Härtbarkeit von Stahl und der Jominy-Endabschreckversuch

Härtbarkeit ist nicht Härte

Ein Stahl kann an seiner Oberfläche hart sein, ohne in großer Tiefe auszuhärten. Diese Aussage ist der Schlüssel zur korrekten Interpretation eines Jominy-Ergebnisses. Härte ist der Widerstand eines Werkstoffs gegen das Eindringen eines Prüfkörpers oder gegen eine andere festgelegte Form der Verformung; sie wird mit einem Verfahren wie Rockwell, Brinell oder Vickers gemessen. Härtbarkeit ist etwas anderes: Sie beschreibt, wie tief und wie gleichmäßig ein Stahl Härte entwickelt, wenn eine definierte Austenitisierungs- und Abschreckbehandlung einen definierten Abkühlverlauf erzeugt.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil die Härte einen gemessenen Zustand an einer bestimmten Stelle darstellt, während die Härtbarkeit eine Werkstoffreaktion über einen Querschnitt beschreibt. Ein einzelner an einer Oberfläche bestimmter Rockwell-C-Wert gibt weder die Abkühlgeschwindigkeit an, die ihn erzeugt hat, noch das Gefüge darunter oder die Härte, die im Kern eines Bauteils verbleibt. Einen Stahl einfach als „hart“ zu bezeichnen, lässt diese Fragen unbeantwortet. Dieser Artikel verwendet daher die Terminologie von ASTM A255 und ASM International, anstatt Härte und Härtbarkeit als austauschbare Eigenschaften zu behandeln.

Definitionen nach ASTM A255 und ASM International

ASTM A255-20 definiert die Härtbarkeit als „die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken aushärtet“. Die Definition ist kurz, doch ihr wichtigstes Wort ist Tiefe. Härtbarkeit ist keine andere Bezeichnung für den Härtewert auf einem Prüfzeugnis. Sie betrifft das Eindringen der Härtung von der Oberfläche in Richtung des Inneren während des Abschreckens.

Jominy-HärtbarkeitskurveJominy-Härtbarkeitskurve Eine grafische Darstellung der gemessenen Härte als Funktion des Abstands vom wasserabgeschreckten Ende eines genormten Probekörpers.

Dieselbe Norm legt die quantitative Stirnabschreckprüfung, auch Jominy-Prüfung genannt, fest. Ihr Prüfstück ist ein zylindrischer Stab mit einem Durchmesser von 1 Zoll. Nach dem Erwärmen auf den vorgeschriebenen Austenitisierungszustand wird ein Ende durch einen kontrollierten Wasserstrahl abgeschreckt. Anschließend werden in zunehmenden Abständen von diesem abgeschreckten Ende Härtemessungen durchgeführt. Das daraus entstehende Diagramm der Härte in Abhängigkeit von der Entfernung ist die Jominy-Härtbarkeitskurve.

ISO 642:2024 legt die Stirnabschreckprüfung der Härtbarkeit von Stahl mit einem Prüfstück von 25 mm Durchmesser und einer Länge von mindestens 100 mm fest. Die Abmessungen ähneln denen der ASTM-Spezifikation, sind jedoch nicht lediglich eine beiläufige Wiederholung dieser Vorgabe. Ein Ergebnis muss der Norm und der Ausgabe zugeordnet werden, in denen Prüfstück, Erwärmungsverfahren, Abschreckanordnung, Messstellen und Verfahren zur Ergebnisangabe festgelegt sind. Andernfalls kann „Jominy-Härte“ eine Zahl bezeichnen, ohne eine reproduzierbare Prüfung zu identifizieren.

ASM International vermittelt die umfassendere metallurgische Bedeutung. Das Kapitel von 1990 über Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle beschreibt die Härtbarkeit als die Eigenschaft, welche die Tiefe und Verteilung der durch Abschrecken erzeugten Härte bestimmt. ASM nennt außerdem die Zusammensetzung des Stahls und die Austenitkorngröße als primäre Faktoren, die die Härtbarkeit beeinflussen. Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst die aus Martensit erzielbare Härte, während Legierungszusätze die Umwandlungen verzögern können, die während der Abkühlung mit der Martensitbildung konkurrieren. Auch die Austenitkorngröße verändert das Umwandlungsverhalten. Diese Faktoren wirken über die thermische Vorgeschichte; sie machen die Härtbarkeit nicht zu einem festen Härtewert.

Warum ein harter Stahl eine begrenzte Härtbarkeit haben kann

Betrachten wir zwei Prüfstücke, deren abgeschreckte Oberflächen dieselbe hohe Härte aufweisen. Diese Beobachtung belegt lediglich, dass die oberflächennahen Bereiche ein Gefüge und einen Zustand erreicht haben, die diese Messwerte ermöglichen. Sie belegt nicht, dass beide Prüfstücke bis zur gleichen Tiefe ausgehärtet sind.

Die Oberfläche kühlt während eines herkömmlichen Abschreckvorgangs am schnellsten ab. Wenn der Stahl eine begrenzte Härtbarkeit besitzt, kann sich die Oberfläche überwiegend in Martensit umwandeln, während weiter innen liegende Bereiche langsamer abkühlen und Gefügegemische wie Bainit, Perlit oder andere Umwandlungsprodukte bilden. Diese Bereiche können eine deutlich geringere Härte als die Oberfläche aufweisen. Ein kleines Laborprüfstück kann daher vollständig hart erscheinen, während ein größeres Bauteil aus derselben Schmelze einen weicheren Kern entwickelt, weil die Wärme aus seinem Inneren weniger schnell abgeführt wird.

Deshalb beantworten Härte und Härtbarkeit unterschiedliche technische Fragen. Eine Härteprüfung fragt: „Wie groß ist der Widerstand dieser Stelle gegen den festgelegten Eindringkörper?“ Eine Härtbarkeitsprüfung fragt: „Wie verändert sich die Härte mit zunehmender Entfernung von einer abgeschreckten Oberfläche unter dieser definierten Abschreckanordnung?“ Die erste Bedingung kann an einem Punkt erfüllt sein, während die zweite weiterhin unzureichend ist.

Die Stahlzusammensetzung veranschaulicht den Unterschied. Kohlenstoff beeinflusst die Maximalhärte von Martensit stark, doch eine hohe potenzielle Oberflächenhärte garantiert keine tiefe Härtung. Umgekehrt können Legierungselemente, die diffusionsgesteuerte Umwandlungen verzögern, einem Stahl ermöglichen, in größerer Entfernung von der abgeschreckten Oberfläche Martensit zu bilden, selbst wenn die Härte an einer bestimmten Stelle vom Kohlenstoffgehalt und vom örtlichen Gefüge abhängt. Auch Korngröße, vorausgegangene Wärmebehandlung, Prüfstückgröße und Abschreckintensität beeinflussen das beobachtete Ergebnis. Die Härtbarkeit ist somit eine Reaktion des Stahls unter bestimmten Bedingungen und kein isoliertes Merkmal, das einer Stahlsorte unveränderlich anhaftet.

Ein Oberflächenhärtewert kann außerdem eine durch Entkohlung, Zunder, Schleifschäden, Restaustenit oder eine ungeeignete Messstelle verursachte Inhomogenität verdecken. Ein solcher Messwert kann für diese Oberfläche gültig sein und dennoch als Beleg für die Härteverteilung über den Querschnitt völlig ungeeignet sein.

Tiefe und Verteilung der Härte nach dem Abschrecken

Die Jominy-Prüfung erzeugt in einem einzigen Prüfstück einen kontrollierten Bereich unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeiten. Das Verfahren der University of Illinois erwärmt ein zylindrisches Prüfstück auf seine Austenitisierungstemperatur, schreckt ein Ende mit einem Wasserstrahl ab und misst die Härte in zunehmenden Abständen von diesem Ende. Die University of Cambridge erläutert die physikalische Grundlage: Das abgeschreckte Ende kühlt direkt im Wasser ab, während der übrige Teil an der Luft abkühlt, wodurch entlang des Stabes ein kontinuierlicher Bereich unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeiten entsteht.

Ein allmählicher Abfall und ein steiler Abfall stellen unterschiedliche Härtbarkeitsreaktionen dar, selbst wenn die Probekörper eine ähnliche Härte nahe dem Ende aufweisen. Strong evidence

Die Entfernung vom abgeschreckten Ende dient daher als praktische Möglichkeit, unterschiedliche thermische Vorgeschichten zu erfassen. In der Nähe des Endes ist die Abkühlgeschwindigkeit hoch, und die Härte kann groß sein. Mit zunehmender Entfernung verlangsamt sich die Abkühlung, und die Kurve kann abfallen, wenn andere Umwandlungsprodukte als Martensit zunehmend vorherrschen. Form und Lage der Kurve beschreiben die Härteverteilung unter den Prüfbedingungen. Ein allmählicher Abfall weist auf ein anderes Verhalten hin als ein steiler Abfall, selbst wenn beide Prüfstücke am ersten Messpunkt eine ähnliche Härte aufweisen.

Eine Jominy-Kurve bildet das Härteprofil jedes beliebigen realen Bauteils nicht unmittelbar nach. Das Bauteil kann einen anderen Durchmesser, eine andere Geometrie, einen anderen Oberflächenzustand, einen anderen Austenitisierungszyklus, eine andere Umwälzintensität oder ein anderes Abschreckmittel aufweisen. Die Wärmeabfuhr von einem Zylinder in einer Stirnabschreckvorrichtung ist nicht identisch mit der Wärmeabfuhr von einem Zahnradzahn, einer Welle, einer Platte oder einer Ecke. Die Kurve ist ein standardisierter Vergleich und ein Eingangsparameter für die Prozessauslegung, jedoch keine allgemeingültige Zusicherung für jede Querschnittsgröße.

Die Kurve misst außerdem nicht jede mögliche Abkühlgeschwindigkeit mit unbegrenzter Genauigkeit. Ihre Aussagekraft hängt vom Prüfverfahren und von genauen Härtemessungen in festgelegten Abständen ab. Die Materials Education Foundation beschreibt die Jominy-Prüfung dementsprechend als eine Messung der Härte in zunehmenden Abständen von einem abgeschreckten Ende zur Bestimmung der Härtbarkeit von Stahl.

Härte und Härtbarkeit sind unterschiedliche Eigenschaften, und die Oberflächenhärte allein kann eine Härtbarkeitskurve nicht ersetzen. Strong evidence

[1][1] Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2020.

Die richtige Schlussfolgerung ist präzise: Die Härte gibt den Widerstand an einer geprüften Stelle an; die Härtbarkeit gibt die Tiefe und Verteilung der durch ein definiertes Abschrecken erzeugten Härte an. ASTM A255-20, ISO 642:2024 und ASM International bewahren diese Unterscheidung. Die Oberflächenhärte allein kann eine Härtbarkeitskurve nicht ersetzen.

Was der Stirnabschreckversuch nach Jominy misst

Ein Jominy-Versuch weist einem Stahl nicht eine einzige Härtezahl zu und bezeichnet diese Zahl dann als seine Härtbarkeit. Er misst, wie sich die Härte entlang einer Probe verändert, die einem kontrollierten Bereich unterschiedlicher Abkühlbedingungen ausgesetzt war. Das Ergebnis ist eine Härtbarkeitskurve: die Härte aufgetragen gegen den Abstand vom abgeschreckten Ende.

Diese Unterscheidung ist wichtig. Die Härte ist der Widerstand einer bestimmten Stelle gegen Eindrücken oder Verformen. Die Härtbarkeit ist die Fähigkeit des Stahls, beim Abschrecken bis zu einer bestimmten Tiefe Härte zu entwickeln. ASTM A255-20 definiert Härtbarkeit als „die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet“, und legt den quantitativen Stirnabschreck- oder Jominy-Versuch unter Verwendung einer zylindrischen Probe mit einem Durchmesser von 1 Zoll fest. ISO 642:2024 legt ein Stirnabschreckprüfstück aus Stahl mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm fest. Der geringe Maßunterschied spiegelt die angegebenen Anforderungen zweier Normen wider, nicht zwei unterschiedliche Bedeutungen von Härtbarkeit.

Der Versuch erzeugt in einem einzigen Stahlstück unterschiedliche Abkühlverläufe. Das abgeschreckte Ende kühlt am stärksten ab, während weiter entfernte Stellen mit zunehmend geringeren Abkühlungsgeschwindigkeiten abkühlen. Wenn der Stahl unter diesen Bedingungen leicht Martensit bildet, erstreckt sich eine hohe Härte weiter entlang des Stabes. Wenn die Umwandlung einsetzt, bevor sich in den weiter entfernten Bereichen viel Martensit bilden kann, fällt die Härte mit zunehmendem Abstand schneller ab. Die Kurve zeigt daher sowohl die unter einer starken Abschreckung entwickelte Härte als auch die Entfernung, über die der Stahl diese Reaktion beibehalten kann.

Austenitisieren der zylindrischen Probe

AustenitisierenAustenitisieren Erwärmen von Stahl auf einen vorgeschriebenen Temperaturbereich, sodass die Ausgangsstruktur vor dem Abschrecken zu Austenit wird.

Das Verfahren beginnt mit einem bearbeiteten zylindrischen Prüfstück. Das Materials Technology and Innovation Laboratory der University of Illinois beschreibt die Abfolge als Erwärmen der Probe auf ihre Austenitisierungstemperatur, Aufbringen eines Wasserstrahls auf ein Ende, Messen der Härte bei zunehmendem Abstand von diesem Ende und Auftragen der Härte gegen den Abstand. Durch das Austenitisieren wird das Ausgangsgefüge in Austenit umgewandelt, die Hochtemperaturphase, aus der sich die Abschreckprodukte bilden. Die Erwärmungstemperatur und die Haltezeit werden auf den Stahl und das Verfahren abgestimmt; sie sind keine austauschbaren Einzelheiten.

Diese Vorbereitungsstufe legt den Zustand fest, von dem aus die Abkühlreaktion gemessen wird. Kohlenstoffgehalt, Legierungszusätze, vorheriges Mikrogefüge und Austenitkorngröße können allesamt beeinflussen, was nach dem Verlassen des Ofens mit der Probe geschieht. ASM International bezeichnete in seiner Darstellung der Härte und Härtbarkeit von Stählen aus dem Jahr 1990 die Stahlzusammensetzung und die Austenitkorngröße als wesentliche Einflüsse auf die Härtbarkeit. Ein nach einer ungeeigneten Austenitisierungsbehandlung durchgeführter Versuch kann zwar einen gültigen Härtewert für diese Probe liefern, repräsentiert jedoch nicht notwendigerweise die spezifizierte Härtbarkeit der Güte.

Die Probe muss außerdem so gehandhabt werden, dass ihr thermischer Verlauf vor dem Aufbringen des Wasserstrahls kontrolliert bleibt. Zweck ist nicht die Nachbildung jeder industriellen Abschreckgeometrie. Es soll vielmehr ein wiederholbarer Vergleich geschaffen werden, bei dem die Probe von einem definierten austenitischen Zustand ausgeht und anschließend einer bekannten Stirnabschreckanordnung ausgesetzt wird. Deshalb gehört ein Jominy-Ergebnis zusammen mit seinen Versuchsbedingungen, der Werkstoffbezeichnung und der Norm dokumentiert. Eine Kurve ohne diesen Kontext ist eine unvollständige Grundlage für Schlussfolgerungen.

Das Prüfstück ist zylindrisch, weil eine wiederholbare Form den Vergleich der Temperatur- und Umwandlungsreaktion von einem Versuch zum nächsten erleichtert. ASTM A255-20 gibt den Probendurchmesser mit 1 Zoll an, während ISO 642:2024 einen Durchmesser von 25 mm und eine Länge von mindestens 100 mm festlegt. Diese Abmessungen sollten so angegeben werden, wie sie verwendet wurden; sie sollten nicht stillschweigend zu einem allgemeinen „Standard-Jominy-Stab“ zusammengeführt werden.

Abschrecken eines Endes mit Wasser

Sobald die austenitisierte Probe in der Vorrichtung positioniert ist, trifft ein kontrollierter Wasserstrahl auf ein Ende. Die Beschreibung der University of Illinois bezeichnet diesen Wasserstrahl als die maßgebliche Abschreckmaßnahme. Die 2012 veröffentlichte Lehrressource für Werkstoffwissenschaften der University of Cambridge erläutert das physikalische Ergebnis: Ein Ende wird mit Wasser abgeschreckt, während der übrige Stab an der Luft abkühlt.

Das dem Wasserstrahl ausgesetzte Ende erfährt die stärkste Abkühlung. Wärme wird diesem Bereich rasch entzogen, wodurch sich die für die Umwandlung von Austenit in Ferrit, Perlit oder andere sich langsamer bildende Produkte verfügbare Zeit verkürzt, bevor die Temperatur den Martensitbereich erreicht. Daher kann sich am abgeschreckten Ende ein größerer Martensitanteil bilden, abhängig von der Zusammensetzung des Stahls und dem vorherigen austenitischen Zustand. Die gemessene Härte kann hoch sein, doch dieser Einzelwert beschreibt lediglich die Reaktion an einer Stelle unter dem stärksten Abschnitt dieses spezifischen Abkühlverlaufs.

Der übrige Teil der Probe wird nicht direkt besprüht. Er gibt Wärme über seine freiliegenden Oberflächen und durch Wärmeleitung in Richtung des abgeschreckten Endes ab und tauscht gleichzeitig Wärme mit der umgebenden Luft aus. Folglich ist seine Abkühlungsgeschwindigkeit geringer als am Ende, wobei die genaue Geschwindigkeit von der Position, der Probengeometrie, den Wasserbedingungen, der Temperatur, dem Oberflächenzustand und den thermischen Eigenschaften des Stahls abhängt. Der Versuch legt dem gesamten Zylinder keine einheitliche Abkühlungsgeschwindigkeit auf.

