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 Normalisieren / Normalglühen  von Klingen aus Werkzeugstahl oder Kohlenstoffstahl

Was ist Normalisieren  und wie funktioniert das ?

Zuerst kommt einiges an ziemlich trockener Theorie. Ich gebe es zu.

Aber keine Angst, weiter unten beschreibe ich es praxisnah und leicht nachvollziehbar.
Versprochen!

Hier ist die Abkürzung direkt zur "praxisnahen" Vorgehensweise"

Inhaltsverzeichniss

1. Was ist Normalisieren?
2. Gefahr der Grobkornbildung
3. Was ist Kohlenstoffstahl / Was ist Werkzeugstahl
4. Was passiert beim Normalisieren
5. Gitter Kubisch-raumzentriert
6. Gitter Kubisch-fächenzentriert
7. Das Eisen-Kohlenstoff Diagramm
8. Was erreiche ich durch Normalisieren?
9. Praktische Anwendung beim Normalisieren
10. Normalisieren in der Gasesse
11. Normalisieren im Härteofen
12. Der Magnettest
13. Gefügeumwandlung im Stahl beim Glühen
14. Schluss
    

Los gehts ! Normalisieren - Normalglühen von Messerklingen

Oberhalb diesem besteht der Stahl aus einer Ferrit/Austenit Mischstruktur) sowie den Umwandlungspunkt Ac3 (oberhalb diesem ist der Stahl rein austenitisch.
Allerdings löst man hier bei einigen übereutektoiden Stählen die Karbidstrukturen nicht komplett auf da der Umwandlungspunkt Ac3 sich mit zunehmendem C-Gehalt in höhere Temperaturbereiche bewegt.

Gefahr der Grobkornbildung!

Das Aufheizen eines übereutektoiden Stahls bis über Ac3 kann zu Temperaturen weit über 1100°C führen.
Dadurch besteht die Gefahr der Grobkornbildung.
Hier ist eine kombinierte Glühbehandlung aus scharfem Normalisieren (relativ hohes, schnelles Aufheizen gefolgt von Abkühlen an Luft) dem üblichen Normalgkühen in Kombination mit Pendelglühen angesagt.
Das Einformen / Weichglühen ist eine weitere Glühbehandlung für diesen Typ von Stahl.

Jetzt dürften für den Einsteiger alle Klarheiten beseitigt sein.
Das Ganze lässt sich glücklicherweise sehr gut vereinfachen, indem man sich einiger kleinen Tricks bedient.
Dazu mehr etwas später.

 Was ist Kohlenstoffstahl, was ein Werkzeugstahl und was ein Messerstahl ?

Was ist überhaupt ein Kohlenstoffstahl und was ein Werkzeugstahl?
Beide Begriffe bezeichnen eine bestimmte Kategorie von Stählen.
Beim Kohlenstoffstahl sind es Stahlsorten denen außer dem Element Kohlenstoff "C" keine weiteren Legierungselemente hinzugegeben werden.
Werkzeugstahl ist der Begriff für Stähle welche für die Herstellung von Werkzeugen wie z.B. Schneidwerkzeuge, Stanzwerkzeuge etc. verwendet werden.
Hier wird nochmals zwischen unlegiert, niedriglegiert und hochlegiert unterschieden.

 
Für Stahlsorten die für Schneidwerkzeuge wie z.B. Messer verwendet werden wird oft auch der Begriff Messerstahl als Bezeichnung für diese Gruppe von Stählen verwendet.
Alle 3 Begriffe können somit den gleichen Stahl benennen.
Das macht es für den Einsteiger nicht unbedingt einfacher.

Was passiert beim Normalisieren im Stahl ?

