Härten von Stahl

Härten von Eisen und Stahl

Eisen und Stahl sind eine Wissenschaft für sich. Obwohl seit vielen Jahrzehnten an diesem Material geforscht wird, sind dieses Material und seine Eigenschaften noch lange nicht ausgereizt. Es ist demnach ein alter Werkstoff mit einer weiterhin glänzenden Zukunft.

Für den Hausgebrauch kann man 3 grundsätzliche Eisen- / Stahleigenschaften unterscheiden:

Weich

Weich wie Dosenblech oder Eisenprofile für den Bau von Regalen oder Teile von PKWs, die sich verformen sollen, um Energie aufzunehmen.

Zäh

Zäh und flexibel wie Federstahl. Als Spiral- und Blattfedern in Kraftfahrzeugen bis hin zu Federn in Kugelschreibern.

Ein ideales Material für viele Werkzeuge und Messer

Hart

Hart und spröde wie eine Metallfeile. Bricht sehr schnell, wenn es fallen gelassen wird. Ein harter Stahl wird z.B. für Rasierklingen verwendet, da man ihn sehr scharf schleifen kann und er die Schnitthaltigkeit bewahrt.

Kombination aus "zäh" und "hart"

Ein gutes Beispiel für die Kombination aus zäh und hart ist eine Metallsäge. Die Zähne sind hart, da sie Metalle sägen müssen und der Körper ist zäh und flexibel, weil er unter Belastung nicht brechen darf. Hier wurden die Zähne der Säge speziell gehärtet.

Die Kombination aus zäh und hart findet sich bei vielen Werkzeugen wieder. Wie bei Meißeln, Bohrern und dem ältesten Werkzeug, dem Messer.

Das Härten

Härten von Eisen und Stahl ist eine Wissenschaft für sich. Ich denke, dass diese Aussage nicht übertrieben ist.

Woher kommt die Härte?

Eisenatome bilden würfelförmige Molekülgitter. Die Molekülgitter bilden wiederum verschiedenartige Kristallstrukturen, die wiederum die Eigenschaften des Materials bestimmen. Durch Wärmeinwirkung verschwinden die kristallinen Strukturen. Beim Abkühlen bilden sich neue Kristallstrukturen aus. Je länger das Metall benötigt, sich abzukühlen, umso größer werden die Eisenkristalle. Je kürzer die Abkühlung, desto kleiner die Eisenkristalle.

Hier gilt:

Große Eisenkristalle = weich

Kleine Eisenkristalle = hart

Eisen und Stahl

Stahl besteht nicht nur aus Eisen. Der Anteil von Fremdatomen bestimmt, ob man zu einem Stück Eisen "Stahl" sagen kann. Reines Eisen ist weich (so weich wie das Blech einer Konservendose), Eisen mit viel Kohlenstoff ist hart (Kohlenstoffstahl bei einer Feile).

Weitere "Fremdatome"

Silizium, Mangan, Phosphor, Stickstoff und Chrom sind weitere Stoffe, mit denen man aus Eisen verschiedene Stähle mit unterschiedlichsten Eigenschaften erzeugen kann.

Mischungsverhältnisse, Eigenschaften, sowie Härteverfahren füllen ganze Bücher, die ich an dieser Stelle nicht weiter beleuchten werde, da es den Rahmen dieses Artikels sprengen würde.

Zum Härten ein Beispiel

Beim Härten verändern wir also die Kristallstruktur des Metalls und den Anteil von Fremdatomen, z.B. Kohlenstoff.

Beispiel:

Ich schmiede mir ein Messer aus Federstahl oder ich schneide mir ein Messer aus einem Stück Blattfeder. An und für sich hält dieser Stahl relativ lange die Schnitthaltigkeit.

Um die Schnitthaltigkeit zu verbessern, muss die Schneide gehärtet werden.

Dafür muss das Werkstück erhitzt werden. Um zu ermitteln, ob die nötige Temperatur erreicht wurde, kann man dies mit einem Magneten prüfen. Hat das Werkstück die magnetische Anziehung verloren (meist glüht es dann in dunklem Kirschrot), hat es die richtige Temperatur erreicht.

In einem Schmiedefeuer wandern Kohlenstoffatome in das Metall (beim Schmieden, also beim Verformen des Werkstücks, wird Kohlenstoff wieder heraus getrieben).

Wenn man jetzt das heiße Messer ;) in Wasser abschreckt, wird es gehärtet. Mit Öl (Ölhärten) erzielt man noch bessere Ergebnisse, da noch mehr Kohlenstoff in die ersten Schichten des Kristallgitters eindringt und die Oberfläche extrem hart und widerstandsfähig macht.

Metall entspannen

Dies gehört eigentlich nicht zum Härten. Es sollte trotzdem durchgeführt werden, wenn man ein Stück Metall beim Schmieden stark verformt hat. Durch das "punktuelle" Erhitzen, das Verformen und undefinierte Abkühlen werden Spannungen im Werkstück (z.B. einem Messer) aufgebaut, sodass dies im ungünstigsten Fall zum Brechen führen kann.

(Dieser Vorgang wird vor dem Härten der Klinge durchgeführt - sollte logisch sein ;).

Das gesamte Werkstück muss gleichmäßig erhitzt werden (400 bis 450 Grad Celsius - es muss gleichmäßig glühen und es darf, bzw. sollte absolut nicht mehr magnetisch sein). Dann steckt man es in feinen, trockenen (optimal heißen) Sand und bedeckt das Werkstück damit vollständig. Es soll über Stunden langsam und gleichmäßig abkühlen.

So hat das Metall Zeit, sich neu zu ordnen. Danach kann die Klinge erhitzt und gehärtet werden.