Diese Anordnung erklärt auch, warum der Jominy-Versuch nicht einfach ein Härteversuch mit einer besonderen Vorrichtung ist. Ein herkömmlicher Härteversuch könnte einen einzelnen Wert von einer ausgewählten Stelle liefern. Der Stirnabschreckversuch erzeugt dagegen absichtlich eine Reihe von Stellen mit unterschiedlichen thermischen Verläufen und vergleicht anschließend deren Härtereaktionen. Die Materials Education Foundation beschreibt das Verfahren in diesem Sinne: Die Härte wird bei zunehmendem Abstand vom abgeschreckten Ende gemessen, um die Härtbarkeit des Stahls zu bestimmen.

Erzeugen eines Gradienten der Abkühlungsgeschwindigkeit entlang des Prüfstücks

Die entscheidende Messgröße ist der Abstand vom wasserabgeschreckten Ende. Unmittelbar an diesem Ende ist die Abkühlung am stärksten. Mit zunehmendem Abstand wird die Abkühlung schrittweise weniger stark, wodurch entlang des Stabes, wie Cambridge erläutert, ein kontinuierlicher Bereich unterschiedlicher Abkühlungsgeschwindigkeiten entsteht. Eine einzige Probe stellt somit zahlreiche Abschreckbedingungen dar: von einer starken Wasserabschreckreaktion in der Nähe des Endes bis zu langsameren luftgekühlten Reaktionen in größerer Entfernung.

Nach dem Abkühlen werden bei zunehmenden Abständen vom abgeschreckten Ende Härtemessungen vorgenommen. Diese Messwerte werden gegen den Abstand aufgetragen und ergeben die Jominy-Härtbarkeitskurve. Eine langsam abfallende Kurve zeigt, dass eine beträchtliche Härte weiter vom Ende entfernt erhalten bleibt; ein steiler Abfall zeigt, dass die Härte auf den Bereich nahe der starken Abschreckung beschränkt ist. Die Kurve beschreibt die Verteilung der Härte, die durch diese definierte Abkühlanordnung erzeugt wird. Dies entspricht der Definition der Härtbarkeit im ASM-Kapitel über Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle als Eigenschaft, welche die Tiefe und Verteilung der durch Abschrecken erzeugten Härte bestimmt.

Die Kurve gibt für sich genommen nicht die Härte jedes möglichen Bauteils an. Ein dickes Zahnrad, Blech, eine Welle oder ein Stab weist eigene Temperaturgradienten von der Oberfläche zum Kern auf, und sein Abschreckmedium sowie dessen Bewegung können sich von der Jominy-Anordnung unterscheiden. Die Umrechnung eines Jominy-Abstands in eine zu erwartende Bauteilreaktion erfordert geeignete Korrelationen oder eine separate Analyse der Wärmebehandlung. Die Kurve beseitigt auch nicht die Einflüsse der Zusammensetzung oder der Austenitkorngröße. Diese Faktoren bestimmen die Kurve unter anderem von vornherein.

Ein Jominy-Versuch kann daher Stähle oder Wärmebehandlungsbedingungen miteinander vergleichen, wenn Proben und Verfahren kontrolliert werden. Er kann zeigen, wie weit sich die Härtereaktion eines Stahls unter dem vorgeschriebenen Stirnabschreckverlauf erstreckt. Er kann jedoch einen einzigen Eindruckhärtewert nicht in eine vollständige Beschreibung der Härtbarkeit verwandeln. Das aussagekräftige Ergebnis ist der Zusammenhang zwischen Härte und Abstand, verknüpft mit den Probenabmessungen, der Austenitisierungsbehandlung, den Bedingungen der Wasserabschreckung, dem Härteprüfverfahren und der anzuwendenden Norm.

Probekörpergeometrie und Prüfstandards

Ein Jominy-Ergebnis ist nur dann aussagekräftig, wenn der Probekörper, der Erwärmungszyklus, die Abschreckanordnung, die Härtemessungen und das Verfahren der Ergebnisdarstellung bekannt sind. Die Prüfung liefert keine von ihrem Verfahren losgelöste Materialkonstante. Sie erfasst, wie ein bestimmter Stahlprobekörper auf eine definierte thermische Vorgeschichte reagiert, wobei sich die gemessene Härte mit zunehmendem Abstand vom abgeschreckten Ende verändert.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil Härte und Härtbarkeit unterschiedliche Fragen beantworten. Härte ist der unter einem festgelegten Prüfverfahren an einer bestimmten Stelle gemessene Widerstand. Härtbarkeit ist die Tiefe und Verteilung der beim Abschrecken von Stahl erzeugten Härte. ASTM A255-20 definiert sie als „die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet“. Eine Jominy-Kurve benötigt daher mehr Informationen als nur einen Härtewert: Sie benötigt den Abstand vom abgeschreckten Ende sowie die Bedingungen, unter denen der Abkühlgradient entstanden ist.

ASTM A255 und der 1-Zoll-Probekörper

ASTM A255-20, Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Härtbarkeit von Stahl, legt die quantitative Stirnabschreckprüfung, auch Jominy-Prüfung genannt, unter Verwendung eines zylindrischen Probekörpers mit einem Durchmesser von 1 Zoll fest. Diese Abmessung ist keine beiläufige Beschreibung eines Prüf||||stabes. Sie ist Bestandteil des Prüfverfahrens und beeinflusst das thermische Verhalten des Probekörpers vor, während und nach der Stirnabschreckung.

Das übliche Verfahren beginnt mit der Erwärmung des zylindrischen Probekörpers auf die erforderliche Austenitisierungstemperatur. Anschließend wird er in der Prüfvorrichtung positioniert, und ein Wasserstrahl beaufschlagt ein Ende. Das abgeschreckte Ende kühlt am schnellsten ab; weiter entfernte Stellen erhalten eine weniger direkte Kühlung und kühlen daher unter anderen Bedingungen ab. Nach der Abkühlung wird die Härte in zunehmenden Abständen vom abgeschreckten Ende gemessen, und diese Messwerte werden zur Erstellung einer Härtbarkeitskurve aufgetragen. Das Materials Technology and Innovation Laboratory der University of Illinois beschreibt diese Abfolge als Erwärmung eines zylindrischen Probekörpers auf die Austenitisierungstemperatur, Abschrecken eines Endes mit einem Wasserstrahl und Härtemessung entlang des Probekörpers.

Die Geometrie erzeugt einen kontrollierten Bereich und keine einzelne Abkühlgeschwindigkeit. Wie die University of Cambridge erläutert, wird ein Ende mit Wasser abgeschreckt, während der übrige Teil an der Luft abkühlt, wodurch entlang des Prüf||||stabes ein kontinuierlicher Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten entsteht. Die Kurve zeigt folglich, wie weit der Stahl seine Fähigkeit zur Bildung harter Umwandlungsprodukte beibehält, wenn die Abkühlintensität mit zunehmendem Abstand abnimmt.

Ein steiler Abfall der Härte kann darauf hindeuten, dass der Stahl nur in der Nähe des abgeschreckten Endes stark härtet. Eine flachere Kurve zeigt an, dass die Härte unter den Prüfbedingungen auch in größerer Entfernung von diesem Ende erhalten bleibt. Keine dieser Beobachtungen sollte in eine allgemeingültige Aussage über jedes mögliche Bauteil umgewandelt werden. Reale Bauteile haben unterschiedliche Durchmesser, Formen, Ofenverläufe, Überführungszeiten und Abschreckmedien. Eine Jominy-Kurve ist ein standardisierter Vergleich des Reaktionsverhaltens und keine direkte Härtekarte für jede Geometrie.

ASTM A255 ist auch dann von Bedeutung, wenn das Material durch eine Gütebezeichnung identifiziert wird. Ein berichtetes Ergebnis für einen Kohlenstoff- oder niedriglegierten Stahl sollte die Güte, gegebenenfalls die Identität der Schmelze oder Probe, die Probekörperorientierung, sofern sie für den Prüfbericht relevant ist, sowie die maßgebliche Ausgabe des Verfahrens angeben. Die Stahlzusammensetzung und die Austenitkorngröße sind, wie ASM International anmerkt, wesentliche Einflussgrößen der Härtbarkeit. Die Kurve ist daher sowohl an das geprüfte Material als auch an dessen vorausgegangenen thermischen Zustand gebunden.

ISO 642:2024 und das Prüfstück mit 25 mm Durchmesser und mindestens 100 mm Länge

ISO 642:2024, Stahl — Härtbarkeitsprüfung durch Stirnabschreckung (Jominy-Prüfung), legt ein Prüfstück mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm fest. Diese Geometrie ähnelt der Anordnung nach ASTM, doch „ähnlich“ bedeutet nicht „identisch“. Ein Durchmesser von 25 mm ist etwa 0,4 mm kleiner als 1 Zoll beziehungsweise 25,4 mm. Dieser Unterschied mag gering erscheinen, doch eine normgerechte Prüfung wird durch die angegebenen Abmessungen und Verfahren definiert, nicht durch eine äußerliche Ähnlichkeit.

Die ISO-Bezeichnung legt außerdem eine Mindestlänge fest: Das Prüfstück muss mindestens 100 mm lang sein. Durchmesser und Länge sind gemeinsam mit den Anforderungen an Erwärmung, Positionierung, Stirnabschreckung, Oberflächenvorbereitung, Härteprüfung und Ergebnisdarstellung zu betrachten. Ein Labor kann die Konformität mit ISO 642:2024 nicht allein dadurch nachweisen, dass irgendein Stab unter einem Wasserstrahl angeordnet und die Härte aufgetragen wird. Das vollständige Verfahren ist für das Ergebnis maßgeblich.

Dies ist besonders wichtig, wenn Daten zwischen Laboratorien übertragen oder mit veröffentlichten Kurven verglichen werden. Zwei Datensätze können beide das Wort „Jominy“ verwenden, während der eine ISO 642:2024 und der andere ASTM A255-20 angibt. Ihr nominales Prüfprinzip ist dasselbe: Ein erwärmtes Stahlstück wird an einem Ende abgeschreckt, und die Härte wird in zunehmend größeren Abständen gemessen. Ihre maßlichen und verfahrenstechnischen Anforderungen müssen dennoch geprüft werden, bevor die Kurven als unmittelbar gleichwertig behandelt werden.

Die Mindestlänge des ISO-Prüfstücks verdeutlicht außerdem, warum eine Probekörperabmessung keine isolierte Zahl ist. Hinter dem abgeschreckten Ende muss ausreichend Material vorhanden sein, um den vorgesehenen Bereich des Abkühlverhaltens und die Messstellen zu ermöglichen. Eine Änderung der Länge, des Endzustands, der Vorrichtung, der Wasserzufuhr oder des Zeitablaufs kann die thermische Vorgeschichte verändern. Die gemessene Kurve beschreibt dann die veränderte Prüfung und nicht notwendigerweise das in ISO 642:2024 festgelegte Verhalten.

Warum Normen und Probekörperabmessungen nicht gleichgesetzt werden dürfen

ASTM A255 und ISO 642:2024 beschreiben eng verwandte Stirnabschreckprüfungen, doch die Normen sollten ausdrücklich benannt werden, anstatt sie zu einem undefinierten „Jominy-Wert“ zusammenzufassen. Das Verfahren nach ASTM legt einen zylindrischen Probekörper mit einem Durchmesser von 1 Zoll fest. ISO 642:2024 legt ein Prüfstück mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm fest. Dabei handelt es sich um begründete maßliche Anforderungen und nicht um austauschbare Bezeichnungen.

Ein zuverlässiger Bericht sollte daher die Norm und Ausgabe, die Probekörperabmessungen, die Stahlidentifikation, die Austenitisierungsbedingungen, die Abschreck Einzelheiten, die Härteskala, die Messabstände sowie die resultierende Kurve oder Datentabelle angeben. Wenn ein Labor eine vorgeschriebene Abmessung oder ein Verfahren ändert, sollte der Bericht die Prüfung als geändert kennzeichnen, statt eine genaue Übereinstimmung nahezulegen.

Diese Berichtsdisziplin verhindert einen häufigen Fehler: die Zuordnung eines einzelnen Härtewerts zur Härtbarkeit. Ein Härtewert bei 10 mm, 20 mm oder einem anderen Abstand beschreibt einen Punkt auf einer Reaktionskurve. Er bestimmt weder die gesamte Tiefe noch die Verteilung der Härtung. Die Materials Education Foundation beschreibt die Jominy-Prüfung als Messung der Härte in zunehmenden Abständen von einem abgeschreckten Ende zur Bestimmung der Härtbarkeit von Stahl; die mehreren Messstellen sind für das Verfahren von zentraler Bedeutung.

Die Norm ist Bestandteil des Ergebnisses. Ohne sie bleibt bei „Jominy-Härte“ offen, welche Probekörpergeometrie, Abschreckanordnung, Vorbereitung und Messregeln angewendet wurden. Ist die Norm angegeben, besitzt die Kurve eine definierte Bedeutung und kann mit angemessener Vorsicht verglichen werden.

Vom Abstand zum Abschreckende zur Härtbarkeitskurve

Ein Jominy-Test macht aus einem einzigen abgeschreckten Probestück eine Reihe von Härtebeobachtungen. Die entscheidende Variable ist nicht einfach, wie hart der Stahl an einer bestimmten Stelle ist. Entscheidend ist, wie sich die gemessene Härte verändert, wenn die örtliche Abkühlung mit zunehmendem Abstand vom abgeschreckten Ende langsamer wird.

ASTM A255-20 definiert die Härtbarkeit als die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet. Das quantitative Stirnabschreckverfahren verwendet ein zylindrisches Probestück mit einem Durchmesser von 1 Zoll (ASTM International, 2020). ISO 642:2024 legt für die Stirnabschreckprüfung ein Stahlprobestück mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm fest (International Organization for Standardization, 2024). Diese Abmessungen liegen nahe beieinander, sollten jedoch nicht als austauschbare Beschreibungen jeder Prüfung behandelt werden. Die jeweils anzuwendende Norm legt das Probestück, das Erwärmen, das Abschrecken, das Härteprüfverfahren und die Anforderungen an die Berichterstattung fest.

Die Prüfung beginnt damit, dass das zylindrische Probestück auf die vorgeschriebene Austenitisierungstemperatur erwärmt wird. Anschließend wird ein Ende einem Wasserstrahl ausgesetzt, während der übrige Teil des Stabes an der Luft abkühlt. Die University of Illinois beschreibt diese Abfolge als Grundlage des Jominy-Verfahrens (University of Illinois Materials Technology and Innovation Laboratory, 2024). Da das abgeschreckte Ende die Wärme am schnellsten abgibt, erfährt es die stärkste Abkühlung. Mit zunehmendem Abstand entlang des Stabes wird die Abkühlung zunehmend weniger intensiv. Die University of Cambridge beschreibt diese Anordnung als Erzeugung eines kontinuierlichen Bereichs von Abkühlungsgeschwindigkeiten entlang des Probestücks (University of Cambridge, 2012).

Vorbereiten der Oberflächen für die Härtemessung

Die Härte kann auf einer Oberfläche, die mit Zunder, entkohltem Material, groben Bearbeitungsspuren oder einer ungleichmäßigen Oxidschicht bedeckt ist, nicht zuverlässig gemessen werden. Nachdem das Probestück die vorgeschriebene Abschreckung durchlaufen hat und ausreichend abgekühlt ist, um gehandhabt werden zu können, wird die für die Messungen verwendete Oberfläche so vorbereitet, dass der Eindringkörper auf einwandfreien Stahl und nicht auf verändertes oder beschädigtes Material trifft.

Das abgeschreckte Ende selbst ist nicht der einzige relevante Bereich. Die Messfläche verläuft längs von diesem Ende aus, sodass Härtemessungen in bekannten Abständen vorgenommen werden können. Die Oberflächenvorbereitung muss daher einen ausreichend ebenen und sauberen Streifen entlang des Stabes erzeugen. Schleifen oder Bearbeiten entfernt Zunder und die durch das Erwärmen beeinflusste oberflächennahe Schicht, während eine kontrollierte Endbearbeitung Fehler durch Riefen, Welligkeit oder übermäßige Schleifwärme begrenzt. Die Vorbereitung darf keinen neuen thermischen Einfluss verursachen und nicht so viel Material entfernen, dass die vorgesehene Geometrie des Probestücks oder die Messstellen verändert werden.

Die genaue Endbearbeitung, die Härteskala, der Abstand zwischen den Messstellen und das Format der Berichterstattung richten sich nach der ausgewählten Prüfnorm. ASTM A255-20 und ISO 642:2024 sollten nicht unbedacht miteinander vermischt werden: Ein Labor, das nach ASTM-Anforderungen arbeitet, sollte das Probestück so vorbereiten und messen, wie es ASTM vorgibt, während eine ISO-Prüfung nach ISO 642 durchgeführt werden sollte. Es handelt sich um eine verfahrenstechnische und nicht um eine kosmetische Frage. Ein Härteeindruck auf Zunder oder entkohltem Stahl kann den Zustand dieser Oberfläche wiedergeben und nicht den Zustand des darunterliegenden abgeschreckten Stahls.

Die Oberfläche benötigt außerdem eine ausreichende Breite sowie genügend Abstand zwischen den Eindrücken, damit die Härtemessungen unabhängig voneinander bleiben. Zu dicht beieinander, zu nahe an einer Kante oder auf einem sichtbar fehlerhaften Bereich platzierte Eindrücke können das Ergebnis verfälschen. Ist die Oberfläche gekrümmt oder schlecht bearbeitet, kann der Eindringkörper möglicherweise nicht korrekt aufsetzen. Dies sind Gründe dafür, dass ein Jominy-Ergebnis eine kontrollierte Messabfolge und keine informelle Härteprüfung ist, die an einer beliebigen Stelle des Stabes durchgeführt wird.

Messen der Härte bei zunehmenden Abständen

Sobald die Messfläche vorbereitet ist, wird die Härte in einer Reihe zunehmender Abstände vom wasserabgeschreckten Ende aufgezeichnet. Der erste Messwert repräsentiert den Stahl, der unter der stärksten Abkühlungsbedingung der Prüfung abgekühlt ist. Spätere Messwerte repräsentieren Bereiche, die langsamer abgekühlt sind. Der Abstand wird vom abgeschreckten Ende entlang des Probestücks gemessen, und jedem Messwert wird seine genaue Position zugeordnet.

