflächenhärte und Maße verändern. Eine Berechnung der Härtbarkeit ist außerdem ohne Querschnittsdicke, Eckradien, Kontakt mit Vorrichtungen und die Abkühlbedingungen an der Oberfläche unvollständig. Eigenspannungen und Verzug müssen als Konstruktionsgrenzen behandelt werden. Wärmekontraktion und Umwandlungsausdehnung treten zu unterschiedlichen Zeitpunkten und an unterschiedlichen Stellen auf, während die Martensitbildung Spannungen festsetzen kann, bevor der Kern abgekühlt ist. Risse treten wahrscheinlicher auf, wenn hohe Spannungen mit hoher Härte, scharfer Geometrie, Oberflächenschäden, Wasserstoff oder einem ungeeigneten Abschrecken zusammentreffen. Anlassen ist daher nicht lediglich eine Anpassung der Härte. Es verändert die Stabilität und Zähigkeit des abgeschreckten Gefüges und baut einen Teil der Abschreckspannungen ab. Anlass-Temperatur, Anlasszeit und Verzögerung bis zum Überführen in den Anlassofen müssen kontrolliert werden. Die Vorgeschichte des Schweißens kann die Entscheidung vollständig verändern. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann Eigenspannungen verringern oder harte Zonen anlassen, jedoch bei einem schlecht auf den Stahl abgestimmten Zyklus auch Festigkeit, Maßgenauigkeit und Zähigkeit beeinträchtigen. ISO 683-1:2016 behandelt technische Lieferbedingungen für unlegierte Stähle, die hauptsächlich zum Abschrecken und Anlassen, Bainitstufen, Flammhärten, Induktionshärten und in bestimmten Fällen für normalisierte Zustände vorgesehen sind. Die Norm macht es nicht überflüssig, eine Behandlung für ein bestimmtes Bauteil zu qualifizieren. Die Prüfmöglichkeiten setzen die Grenze einer glaubwürdigen Prozesskontrolle. Härteprüfungen sollten Oberfläche und Kern erfassen, wenn ein Gradient vorgegeben ist. Metallografische Untersuchungen können erforderlich sein, um Entkohlung, Restaustenit, nicht angelassenen Martensit, Bainit, Karbidnetzwerke oder eine abnorme Korngröße festzustellen. Maßprüfungen, Magnetpulver- oder Farbeindringprüfung, Ultraschallprüfung und die Bewertung von Eigenspannungen können angemessen sein, wenn Risse oder innere Fehler schwerwiegende Folgen haben. #### Auswahl einer Behandlung 1. **Ziel festlegen** Betriebslasten, Eigenschaftsgrenzen, Anforderungen an Oberfläche und Kern sowie Maßtoleranzen festlegen. 2. **Ausgangszustand bestimmen** Güte, vorheriges Mikrogefüge, Querschnittsgeometrie, Produktform und Schweißvorgeschichte bestätigen. 3. **Kinetik bewerten** Geeignete TTT- oder CCT-Informationen für den tatsächlichen Stahl und den thermischen Verlauf verwenden. 4. **Verfahren auswählen** Erwärmungs-, Atmosphären-, Abkühl-, Anlass- oder Oberflächenhärtungsverfahren auswählen, die sich steuern lassen. 5. **Qualifizieren und verifizieren** Härte, Mikrogefüge, Maße, Oberflächenzustand und Fehlstellen anhand der zutreffenden Spezifikation überprüfen. Die Auswahlentscheidung kann daher schrittweise getroffen werden: Legen Sie Betriebslasten und Eigenschaftsgrenzen fest; spezifizieren Sie Oberflächen- und Kernhärte sowie Maßtoleranzen; bestimmen Sie Werkstoffgüte, vorheriges Mikrogefüge, Querschnittsgeometrie und Schweißvorgeschichte; vergleichen Sie die Umwandlungsverläufe in TTT- und CCT-Diagrammen; wählen Sie Erwärmungs-, Atmosphären-, Abkühlungs- und Anlassverfahren, die kontrolliert werden können; und qualifizieren Sie anschließend den Zyklus anhand von Härte, Gefüge, Maßen und Fehlerprüfung. Wenn kein einziger Verfahrensweg Festigkeit, Zähigkeit, Verzug und Fertigungsgrenzen gleichzeitig erfüllt, müssen Stahl, Geometrie, Bearbeitungsfolge oder Strategie der Oberflächenbehandlung geändert werden. Wärmebehandlung ist ein gekoppeltes Problem der Metallkunde und des Prozesses. Die maßgebliche Entscheidung ist nicht eine einzelne Temperaturangabe, sondern eine überprüfte Wärmehistorie, die auf den Stahl und das Bauteil abgestimmt ist. ## Quellen 1. \[1\] ASM International. [Steel Heat Treating—Fundamentals and Processes](https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/Steel-Heat-Treating-Fundamentals-and-Processes). ASM Handbook Volume 4A, 2024. [](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#wiki-cite-ref-1) https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/Steel-Heat-Treating-Fundamentals-and-Processes 2. \[2\] ASTM International. [Steel Metallurgy & Heat Treatment course outline](https://store.astm.org/astm-tpt-727.html). ASTM International course outline, 2024. [](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#wiki-cite-ref-2) https://store.astm.org/astm-tpt-727.html 3. \[3\] ASM International. 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[](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/grundlagen-der-w%C3%A4rmebehandlung-von-stahl#wiki-cite-ref-6) https://www.sciencedirect.com/book/9780408014243/steel-and-its-heat-treatment **Wärmebehandlung im Überblick** Kernvariablen Zusammensetzung, Erwärmung, Haltezeit, Atmosphäre, Wärmefluss im Querschnitt und Abkühlverlauf Wichtigste Ergebnisse Phasenzusammensetzung, Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität, Zerspanbarkeit und Maßstabilität Gängige Verfahren Weichglühen, Normalglühen, Abschrecken und Anlassen, Austempern, Martempern und Oberflächenhärten [Zurück zu Wärmebehandlung](/de/wiki/wärmebehandlung "Wärmebehandlung — Steel Wiki")