Stahl Härten

Wie funktioniert das Härten und Anlassen von Messerklingen

(aus Werkzeugstahl oder Kohlenstoffstahl)

Im Vorfeld empfiehlt es sich den Text über das Normalisieren von Messerklingen zu lesen. Hier werden wesentliche Zusammenhänge erklärt was das Härten von Klingen aus  aus Werkzeugstahl oder Kohlenstoffstahl angeht.


  1. Härten und Anlassen
  2. das Abschrecken
  3. Wie vorgehen beim Abschrecken
  4. Die korrekte Glühfarbe beim Normalisieren
  5. Abschrecken im Ölbad
  6. Das Anlassen was ist das?


Was versteht man unter Härten und Anlassen?

Stahl Härten ist das gezielte Aufheizen eines Stahls, (in diesem Fall unser Messerstahl ) auf eine bestimmte Temperatur und das anschließende sehr rasche Abkühlen in einem bestimmten Medium wie Öl, Wasser oder auch Luft.
Das Aufheizen kann im Elektro Ofen (Härteofen), im Gasfeuer/Gasesse oder im Kohlefeuer (Schmiedefeuer) erfolgen. 
Ich härte meine Klingen sehr oft in meinen Gasessen oder bei rostfreien Klingen im Härteofen.

Die Absicht hierbei ist es eine gezielte Veränderung des Stahlgefüges in Gang zu setzen und dieses in einem bestimmten Stadium zu stabilisieren (quasi einzufrieren).

Schau dir zum Damast Schmieden auch diese Beiträge an.
Hier kannst du detailliert nachlesen wie ich meine Damast Pakete schmiede und wie Die Gasessen funktionieren:

Damast Schmieden in der Gasesse

Aufbau und Funktion der Gasesse

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Messerklingen Härten

Das Abschrecken der Messerklinge

Beim Aufheizen durchläuft der Stahl die Umwandlungspunkte wie unter Normalisieren von Messerklingen (siehe oben) beschrieben.
Anstelle des relativ langsamen Abkühlens an Luft wird beim Härten die Klinge z.B. in einem Ölbad eingetaucht und somit abgekühlt, bzw. abgeschreckt.
Andere Medien zum Abschrecken sind z.B. Luft, Pressluft, Stickstoff (gasförmig), oder Wasser.

Luft, bzw. gasförmige Medien werden oft für rostbeständige oder hochlegierte Stahlsorten eingesetzt.
Diese müssen, bzw. dürfen nicht zu rasch abgekühlt werden.
Das ist bei gasförmigen Medien der Fall. Wasser ist ein sehr starkes Kühlmittel mit der Neigung zu ungleichmäßiger Abkühlung da sich gerne Dampfblasen bilden die eine Abkühlung partiell verzögern können.

Zusätze aus dem Härtereibedarf, oder auch einfaches Salz können die Dampfblasenbildung mindern, bzw. unterbinden.
So kann Wasser auch zum Abschrecken eingesetzt werden.



Um in der Klinge eine Härtelinie (Hamon) zu erzeugen wird oft Wasser, evtl. mit Zusätzen und auch aufgewärmt eingesetzt.

Dazu bedarf es aber einiger Erfahrung, sonst droht der Verlust der Klinge durch auftretende Härterisse.

Beim Abschrecken wird die Temperatur so rasch verringert, das der Stahl der im aufgeheizten Stadium austenitisch ist sich beim Abkühlen nicht mehr kontrolliert in sein ferritisch/perlitisches Gefüge rückwandeln kann.
Er bleibt aufgrund der zu schnell fallenden Temperatur in der Umwandlung, in einem verzerrten, verspannten Gefüge "stecken". 

Dieses Gefüge, ein tetragonal (von Tetraeder) verzerrtes Gefüge nennt man Martensit. Martensit ist ein sehr hartes, verspanntes und zuerst (im unangelassenen Zustand) auch sprödes Gefüge.