Die Materials Education Foundation beschreibt den Jominy-Test als eine Messung der Härte bei zunehmenden Abständen von einem abgeschreckten Ende zur Bestimmung der Härtbarkeit von Stahl (Materials Education Foundation, 2024). Diese Formulierung erfasst den wesentlichen Unterschied: Die Prüfung fragt nicht nur: „Wie hart ist dieser Stahl?“ Sie fragt: „Wie verändert sich die Härtereaktion des Stahls, wenn sich die Abkühlungsbedingung entlang eines definierten Probestücks verändert?“

Die Härteskala muss angegeben werden. Bei vielen Jominy-Ergebnissen von Stahl wird die Härte mit Rockwell C angegeben, sofern das Material für diese Skala ausreichend hart ist; die ausgewählte Norm und der gemessene Bereich bestimmen jedoch das zulässige Verfahren. Ein Wert ohne Angabe der Skala ist unvollständig. „52“ könnte sich auf HRC, eine andere Rockwell-Skala oder ein anderes Härteprüfverfahren beziehen, und diese Werte können nicht so miteinander verglichen werden, als würden sie dieselbe Eigenschaft beschreiben.

Ein einzelner Messwert nahe dem abgeschreckten Ende kann die unter einer einzigen starken Abkühlungsbedingung erreichte Härte zeigen. Er legt jedoch nicht fest, wie weit sich diese Härte erstreckt. Ebenso kann ein weiter vom Ende entfernt gemessener Härtewert die langsamere Abkühlung widerspiegeln, aber für sich allein nicht den vollständigen Übergang von hoher zu niedriger Härte beschreiben. Härtbarkeit ist eine Verteilung der Reaktion und keine einzelne Härtezahl.

Die chemische Zusammensetzung des Stahls und die Austenitkorngröße sind nach ASM International (1990) wesentliche Einflussgrößen dieser Reaktion. Kohlenstoff beeinflusst die erreichbare Härte des umgewandelten Gefüges, während Legierungselemente und Korngröße die für konkurrierende Umwandlungen erforderlichen Abkühlungsbedingungen beeinflussen. Die Jominy-Kurve zeichnet das kombinierte Ergebnis dieser Faktoren unter der festgelegten Prüfgeschichte auf. Sie trennt die Einflüsse der Zusammensetzung oder der Korngröße nicht eigenständig voneinander.

Auftragen der Härte gegen den Abstand vom abgeschreckten Ende

Die Messwerte werden zu einer Härtbarkeitskurve, wenn die Härte auf der vertikalen Achse gegen den Abstand vom abgeschreckten Ende auf der horizontalen Achse aufgetragen wird. Auf der vertikalen Achse muss die Härteskala angegeben werden, beispielsweise HRC, sofern anwendbar. Auf der horizontalen Achse müssen die Abstandseinheiten und der Bezugspunkt angegeben werden: Null ist das wasserabgeschreckte Ende, und ein zunehmender Abstand bedeutet eine zunehmend weniger intensive Abkühlung.

Die Kurve beginnt normalerweise mit der Härte, die am nächsten zum abgeschreckten Ende gemessen wurde, und zeichnet anschließend die Härtereaktion entlang des Stabes nach. Ein steiler Abfall bedeutet, dass die Härte über eine kurze Strecke erheblich abnimmt. In der Praxis bedeutet dies, dass der Stahl seine hohe Abschreckhärte nur über einen relativ begrenzten Bereich dieses Probestücks beibehält. Ein allmählicherer Abfall bedeutet, dass die gemessene Härte auch weiter vom abgeschreckten Ende entfernt höher bleibt, was unter dem Jominy-Abkühlungsgradienten auf eine größere Härtungstiefe hinweist. Die Form der Kurve ist ebenso wichtig wie der erste Messpunkt.

Die Kurve sollte aus den gemessenen Beobachtungen erstellt und nicht durch einen einzelnen ausgewählten Wert ersetzt werden. Wiederholungsprüfungen, zulässige Anpassungsverfahren, die Messunsicherheit sowie die Berichtsregeln von ASTM A255-20 oder ISO 642:2024 bestimmen, wie das endgültige Ergebnis dargestellt wird. Eine geglättete Linie kann dabei helfen, den Trend zu veranschaulichen; sie darf jedoch keine Streuung der Messwerte verbergen oder eine Genauigkeit suggerieren, die durch die Messungen nicht gestützt wird.

Eine Jominy-Kurve ist eine Reaktion auf eine definierte Stirnabschreckgeschichte. Sie kann Stähle vergleichen, die unter denselben Anforderungen geprüft wurden, und zeigen, wie sich die Härte mit dem Abstand verändert. Sie kann jedoch nicht allein das genaue Härteprofil in einem dicken Zahnrad, einer Platte, einer Welle oder einem Gussstück vorhersagen, das in einem bestimmten Behälter abgeschreckt wurde. Bauteilgeometrie, Bewegung des Abschreckmittels, Abschreckmittel, Transferzeit, Austenitisierungsbedingungen und Ausgangsgefüge verändern die Abkühlungsgeschichte. Die Kurve ist daher ein Nachweis der Härtbarkeit unter den festgelegten Prüfbedingungen und kein Ersatz für eine wärmebehandlungstechnische Analyse eines einzelnen Bauteils.

Abkühlgeschwindigkeit, Umwandlung und die Bedeutung der Kurve

Kontinuierliche Abkühlbedingungen entlang des Probestabs

Eine Jominy-Probe erfährt nicht von einem Ende bis zum anderen dieselbe Abschreckintensität. Vielmehr liegt ein Gradient vor. Bei der standardisierten Prüfung wird eine zylindrische Stahlprobe zunächst auf ihre Austenitisierungstemperatur erwärmt. Anschließend wird ein Ende einem Wasserstrahl ausgesetzt, während der restliche Teil der Probe an der Luft abkühlt. Das Materials Technology and Innovation Laboratory der University of Illinois beschreibt diese Abfolge als grundlegendes Jominy-Verfahren (2024). Das wassergekühlte Ende gibt Wärme rasch ab; weiter entfernte Positionen erhalten eine geringere direkte Kühlung und tauschen Wärme hauptsächlich über die Probe und die umgebende Luft aus.

Diese Anordnung erzeugt entlang des Probestabs ein kontinuierliches Spektrum von Abkühlbedingungen, wie die University of Cambridge in ihrer Beschreibung der Prüfung erläutert (2012). Der genaue Abkühlverlauf wird nicht allein durch den Abstand bestimmt. Er hängt auch von der Probengeometrie, der Ausgangstemperatur, der Anordnung des Wasserstrahls, dem Zustand des Abschreckmediums, den freiliegenden Oberflächen und den thermischen Eigenschaften des Stahls ab. Der Abstand ist daher eine kontrollierte Position innerhalb der Prüfung und keine universelle Umrechnung in eine einzelne Abkühlgeschwindigkeit, die für jede Probe oder jedes Bauteil gilt.

Die Abmessungen sind Bestandteil des Verfahrens und keine nebensächlichen Details. ASTM A255-20 legt die quantitative Stirnabschreckprüfung mit einer zylindrischen Probe von 1 Zoll Durchmesser fest. ISO 642:2024 spezifiziert ein Prüfstück mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm. Diese Bezeichnungen und Abmessungen sollten beim Vergleich von Ergebnissen nicht ohne Weiteres vermischt werden, da eine Änderung der Geometrie oder des Verfahrens den Wärmefluss und damit das Umwandlungsverhalten verändern kann. Eine Jominy-Kurve ist nur in Verbindung mit der Norm und den Prüfbedingungen aussagekräftig, unter denen sie ermittelt wurde.

Der Probestab ist außerdem kein verkleinertes Bauteil mit einem einfachen Abkühlmuster „Oberfläche versus Kern“. Ein Bauteil, das in Öl, Wasser, einer Polymerlösung oder Gas abgeschreckt wird, entwickelt ein räumliches Abkühlfeld, das durch seine Form und den Wärmeübergang an seinen Oberflächen bestimmt wird. Die Jominy-Probe liefert stattdessen einen reproduzierbaren Laborgradienten. Sie erfasst in einer einzigen Prüfung zahlreiche Abschreckintensitäten, bildet jedoch nicht jede Bauteilgeometrie nach.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil die Härtbarkeit eine Reaktion auf eine definierte thermische Vorgeschichte darstellt. ASTM A255-20 definiert sie als die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet. Das ASM-Kapitel über Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle beschreibt dieselbe Eigenschaft als maßgeblich für die Tiefe und Verteilung der durch Abschrecken erzeugten Härte (ASM International, 1990). Keine der beiden Definitionen besagt, dass die Härtbarkeit die Härtezahl des Stahls vor oder nach dem Abschrecken ist.

Austenitumwandlung während des Abschreckens

Durch das Erwärmen wird das Ausgangsgefüge in Austenit umgewandelt, sofern die gewählte Austenitisierungsbehandlung für die Stahlsorte und den Werkstoffzustand geeignet ist. Das anschließende Abschrecken führt dann dazu, dass die Wärme an einer bestimmten Position entweder schnell genug oder langsam genug abgeführt wird und dadurch bestimmt wird, welche Umwandlungen beim Abkühlen des Austenits stattfinden können. Die entscheidende Frage ist nicht lediglich, wie kalt die Probe wird. Entscheidend ist vielmehr, wie lange der Austenit in Temperaturbereichen verbleibt, in denen sich diffusionsgesteuerte Produkte bilden können, bevor der Werkstoff niedrigere Umwandlungsbedingungen erreicht.

Am wasserabgeschreckten Ende kann der Abkühlverlauf Umwandlungen unterdrücken, die andernfalls Ferrit, Perlit oder bainitische Bestandteile hervorbringen würden. Dadurch kann sich beim weiteren Abkühlen ein größerer Anteil des Austenits in Martensit umwandeln. Weiter vom abgeschreckten Ende entfernt bietet der weniger intensive thermische Verlauf konkurrierenden Umwandlungen mehr Gelegenheit, einzusetzen. Das Endgefüge kann dann ein anderes Gemisch von Umwandlungsprodukten enthalten, und seine Härte kann entsprechend abnehmen. Die Kurve dokumentiert diese Veränderung, identifiziert jedoch nicht von selbst jeden Bestandteil und liefert auch keinen Phasenanteil.

Diese Zurückhaltung ist wesentlich. Ein Härtemesswert kann kein vollständiges Umwandlungsdiagramm begründen, und eine Jominy-Kurve kann nicht als direkte Auflistung von Abkühlgeschwindigkeiten gelesen werden, sofern diese Geschwindigkeiten nicht für denselben Prüfaufbau und dieselben Bedingungen gesondert bestimmt wurden. Die Kurve ist eine indirekte Aufzeichnung: Jeder Abstand entspricht einer bestimmten thermischen Reaktion in dieser Prüfung, und die gemessene Härte spiegelt das durch diese Reaktion erzeugte Mikrogefüge wider.

Die Zusammensetzung steuert, wie leicht Umwandlungen während des Abkühlens verzögert oder ermöglicht werden. Kohlenstoff beeinflusst die erreichbare Härte des Martensits stark, während Legierungselemente das Umwandlungsverhalten verschieben und die Tiefe vergrößern können, über die ein Abschrecken ein hartes martensitisches Gefüge erzeugt. Auch die Austenitkorngröße ist von Bedeutung. ASM nennt die Stahlzusammensetzung und die Austenitkorngröße als wesentliche Faktoren, die die Härtbarkeit beeinflussen (ASM International, 1990). Eine größere Korngröße des ursprünglichen Austenits kann die Keimbildungsbedingungen und die Umwandlungskinetik verändern. Deshalb können zwei Proben nominell derselben Stahlsorte unterschiedliche Kurven ergeben, wenn sich ihre thermischen Vorgeschichten oder Gefügestrukturen unterscheiden.

Die Prüfung misst daher die Reaktion eines Werkstoffs in einem bestimmten Zustand und nicht ein abstraktes Sortenkennzeichen. Austenitisierungstemperatur, Haltezeit, vorherige Verarbeitung, Korngröße, Oberflächenzustand und Einzelheiten des Abschreckens beeinflussen sämtlich, was aus dem Austenit entsteht. Ein Ergebnis aus einem bestimmten Zustand sollte daher nicht als Beweis dafür behandelt werden, dass jede Wärmebehandlung dieser Bezeichnung dieselbe Kurve hervorbringen wird.

Warum sich die Härte mit dem Abstand verändert

Die Härte verändert sich mit dem Abstand, weil der Abstand den Abkühlverlauf verändert und der Abkühlverlauf wiederum das entstehende Mikrogefüge bestimmt. In der Nähe des abgeschreckten Endes verliert die Probe Wärme am intensivsten. Weiter entfernt verbleibt die Wärme länger im Probestab und wird unter anderen Bedingungen abgeführt. Die entstehenden Gefüge können daher von überwiegend martensitischem Werkstoff in der Nähe des Endes bis zu Gemischen mit weicheren Umwandlungsprodukten an Positionen reichen, die weniger intensiv abgekühlt wurden. Der genaue Übergang hängt von der Stahlsorte und dem Werkstoffzustand ab; er sollte gemessen und nicht aus einem allgemeinen Diagramm abgeleitet werden.

Der Kohlenstoffgehalt trägt zum gemessenen Wert bei, erklärt jedoch nicht die gesamte Kurve. Die Martensithärte hängt stark vom Kohlenstoffgehalt ab. Daher können zwei Stähle mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt unterschiedliche Härteniveaus aufweisen, selbst wenn ihre Härtungsreaktion ansonsten ähnlich ist. Umgekehrt können Stähle mit vergleichbarem Kohlenstoffgehalt bei demselben Jominy-Abstand unterschiedliche Härten zeigen, wenn Legierung, Korngröße, Reinheit oder Austenitisierungsverfahren das Umwandlungsverhalten verändern.

Der gemessene Wert hängt außerdem von der Härteprüfmethode und der Probenvorbereitung ab. Oberflächenentkohlung, Rauheit, Ausrichtung, Abstand zwischen den Eindrücken, Messskala und örtliche Fehler können das Ergebnis verfälschen. Die Prüfung wird normalerweise an aufeinanderfolgenden Abständen vom abgeschreckten Ende durchgeführt, nachdem eine längs verlaufende ebene oder anderweitig vorgeschriebene Messfläche vorbereitet wurde. Anschließend wird die Härte gegen den Abstand aufgetragen. Die Materials Education Foundation beschreibt diese grundlegende Auswertung: Die Härte wird in zunehmenden Abständen vom abgeschreckten Ende gemessen, um die Härtbarkeit zu bestimmen (2024).

Die aufgetragene Linie ist somit keine direkte Härtebewertung für den gesamten Stahl. Sie ist eine Darstellung der Härtereaktion unter dem thermischen Jominy-Gradienten. Ein relativ hoher Wert in größerer Entfernung vom abgeschreckten Ende zeigt an, dass der Stahl seine Härtungsreaktion unter einer weniger intensiven Abkühlbedingung beibehalten hat als am Ende. Ein rascher Abfall zeigt an, dass das Mikrogefüge weicher wird, wenn die Abkühlung weniger intensiv wird. Diese Aussagen betreffen Form und Lage der Reaktionskurve und keine universelle Rangfolge auf Grundlage einer einzelnen isolierten Härtezahl.

Ein Bauteilkonstrukteur kann die Kurve verwenden, um die Abkühlreaktion eines Stahls mit den in einem Bauteil erwarteten Abkühlbedingungen zu vergleichen, jedoch erst nach Berücksichtigung von Querschnittsgröße, Geometrie, Abschreckmedium und Wärmebehandlungspraxis. Das Jominy-Ergebnis beweist nicht, dass ein Bauteil an jeder entsprechenden Position dieselbe Härte aufweisen wird. Es liefert kontrollierte Informationen darüber, wie sich der Stahl bei abnehmender Abschreckintensität umwandelt. Das ist die Bedeutung der Kurve und der Grund dafür, dass die Härtbarkeit von der Härte getrennt betrachtet werden muss.

Zusammensetzung und Austenitkorngröße

Härtbarkeit ist kein Synonym für Härte. ASTM A255-20 definiert die Härtbarkeit als die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet, während das ASM Handbook sie als die Eigenschaft beschreibt, welche die Tiefe und Verteilung der durch Abschrecken erzeugten Härte bestimmt. Ein Stahl kann in der Nähe einer abgeschreckten Oberfläche eine hohe Härte erreichen und diese zum Inneren hin dennoch rasch verlieren. Ein anderer Stahl kann an der Oberfläche eine ähnliche Härte aufweisen, aber Martensit und damit eine nutzbare Härte in größerer Entfernung von der abgeschreckten Oberfläche erhalten.

Der Unterschied wird im Stirnabschreckversuch nach Jominy deutlich. ASTM A255-20 schreibt einen zylindrischen Probekörper mit einem Durchmesser von 1 Zoll vor; ISO 642:2024 spezifiziert einen Probekörper mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm. Bei einem Vergleich der Ergebnisse sind diese Abmessungen keine austauschbaren Einzelheiten. Der Probekörper wird auf den festgelegten Austenitisierungszustand erwärmt, senkrecht aufgehängt und an einem Ende durch einen Wasserstrahl abgeschreckt. Die University of Illinois beschreibt Härtemessungen, die in zunehmenden Abständen von diesem abgeschreckten Ende vorgenommen werden, während die University of Cambridge erklärt, dass das wassergekühlte Ende und der luftgekühlte Rest des Probekörpers entlang des Stabes einen kontinuierlichen Bereich von Abkühlungsgeschwindigkeiten erzeugen. Ein Diagramm der Härte in Abhängigkeit vom Abstand ist die Jominy-Härtbarkeitskurve.