Gitter Kubisch Raumzentriert

Gitter Kubisch Flächenzentriert

In der Mitte des Würfels jedoch sitzt kein Eisenatom mehr. 
Dafür aber auf jeder Seite des Würfels.
In die in der Würfelmitte entstandene Lücke lagert sich nun das Kohlenstoffatom ein. 
Nun lasse ich den Stahl an der Luft wieder abkühlen.
Dabei wandelt sich das KFZ Gitter wieder in ein KRZ Gitter um und ich bin wieder am selben Punkt wie zu Anfang.
Kurz gesagt ich heize den Stahl auf bis zur  vollständigen Durchwärmung, halte kurz und lasse ihn dann wieder abkühlen.
Das mache ich nach dem Schmieden mehrmals ( 2-3 mal ) um eine gewisse Prozesssicherheit zu haben.
Zudem kann der Stahl vom mehrmaligen Wiederholen des Prozesses profitieren.

Kohlenstoffverteilung im ferritisch/perlitischen Gefüge ***

Eigentlich ist der Kohlenstoff gebunden im Zementit => Eisenkarbid (Fe3C).
Denn im ferritischen Stahlgefüge kann nur einen minimaler Kohlenstoffanteil von 0.02% gelöst werden.
Der "überschüssige" Kohlenstoff wird quasi ausgelagert.
Er reichert sich in lamellenartigen Strukturen an und bildet zuammen mit Ferrit nun Zementit.
So entstehen im Stahl lamellenförmige Zonen => ferritische Zonen (reines Eisen) gefolgt von "Zementitzonen" (Eisenkarbid).
Diese Anordnung wird Perlit genannt.  
Der Name rührt daher, daß angeätzte Schliffbilder von Stahlproben je nach Lichteinfall eine schimmernde an Perlmutt erinnernde Struktur aufweisen.
Das erinnert mich immer an Damaststahlstrukturen in Messerklingen die ich in einer Kombination aus anätzen und polieren behandle. Hier entsteht ebenfalls eine reliefartige Struktur.

Hier auf dieser Klinge sieht man das Relief recht schön:

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Die Y-Achse steht für die Temperatur.
Die geraden und gebogenen Linien stellen die Übergangstemperaturen des jeweiligen Stahls in Abhängigkeit von Kohlenstoffgehalt und Temperatur dar.
Die Teilflächen die durch die entsprechenden Linien abgegrenzt werden stellen einen jeweiligen Gefügezustand dar.

Eisen-Kohlenstoffdiagramm Anwenden

Bei ca. 760°C  (hier schneidet er die Linie GOS) (Ac3) wird er rein austenitisch.)
In Kombi mit dem Magnet Test (siehe weiter unten) lässt sich hier recht präzise die Umwandlungs, bzw. Härtetemperatur ableiten.

Ein Stahl mit ca. 1% Kohlenstoff ( 1.3505 /100Cr6) läge etwas rechts  davon.
Ac1 bleibt gleich. Die grafisch ermittelte Umwandlungstemperatur (Ac3), oder auch Härtetemperatur liegt bei ca. 830°C.
Hier kann der Stahl durchaus noch über Ac3 hianus aufgewärmt werden.

Vergleicht man das mit den Angaben im Stahlschlüssel  der einen Bereich von 820°C bis 850°C angibt, so liegt man hier sehr gut im Mittel.
Das EKD lässt sich für reine Kohlenstoffstähle und etliche niedrig legierte Werkzeugstähle anwenden.
Für Stahlsorten mit höherem Legierungsanteil ist es nur bedingt einsetzbar

Was erreiche ich durch sorgfältiges Normalisieren ?

Warum normalisieren wir den Stahl wenn er danach wieder genau das gleiche Gefüge hat wie davor?
Die Erklärung liegt im Detail.
Beim Schmieden einer Messerklinge z.B. aus einem Ck60 ( Kohlenstoffstahl ) wird diese mehrfach aufgeheizt, verformt, kühlt wieder ab, wird wieder teilweise aufgeheizt, kühlt wieder ab usw...... Das kann im Stahl ein ungleichmäßiges und /oder grobes Korn hervorrufen.

Solch ein Gefüge ist für das spätere Härten sehr ungünstig.
Die Messerklinge wäre dadurch möglicherweise spröder, anfälliger für Ausbrüche in der Schneide etc. Kurz gesagt sie wäre von minderer Qualität.