Die Klinge ist nun hart aber auch spröde und dadurch nicht sehr gut nutzbar.
Welches Abschreckmedium sollte man für bestimmte Stähle nehmen?
Die meisten Messerstähle lassen sich sehr gut in Öl härten.

Hierbei spielt es keine Rolle ob es ein Kohlenstoffstahl, ein Werkzeugstahl oder ein rostfreier Stahl  ist.
Lediglich für Stähle mit weniger als 0,5% Kohlenstoff ist Wasser ggfls. besser geeignet.
Alle anderen härten allgemein gesagt sicher und risikofreier in Öl.
Dazu an anderer Stelle mehr.


Fazit: Die Härtezunahme beruht also auf der beschriebenen Gefügeveränderung bei den Temperaturzyklen und dem anschließenden Abschrecken.


Aber...
Das Härten ist kein Aufnehmen von Kohlenstoff aus dem Ölbad oder dem Kohlefeuer.  
Es resultiert auch nicht aus einer Verfestigung durch das Schmieden (hämmern).

Das Einbringen von Kohlenstoff oder auch Stickstoff, nennt man Aufkohlen oder im Falle von Stickstoff Nitrieren.
Hier wird im Kohlebett, oder im gasförmigen Medium gezielt das betreffende Element in einer dünnen Randschicht in das Werkstück eingebracht und im Falle von Kohlenstoff gehärtet.
Diese harte und verschleißbeständige Randschicht hat die Aufgabe einer verschleißfesten Lauffläche, Schneide etc. Mittels "Hämmern" im kalten Zustand erreiche ich eine Kaltverfestigung des Materials.

Beim Aufheizen geht diese Verfestigung aber wieder verloren.
Durch Hämmern können in gewissem Maße Druckspannungen im Werkstück aufgebaut werden welche sich positiv auf die Standfestigkeit auswirken können.
Mit dem Härteprozess hat das aber primär nichts zu tun.
Die Aufnahme von Kohlenstoff in die Messerklinge beim Schmieden ist prinzipiell möglich.

Die Verweildauer im Feuer beim Schmieden ist aber viel zu kurz um eine ausreichende Eindringtiefe des Kohlenstoffes zu erhalten.
Hier sind mehrere Stunden nötig um einige Zehntel bis ca. 1mm zu erreichen.
Zudem zundert beim Schmieden immer wieder eine dünne Schicht Material weg.
Das Aufkohlen während des Schmiedens ist also eher Wunschdenken als reell umsetzbar. Dieses funktioniert zweifelsohne, aber man muss dazu eine andere Vorgehensweise wählen.



Wie vorgehen beim Härten/Abschrecken?

Lindenschmiede Eisen Kohlenstoff Diagramm CK60

Lindenschmiede Eisen Kohlenstoff Diagramm CK60

Ich heize die Klinge wie hier beschrieben: (Normalisieren von Messerklingen)  gleichmäßig auf.
Hilfreich ist in diesem Fall auch der Magnettest.
Beim Aufheizen im Ofen oder im Feuer (Gasesse) ergeben sich gewisse Unterschiede bei der Aufheizdauer und der daraus resultierenden Härtetemperatur die zu berücksichtigen sind.

Beim Aufheizen im Ofen welches relativ langsam vonstatten geht, erfolgt eine gleichmäßige Diffusion des Kohlenstoffes aus dem im Zementit gebundenen Kohlenstoff in den Ferrit.

Die Härtetemperatur liegt wie im Stahlschlüssel angegeben etwas über Ac3.

Der hier beschriebene Vorgang passt gut auf die in der Skizze genannten Stähle den, CK60 (Kohlenstoffstahl) und den 100Cr6 (Wälzlgerstahl).
Dort wo die lotrechte Linie für den Stahl (CK60 oder der 100Cr6) die schräge Linie schneidet (Ac3) wird der Stahl beim Aufheizen komplett austenitisch.

Wenn man noch etwas Temperatur hinzugibt hat man die korrekte Härtetemperatur.