Die Kurve ist eine Reaktion auf die Zusammensetzung, die vorherige thermische Vorgeschichte, die Probekörpergeometrie, die Austenitisierungsbehandlung und das vorgegebene Abkühlmuster. Sie ist keine einzelne, von den Prüfbedingungen losgelöste Werkstoffkonstante. ASM International nennt die Stahlzusammensetzung und die Austenitkorngröße als primäre Faktoren, welche die Härtbarkeit beeinflussen. Diese Faktoren wirken über unterschiedliche Mechanismen und sollten nicht auf die eine Frage „Wie hart ist der Stahl?“ reduziert werden.

Die Rolle der Stahlzusammensetzung

HärtbarkeitHärtbarkeit Die Fähigkeit von Stahl, bei einem definierten Abschrecken über eine größere Tiefe Härte zu entwickeln und beizubehalten; sie unterscheidet sich von der Maximalhärte.

Die Zusammensetzung beeinflusst die Härtbarkeit hauptsächlich, indem sie die Temperaturen und Geschwindigkeiten verändert, mit denen Austenit beim Abkühlen umwandelt. Legierungselemente wie Mangan, Chrom, Nickel und Molybdän können die Umwandlungen von Austenit zu Ferrit, Perlit oder Bainit verzögern. Wenn diese Umwandlungen zu längeren Zeiten verschoben werden, kann ein größerer Anteil eines Querschnitts ihnen während des Abschreckens entgehen und stattdessen Martensit bilden. Das Ergebnis ist ein tiefer reichender Härteverlauf, sofern die Abkühlungsgeschwindigkeit und der Kohlenstoffgehalt des Stahls die Bildung von Martensit ermöglichen.

Kohlenstoff spielt in diesem Zusammenhang ebenfalls eine Rolle, doch seine Funktionen müssen getrennt betrachtet werden. Er trägt wesentlich zu der Härte bei, die Martensit erreichen kann. Legierungszugaben sind dagegen besonders wichtig für die Veränderung der Umwandlungskinetik und damit für die erforderliche Abkühlungsgeschwindigkeit, um diffusionsgesteuerte Umwandlungsprodukte im Querschnitt zu unterdrücken. Kohlenstoff verändert ebenfalls das Umwandlungsverhalten; die Aufteilung ist daher nicht absolut, sondern stellt eine Schwerpunktsetzung dar. Die Aussage „Mehr Legierung bedeutet härteren Stahl“ ist zu grob. Präziser ist die Feststellung, dass der Legierungsgehalt einen bestimmten Abkühlungsverlauf besser dazu befähigen kann, in größerer Tiefe Martensit zu erzeugen, während Kohlenstoff zusammen mit Faktoren wie Anlassen und Gefüge weitgehend die erreichbare Härte dieses Martensits festlegt.

Die Zusammensetzung muss daher durch die genaue Güte, die Spezifikation und die zutreffende Bezeichnung angegeben werden. „4140“ bezeichnet beispielsweise eine Bezeichnung für einen Chrom-Molybdän-legierten Stahl; für ein gemeldetes Ergebnis sind jedoch weiterhin die einschlägige Produktspezifikation, die Grenzwerte der chemischen Zusammensetzung, die Wärmebehandlung und das Prüfverfahren erforderlich. Eine Gütebezeichnung hebt zulässige Bereiche der Zusammensetzung nicht auf. Zwei Schmelzen innerhalb derselben Bezeichnung können innerhalb dieser Grenzwerte unterschiedliche Positionen einnehmen, und kleine Änderungen des Kohlenstoff- oder Legierungsgehalts können das Umwandlungsverhalten verändern. „Niedriglegierter Stahl“ ist eine nützliche Bezeichnung für eine Werkstofffamilie, jedoch keine ausreichende chemische Definition für den Vergleich zweier Jominy-Kurven.

Dieselbe Vorsicht gilt für Kohlenstoffstähle und Einsatzstähle. Ein unlegierter Kohlenstoffstahl und ein Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl können am abgeschreckten Ende eine ähnliche Härte aufweisen, jedoch unterschiedliche Kurvenverläufe und unterschiedliche Entfernungen zeigen, über die die Härte erhalten bleibt. Umgekehrt kann eine Zusammensetzung mit hohem Kohlenstoffgehalt eine hohe Härte nahe der Oberfläche erzeugen, ohne in einem großen Querschnitt tief zu härten. Die Kurve liefert den Nachweis für die geprüfte Abkühlbedingung; die nominelle Güte allein tut dies nicht.

Das Jominy-Ergebnis kann außerdem nicht unmittelbar auf jede Bauteilgeometrie übertragen werden. Ein zylindrischer Stab, eine Platte und ein komplexes Schmiedestück geben Wärme auf unterschiedliche Weise ab. Querschnittsgröße, Oberflächenzustand, Bewegung des Abschreckmittels und das Vorhandensein von Ecken verändern die lokale Abkühlungsgeschichte. Die Grossman-Analyse der Härtbarkeit und andere ingenieurtechnische Verfahren können die Werkstoffreaktion mit der Abschreckschärfe und der Querschnittsgeometrie in Beziehung setzen; eine Jominy-Kurve allein gibt jedoch nicht die Härte an jeder beliebigen Stelle eines beliebig geformten Bauteils an.

Kohlenstoffgehalt und erreichbare martensitische Härte

Martensit bildet sich, wenn Austenit ausreichend schnell abgekühlt wird, um eine diffusionsgesteuerte Umwandlung zu verhindern oder zu begrenzen. Die Härte dieses Martensits hängt jedoch stark vom Kohlenstoff ab, der vor dem Abschrecken im Austenit gelöst ist. Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts steigert im nutzbaren Kohlenstoffbereich im Allgemeinen die erreichbare Härte von unangelassenem Martensit, weil Kohlenstoff das Martensitgitter verzerrt und den Verformungswiderstand erhöht. Dies ist ein Härteeffekt und kein Grund, den Kohlenstoffgehalt als vollständiges Maß für die Härtbarkeit zu verwenden.

Ein kohlenstoffarmer Stahl kann bei einem geeigneten Abkühlungsverlauf über einen Querschnitt hinweg härten und dennoch eine geringere maximale Härte als ein Stahl mit höherem Kohlenstoffgehalt aufweisen. Der Stahl mit höherem Kohlenstoffgehalt kann am Jominy-Ende eine sehr hohe Härte zeigen, aber bei zunehmendem Abstand einen steilen Härteabfall aufweisen, wenn seine Zusammensetzung die Bildung von Perlit, Ferrit oder Bainit nicht ausreichend verzögert. Der niedriglegierte Stahl mit geringerem Kohlenstoffgehalt kann eine niedrigere obere Härtegrenze aufweisen, diese Härte jedoch über eine größere Entfernung vom abgeschreckten Ende erhalten. Dies sind unterschiedliche Ergebnisse: erreichbare martensitische Härte einerseits und Härtetiefe andererseits.

Kohlenstoff beeinflusst außerdem die Menge und Stabilität des Austenits während des Austenitisierens. Wenn Kohlenstoff nicht ausreichend gelöst wird, unterscheidet sich die Zusammensetzung des Austenits von der nominellen Zusammensetzung des Gesamtwerkstoffs; bei übermäßiger Lösung können Kornwachstum und andere Veränderungen auftreten. Die gemessene Kurve spiegelt folglich die gewählte Austenitisierungstemperatur und die Haltepraxis wider, nicht nur die chemische Zusammensetzung. Nach dem Abschrecken verändert das Anlassen die Härte weiter. Daher sollte ein angelassenes Härteprofil nicht so mit einer Jominy-Kurve im abgeschreckten Zustand verglichen werden, als würden beide denselben Zustand darstellen.

Eine Härtezahl am wasserabgeschreckten Ende ist daher ein unvollständiger Nachweis. Sie kann die aus der lokalen martensitischen Zusammensetzung verfügbare Härte anzeigen, zeigt jedoch nicht, wie schnell die Härte abfällt, wo Mischgefüge beginnen oder welcher Anteil eines größeren Querschnitts härten kann. Der vom Abstand abhängige Kurvenverlauf ist die maßgebliche Messgröße.

Austenitkorngröße als Einflussfaktor auf die Härtbarkeit

Die vorherige Austenitkorngröße beeinflusst die Härtbarkeit, weil Umwandlungsprodukte wie Ferrit und Perlit häufig an Austenitkorngrenzen keimen. Gröbere Austenitkörner bieten je Volumeneinheit eine geringere Korngrenzfläche, wodurch sich die Zahl möglicher Keimbildungsstellen verringert und die diffusionsgesteuerte Umwandlung beim Abkühlen tendenziell verzögert wird. Diese Verzögerung kann die Bildung von Martensit bei einer geringeren Abkühlungsgeschwindigkeit ermöglichen. Eine gröbere vorherige Austenitkorngröße kann daher die gemessene Härtbarkeit erhöhen.

Dieser Effekt ist keine kostenlose Verbesserung. Kornwachstum kann die Zähigkeit vermindern und das Formänderungsverhalten beeinflussen; außerdem kann eine übermäßige Korngröße selbst dann unzulässig sein, wenn sie die scheinbare Härtetiefe erhöht. Feine Körner fördern gewöhnlich eine frühere diffusionsgesteuerte Umwandlung, können jedoch eine bessere Zähigkeit und ein stabileres mechanisches Verhalten ermöglichen. Die zweckmäßige Wahl hängt vom Bauteil, von der Wärmebehandlung und von den geforderten Eigenschaften ab, nicht von der Maximierung einer einzelnen Jominy-Entfernung.

Die Korngröße erklärt außerdem, warum Kurven ohne Kenntnis ihrer vorherigen Wärmebehandlungsgeschichte nicht verglichen werden können. Zwei Probekörper, die aus derselben Spezifikation entnommen wurden, können unterschiedliche Ergebnisse liefern, wenn einer normalisiert wurde, ein anderer länger bei einer höheren Austenitisierungstemperatur gehalten wurde oder die Erwärmungs- und Abkühlungspraxis zu unterschiedlichen vorherigen Austenitkorngrößen geführt hat. Karbide, ungelöste, legierungsreiche Partikel und Seigerungen können die während des Abschreckens verfügbare Austenitzusammensetzung zusätzlich beeinflussen. Der Prüfbericht sollte daher neben der chemischen Zusammensetzung auch die Austenitisierungstemperatur, die Haltezeit, den Zustand des Probekörpers und das Messverfahren angeben.

Eine Jominy-Kurve ist aussagekräftig, wenn diese Variablen kontrolliert werden. Die Zusammensetzung bestimmt unter anderem, wie die Umwandlungskinetik auf die Abkühlung reagiert; Kohlenstoff trägt dazu bei, die Härte des gebildeten Martensits festzulegen; und die Austenitkorngröße verändert, wie leicht konkurrierende Umwandlungen einsetzen. Zusammen erklären diese Faktoren, warum die Härtbarkeit eine gemessene Reaktion und keine Härtebezeichnung ist. Wenn Güte, Korngröße, vorherige Behandlung, Probekörperabmessungen und Prüfstandard eindeutig festgelegt sind, kann die Kurve einen belastbaren Vergleich ermöglichen. Ohne diese Angaben laden ein Härtewert oder eine nicht gekennzeichnete Kurve genau zu der Verwechslung ein, die der Versuch verhindern soll.

Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle und Gütevergleich

Verhalten von Kohlenstoffstahl beim Abschrecken

Kohlenstoffstahl weist kein einheitliches Verhalten hinsichtlich der Härtbarkeit auf. Sein Verhalten hängt vom Kohlenstoffgehalt, der vorherigen Austenitkorngröße, der Querschnittsgröße, der Austenitisierungspraxis und der Abschreckintensität ab. Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst stark die Härte, die Martensit erreichen kann; allein daraus lässt sich jedoch nicht ableiten, wie tief ein bestimmter Stahl von einer abgeschreckten Oberfläche aus härtet. Eine kleine Probe kann eine hohe Oberflächenhärte entwickeln, während ein größerer Querschnitt zu seinem Zentrum hin Ferrit, Perlit oder Bainit behält, weil das Innere langsamer abkühlt.

Diese Unterscheidung ist zentral für das 1990 veröffentlichte ASM-Kapitel Hardenability of Carbon and Low-Alloy Steels. Das Kapitel definiert die Härtbarkeit als Eigenschaft, welche die Tiefe und Verteilung der durch Abschrecken erzeugten Härte bestimmt, und nicht als die an einer Stelle gemessene Maximalhärte. ASTM A255-20 verwendet eine eng verwandte Formulierung und definiert die Härtbarkeit als „die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet“ (ASTM International, 2020). Härte ist somit ein an einem festgelegten Punkt beobachteter Wert; die Härtbarkeit beschreibt das Reaktionsmuster innerhalb des Werkstoffs.

Bei einem unlegierten Kohlenstoffstahl erhöht ein steigender Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen die erreichbare Härte vollständig martensitischer Bereiche, vorbehaltlich des Gefüges und der Wärmebehandlung des Stahls. Daraus folgt nicht, dass jede Stahlsorte mit höherem Kohlenstoffgehalt bei jeder Abschreckung eine tiefere oder gleichmäßigere gehärtete Zone erzeugt. Kohlenstoff beeinflusst außerdem das Umwandlungsverhalten des Austenits, während Mangan und Restelemente die Reaktion verschieben können, selbst wenn die Bezeichnung allgemein als „Kohlenstoffstahl“ beschrieben wird. Der tatsächliche Bereich der chemischen Zusammensetzung ist entscheidend.

Der Stirnabschreckversuch nach Jominy macht diese räumliche Reaktion sichtbar. Wie vom Materials Technology and Innovation Laboratory der University of Illinois beschrieben, wird eine zylindrische Probe auf ihre festgelegte Austenitisierungstemperatur erwärmt und an einem Ende mit einem Wasserstrahl abgeschreckt (University of Illinois, 2024). Anschließend wird die Härte in zunehmenden Abständen vom abgeschreckten Ende gemessen. Das daraus entstehende Diagramm der Härte in Abhängigkeit von der Entfernung ist die Jominy-Kurve.

Die Kurve entsteht, weil die Probe nicht mit einer einheitlichen Geschwindigkeit abkühlt. Die Ressource der University of Cambridge zu Werkstoffumwandlungen erklärt, dass die Wasserkühlung an einem Ende und die Luftkühlung am übrigen Teil einen kontinuierlichen Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten entlang des Stabs erzeugen (University of Cambridge, 2012). In der Nähe des Wasserstrahls erfährt der Austenit die stärkste Abkühlung; mit zunehmender Entfernung nimmt die Abkühlgeschwindigkeit ab. Ein Kohlenstoffstahl, dessen Härte mit zunehmender Entfernung stark abfällt, weist ein anderes Härtbarkeitsverhalten auf als ein Stahl, der über eine größere Länge der Probe eine ähnliche Härte beibehält, selbst wenn beide am abgeschreckten Ende dieselbe Härte zeigen.

Prüfgeometrie und Prüfverfahren müssen stets gemeinsam mit dem Ergebnis betrachtet werden. ASTM A255-20 legt für den quantitativen Stirnabschreckversuch eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 1 Zoll fest. ISO 642:2024 legt für den Stirnabschreckversuch an Stahl ein Prüfstück mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm fest. Diese Abmessungen sind ähnlich, sollten jedoch nicht stillschweigend als austauschbare Spezifikationen behandelt werden. Austenitisierungstemperatur, Haltezeit, Ofenatmosphäre, Überführungszeit, Wassertemperatur, Zustand des Wasserstrahls, Härteprüfverfahren, Messabstände und Oberflächenvorbereitung können die angegebene Kurve sämtlich beeinflussen.

Einflüsse niedriglegierter Zusätze und Verhalten bei der Durchhärtung

Niedriglegierte Zusätze verändern die Härtbarkeit hauptsächlich dadurch, dass sie beim Abkühlen Umwandlungen verzögern, die mit der Bildung von Martensit konkurrieren. Mangan, Chrom, Molybdän und Nickel können die Temperatur und den zeitlichen Ablauf der Bildung von Ferrit, Perlit und Bainit verändern. Werden diese Umwandlungen verzögert, kann ein langsamer abkühlendes Inneres dennoch den martensitischen Bereich erreichen. Dies ist die metallurgische Grundlage für ein stärkeres Durchhärtungsverhalten vieler legierter Stähle.

Die Wirkung folgt nicht der einfachen Regel „mehr Legierung bedeutet mehr Härte“. Legierungselemente können die Härtbarkeit, die Karbidbildung, das Anlassverhalten, den Restaustenit und die Härte des Endgefüges über unterschiedliche Mechanismen beeinflussen. Chrom und Molybdän können beispielsweise an der Bildung von Karbidpopulationen beteiligt sein und die Umwandlungskinetik beeinflussen; Nickel verändert das Umwandlungsverhalten, wirkt jedoch nicht genau auf dieselbe Weise wie ein stark karbidbildendes Element. Mangan kann die Härtbarkeit erhöhen, seine Wirkung muss jedoch gemeinsam mit dem Kohlenstoffgehalt, der Schwefelkontrolle, der vorherigen Verarbeitung und der übrigen Zusammensetzung betrachtet werden. Geringe Borgehalte können bei Vorliegen der richtigen metallurgischen Bedingungen einen erheblichen Einfluss auf die Härtbarkeit haben; das Ergebnis hängt jedoch vom Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt, der Anwendung von Titan oder Aluminium sowie von der Verarbeitungsgeschichte ab.

ASM nennt die Zusammensetzung des Stahls und die Austenitkorngröße als primäre Faktoren, welche die Härtbarkeit beeinflussen (ASM International, 1990). Die Korngröße ist von Bedeutung, weil größere vorherige Austenitkörner für die Keimbildung bestimmter diffusionsgesteuerter Umwandlungsprodukte eine kleinere Korngrenzenfläche bereitstellen. Eine Kornvergröberung ist jedoch keine uneingeschränkt vorteilhafte Maßnahme: Sie kann die Zähigkeit und das Maßverhalten beeinträchtigen. Daher kann ein Vergleich, der ausschließlich auf einer gemessenen Kurve beruht, unvollständig sein, wenn sich die vorgesehene Wärmebehandlung unterscheidet.