Durch das Normalisieren wird das möglicherweise grobe Gefüge (Grobkorn) beim Aufheizen aufgelöst und beim darauffolgenden Abkühlen in feiner Struktur neu gebildet.
Dadurch erhalte ich die korrekten Temperaturen vorausgesetzt ein feines (besseres) Gefüge als Ausgangspunkt für das Härten. 

Wenn du dich tiefer in die Thematik der Wärmebehandlung von Messerklingen, sei es einem Werkzeugstahl, einem Kohlenstoffstahl oder aus Damaststahl einlesen willst, so kann ich diese Bücher hier sehr empfehlen.

Ab hier kommt jetzt der Teil mit der praktischen Anwendung!

Wie gehe ich beim Normalisieren von Messerklingen vor ?

 Vorgehensweise in der Gasesse

Zuerst bringe ich die Gaseesse auf eine moderate Temperatur. (etwas weniger als Schmiedetemperatur).
Das sind in diesem Fall so ca. 900°C.
Als nächstes packe ich die Klinge mit der Zange am Erl und bringe Sie in der Esse gleichmäßig auf Temperatur.

Um das zu erreichen bewege ich die Klinge in der Gasesse gleichmäßig vor und zurück.

Eventuell heize ich den Erl/die Angel vorab auf, bevor ich die Klinge auf Temperatur bringe.
Die Schneide kommt schneller auf Temperatur als der dickere Rücken oder ein Knebel.

Deshalb bewege ich die Klinge vor und zurück, nehme sie bei Bedarf kurz aus der Esse raus, lasse die dünnen Bereiche etwas abkühlen bevor ich sie wieder in die Gasesse führe.
Dadurch verhindere ich ein zu starkes Aufheizen der dünnen Bereiche.

Einen zusätzlicher Effekt erreiche ich dabei:
Die dünnen Bereiche pendeln um die Umwandlungstemperatur was einen positiven Effekt auf das Gefüge hat.

Normalisieren in der Gasesse

Checkliste

1. Gasesse auf Temperatur bringen
   
   
2. Klinge gleichmäßig auf Temperatur bringen
   
   
3. Die Klinge kurz aus der Esse nehmen wenn dünnere Bereiche zu schnell auf Temperatur kommen
   
   
4. Wenn die Klinge gleichmäßig auf Temperatur ist, den Magnet Test anwenden
   
   
5. Ist die Klinge "nichtmagnetisch", ist Sie nahe der Umwandlungstemperatur
   
   
6. Ist die Klinge noch magnetisch, ist sie noch zu kalt.
   
   
7. Bei erreichen der korrekten Tempertur die Klinge aus der Esse nehmen
   und bei wenig Licht die Veränderung der Glühfarben beobachten.
   
   
8. Den Magnet Test anwenden. Ist die Klinge wieder magnetisch ist die Umwandlung nahezu abgeschlossen.
   
   
9. Den oben geschilderten Vorgang noch zwei mal wiederholen.
   
   
10. Die Klinge in Keramikfaserwolle einpacken und langsam abkühlen lassen.
    
    
11. Abkühlen lassen in der ebenfalls abkühlenden Gasesse lässt die Klinge weicher werden.
    
    
12. Dies kommt dem Weichglühen nahe.
    
    
    

Vorgehensweise im Härteofen

Eine grobe Faustformel zum Normalisieren:

Den  Ofen auf Temperatur bringen. 
Als nächstes die Klinge in den Ofen packen.
Diese sollte nicht auf einer Seite bzw. nicht zu nahe an einer aufgeheizten Ofenwand liegen.
Am vorteihaftesten wäre es die Klinge im Ofen aufzuhängen oder sie zumindest auf dem Klingenrücken stehend einzubringen.
Die Haltezeit nach Durchwärmung der Klinge beträgt ca. 1 Minute/mm Klingendicke.
Was ist die korrekte Temperatur beim Normalisieren ? Geeignete Stähle zum Messerschmieden ob Kohlenstoffstahl oder Werkzeugstahl haben oft einen Kohlenstoffgehalt ab ca. 0,5% bis hin zu 2%. Kohlenstoff.
Meistens wird der Stahl einen Kohlenstoffgehalt bis ca. 1,5% haben.
Diese Stähle härten bei Temperaturen um die 770° C bis ca. 850°C (mehr oder weniger.)
Die Temperatur zum Normalisieren liegt vereinfacht gesagt ein wenig niedriger. 