Beim Aufheizen im Feuer, bzw. in der Gasesse erhalte ich eine wesentlich höhere Aufheizgeschwindigkeit.
Hierdurch verschiebt sich die Härtetemperatur gegebenenfalls deutlich nach oben. Siehe auch: (Berms, Stahlkunde für Ingenieure, S. 19, 43ff) Durch meine im Vorfeld beschriebene Aufheiztechnik in Verbindung mit dem Magnettest kann ich das aber sehr gut steuern.

Hat die Klinge die gewünschte Temperatur erreicht, muss ich sie ohne weitere Verzögerung abschrecken.
Die entsprechende Glühfarbe ist je nach Umgebungslicht ein kirschroter bis hellkirschroter Farbton.


Die korrekte Glühfarbe beim Normalisieren

Das ist in etwa die richtige Glühfarbe zum Härten der Klinge.
Nun muss sie möglichst rasch wie beschrieben im Ölbad abgeschreckt werden.
Das Abschrecken kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen.
Ich beschreibe hier exemplarisch das Abschrecken im Ölbad.
Das Öl kann ein im Handel erhältliches Härteöl sein, oder ein Öl auf mineralischer oder pflanzlicher Basis.
Von Motorölen, etc. rate ich ab.

Messserklingen Härten: das Normalisieren

Die bei der Verbrennung entstehenden Stoffe können giftig sein.
Ein einfaches Pflanzenöl erfüllt hier sehr gut seinen Zweck wenn man kein Härteöl einsetzten will/kann.

Es empfiehlt sich hier eine entsprechende Schutzausrüstung zu tragen. Schutzbrille, Handschuhe, Schürze, Atemmaske und Sicherheitsschuhe sollten Pflicht sein.


Messerklingen härten:  

Vorgehensweise beim Abschrecken der Klinge im Ölbad

Messerklingen härten: Abschrecken der Klinge

Ich tauche die Klinge mit der Spitze und Schneide voraus schräg in das Ölbad ein. Dabei bewege ich die Klinge vor und zurück als wolle ich etwas durchschneiden.
Nach wenigen Sekunden gehe ich langsam tiefer bis die Klinge ganz getaucht ist.  

Je nach Klingengröße ist der Prozess des Abschreckens nach ca. 10 bis 20 Sekunden erledigt.
Die Klinge hat nun noch eine gewisse Wärme, bildet aber schon ihr Härtegefüge aus.

Beim Abschrecken muss die Klinge innerhalb möglichst kurzer Zeit eine bestimmte Temperaturkurve durchlaufen.
Im ZTU Diagramm (Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild) lassen sich sehr schön die Temperaturen für Martensitstart und Martensitstop erkennen.
Diese Vorgehensweise hat einen ganz bestimmten Sinn und Zweck.

Andere Vorgehensweisen zum Abschrecken existieren und funktionieren auch.
Was ich keinesfalls empfehle ist das hineinwerfen ins Ölbad und dann herausfischen, oder das "schwenken" zu den Seiten um eine möglichst große Konvektion im Ölbad zu erzeugen.
Die oben beschriebene Restwärme nutze ich aus um die Klinge auf Verzug, bzw. Biegung zu prüfen und wenn nötig sofort zu richten.

Direkt nach dem Härten habe ich ein Zeitfenster von einer, vielleicht zwei Minuten während dem ich sie sehr gut richten kann.
Auf keinen Fall länger warten. Die Umwandlung des Gefüges kommt irgendwann zum Ende und dann wird die Klinge glashart und spröde.

Eine Härteprüfung mittels Prüfgerät, einen Feiltest mittels Härteprüffeile oder einen Glasritztest zeigen, daß die Klinge gehärtet ist. Diese ist nun also hart, aber auch spröde und nicht einsatzbereit. Wie also weiter vorgehen?


Der nächste Schritt ist das Anlassen

Die Messerklinge sollte nun unverzüglich zum Anlassen in den Ofen.
Das kann ein Härteofen, ein Schmiedefeuer oder ein Backofen sein.
Der Einfachheit halber und da vermutlich jeder einen hat beschreibe ich den Backofen als Anlassofen.