Auch der Begriff „Durchhärtung“ muss sorgfältig verwendet werden. Er bedeutet nicht, dass jeder Querschnitt eines Stahlbauteils gleichmäßig martensitisch wird. Eine Jominy-Kurve liefert eine standardisierte Reaktion auf einen Gradienten von Abkühlgeschwindigkeiten, nicht jedoch eine direkte Vorhersage für jeden Durchmesser, jede Geometrie, jede Umwälzbedingung oder jedes Abschreckmittel. Ingenieurmethoden können Jominy-Daten zusammen mit Beziehungen zwischen Querschnittsgröße und Abkühlung verwenden; das vorhergesagte Ergebnis bleibt jedoch an die diesen Methoden zugrunde liegenden Annahmen gebunden. Ein wasserabgeschreckter Stab, ein ölabgeschrecktes Zahnrad und eine polymerabgeschreckte Platte weisen nicht dieselbe universelle Abkühlungsgeschichte auf.

Ebenso beweist ein hoher Härtewert am Jominy-Ende keine tiefe Härtung. Das Ende ist der stärksten Abkühlung ausgesetzt und kann selbst bei einem Stahl, dessen Härte bereits in geringer Entfernung stark abnimmt, Martensit bilden. Umgekehrt kann eine geringere gemessene Härte auf den Kohlenstoffgehalt, das Anlassen, den Restaustenit oder ein Mehrphasengefüge zurückzuführen sein und nicht allein auf eine geringe Härtbarkeit. Die Messung muss zusammen mit der Wärmebehandlung und dem Gefüge interpretiert werden.

Warum Gütebezeichnungen Prüfdaten nicht ersetzen

Eine Bezeichnung kennzeichnet eine Spezifikation, eine Nennzusammensetzung oder einen chemischen Bereich; sie liefert jedoch keine gemessene Jominy-Kurve. Ein Vergleich von „Kohlenstoffstahl“ mit „niedriglegiertem Stahl“ ist zu allgemein, um eine Aussage zur Härtbarkeit zu stützen. Selbst Vergleiche zwischen namentlich bezeichneten Güten erfordern die exakt spezifizierte Bezeichnung, die jeweils geltende Norm, die Schmelzen- oder Produktzusammensetzung und den Zustand des Prüfmaterials.

Ein belastbarer Vergleich sollte mindestens fünf Punkte angeben: die Stahlbezeichnung und die maßgebliche Norm; den gemessenen Bereich der chemischen Zusammensetzung einschließlich relevanter Legierungs- und Restelemente; die Austenitisierungstemperatur und die Haltebehandlung; die Abschreckeinrichtung und das Abschreckmedium; sowie das Messverfahren und die Härteskala. Außerdem sollte angegeben werden, ob das Ergebnis aus ASTM A255, ISO 642, einem anderen festgelegten Verfahren oder einer betriebsspezifischen Prüfung stammt. Eine Kurve aus einer 1-Zoll-Probe nach ASTM sollte trotz der ähnlichen Nennabmessungen des Prüfstücks nicht so dargestellt werden, als handele es sich automatisch um ein Ergebnis nach ISO 642.

Schwankungen in der Produktion schränken zudem ein, was eine Bezeichnung aussagen kann. Zwei Schmelzen, die unter derselben Bezeichnung verkauft werden, können sich innerhalb des zulässigen Bereichs der chemischen Zusammensetzung unterscheiden. Unterschiede in der Korngröße, dem Umformgrad beim Schmieden, der Normalisiergeschichte, der Entkohlung und der Austenitisierungspraxis können die gemessene Reaktion verändern. Eine veröffentlichte Nennzusammensetzung liefert daher Kontext, jedoch keinen Beweis für eine bestimmte Härtbarkeitskurve.

Die Materials Education Foundation beschreibt das Jominy-Verfahren als Messung der Härte in zunehmenden Abständen von einem abgeschreckten Ende zur Bestimmung der Härtbarkeit von Stahl (Materials Education Foundation, 2024). Diese Formulierung erfasst die angemessene Grenze des Prüfverfahrens: Es misst eine Härtereaktion, die durch einen definierten Abkühlgradienten erzeugt wird. Es macht aus einer Gütebezeichnung keine universelle Leistungsrangfolge und ersetzt keine bauteilbezogene Validierung, wenn sich Abkühlbedingungen oder Geometrie unterscheiden.

Ein sinnvoller Gütevergleich fragt daher: „Welche Reaktion wurde unter welchen Bedingungen gemessen?“ Er fragt nicht lediglich, welche Bezeichnung angeblich härter ist. Nur die erste Frage bezieht sich auf die Härtbarkeit.

Lesen und Vergleichen von Jominy-Kurven

Eine Jominy-Kurve ist eine Darstellung der gemessenen Härte in Abhängigkeit vom Abstand zum abgeschreckten Ende einer Stahlprobe. Die horizontale Achse beginnt normalerweise am wassergekühlten Ende und verläuft in Richtung des luftgekühlten Endes; die vertikale Achse gibt die Härte auf einer festgelegten Skala an, beispielsweise Rockwell C (HRC), Rockwell B (HRB) oder Vickers-Härte (HV). Die Kurve ist als Aufzeichnung der Reaktion des Stahls auf einen kontrollierten Bereich von Abkühlbedingungen zu lesen, nicht als einzelner Härtewert.

ASTM A255-20 definiert die Härtbarkeit als die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet, und legt den quantitativen Stirnabschreckversuch mit einer zylindrischen Probe von 1 Zoll Durchmesser fest. ISO 642:2024 schreibt ein Prüfstück mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm vor. Diese Abmessungen liegen nahe beieinander, doch die Normen sind nicht ohne Weiteres als austauschbar anzusehen. Das jeweils maßgebliche Dokument bestimmt die Prüfung.

Kurvenhöhe nahe dem abgeschreckten Ende

Der linke, beziehungsweise am abgeschreckten Ende liegende Abschnitt der Kurve zeigt die Härte, die unter der schärfsten Abkühlbedingung der Prüfung erzielt wurde. Ein hoher Wert an dieser Stelle weist darauf hin, dass das geprüfte Material unter der jeweiligen Austenitisierungs- und Wasserabschreckpraxis nahe der Oberfläche ein hartes Umwandlungsprodukt gebildet hat. Für sich allein belegt dies keine hohe Härtbarkeit.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil der Kohlenstoffgehalt die Härte von Martensit stark beeinflusst, während die Härtbarkeit auch davon abhängt, wie leicht Umwandlungen wie Perlit oder Bainit während der Abkühlung unterdrückt werden. Zwei Stähle können nahe dem abgeschreckten Ende eine ähnliche Härte erreichen und sich dennoch weiter entlang der Probe deutlich voneinander unterscheiden. Der Stahl, dessen Härte nur langsam abfällt, hat unter langsamerer Abkühlung ein hartes Gefüge bewahrt und zeigt daher in dieser Prüfung eine größere Härtetiefe.

Der Wert am abgeschreckten Ende kann außerdem durch Bedingungen beeinflusst werden, die nicht einfach eine Werkstoffeigenschaft der jeweiligen Güte darstellen. Austenitisierungstemperatur und Haltezeit beeinflussen den Zustand des Austenits. Die Austenitkorngröße ist ein wesentlicher Faktor für die Härtbarkeit, wie ASM International in seiner Darstellung von Stahlhärte und Härtbarkeit aus dem Jahr 1990 berichtete; übermäßiges Kornwachstum kann die Kurve verändern. Randentkohlung, Oxidation, Schleifschäden, eine fehlerhafte Ausrichtung des Wasserstrahls oder ein zu nah am Rand gesetzter Härteeindruck können die ersten Messwerte verfälschen.

Aus diesem Grund sollte eine Kurve, die höher beginnt, nicht automatisch als „härtbarer“ bezeichnet werden. Sie kann am Ende eine höhere Härte im abgeschreckten Zustand, eine größere Härtbarkeit oder beides aufweisen. Das übrige Profil liefert die erforderlichen Hinweise, um diese Effekte voneinander zu unterscheiden.

Die Kurvenhöhe kann dennoch nützlich sein, wenn es um die lokale Härtereaktion geht. So kann eine Spezifikation beispielsweise eine Mindesthärte bei einem festgelegten Jominy-Abstand verlangen. Diese Anforderung ist ein Abnahmekriterium und keine allgemeine Definition der Bedeutung der Kurve. Ob ein gemessener Wert die Anforderung erfüllt, muss sich aus der maßgeblichen Werkstoff- oder Produktspezifikation ergeben.

Kurvenform und Erhalt der Härte mit zunehmendem Abstand

Das zentrale Merkmal einer Jominy-Kurve ist die Geschwindigkeit des Härteverlusts mit zunehmendem Abstand. Das vom University of Illinois Materials Technology and Innovation Laboratory beschriebene Verfahren erwärmt eine zylindrische Probe auf ihre Austenitisierungstemperatur, schreckt ein Ende mit einem Wasserstrahl ab, misst die Härte bei zunehmenden Abständen und trägt die Ergebnisse auf. Die University of Cambridge erklärt, warum dadurch ein Profil entsteht: Das abgeschreckte Ende kühlt schnell ab, während weiter entfernte Bereiche an der Luft fortschreitend langsamer abkühlen.

Eine steil abfallende Kurve bedeutet, dass die Härte über eine kurze Strecke verloren geht. Dieser Stahl reagiert stark auf den Übergang von schneller zu langsamerer Abkühlung. Eine flachere Kurve bedeutet, dass die Härte weiter vom abgeschreckten Ende entfernt erhalten bleibt. In praktischen metallurgischen Begriffen weist die letztere Reaktion darauf hin, dass ein größerer Bereich der Probe unter weniger scharfen Abkühlbedingungen als am Ende in ein hartes Gefüge umwandeln kann.

Die Kurve muss keine gerade Linie sein. Sie kann nahe dem Ende stark abfallen, sich in einem mittleren Bereich abflachen oder eine Änderung der Steigung zeigen, die mit Umwandlungen bei unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten zusammenhängt. Ein kurzes Plateau, auf das ein Abfall und eine erneute Abflachung folgen, sollte als Abfolge von Reaktionen gelesen und nicht auf eine einzige Zahl für die „durchschnittliche Härtbarkeit“ reduziert werden. Die Form spiegelt die Zusammensetzung, die Austenitkorngröße, das Ausgangsgefüge und die für die Prüfung verwendete thermische Vorgeschichte wider. Das Kapitel von ASM aus dem Jahr 1990 über Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle beschreibt die Härtbarkeit als bestimmend für Tiefe und Verteilung der durch Abschrecken erzeugten Härte; deshalb ist das gesamte Profil von Bedeutung.

Eine Kurve, die bei einem bestimmten Abstand höher liegt, hat unter dieser Prüfbedingung mehr Härte bewahrt. Dies beweist nicht, dass jeder Bereich eines Bauteils aus der Produktion diese Härte aufweisen wird. Ein tatsächliches Bauteil besitzt eine andere Geometrie, Masse, Oberflächenbeschaffenheit und Abkühlungskurve. Die Übertragung eines Jominy-Ergebnisses auf die vorhergesagte Reaktion eines Bauteils erfordert ein definiertes Abkühlungsmodell oder ein Verfahren wie die Grossman-Analyse; ein rein visueller Vergleich kann diese Übertragung nicht leisten.

Eine höhere Kurve macht eine Stahlsorte auch nicht allgemein vorzugswürdig. Ein Entwurf kann eine bestimmte Kombination aus Härte, Zähigkeit, Verzugskontrolle, Schweißbarkeit und Anlassverhalten erfordern. Der Jominy-Versuch erfasst eine Reaktion auf eine definierte Abschreckvorgeschichte. Er ersetzt weder mechanische Prüfungen noch eine Spezifikation für das fertige Bauteil.

Beim Vergleich von Kurven müssen entsprechende Abstände und entsprechende Härteskalen verglichen werden. Eine in HRC dargestellte Kurve kann ohne ein geeignetes, angegebenes Umrechnungsverfahren nicht numerisch mit einer in HV dargestellten Kurve verglichen werden. Härteumrechnungen sind keine exakten physikalischen Identitäten, insbesondere nicht bei unterschiedlichen Gefügen. Auch die Darstellungsweise ist von Bedeutung: Durch gerade Linien verbundene Punkte, eine angepasste Kurve und eine interpolierte Tabelle können dieselben Messungen unterschiedlich dargestellt werden.

Streuung, Wiederholbarkeit und Vergleichsbedingungen

Tatsächliche Jominy-Daten weisen eine Streuung auf. Ein Teil der Abweichungen entsteht durch die Härtemessung, doch größere Unterschiede können auf die Probenvorbereitung und die thermische Behandlung zurückzuführen sein. Die Stirnfläche muss dem vorgesehenen Wasserstrahl ausgesetzt werden, die Probe muss korrekt zentriert sein, und die Härtespur muss vorbereitet werden, ohne entkohltes Material oder eine raue Oberfläche zurückzulassen. Die Messungen müssen entsprechend dem maßgeblichen Verfahren in den vorgeschriebenen Abständen durchgeführt und angegeben werden.

Ein einzelner unregelmäßiger Punkt sollte nicht als metallurgische Entdeckung betrachtet werden. Zunächst ist zu prüfen, ob der Punkt außerhalb der erwarteten Messwiederholbarkeit liegt, ob der Abstand zwischen den Eindrücken ausreichend war und ob Probenoberfläche und Härteskala korrekt waren. Wiederholungsprüfungen, die dieselbe Änderung der Kurvenform zeigen, sind aussagekräftiger als ein einzelner ungewöhnlich hoher oder niedriger Messwert.

Ein aussagekräftiger Vergleich erfordert mehr, als Proben mit derselben Nennbezeichnung der Stahlsorte zu prüfen. Es müssen dieselbe Norm, dieselben Probenabmessungen, Oberflächenvorbereitung, Austenitisierungstemperatur, Haltepraxis, Transferzeit, Abschreckanordnung, Härteskala, Messstellen und Darstellungsweise verwendet werden. ASTM A255-20 legt eine Probe mit einem Durchmesser von 1 Zoll fest, während ISO 642:2024 einen Durchmesser von 25 mm und eine Mindestlänge von 100 mm vorschreibt; Ergebnisse, die nach diesen Normen erzeugt wurden, sollten entsprechend gekennzeichnet und nicht stillschweigend zusammengeführt werden.

Auch der Ausgangszustand des Stahls muss berücksichtigt werden. Die Zusammensetzung ist wichtig, ebenso jedoch die beim Erwärmen eingestellte Austenitkorngröße. Es kann nicht vorausgesetzt werden, dass eine Laborkurve aus einer Wärmebehandlung jede Wärme derselben Stahlsortenbezeichnung repräsentiert, wenn sich die Austenitisierungspraxis unterscheidet. Dies ist ein Grund dafür, dass eine Kurve bei jeder Weitergabe ihre Prüfbedingungen enthalten sollte.

Schließlich müssen Interpretation und Konformitätsbewertung voneinander getrennt werden. Das Lesen der Kurve kann zeigen, dass die Härte schnell abnimmt, dass die Härte weiter vom abgeschreckten Ende entfernt erhalten bleibt oder dass Wiederholungsprüfungen streuen. Nur die maßgebliche Spezifikation kann den zulässigen Bereich, den Mindestwert, die Anforderungen an die Probenahme und die Abnahmeentscheidung festlegen. Eine Jominy-Kurve ist ein Nachweis der Härtbarkeit unter definierten Bedingungen – keine eigenständige Produktempfehlung, Rangfolge von Stahlsorten oder Ersatz für die mit dem Werkstoff verbundenen Abnahmeanforderungen.

Jominy-, Grossman- und Lufthärtbarkeitsprüfungen

Die Härtbarkeit ist nicht dasselbe wie die Härte. ASTM A255-20 definiert die Härtbarkeit als „die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet“, während die Härte der Widerstand ist, der an einer bestimmten Stelle nach einem bestimmten Prüfverfahren gemessen wird. Ein Stahl kann eine hohe Oberflächenhärte aufweisen und dennoch nur über eine kurze Strecke unterhalb der Oberfläche härten. Ein anderer Stahl kann an der Oberfläche eine ähnliche Härte erreichen und diese Härte über eine wesentlich größere Tiefe innerhalb eines Querschnitts beibehalten.

Das ASM Handbook behandelt Jominy-, Grossman- und Lufthärtbarkeitsprüfungen als miteinander verwandte Verfahren zur Untersuchung dieses Verhaltens, nicht als austauschbare Prüfungen. Jedes Verfahren führt zu einer unterschiedlichen thermischen Vorgeschichte. Das Jominy-Verfahren erzeugt entlang eines Prüfkörpers einen kontrollierten Bereich von Abkühlungsgeschwindigkeiten; die Grossman-Analyse verknüpft das Verhalten eines Stahls mit der Abschreckintensität und der Bauteilgröße; eine Lufthärtbarkeitsprüfung untersucht, was geschieht, wenn das festgelegte Kühlmedium Luft ist. Das Ergebnis eines Verfahrens kann nicht ohne eine definierte Umrechnung oder ein entsprechendes Modell durch das Ergebnis eines anderen Verfahrens ersetzt werden.

Das Jominy-Stirnabschreckverfahren

Die Jominy-Stirnabschreckprüfung ist ein standardisiertes Verfahren, um aus einem zylindrischen Prüfkörper eine Härtbarkeitskurve zu ermitteln. ASTM A255-20 legt für die quantitative Stirnabschreckprüfung einen zylindrischen Prüfkörper mit einem Durchmesser von 1 Zoll fest. ISO 642:2024 spezifiziert einen Stahlprüfkörper mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm. Diese Abmessungen liegen in der praktischen Anwendung nahe beieinander, dennoch handelt es sich bei den Normen weiterhin um getrennte Dokumente mit jeweils eigenen Anforderungen an Vorbereitung, Erwärmung, Abschreckung, Härtemessung und Berichterstattung.