Normalisieren im Härteofen

Checkliste

1. Härteofen auf Temperatur bringen
   
   
2. Temperatur im Ofen ggfls. prüfen mit Messgerät (Kontrollmessung)
   
   
3. Klinge (mit Härteschutzlack einpinseln) in den Härteofen legen und gleichmäßig auf Temperatur bringen
   Klinge nicht auf die Seite legen, sondern auf den Rücken stellen oder hängen
   
   
4. Klinge im Härteofen auf Temperatur bringen.
   
   
5. Haltedauer im Ofen ca. 1Minute pro mm Klingenstärke
   (Angabe fürs Härten, kann für das Normalglühen übernommen werden.)
   
   
6. Bei erreichen Haltedauer die Klinge aus dem Ofen nehmen
   Evtl. Magnettest anwenden Klinge sollte "nichtmagnetisch" sein und bei wenig Licht die Veränderung der Glühfarben beobachten.
   
   
7. Den Magnet Test anwenden. Ist die Klinge wieder magnetisch ist die Umwandlung nahezu abgeschlossen.
   
   
8. Den oben geschilderten Vorgang noch zwei mal wiederholen.
   
   
9. Die Klinge in Keramikfaserwolle einpacken und langsam abkühlen lassen.
   
   
10. Abkühlen lassen im ebenfalls abkühlenden Härteofen lässt die Klinge weicher werden.
    
    
11. Dies kommt dem Weichglühen nahe.
    
    
    

Zum Prüfen der korrekten Temperatur in der Gasesse oder im Härteofen kann ich diese Messgeräte empfehlen.

Magnettest

Einen kleinen Trick beim Normalisieren gibt es wie weiter oben bereits erwähnt.
Bei 769°C liegt die Curie Temperatur, bzw. der Curie Punkt.
Bei dieser Temperatur wird der o.g. Stahl paramagnetisch ( nichtmagnetisch).
Die korrekte Temperatur liegt je nach Stahl evtl. noch etwas darüber, deshalb gebe ich bei erreichen des paramagnetischen Stadiums noch etwas Zeit und Hitze zu.
Nun kann ich die glühende Klinge mit einem kleinen Magneten testen.
Ist sie nicht magnetisch bin ich über 769°C, ist sie noch magnetisch muss man die Temperatur noch etwas steigern.
In der Gasesse kann ich bei abgedunkeltem Licht  beim Kohlenstoffstahl und beim niedriglegierten Werkzeugstahl bzw. beim Messerstahl sehr schön die Gefüge Umwandlung sehen. 

Schlusswort

Ich normalisiere meine geschmiedeten Klingen direkt nach dem Schmieden, sowie vor dem Härten.
Dadurch erreiche ich ein feines gleichmäßiges Ausgangsgefüge für das anschließende Härten. Das Einformen von Karbiden ist bei untereutektoiden Stahlsorten nicht zwingend nötig.
Das Weichglühen ist aber für eine spätere Bearbeitung recht hilfreich.
Diese Vorgehensweise eignet sich für alle Kohlenstoff und niedrig legierten Werkzeugstähle. Übereutektoide Stahlsorten bedürfen eines etwas erweiterten Prozesses.
Hier müssen Karbide und/oder Korngrenzenzementit durch Glühprozesse aufgelöst und eingeformt werden.
Dazu an anderer Stelle mehr.

Rostbeständige Stahlsorten bedürfen einer etwas abweichenden Behandlung.

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