Was versteht man eigentlich unter Anlassen?

Es ist nach dem Abschrecken ein Schritt um die maximale Härte der Klinge etwas zu reduzieren und das Gefüge des Stahls zu entspannen.
Beim Anlassen lässt man kontrolliert über einen Zeitraum von z.B. einer oder zwei Stunden eine bestimmte Temperatur auf den Stahl einwirken.

Das sind je nach Stahl und Einsatzzweck des Messers ab ca. 160° C bis hin zu ca. 230°C Im Mittel sind 200°C in Ordnung.
Bei rostbeständigen Stahlsorten können es auch schon mal mehr als 500°C sein.
Je nach Stahl kann ein 2-stufiges Anlassen mit Zwischenkühlen gewählt werden um einen evtl. vorhandenen Restaustenit zu behandeln.

Eventuell kommt direkt nach dem Härten ein Tiefkühlen in Betracht.
Die Klinge sollte hängend oder auf dem Rücken stehend in den Ofen eingebracht werden.
Die Verweildauer ist Zeit und Temperaturabhängig.

Als Hilfe schleife ich eine Stelle der Klinge blank. Sobald sich hier im Ofen eine strohgelbe bis bronzegelbe Oxidschicht gebildet hat ist das Anlassen erfolgt.
Hier ist eine komplette Durchwärmung wichtig.

Niedrigere Temperaturen und längere Einwirkzeiten oder höhere Temperaturen und kürzere Einwirkzeiten sind machbar.
Erstere sind aber vorzuziehen da schonender.

Nach dem Anlassen hat der Stahl ein kubisch verzerrtes Martensitgefüge. Die Härte kann je nach Stahl ca. 60 bis 66 HRC betragen.

Rostbeständige Stahlsorten bedürfen einer etwas abweichenden Behandlung.

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Tags

Anlassen, gas esse, gasesse, Härten, kohlenstoff stahl, Messerklinge, Normalglühen, Normalisieren, schmiede esse, Schmieden, schwert schmieden, werkzeugstahl


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  1. Sehr geehrte Damen und Herren,
    als Autor beim Europa-Lehrmittelverlag bearbeite ich z.Z. für die neue Auflage der Fachkunde Zerspantechnik den Abschnitt zum Härten. Ich suche dazu immer aktuelle Bilder. Ich würde sehr gerne den Härtevorgang eines Messers s.o. dazu verwenden, oder auch andere Bilder zum Durchhärten.
    Teilen Sie mir bitte die Kontaktdaten eines Mitarbeiters mit, um wichtige Details zur Verwendung von Firmenbildern zu besprechen.
    Herzlichen Dank im voraus
    Mit freundlichen Grüßen
    D.Morgner

  2. Hallo Matthias,

    der weiße Papierstahl enstpricht recht genau dem C105 (1.1545) oder dem C100.
    Er kann und muss gehärtet werden um eine schnitthaltige Schneide zu erhalten.

    Die nicht härtbaren Außenlagen bei deiner 3-Lagen Kombination geben dem Klingenkörper eine gewisse Zähigkeit gegenüber schlagender Belastung. Man spart zudem den hochwertigen härtbaren Stahl, was früher ein Argument war. Heute spielt das keine Rolle mehr. Die unterschiedlichen Materialeigenschaften (und die Optik ) sind nun das Maß.

    Die Klinge sollte nach den Spezifikationen des Schneidenstahls gehärtet werden. Die Aussenlagen spielen bei der Wahl der Härtetemperatur keine Rolle.

    Peter

  3. Hallo,
    Ich habe eine Frage zu diesem Thema.
    Und zwar wollte ich ein Messer bauen aus einem dreilagen weißpapierstahl. Bei diesem Stahl heißt es, die äußere Lage sei nicht härtend, da zu wenig kohlenstoff enthalten ist.
    Kann ich diesen Stahl nun trotzdem härten? Bzw. muss ich das?

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