Die grundlegende Abfolge ist unkompliziert. Ein bearbeiteter Prüfkörper wird auf die festgelegte Austenitisierungstemperatur erwärmt, lange genug gehalten, um den vorgeschriebenen thermischen Zustand zu erreichen, und anschließend in eine Vorrichtung überführt. Ein Wasserstrahl trifft auf ein Ende. Das Materials Technology and Innovation Laboratory der University of Illinois beschreibt diese Abfolge aus Erwärmung und Wasserabschreckung an einem Ende in seiner Jominy-Arbeitsanweisung von 2024. Nach dem Abkühlen wird entlang des Prüfkörpers üblicherweise eine Abflachung hergestellt, und die Härte wird in zunehmenden Abständen vom abgeschreckten Ende gemessen.

Die Physik verleiht der Prüfung ihren Wert. Das abgeschreckte Ende erfährt die intensivste Abkühlung, während weiter entfernte Stellen zunehmend langsamer abkühlen, da sie indirekt und teilweise durch Luft gekühlt werden. Die University of Cambridge erklärt, dass diese Anordnung entlang des Stabes einen kontinuierlichen Bereich von Abkühlungsgeschwindigkeiten erzeugt. Eine Darstellung der Härte in Abhängigkeit vom Abstand zeigt daher, wie sich die gemessene Härtereaktion des Stahls mit abnehmender Abkühlungsgeschwindigkeit verändert.

In der Nähe des abgeschreckten Endes hängt die Härte stark vom Kohlenstoffgehalt und davon ab, ob sich der Austenit in Martensit statt in weichere Gefügeprodukte wie Perlit oder Bainit umwandelt. Weiter vom Ende entfernt gewinnen Legierungselemente und die Austenitkorngröße an Bedeutung, weil sie bei langsamerer Abkühlung diffusionsgesteuerte Umwandlungen verzögern. ASM International bezeichnete in seiner Darstellung von Härte und Härtbarkeit aus dem Jahr 1990 die Stahlzusammensetzung und die Austenitkorngröße als wesentliche Einflussgrößen der Härtbarkeit.

Die Kurve ist das Ergebnis, nicht eine einzelne Härtezahl. Ihre Form kann anzeigen, über welche Tiefe ein Stahl eine bestimmte Härtereaktion aufrechterhält; sie gibt jedoch nicht unmittelbar die Härteverteilung in jedem realen Bauteil an. Ein Stab, Zahnrad, Blech oder Schmiedestück hat jeweils seinen eigenen Durchmesser, seine eigene Geometrie, seinen eigenen Oberflächenzustand, seine eigene Austenitisierungsvorgeschichte und seinen eigenen Abkühlungsverlauf. Der Jominy-Prüfkörper besitzt außerdem einen besonderen eindimensionalen thermischen Gradienten, der nicht überall in einem dicken Bauteil reproduziert wird.

Eine Jominy-Kurve kann für sich genommen nicht belegen, dass ein Bauteil in Öl, Wasser, Polymer oder Luft bis zu seinem Kern vollständig härtet. Ebenso wenig kann ein am abgeschreckten Ende ermittelter Härtewert die vollständige Härtbarkeit des Stahls beschreiben. Die Kurve muss unter Berücksichtigung der vorgesehenen Querschnittsgröße und der Abschreckvorgeschichte interpretiert werden.

Grossman-Analyse des kritischen Durchmessers

Die Grossman-Analyse behandelt eine andere ingenieurtechnische Frage: Wie wirken die Umwandlungsreaktion des Stahls, die Größe des Querschnitts und die Intensität der Abschreckung zusammen, um die Härtungstiefe zu bestimmen? Sie trennt zwei Vorstellungen, die häufig miteinander verwechselt werden. Der Stahl besitzt eine ihm eigene Härtungsreaktion, während das Abschreckmittel und die Bauteilgeometrie bestimmen, wie schnell Wärme abgeführt wird.

Grossman-H-FaktorGrossman-H-Faktor Ein Parameter zur Darstellung der Abschreckintensität, der den Wärmeübergang an der Oberfläche mit der Querschnittsgröße und der Härtungsreaktion des Stahls verknüpft.

Das Verfahren verwendet die Abschreckintensität, die üblicherweise durch den Grossman-$H$-Faktor dargestellt wird, um die Wirksamkeit der Wärmeübertragung an der Oberfläche zu beschreiben. Eine intensivere Abschreckung führt Wärme schneller ab als eine weniger intensive, wobei das tatsächliche Ergebnis zusätzlich von der Bewegung des Abschreckmittels, seiner Temperatur, dem Verhalten des Dampffilms, dem Oberflächenzustand und der Form des Bauteils abhängt. Die Grossman-Analyse setzt diese Intensität anschließend mit der Querschnittsgröße und einer begrenzenden Härtungsbedingung in Beziehung.

Der ideale kritische Durchmesser ist der Durchmesser eines hypothetischen Rundstabs, der bei einer idealisierten Abschreckung einen bestimmten Zustand im Zentrum erreichen würde. Der tatsächliche kritische Durchmesser berücksichtigt die ausgewählte Abschreckintensität für das Bauteil. Diese Begriffe sind keine alternativen Bezeichnungen für den Jominy-Abstand. Ein Jominy-Abstand ist eine Position entlang eines Prüfstabs; ein kritischer Durchmesser ist ein Ergebnis hinsichtlich der Querschnittsgröße, das durch eine Analyse der Abschreckintensität und der Stahlreaktion gewonnen wird.

Jominy-Daten können den Eingang für Grossman-Berechnungen oder -Diagramme zur Beschreibung der Stahlreaktion liefern; die Berechnung fügt jedoch Annahmen über Geometrie und Wärmeübertragung hinzu. Folglich können sich zwei Bauteile aus derselben Stahlschmelze bis zu unterschiedlichen Tiefen härten, wenn ihre Größen oder Abschreckbedingungen voneinander abweichen. Derselbe Stahl kann unter unterschiedlichen $H$-Werten ebenfalls unterschiedliche kritische Durchmesser ergeben. Die Grossman-Analyse ist somit eine Brücke zwischen dem Verhalten im Labor und einer festgelegten Abschrecksituation, keine unabhängige Härteprüfung.

Prüfung der Lufthärtbarkeit

Bei der Prüfung der Lufthärtbarkeit wird ein Stahl unter Luftkühlung untersucht, anstatt ihn dem Jominy-Wasserstrahl auszusetzen oder ihm einen Grossman-Wert für die Abschreckintensität zuzuweisen. Der Prüfkörper wird nach dem festgelegten Verfahren austenitisiert, aus dem Ofen genommen und unter den Prüfbedingungen an der Luft abgekühlt. Anschließend werden je nach Verfahren die Härte, das Gefüge oder die Härteverteilung über den Querschnitt gemessen.

Dieser Unterschied ist wichtig, weil „Lufthärtung“ nicht bedeutet, dass der Stahl unabhängig von seiner Größe eine feste Härte besitzt. Die Kühlung in ruhender Luft, mit bewegter Luft oder in einer kontrollierten Atmosphäre führt zu unterschiedlichen Wärmeübertragungsbedingungen. Ein kleiner Prüfkörper kann schnell genug abkühlen, um einen erheblichen Martensitanteil zu bilden, während das Zentrum eines größeren Querschnitts langsamer abkühlt und ein anderes Gemisch von Umwandlungsprodukten bildet. Ofentemperatur, Abmessungen des Prüfkörpers, Auflagen, Luftströmung und Oberflächenzustand können die gemessene Reaktion beeinflussen.

Ein Ergebnis der Lufthärtbarkeitsprüfung beschreibt daher das Verhalten unter der festgelegten Luftkühlungsvorgeschichte. Es ersetzt keine Jominy-Kurve, da es nicht denselben kontinuierlichen Abkühlungsgradienten vom einen Ende zum anderen erzeugt. Es ersetzt auch keine Grossman-Analyse, da es für sich genommen nicht die Beziehung zwischen Abschreckintensität und einer Reihe von Querschnittsgrößen ausdrückt. Die drei Verfahren beantworten verwandte Fragen, doch ihre Ergebnisse behalten jeweils eine unterschiedliche Bedeutung.

Das Kapitel von ASM aus dem Jahr 1990 über Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle definiert die Härtbarkeit als die Eigenschaft, welche die Tiefe und Verteilung der durch Abschrecken erzeugten Härte bestimmt. Diese Formulierung enthält die praktische Prüfregel: Es ist zu untersuchen, wie die Härte nach einer festgelegten thermischen Vorgeschichte verteilt ist, und nicht lediglich, wie hart ein einzelner Punkt wird.

Von der Jominy-Kurve zum realen Bauteil

Eine Jominy-Kurve beschreibt das Verhalten eines Stahls bei einer einzigen kontrollierten Abkühlanordnung. Ohne zusätzliche Analyse sagt sie nicht die Härte an jedem Punkt eines fertigen Bauteils voraus. Dieser Unterschied ist wichtig, weil ein genormter Probekörper klein und einfach ist und unter vorgeschriebenen Bedingungen abgekühlt wird, während ein Bauteil dünne Kanten, dicke Naben, Bohrungen, Ecken, wechselnde Oberflächenbedingungen und Bereiche aufweisen kann, die mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten abkühlen.

ASTM A255-20 definiert die Härtbarkeit als die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet. Das quantitative Stirnabschreckverfahren verwendet einen zylindrischen Probekörper mit einem Durchmesser von 1 Zoll. ISO 642:2024 legt für die Stirnabschreckprüfung einen Stahlprobekörper mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm fest. Diese Abmessungen und die vorgeschriebenen Prüfbedingungen ermöglichen einen reproduzierbaren Vergleich zwischen Schmelzen, Stahlsorten oder Verarbeitungsbedingungen; sie machen den Probekörper jedoch nicht zu einem maßstäblichen Modell eines Maschinenteils.

Bei dem vom Materials Technology and Innovation Laboratory der University of Illinois beschriebenen Verfahren wird der Probekörper auf seine Austenitisierungstemperatur erwärmt, und ein Ende wird mit einem Wasserstrahl abgeschreckt. Anschließend wird die Härte in zunehmenden Abständen vom abgeschreckten Ende gemessen. Das daraus entstehende Diagramm der Härte über dem Abstand ist die Jominy-Kurve. Wie die University of Cambridge erläutert, erzeugen das wassergekühlte Ende und der luftgekühlte Rest entlang des Stabes ein kontinuierliches Spektrum von Abkühlgeschwindigkeiten. Jede Position repräsentiert daher eine unterschiedliche thermische Reaktion innerhalb desselben Probekörpers.

Diese Reaktion ist nützlich, muss jedoch sorgfältig übertragen werden.

Querschnittsdicke und thermische Gradienten

Die Querschnittsdicke eines Bauteils bestimmt, wie viel Wärme aus seinem Inneren abgeführt werden muss, bevor die Umwandlung beginnt. Eine dünne Wand hat einen kurzen Weg zur Oberfläche und kann über einen großen Teil ihres Querschnitts schnell abkühlen. Eine dicke Nabe, Welle, ein Flansch oder ein Zahnradrohling hält in seinem Zentrum Wärme zurück; die Oberfläche kann den Martensitumwandlungsbereich durchlaufen, während der Kern langsam genug abkühlt, damit sich – abhängig von der Zusammensetzung und dem tatsächlichen Wärmezyklus – Bainit, Perlit oder Ferrit bildet.

Auch der Jominy-Stab weist einen thermischen Gradienten auf, jedoch handelt es sich dabei um einen bewusst erzeugten Längsgradienten. Das abgeschreckte Ende erhält die stärkste direkte Kühlung, während weiter entfernte Positionen zunehmend langsamer abkühlen. Ein reales Bauteil weist in der Regel Gradienten in mehr als einer Richtung auf. Wärme kann radial von einem Kern zu einer Oberfläche, axial zu einem Ende und durch benachbarte Merkmale fließen. Eine Ecke kann Wärme über mehrere Flächen abgeben. Eine Bohrung kann den Kühlweg von innen verändern, während ein Kontakt mit einer Vorrichtung den Wärmefluss lokal einschränken oder eine zusätzliche Wärmesenke darstellen kann.

Dieser Unterschied macht die Querschnittsgröße zu mehr als einer einfachen maßlichen Korrektur. Zwei Stellen mit demselben Abstand von einer äußeren Oberfläche können unterschiedliche Abkühlungsverläufe erfahren, wenn eine Stelle in der Nähe einer Ecke und die andere im Zentrum eines dicken Querschnitts liegt. Das Zentrum eines zylindrischen Stabes ist beispielsweise nicht mit einem oberflächennahen Punkt gleichzusetzen, nur weil beide zur selben Stahlsorte gehören. Ebenso wird das Zentrum eines großen Bauteils nicht automatisch durch das vom abgeschreckten Ende am weitesten entfernte Ende einer Jominy-Kurve repräsentiert. Die Geometrie des Bauteils bestimmt das Wärmeflussfeld, und das Abschreckmittel bestimmt, wie schnell dieses Feld Wärme verliert.

Die Zusammensetzung und die Austenitkorngröße bleiben wichtige Ausgangsvariablen. ASM International bezeichnet beide als wesentliche Einflussgrößen auf die Härtbarkeit. Auch Austenitisierungstemperatur, Haltezeit, ursprüngliches Gefüge und Kornwachstum können die dem Abschrecken dargebotene Umwandlungsreaktion verändern. Daher sollte ein Jominy-Ergebnis aus einer bestimmten Wärmebehandlungsbedingung bei seiner Anwendung auf ein Bauteil nicht von dieser Bedingung getrennt betrachtet werden.

Der Oberflächenzustand bringt eine weitere Komplikation hinzu. Zunder, Entkohlung, Bearbeitungsspuren, Beschichtungen und Rückstände können den Kontakt zwischen dem Stahl und dem Abschreckmittel verändern. Eine entkohlte Oberfläche kann eine geringere gemessene Härte aufweisen, selbst wenn der darunterliegende Stahl ein deutlich anderes Verhalten zeigt. Eine raue oder verunreinigte Oberfläche kann während des Abschreckens Dampf zurückhalten oder den Kontakt mit der Flüssigkeit vermindern. Die Härte, die nach dem Abtragen einer solchen Schicht gemessen wird, kann daher von der Härte abweichen, die direkt an der abgeschreckten Oberfläche im Ausgangszustand gemessen wurde.

Abschreckmittel und Abschreckintensität

Wasser in der Jominy-Vorrichtung ist kein allgemeines Symbol für „schnelles Abschrecken“. Strömung, Temperatur, Druck, Ausrichtung und beaufschlagte Fläche des Strahls werden kontrolliert, weil sie die Wärmeübertragung am abgeschreckten Ende beeinflussen. Die gegenüberliegenden Bereiche des Probekörpers kühlen an der Luft ab. Ein Produktionsbauteil kann dagegen in bewegtem Wasser, einer Polymerlösung, Öl, einer Salzschmelze oder einem anderen Medium abgeschreckt werden, wobei jedes Medium einen anderen Abkühlungsverlauf erzeugt.

Die Abschreckintensität beschreibt die Fähigkeit eines Abschrecksystems, im Vergleich zu einer Referenzbedingung Wärme abzuführen. Sie hängt vom Medium, aber auch von der Bewegung, der Flüssigkeitstemperatur, der Zirkulation, der Ausrichtung des Bauteils, dem Verhalten des Dampffilms und dem Verhältnis von benetzter Oberfläche zu Volumen ab. Eine ruhende Flüssigkeit um ein großes Bauteil kann Wärme deutlich weniger wirksam abführen als eine bewegte Flüssigkeit um ein kleines Bauteil. Selbst in einem einzigen Tank können Oberflächen, die einer starken Strömung zugewandt sind, anders abkühlen als abgeschirmte Oberflächen.

Die Bewegung ist insbesondere während der frühen Phase des Abschreckens wichtig, wenn sich um den heißen Stahl eine Dampfhülle bilden kann. Bewegung kann diese Hülle aufbrechen und den Kontakt mit kühlerer Flüssigkeit erneuern. Wird das Bauteil jedoch langsam aus dem Ofen überführt, beginnt es bereits abzukühlen, bevor das vorgesehene Abschrecken einsetzt. Die Überführungszeit ist daher Bestandteil der thermischen Vorgeschichte und nicht lediglich ein Detail der Handhabung. Eine Verzögerung unbekannter Dauer erschwert den Vergleich eines nominell identischen Abschreckvorgangs mit der Jominy-Bedingung.

Das Medium kann auch innerhalb eines einzigen Bauteils lokale Unterschiede erzeugen. Eine vertikale Welle kann Flüssigkeit anders ablaufen lassen als eine horizontale. In einer Sackbohrung kann sich Dampf sammeln. Enge Kanäle können die Strömung einschränken, während große ebene Flächen anhaltende Dampffilme erzeugen können. Diese Effekte können eine Streuung der Härte verursachen, die eine einzelne Jominy-Kurve nicht erkennen lässt.

Aus diesem Grund kann einem Stahl mit einer bestimmten Jominy-Härte bei einem ausgewählten Abstand nicht allein aufgrund des Abstands eine garantierte Bauteilhärte zugeordnet werden. Die Kurve zeigt, wie das Material auf einen bekannten Bereich von Abkühlungsbedingungen reagiert. Sie gibt weder die Abkühlgeschwindigkeit an einer bestimmten Bauteilstelle vor, noch stellt sie fest, dass an dieser Stelle dasselbe Gefüge wie an der entsprechenden Jominy-Position entsteht.

Zuordnung des Laborverhaltens zu Bauteilpositionen

Die praktische Frage lautet nicht: „Welche Härte hat diese Stahlsorte?“, sondern: „Welchen Abkühlungsverlauf erhält diese Stelle, und welche Härte sowie welches Gefüge erzeugt der Stahl unter diesem Verlauf?“ Eine Jominy-Kurve liefert einen Teil der Antwort. Eine Bauteilbewertung muss den übrigen Teil liefern.

