Anlassen von normalem Werkzeugstahl

1. Was passiert physikalisch beim Anlassen von normalem Werkzeugstahl?

Nach dem ersten Schritt des Härtens (dem Abschrecken von hoher Temperatur) befindet sich der Stahl im Zustand des Martensits. Das Kohlenstoffgitter ist extrem übersättigt, verzerrt und steht unter gewaltigen inneren Spannungen. Dieser „Frischmartensit“ ist zwar extrem hart, aber auch glasartig spröde.
Wenn man diesen normalen Werkzeugstahl nun anlässt (erwärmt), versucht die Natur, diesen thermodynamisch instabilen Zustand wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Physikalisch läuft das in vier charakteristischen Phasen ab:

• Phase 1 (ab ca. 100^\circ\text{C}): Die interstitiell (in den Zwischenräumen) eingezwängten Kohlenstoffatome beginnen durch das Gitter zu diffundieren. Sie wandern aus dem verzerrten Martensit aus und bilden extrem feine Übergangskarbide (sogenannten \epsilon-Karbid). Die Gitterverzerrung nimmt leicht ab.
• Phase 2 (ca. 200^\circ\text{C} bis 300^\circ\text{C}): Restaustenit (das weiche Gefüge, das beim Abschrecken nicht umgewandelt wurde) zerfällt in nadeligen Ferrit und Karbide.
• Phase 3 (ab ca. 300^\circ\text{C}): Das verzerrte, tetragonale Martensitgitter klappt endgültig in ein stabiles, kubisch-raumzentriertes Ferritgitter (Fe_\alpha) um. Der Kohlenstoff scheidet sich als makroskopischer Zementit (Fe_3C) aus.

Das Problem beim normalen Stahl:

Zementit (Fe_3C) neigt bei steigenden Temperaturen ab ca. 200^\circ\text{C} bis 300^\circ\text{C} zu einer schnellen Koagulation. Das bedeutet: Die winzigen Karbidteilchen ballen sich zu großen, runden Klumpen zusammen. Dadurch verliert das Gefüge seine Barrieren gegen Versetzungsbewegungen. Die Atome können bei mechanischer Belastung wieder leicht aneinander vorbeigleiten – der Stahl verliert schlagartig seine Härte und glüht aus.

2. Wie verhindern die Sonderkarbide in HSS diesen Härteabfall?

Schnellarbeitsstahl (HSS) ist mit starken Karbidbildnern wie Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium (V) und Chrom (Cr) legiert. Diese Atome sind im Vergleich zu Eisenatomen sehr groß und träge.
Wenn HSS gehärtet wird, geschieht dies bei extrem hohen Temperaturen (oft zwischen 1.200^\circ\text{C} und 1.300^\circ\text{C}). Bei dieser extremen Hitze lösen sich die Sonderkarbide teilweise auf, und die großen Atome (W, Mo, V, Cr) werden im Gitter zwangsweise in Lösung gebracht. Nach dem Abschrecken liegen sie blockiert im Martensitgitter vor.
Wenn HSS nun angelassen wird (typischerweise im Bereich von 520^\circ\text{C} bis 570^\circ\text{C}), passiert physikalisch etwas völlig anderes als bei normalem Stahl:

Der Mechanismus der Sekundärhärtung

Während bei 500^\circ\text{C} der normale Eisen-Zementit (Fe_3C) bereits vollständig vergröbert und weich ist, besitzen die großen Legierungsatome (Wolfram, Molybdän, Vanadium) bei dieser Temperatur genau die richtige thermische Energie, um sich im Gitter ein winziges Stück zu bewegen (zu diffundieren).
Anstatt sich an den vorhandenen Eisenkarbiden anzulagern, verdrängen sie das Eisen und bilden Sonderkarbide (z. B. W_2C, Mo_2C, VC, Cr_{23}C_6).
Diese Sonderkarbide zeichnen sich durch drei physikalische Eigenschaften aus:

1. Kohärente Ausscheidung: Die neu entstehenden Sonderkarbide sind extrem klein (oft nur wenige Nanometer groß) und fügen sich vollkommen harmonisch (kohärent) in das umgebende Ferritgitter ein. Sie spannen das Gitter auf atomarer Ebene extrem stark an.
2. Gigantische Diffusionsbarriere: Weil Wolfram- und Vanadiumatome so schwer und träge sind, bräuchte es weit über 600^\circ\text{C}, damit sich diese Sonderkarbide zu größeren Clumpen zusammenballen können. Sie verbleiben im Zustand einer ultrafeinen Verteilung (Dispersionshärtung).
3. Blockade von Versetzungen: Wenn das Werkzeug im Einsatz heiß wird und mechanischer Druck entsteht, wollen sich die Versetzungen (Gitterfehler, die die plastische Verformung bewirken) im Stahl bewegen. Die Jahrmillionen von atomaren, fein verteilten Sonderkarbiden wirken wie unüberwindbare Straßensperren. Die Versetzungen laufen sich fest, das Material kann sich nicht plastisch verformen – die Härte bleibt voll erhalten.

Der thermische Effekt im Diagramm (Härteverlauf)

Trägt man die Härte über der Anlasstemperatur auf, sinkt die Kurve bei normalem Werkzeugstahl kontinuierlich ab. Bei HSS hingegen sinkt sie zuerst leicht, steigt dann aber ab ca. 500^\circ\text{C} steil an und erreicht bei ca. 550^\circ\text{C} ihr absolutes Maximum (oft über 65\text{ HRC}). Das nennt man den Sekundärhärtepeak.

Zusammenfassung

Während normaler Werkzeugstahl weich wird, weil seine Eisenkarbide bei Hitze vergröbern und verschmelzen, zünden die Sonderkarbide im HSS bei 550^\circ\text{C} eine zweite Stufe. Die trägen Wolfram-, Molybdän- und Vanadiumatome bilden genau in dem Moment eine Armee aus milliardenfachen, nanometerkleinen Blockadepunkten, in dem die Eisenmatrix weich zu werden droht. Das ist das Geheimnis der Warmhärte von HSS.