Ingenieure schätzen üblicherweise die lokalen Abkühlungsbedingungen anhand der Querschnittsgeometrie und der Abschreckpraxis ab und vergleichen diese Bedingungen anschließend mit genormten Härtbarkeitsdaten oder verwenden ein Verfahren für die Querschnittsgröße, beispielsweise den Ansatz nach Grossmann. Bei diesem Vergleich muss der Unterschied zwischen Materialreaktion und Prozessergebnis erhalten bleiben. Jominy-Daten beschreiben die Materialreaktion; der berechnete oder gemessene Abkühlungsverlauf stellt die Verbindung zum Prozessergebnis her.

Die einzelnen Stellen sollten separat betrachtet werden. Die Oberfläche einer dicken Welle kann schnell genug abkühlen, um überwiegend martensitisch zu werden, während sich in ihrem Zentrum ein Mischgefüge und eine geringere Härte entwickeln. Ein dünner Steg kann über seinen gesamten Querschnitt härten, während eine nahe gelegene Nabe dies möglicherweise nicht erreicht. Ein Übergangsradius kann schneller abkühlen als der angrenzende Körper, während eine Gewindevertiefung oder eine Sackbohrung aufgrund der eingeschränkten Flüssigkeitsbewegung langsamer abkühlen kann. Zur Überprüfung dieser Vorhersagen können Härteverläufe, metallografische Proben, Thermoelemente oder validierte Wärmeübertragungsberechnungen erforderlich sein.

Die maßgebliche Stelle wird außerdem durch die Spezifikation festgelegt. Eine Zeichnung kann eine Härte an der Oberfläche, in einer angegebenen Tiefe oder im Zentrum eines Referenzquerschnitts fordern. Dies sind unterschiedliche Abnahmestellen. Eine Messung ausschließlich an der am leichtesten zugänglichen freiliegenden Fläche kann einen weichen Kern oder eine lokal zu harte Kante übersehen.

Die Jominy-Kurve ist daher ein Vergleichsinstrument für die Materialreaktion und keine Garantie dafür, dass jede Stelle eines Bauteils eine bestimmte Härte erreicht. ASTM A255-20 und ISO 642:2024 machen die Prüfung durch die Kontrolle der Probekörpergeometrie und der Kühlbedingungen reproduzierbar. Eine verantwortungsvolle Anwendung ihrer Ergebnisse erfordert, diese Daten mit der Querschnittsdicke, der Geometrie, dem Oberflächenzustand, der Überführungszeit, dem Abschreckmedium, der Bewegung und der lokalen thermischen Vorgeschichte des Bauteils abzugleichen. Eine Härtezahl wird erst dann aussagekräftig, wenn auch der Abkühlungsverlauf verstanden ist, durch den sie entstanden ist.

Häufige Fehlinterpretationen und Fehler bei der Berichterstattung

Härtbarkeit mit Härte gleichsetzen

Härte und Härtbarkeit stehen miteinander in Beziehung, sind jedoch nicht dieselbe Eigenschaft. Härte ist der Widerstand eines Materials gegen das Eindringen eines Prüfkörpers und wird üblicherweise anhand einer Rockwell-, Brinell- oder Vickers-Messung angegeben. Härtbarkeit beschreibt, wie tief und wie gleichmäßig Stahl während eines bestimmten Abschreckvorgangs martensitische oder anderweitig harte umgewandelte Gefüge entwickeln kann. ASTM A255-20 definiert Härtbarkeit als „die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet“ (ASTM International, 2020). Die Definition bezieht sich auf das Verhalten über den Querschnitt hinweg und nicht auf einen einzelnen Härtewert, der an einer einzigen Stelle ermittelt wurde.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil der Kohlenstoffgehalt die erreichbare Härte von Martensit stark beeinflusst, während Legierungselemente und die Austenitkorngröße die erforderliche Abkühlintensität zur Bildung dieses Martensits maßgeblich beeinflussen. ASM International nennt die Stahlzusammensetzung und die Austenitkorngröße als wesentliche Einflussgrößen auf die Härtbarkeit (ASM International, 1990). Ein Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt kann nahe dem abgeschreckten Ende eine sehr hohe Härte aufweisen, diese jedoch bereits in geringem Abstand rasch verlieren. Ein niedriglegierter Stahl mit geringerem Kohlenstoffgehalt kann eine niedrigere maximale Härte zeigen, aber über eine größere Entfernung von der abgeschreckten Oberfläche eine nutzbare Härte beibehalten. Den ersten Stahl allein deshalb als „härter“ zu bezeichnen, weil seine Endhärte höher ist, verwechselt das Härtepotenzial mit der Härtetiefe.

Derselbe Fehler tritt auf, wenn ein Bericht nur einen Maximalwert angibt. „Jominy-Härte: 62 HRC“ beschreibt kein Ergebnis zur Härtbarkeit, sofern der Abstand vom abgeschreckten Ende nicht angegeben wird. Selbst dann stellt der Wert nur einen einzigen Punkt auf einer Reaktionskurve dar. Der Jominy-Test misst die Härte in zunehmenden Abständen vom abgeschreckten Ende; das daraus entstehende Diagramm der Härte in Abhängigkeit vom Abstand ist die Härtbarkeitskurve, wie von der Materials Education Foundation beschrieben (2024). Die Kurve zeigt, wie der Stahl reagiert, wenn die örtliche Abkühlgeschwindigkeit weniger stark wird.

Der Kohlenstoffgehalt muss daher bei der Interpretation eines niedrigen Wertes in größerem Abstand vom Ende berücksichtigt werden. Ein Abfall von 60 HRC nahe dem Ende auf 35 HRC in einem bestimmten Abstand hat für einen Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt nicht dieselbe Bedeutung wie für einen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Die Interpretation hängt außerdem davon ab, ob der gemessene Bereich Martensit, Bainit, Perlit oder ein Mischgefüge enthält und welche Härteskala verwendet wurde. Ein einzelner Härtewert kann weder das umgewandelte Gefüge identifizieren noch die Tiefe bestimmen, bis zu der eine erforderliche Härte beibehalten wird.

Das abgeschreckte Ende als repräsentativ für den gesamten Stahl ansehen

Das abgeschreckte Ende ist der am schnellsten abgekühlte Bereich eines Jominy-Probekörpers und nicht ein repräsentativer Mittelwert des gesamten Stabes. Bei der Standardanordnung wird ein Ende einem Wasserstrahl ausgesetzt, während der übrige Teil an der Luft abkühlt. Dadurch entsteht entlang des Probekörpers ein kontinuierlicher Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten: von einer starken Abkühlung am Ende bis zu zunehmend langsameren Abkühlungen mit wachsendem Abstand. Die University of Cambridge beschreibt diesen Gradienten als physikalische Grundlage des Tests (2012), während das Verfahren der University of Illinois das Erwärmen eines zylindrischen Probekörpers auf seine Austenitisierungstemperatur, das Abschrecken eines Endes mit einem Wasserstrahl und die Messung der Härte in zunehmenden Abständen vorgibt (2024).

Diese Anordnung macht das Ende nützlich, aber auch begrenzt aussagekräftig. Es liefert einen Bezugspunkt für die höchste Abkühlintensität im Test und erzeugt entlang der vorbereiteten Messspur üblicherweise die höchste Härte. Es beweist jedoch nicht, dass ein großer Produktionsquerschnitt bis zur gleichen Tiefe härtet. Querschnittsgröße, Bauteilgeometrie, Oberflächenzustand, Ofenführung, Transferzeit, Bewegung des Abschreckmittels und der tatsächliche Abkühlverlauf können sich von der Jominy-Anordnung unterscheiden. Eine Jominy-Kurve beschreibt die kontrollierte Werkstoffreaktion, ist jedoch keine direkte Härtekarte für jedes mögliche Bauteil.

Eine hohe Endhärte beweist auch keine tiefe Härtbarkeit. Das Ende kann schnell genug abkühlen, um selbst in einem Stahl ein hartes Gefüge zu bilden, dessen Inneres sich bei langsamerer Abkühlung in weichere Gefügebestandteile umwandeln würde. Hinweise auf eine tiefe Härtbarkeit ergeben sich aus der Form und dem Fortbestand der Kurve: Entscheidend ist, ob die Härte in einem bestimmten Abstand erhalten bleibt, während die Abkühlung weniger stark wird. Der relevante Abstand muss angegeben und das erforderliche Härtekriterium definiert werden.

Der umgekehrte Fehler ist ebenfalls häufig. Eine geringere Härte in größerem Abstand vom Ende ist nicht automatisch ein Hinweis auf eine schlechte Stahlqualität oder einen fehlgeschlagenen Test. Sie kann auf den Kohlenstoffgehalt des Stahls, die Austenitkorngröße, den Gehalt an Legierungselementen, die Austenitisierungsbehandlung oder die Bildung eines weicheren Mischgefüges an dieser Stelle zurückzuführen sein. Die Darstellung von Kohlenstoffstählen und niedriglegierten Stählen durch ASM definiert die Härtbarkeit als maßgeblich für die Tiefe und Verteilung der durch Abschrecken erzeugten Härte (ASM International, 1990). „Verteilung“ ist dabei das entscheidende Wort: Die Veränderung entlang des Probekörpers ist das Ergebnis und keine unerwünschte Komplikation, die ignoriert werden sollte.

Eine Jominy-Kurve kann Schätzungen für Bauteile nur dann stützen, wenn sie mit einem geeigneten Abkühlmodell, einem Verfahren zur Berücksichtigung der Querschnittsgröße oder einer validierten Korrelation kombiniert wird. Limited evidence

Eine Jominy-Kurve kann die vergleichende Härtungsreaktion unter den Bedingungen des Prüfverfahrens bestimmen. Sie kann jedoch allein nicht das endgültige Härteprofil eines in Öl, Polymer, Gas oder einem anderen Medium abgeschreckten Bauteils bestimmen. Die Umrechnung eines Jominy-Ergebnisses in eine geschätzte Bauteilhärte erfordert eine angegebene Methode sowie Annahmen zur Geometrie und Abkühlung.

Ein Ergebnis ohne Angabe der Norm und der Prüfbedingungen berichten

Ein Jominy-Ergebnis ohne Angabe der Prüfnorm und der Prüfbedingungen ist unvollständig. Die Bezeichnung „Jominy-Härte bei 10 mm“ enthält nicht genügend Informationen für einen zuverlässigen Vergleich, sofern der Bericht nicht auch die Probekörpergeometrie, die Austenitisierungsbehandlung, die Abschreckanordnung, das Härteprüfverfahren und die Abstandskonvention angibt.

ASTM A255-20 legt den Stirnabschreckversuch mit einem zylindrischen Probekörper mit einem Durchmesser von 1 Inch fest (ASTM International, 2020). ISO 642:2024 legt einen Stahlprobekörper für den Stirnabschreckversuch mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm fest (International Organization for Standardization, 2024). Diese Abmessungen sind im Durchmesser ähnlich, jedoch nicht allein deshalb austauschbar, weil beide Verfahren als Jominy-Tests bezeichnet werden. In einem Bericht sollte die maßgebliche Norm, beispielsweise ASTM A255-20 oder ISO 642:2024, genannt werden, anstatt „Standard-Jominy“ zu verwenden, als gäbe es nur ein einziges Verfahren.

Auch die Wärmebehandlung muss angegeben werden. Dazu gehören die Stahlbezeichnung, der Zustand des Probekörpers, die Austenitisierungstemperatur, die Haltezeit, gegebenenfalls die Ofenatmosphäre sowie die Transferzeit bis zum Abschrecken. Die Anordnung des Wasserstrahls, die Wassertemperatur oder der angegebene Temperaturbereich, der Zustand der Düse und die Abschreckdauer können den Abkühlverlauf beeinflussen. Weicht der Test von der genannten Norm ab, muss diese Abweichung im Ergebnis angegeben werden.

Für die Härtedaten ist eine ebenso genaue Angabe erforderlich. Es muss angegeben werden, ob HRC, HRB, HBW, HV oder eine andere Skala verwendet wurde; außerdem sind, sofern erforderlich, das Prüfgerät oder die Methode zu nennen sowie der Abstand und die Vorbereitung der Härtemessspur zu dokumentieren. „10 mm vom Ende“ sollte einen Abstand bezeichnen, der von der abgeschreckten Stirnfläche entlang der festgelegten Oberfläche gemessen wurde, und nicht eine unbestimmte Position auf dem Probekörper. Wenn eine Norm ein bestimmtes Schleifaufmaß, eine ebene Fläche oder eine Messlinie festlegt, sollte dieses Detail beibehalten werden.

Schließlich sollte die vollständige Kurve oder die einzelnen Paare aus Abstand und Härte angegeben werden und nicht nur der höchste Messwert. Die Identifikation des Probekörpers sowie, sofern verfügbar, die Stahlzusammensetzung oder die Gütebezeichnung sollten ebenfalls aufgenommen werden. Eine belastbare Angabe könnte lauten: „Die Härtbarkeit im Jominy-Stirnabschreckversuch wurde gemäß ASTM A255-20 an einem Probekörper mit einem Durchmesser von 1 Inch geprüft; der Probekörper wurde bei der angegebenen Temperatur austenitisiert, an einem Ende mit Wasser abgeschreckt und in HRC an den genormten Abständen gemessen.“ Ohne diese Bedingungen ist der Wert lediglich eine Härtebeobachtung, die von dem Abkühlverlauf losgelöst ist, der der Härtbarkeit ihre Bedeutung verleiht.

Wie ein Ergebnis der Härtbarkeit spezifiziert und dokumentiert wird

Ein Ergebnis der Härtbarkeit ist nur dann aussagekräftig, wenn Stahl, Probekörper, Wärmezyklus, Abschreckung, Messverfahren und Berichtsformat gemeinsam identifiziert sind. Eine Härtezahl ohne diese Angaben beschreibt lediglich einen gemessenen Zustand; sie weist nicht nach, wie tief oder gleichmäßig der Stahl gehärtet werden kann. ASTM A255-20 definiert die Härtbarkeit als die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet, während das ASM-Kapitel über Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle sie als die Eigenschaft beschreibt, welche die durch Abschrecken erzeugte Tiefe und Verteilung der Härte bestimmt. Das Protokoll sollte daher die vollständige Prüfgeschichte und nicht nur den höchsten nahe dem abgeschreckten Ende ermittelten Wert festhalten.

Erforderliche Angaben zu Werkstoff und Wärmebehandlung

Beginnen Sie mit der Werkstoffbezeichnung genau so, wie sie auf dem Einkaufsdokument, dem Werkstoffzeugnis oder der maßgeblichen Spezifikation angegeben ist. Erfassen Sie den Gütestandard, die Norm, die Schmelz- oder Gussnummer, die Produktform und die Identifikation des Probekörpers. Beispielsweise kann „AISI 4140“ allein unzureichend sein, wenn die maßgebliche Anforderung als ASTM A193/A193M Grade B7, EN 10083-3:2006 42CrMo4 oder als eine andere festgelegte Bezeichnung formuliert ist. Ersetzen Sie die formale Bezeichnung nicht durch eine betriebsinterne Abkürzung. Wenn der Werkstoff vor der Prüfung normalisiert, geglüht, geschmiedet, gewalzt oder anderweitig bearbeitet wurde, geben Sie diesen Zustand an und nennen Sie jede relevante vorherige Wärmebehandlung.

Die Schmelznummer ist besonders wichtig, da die Härtbarkeit von der Zusammensetzung und der vorausgegangenen metallurgischen Geschichte abhängt. ASM International nennt die Stahlzusammensetzung und die Austenitkorngröße als wesentliche Einflussgrößen auf die Härtbarkeit. Der Bericht sollte den Jominy-Probekörper daher, soweit verfügbar, mit der chemischen Analyse oder dem zertifizierten Schmelzenachweis verknüpfen, einschließlich des Kohlenstoffgehalts und der Legierungselemente, deren Gehalte durch die maßgebliche Spezifikation festgelegt werden. Wenn die Korngröße bestimmt wurde, sind Verfahren und Ergebnis zu dokumentieren; wenn sie nicht bestimmt wurde, darf nicht der Eindruck erweckt werden, die Austenitkornstruktur sei bekannt.

Geben Sie die Orientierung und die Lage des Probekörpers innerhalb des Produkts an, wenn diese Einzelheiten die Interpretation beeinflussen. Die Mitte eines Stabes, eine Oberflächenprobe, ein geschmiedeter Abschnitt und ein gewalzter Abschnitt müssen nicht dieselbe thermische oder Umformgeschichte aufweisen. Dokumentieren Sie, ob der Probekörper unmittelbar aus dem gelieferten Produkt herausgearbeitet oder getrennt aus derselben Schmelze hergestellt wurde.

Das Austenitisierungsprotokoll muss das Ofen- oder Erwärmungsverfahren, die Solltemperatur, den tatsächlichen Temperaturbereich, die Haltezeit und die Grundlage für die Haltezeit angeben, beispielsweise die Zeit ab Erreichen der Temperatur durch den Probekörper. Geben Sie die verwendete Ofenatmosphäre oder den verwendeten Schutz an, da Oxidation, Entkohlung und Aufkohlung das Härteprofil verändern können. Dokumentieren Sie, ob der Probekörper in einen vorgewärmten Ofen eingesetzt oder gemeinsam mit dem Ofen aufgeheizt wurde, und vermerken Sie sichtbaren Zunder oder Oberflächenschäden. Diese Einzelheiten sind am abgeschreckten Ende von Bedeutung, da bereits eine dünne entkohlte Schicht die ersten Härtemesswerte verfälschen kann.

Norm, Geometrie und Einzelheiten der Abschreckung

Nennen Sie in jedem Bericht die Prüfnorm und ihre Ausgabe. ASTM A255-20 legt die quantitative Stirnabschreckprüfung, auch Jominy-Prüfung genannt, unter Verwendung eines zylindrischen Probekörpers mit 1 Zoll Durchmesser fest. ISO 642:2024 legt einen Stahlprobekörper für die Stirnabschreckprüfung mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm fest. Diese Abmessungsangaben liegen praktisch nahe beieinander, sind jedoch keine austauschbaren Anweisungen. Der Bericht sollte angeben, ob die Prüfung nach ASTM A255-20, ISO 642:2024 oder nach einem Kunden- oder nationalen Verfahren durchgeführt wurde, das von einer dieser Normen abgeleitet ist.

Erfassen Sie die tatsächlich gemessenen Abmessungen des Probekörpers einschließlich Durchmesser, Länge, Endbearbeitung, Fasen und Zustand der abgeschreckten Stirnfläche. Wenn die Abmessungen von der genannten Norm abweichen, ist die Abweichung zu dokumentieren, bevor das Ergebnis als normkonform dargestellt wird. Der Bericht sollte außerdem die Nummer des Probekörpers angeben und, wenn mehrere Stücke geprüft wurden, jede Kurve unterscheiden, anstatt sie stillschweigend zu mitteln.

Die Abschreckanordnung muss so beschrieben werden, dass die Abkühlgeschichte rekonstruiert werden kann. Das Verfahren der University of Illinois erwärmt einen zylindrischen Probekörper auf die Austenitisierungstemperatur und schreckt ein Ende mit einem Wasserstrahl ab. Die University of Cambridge erläutert, warum diese Anordnung ein aussagekräftiges Profil erzeugt: Das abgeschreckte Ende kühlt schnell ab, während der übrige Bereich an der Luft abkühlt, wodurch entlang des Stabes ein kontinuierlicher Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten entsteht. Geben Sie an, welches Ende abgeschreckt wurde, wie der Probekörper gehalten wurde sowie aus welcher Quelle das Wasser stammte und in welchem Zustand es sich befand. Erfassen Sie, soweit festgelegt, die Strahltemperatur, Angaben zu Düse oder Austrittsöffnung, Wasserdruck oder Durchfluss, Strahlausrichtung und den Abstand zwischen Düse und Probekörperende. Dokumentieren Sie außerdem die Zeit zwischen der Entnahme aus dem Ofen und dem Beginn der Wasserabschreckung.

Beschreiben Sie das Ergebnis nicht lediglich als „wasserabgeschreckt“. Wassertemperatur, Durchflussstabilität, Strahlform, Lage des Probekörpers und Umsetzverzögerung können das Abkühlverhalten verändern. Der Bericht sollte angeben, ob die Anordnung vor der Prüfung überprüft wurde und ob eine Unterbrechung, Spritzwasser, Fehlausrichtung oder ein ungewöhnliches Abkühlereignis auftrat. Eine Abweichung bedeutet nicht automatisch, dass die Prüfung ungültig ist, sie muss jedoch für jeden erkennbar sein, der das Ergebnis beurteilt.

Der Wärmezyklus und das Abschreckprotokoll sollten über eine eindeutige Prüfnummer mit der Werkstoffidentität verknüpft sein. Diese Verknüpfung verhindert, dass eine Kurve von ihren Wärmebehandlungsbedingungen getrennt wird, wenn Ergebnisse in eine Tabellenkalkulation oder ein Zertifikat übernommen werden.

Härtedaten, Darstellung der Kurve und Rückverfolgbarkeit

Geben Sie nach der Abschreckung das Härteverfahren, die Härteskala, das Messgerät, den Eindringkörper, die Prüfkraft, den Kalibrierstatus und die Vorbereitung der Prüfoberfläche an. Im Bericht muss angegeben werden, ob die Messwerte nach Rockwell C, Rockwell B, Vickers oder einer anderen zulässigen Skala ermittelt wurden; die alleinige Angabe „Härte“ ist unvollständig. Dokumentieren Sie die Identifikation und den Prüfstatus des Messgeräts, insbesondere wenn die Ergebnisse für eine Abnahme verwendet werden.

Bei der Jominy-Methode wird die Härte in zunehmenden Abständen vom abgeschreckten Ende gemessen. Die Materials Education Foundation beschreibt dieses abstandsabhängige Verhalten als Grundlage für die Bestimmung der Härtbarkeit von Stahl. Geben Sie den Bezugspunkt für den Abstand null, die Vorbereitung der Messseite und jede Messstelle an. Abstände müssen mit Einheiten versehen und als gemessene Werte angegeben werden, nicht als aus einer allgemeinen Vorlage abgeleitete Werte. Wenn die Oberfläche vor der Prüfung geschliffen oder bearbeitet wurde, dokumentieren Sie den Abtrag und die Bearbeitungsrichtung.

Stellen Sie die Rohmesswerte vor jeder geglätteten oder angepassten Kurve in einer Tabelle dar. Eine zweckmäßige Tabelle enthält die Probekörpernummer, den Abstand vom abgeschreckten Ende, den Härtewert, die Härteskala, Einzelmessungen, gegebenenfalls den berechneten Mittelwert und Bemerkungen. Wenn gegenüberliegende Seiten oder mehrere Messspuren geprüft wurden, sind die einzelnen Messspuren zu identifizieren. Verbergen Sie die Streuung nicht durch die ausschließliche Angabe eines Mittelwerts. Eine Kurve sollte die Härte auf der vertikalen Achse und den Abstand vom abgeschreckten Ende auf der horizontalen Achse darstellen, mit Einheiten, Skalierung, Probekörperidentität, Prüfnorm und Härteskala in der Bildunterschrift. Wenn eine Interpolation, eine Kurvenanpassung oder eine Umrechnung zwischen Härteskalen verwendet wurde, ist das Verfahren anzugeben und die ursprünglichen Messwerte sind aufzubewahren.

Die Kurve zeigt das Härteverhalten, das durch die dokumentierte Stirnabschreckgeschichte erzeugt wurde. Sie weist für sich allein weder die Härte in einem bestimmten Bauteil nach noch garantiert sie ein bestimmtes Gefüge oder sagt die Leistung nach einer anderen Abschreckung, bei einer anderen Querschnittsgröße oder nach einer anderen Anlassbehandlung voraus. Zusammensetzung, Austenitkorngröße, Geometrie des Probekörpers, Umsetzzeit und Abschreckbedingungen beeinflussen die Interpretation. Ein einzelner Härtewert, selbst wenn er am abgeschreckten Ende ermittelt wurde, kann die Aufzeichnung von Abstand und Härte nicht ersetzen.

Abschließend ist das Abnahmekriterium getrennt vom Messergebnis zu identifizieren. ASTM A255-20 und ISO 642:2024 stellen Prüfgrundlagen bereit; die maßgebliche Werkstoffspezifikation, Zeichnung, Einkaufsanforderung oder das Kundendokument bestimmt, ob eine Kurve oder ein tabellarischer Wert die Anforderungen erfüllt. Der Bericht muss diese Anforderung und, soweit zutreffend, ihre Revision zitieren. Wenn kein Abnahmegrenzwert festgelegt ist, ist anzugeben, dass das Ergebnis beschreibenden Charakter hat; ein Mindesthärtewert, ein maximaler Abstand, eine Rangfolge von Güten oder eine Bestehens-/Nichtbestehensentscheidung darf nicht erfunden werden. Bewahren Sie die ursprüngliche Messgerätdatei, den Kalibriernachweis, das Wärmebehandlungsprotokoll, gegebenenfalls Fotografien der Probekörper, die Rohwerttabelle, die aufgetragene Kurve, die Identität des Prüfers, das Prüfdatum und die Abweichungen unter derselben rückverfolgbaren Prüfnummer auf.

Grenzen des Jominy-Verfahrens

Der Jominy-Endabschreckversuch ist ein kontrollierter Vergleich und keine verkleinerte Version jedes beliebigen Abschreckvorgangs. ASTM A255-20 definiert die Härtbarkeit als „die Tiefe, bis zu der Stahl beim Abschrecken härtet“ und legt für den quantitativen Endabschreckversuch eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 1 Zoll fest (ASTM International, 2020). ISO 642:2024 legt einen Prüfkörper mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von mindestens 100 mm fest (International Organization for Standardization, 2024). Diese Abmessungen, die Austenitisierungsbehandlung, die Anordnung des Wasserstrahls und das Verfahren zur Härtemessung sind Bestandteil des Ergebnisses. Werden sie verändert, kann sich auch die Reaktion ändern.

Eine Jominy-Kurve beantwortet daher eine klar definierte Frage: Wie verändert sich die Härte mit dem Abstand von einem Ende einer genormten Probe nach einer festgelegten thermischen Vorgeschichte? Sie liefert keine einzige, von der Geometrie unabhängige Zahl dafür, „wie hart“ ein Stahl ist. Ebenso wenig garantiert sie, dass sich in einem Bauteil aus der Produktion dasselbe Härteprofil ausbildet.

Was eine eindimensionale Abkühlung darstellen kann

Der Versuch beginnt mit dem Erwärmen der zylindrischen Probe auf die festgelegte Austenitisierungstemperatur. Anschließend wird ein Ende durch einen Wasserstrahl abgeschreckt, während der übrige Teil des Stabes an der Luft abkühlt. Die University of Illinois beschreibt diese Abfolge als Grundlage des Versuchs (University of Illinois Materials Technology and Innovation Laboratory, 2024); die University of Cambridge erläutert, dass dadurch entlang des Stabes ein kontinuierlicher Bereich von Abkühlungsgeschwindigkeiten entsteht (University of Cambridge, 2012). In der Nähe des abgeschreckten Endes wird Wärme schnell abgeführt. In größerer Entfernung muss die Wärme zum gekühlten Ende geleitet und von der freiliegenden Oberfläche abgegeben werden, sodass die Abkühlungsgeschwindigkeit schrittweise abnimmt.

Diese Anordnung ist nützlich, weil eine einzige Probe viele Abschreckintensitäten erfasst. Die resultierende Härte-Abstands-Kurve kann zeigen, ob ein Stahl die martensitische Härte in größerer Entfernung vom abgeschreckten Ende beibehält, wo Umwandlungsprodukte wie Bainit oder Ferrit und Perlit wahrscheinlicher werden. Sie zeigt außerdem die Verteilung der Reaktion und nicht nur einen einzelnen Härtewert. Deshalb kann eine geringe Härte an einer entfernten Position nicht als Beweis dafür interpretiert werden, dass der Stahl vor dem Abschrecken „weich“ war; sie kann darauf hindeuten, dass die örtliche Abkühlungsgeschwindigkeit nicht ausreichte, um eine diffusionsgesteuerte Umwandlung zu unterdrücken.

Das eindimensionale Temperaturfeld ist eine Näherung. Ein reales Bauteil kühlt über mehrere Oberflächen ab, kann Ecken, Bohrungen, Absätze, Keilnuten oder Kontaktflächen enthalten und einer von der Orientierung abhängigen Umwälzung ausgesetzt sein. Sein Kern kann noch heiß bleiben, während an seiner Oberfläche bereits eine Umwandlung stattfindet. Der Wärmestrom kann radial, axial oder stark dreidimensional verlaufen. Ein Jominy-Stab besitzt keine dieser bauteilspezifischen Randbedingungen.

Der Versuch bildet außerdem nicht die exakte Abkühlungsgeschichte eines Öl-, Polymer-, Sole-, Gas- oder unterbrochenen Abschreckvorgangs nach. Ein auf ein Ende gerichteter Wasserstrahl erzeugt eine bestimmte Randbedingung; er ist kein universeller Ersatz für ein Abschreckbad, eine Sprüheinrichtung, unter Druck stehendes Gas oder ein stufenweises Abschrecken. Die Kurve kann Chargen, Zusammensetzungen und Austenitkornbedingungen vergleichen, wenn das Verfahren konstant gehalten wird. Die direkte Übertragung des Abstandes entlang des Stabes auf eine Bauteilposition erfordert jedoch eine thermische Analyse oder eine validierte Korrelation.

Zusammensetzung und Austenitkorngröße sind von großer Bedeutung. ASM nennt beide als wesentliche Einflussgrößen auf die Härtbarkeit (ASM International, 1990). Folglich reagiert ein Jominy-Ergebnis auch empfindlich auf die vorherige Verarbeitung der Probe, das Kornwachstum während des Austenitisierens und die tatsächliche chemische Zusammensetzung des Stahls. Eine Werkstoffbezeichnung allein beseitigt diese Variablen nicht.

Empfindlichkeit gegenüber Vorbereitung und Messung

Das Jominy-Verfahren fasst zahlreiche metallurgische Entscheidungen in einem auf den ersten Blick einfachen Versuch zusammen. Die Probe muss die vorgeschriebenen Abmessungen und den vorgeschriebenen Oberflächenzustand aufweisen, gleichmäßig erwärmt werden, den vorgesehenen austenitischen Zustand erreichen und unverzüglich in die Abschreckvorrichtung überführt werden. Verzögerungen, Entkohlung, Oxidation, eine falsche Ofentemperatur oder eine veränderte Haltezeit können das Umwandlungsverhalten bereits verändern, bevor der Wasserstrahl überhaupt einsetzt.

Die Oberflächenvorbereitung nach dem Abschrecken ist ebenso wichtig. Härtemessungen werden normalerweise in zunehmenden Abständen vom abgeschreckten Ende auf einer vorbereiteten ebenen oder bearbeiteten Messspur durchgeführt. Wenn das Schleifen die Oberfläche überhitzt, Zunder zurückbleibt oder der Eindruck zu nahe an einem früheren Eindruck oder an einer Kante gesetzt wird, repräsentiert der gemessene Wert möglicherweise nicht den darunterliegenden Stahl. Auch das Messverfahren ist von Bedeutung: Rockwell, Vickers oder eine andere Skala können nicht ohne Weiteres und ohne Beachtung der Anforderungen der Norm sowie der geltenden Umrechnungsgrenzen ausgetauscht werden.

Kleine Fehler werden besonders in der Nähe eines steilen Kurvenabschnitts sichtbar. Ein geringfügiger Abstandsfehler kann dazu führen, dass ein Härtewert der falschen Abkühlposition zugeordnet wird, während Streuungen bei den Eindruckmessungen einen nahezu flachen Bereich geneigt erscheinen lassen können. Werden nur die höchste Härte oder nur der Wert bei einem einzigen Abstand angegeben, geht die Verteilung verloren, die das Verfahren nützlich macht. Die Materials Education Foundation beschreibt den Versuch als Messung der Härte in zunehmenden Abständen vom abgeschreckten Ende zur Bestimmung der Härtbarkeit (Materials Education Foundation, 2024). Die Mehrzahl der Messwerte ist keine optionale Verzierung, sondern die Grundlage der Aussage.

Eine Kurve benötigt außerdem einen Kontext. Der Bericht sollte die verwendete Norm, die Probenabmessungen, die Austenitisierungsbedingungen, das Abschreckmedium und dessen Anordnung, die Härteskala, die Messpositionen sowie alle Abweichungen vom Verfahren angeben. Der Vergleich einer nach ASTM A255-20 erstellten Kurve mit einer nach ISO 642:2024 erstellten Kurve ist nur dann sinnvoll, wenn zuvor bestätigt wurde, dass die relevanten Bedingungen und Berichtsregeln gleichwertig sind. Ein „Jominy-Wert“ ohne diese Angaben ist unvollständig.

Wann ein anderes Bewertungsverfahren erforderlich ist

Die Grossman-Analyse ist geeignet, wenn sich die technische Fragestellung auf das Zusammenspiel zwischen der Härtbarkeit des Stahls und der Abschreckintensität bezieht. Sie verbindet die werkstoffspezifische Eigenreaktion eines Stahls mit der Abkühlintensität einer festgelegten Abschreckumgebung, die häufig durch einen $H$-Faktor ausgedrückt wird, um die Härte oder die umgewandelte Tiefe in einer bestimmten Geometrie abzuschätzen. Eine Jominy-Kurve beschreibt die Reaktion entlang der eigenen Probe; die Grossman-Analyse ergänzt ein Modell für Abschreckvorgang und Geometrie. Sie macht das Jominy-Ergebnis jedoch nicht zu einer direkten Messung an einem Bauteil aus der Produktion.

Die Prüfung der Lufthärtbarkeit behandelt ein anderes Problem. Bei Stählen, die in ruhender oder bewegter Luft härten sollen, kann eine Luftabkühlungsprüfung die durch diesen Abkühlweg erzeugte Härte und das erzeugte Gefüge zeigen. Ihr Ergebnis ist nicht mit einer Wasser-Endabschreckkurve austauschbar, weil die Probe eine andere thermische Vorgeschichte und eine andere Wärmeübergangsbedingung an der Oberfläche erfährt. Die Wahl sollte sich am tatsächlichen Prozess orientieren.

Prozessversuche werden erforderlich, wenn Ofenbeladung, Überführungszeit, Umwälzung, Abdeckungen, Vorrichtungen, Verzugsbeherrschung oder eine Unterbrechung des Abschreckens das Ergebnis beeinflussen können. Ein Versuch mit repräsentativen Bauteilen kann Effekte sichtbar machen, die ein genormter Stab nicht erfassen kann. Auch dann sollte die Härte an Positionen gemessen werden, die mit der Konstruktionsanforderung verknüpft sind; außerdem kann eine metallografische Untersuchung erforderlich sein, um Martensit von Bainit, Ferrit, Perlit oder angelassenen Gefügen zu unterscheiden.

Bei kritischen Bauteilen sollte die Qualifizierung bauteilspezifisch erfolgen. Für eine Kurbelwelle, ein Zahnrad, eine Welle oder eine dicke Platte können Thermoelemente, Härteverläufe, Gefügeprüfungen, Messungen von Eigenspannungen oder Verformungen sowie wiederholte, produktionsnahe Abschreckungen erforderlich sein. Der Jominy-Versuch bleibt für den Vergleich von Stählen unter einem einheitlichen Verfahren wertvoll, liefert jedoch einen Nachweis über eine standardisierte Reaktion und keinen Verzicht auf eine Validierung.

Quellen

1. [1]ASTM International. Standard Test Methods for Determining Hardenability of Steel. ASTM International standard, 2020. https://store.astm.org/a0255-20.html