Bezeichnung der Stähle - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe ...

Die Wärmebehandlung 

metallischer Werkstoffe 

Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 1 

Sommersemester 2010 

Dr. Dieter Müller 

H+W Arnstadt GmbH 

Härte- und Werkstofftechnik 

31. Mai 2010 

Die Wärmebehandlung 

metallischer Werkstoffe 

• Herstellung und Einteilung der Stähle nach 

Verwendung und Eigenschaften 

• Überblick über Wärmebehandlungsverfahren 

• Glühen 

• Härten (martensitisch, bainitisch, Auslagern) 

• Randschichthärten 

– Thermisch 

– Thermochemisch (Einsatzhärten, Nitrieren) 

• Beschichten (PVD, CVD) 

• Anlagentechnik 

Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 2

Literatur 

• G. Spur, T. Stöerle (Hsg.) 

Handbuch der Fertigungstechnik; Band 4/2 Wärmebehandeln 

Hanser-Verlag, München Wien, 1987 

• V. Läpple 

Wärmebehandlung des Stahls 

Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 8. Aufl., 2003 

• H.P. Hougardy 

Umwandlung und Gefüge unlegierter Stähle 

Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 2. Aufl., 1990 

• D. Horstmann 

Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff 

Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 5. Aufl., 1985 

• D. Liedtke, R. Jönsson 

Wärmebehandlung 

Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 4. Aufl., 2000 

• D. Liedtke u.a. 

Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen II – Nitrieren und Nitrocarburieren 

Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 4. Aufl., 2007 

• K. Heeß u.a. 

Maß- und Formänderung infolge Wärmebehandlung 

Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 1997 

• J. Grosch, u.a. 

Einsatzhärten 

Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 1994 


Literatur 

• F.-W. Bach, T. Duda 

Moderne Beschichtungsverfahren 

Wiley-VCH, Weinheim, 2000 

• M.F. Ashby, D.R.H. Jones 

Werkstoffe 2: Metalle, Keramiken und Gläser, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe 

Elsevier, Heidelberg, 2005 

• W. Bergmann 

Werkstofftechnik 2: Werkstoffherstellung – Werkstoffverarbeitung - Werkstoffanwendung 

Hanser, München Wien, 2005 

• W. Seidel 

Werkstofftechnik 

Hanser, München Wien, 2007 

• Stahl-Informations-Zentrum (www.stahl-info.de; kostenlos oder als download) 

Merkblatt 447: Wärmebehandlung von Stahl – Nitrieren und Nitrocarburieren 

• Stahl-Informations-Zentrum 

Merkblatt 450: Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren 

• Stahl-Informations-Zentrum 

Merkblatt 452: Einsatzhärten 

• ASM 

The Handbook of Metals – Vol. 4: Heat Treatment 

Teile der Vorlesungsunterlagen entstammen Veröffentlichungen folgender Personen bzw. Unternehmen 

Böhler Stahl AG 

Dr. Hansjörg Stiele, EFD Induktionserwärmung, Freiburg 

Ipsen Industrieöfen, Kleve 

Schmetz Vakuumöfen, Menden 

u.a. 


1.200 

1.000 

800 

600 

400 

200 

0 

Umsatzentwicklung der Lohnhärtereien in 

Deutschland 

Umsatz (Mio. €) 

2006: 

Lohnhärtebetriebe: 178 

Anzahl Mitarbeiter: 6.700 

Umsatz 1,06 Mrd € 

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 

Quelle: Industrieverband Härtetechnik 


Entwicklungstendenzen der Wärmebehandlung 

Quelle: Ipsen GmbH 


Grundlagen der Wärmebehandlung 

• Einteilung der Stahlgruppen 

• Bezeichnung und Nomenklatur der Stähle 

• Idealer / realer Werkstoff 


Stähle nach DIN EN 10020:2000 

Als Stahl werden Werkstoffe bezeichnet, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes 

anderen Elementes und im allgemeinen weniger als 2% C aufweisen und andere Elemente 

enthalten. Einige Chromstähle enthalten mehr als 2% C. Der Wert von 2% wird jedoch im 

allgemeinen als Grenzwert für die Unterscheidung zwischen Stahl und Gußeisen betrachtet. 

Stähle werden nach folgenden Gesichtspunkten eingeteilt: 

- Chemische Zusammensetzung 

Unlegierte 

legiert 

- Verwendung 

Werkzeugstahl 

Baustahl 

- Mechanische und technologische Eigenschaften 

Tiefziehblech 

Wälzlagerstahl 


Unlegierte Stähle 

Als unlegiert gilt ein Stahl, wenn die Gehalte der einzelnen Elemente die in der Norm 

angegebenen Grenzgehalte nicht überschreiten. 

Die unlegierten Stähle werden in die Hauptgüteklassen 

- unlegierte Qualitätsstähle und 

- unlegierte Edelstähle eingeteilt. 

Unlegierte Edelstähle können höhere Gehalte an verschiedenen Elementen aufweisen und 

zeichnen sich durch zusätzliche Anforderungen hinsichtlich Reinheit (Einschlüsse), mechanische 

Eigenschaften, elektrische Eigenschaften � � aus. 

Grenzwerte für unlegierte Stähle (Schmelzanalyse) 

Al B Bi Co Cr 

0,30 0,0008 0,10 0,30 0,30 (0,50) 

Cu La Mn Mo Nb 

0,40 (0,50) 0,10 1,65 (1,80) 0,08 0,06 

Ni Pb Se Si Te 

0,30 (0,50) 0,40 0,10 0,60 0,10 

Ti V W Zr sonst* 

0,05 (0,12) 0,10 (0,12) 0,3 0,05 (0,12) 0,10 

* mit Ausnahme von C, P, S, N 

() Grenzwerte für unlegierte Edelstähle 


Nichtrostende Stähle 

Nichtrostende Stähle werden über ihre chemische Zusammensetzung definiert: 

Cr ≥ 10,5 % 

C ≤ 1,2 % 

Zusätzlich wird noch nach 

- dem Nickelgehalt (2,5%) und 

- den Haupteigenschaften (korrosionsbeständig, hitzebeständig, warmfest) 

unterschieden 


Legierte Stähle 

Legierte Stähle 

Als legiert gilt ein Stahl, wenn die in der Norm angegebenen Grenzgehalte überschritten werden. 

Niedriglegierte Stähle enthalten in Summe weniger als 5% Legierungszusätze, hochlegierte Stähle mehr 

als 5%. 

Legierte Qualitätsstähle 

sind im Allgemeinen nicht zum Vergüten oder Oberflächehärten vorgesehen. 

Zu dieser Gruppe zählen: 

- Schweißgeeignete Feinkornbaustähle 

- Stähle für Schienen 

- Stähle für warm- oder kaltgewalzte Flacherzeugnisse 

- Cu-legierte Stähle als einziges Legierungselement 

- Elektroblech 

Legierte Edelstähle 

Sind Stähle mit eng eingeschränkten und definierten Eigenschaften 

Zu dieser Gruppe zählen: 

- Maschinenbaustähle 

- Stähle für Druckbehälter, 

- Wälzlagerstähle 

- Werkzeugstähle 

- Schnellarbeitsstähle 

- Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften 


Wichtige Stahlgruppen 

Allgemeine Baustähle (DIN EN 10025-1:2004) 

Allgemeine Baustähle sind nach ihren mechanischen Eigenschaften eingeteilt und müssen über eine gute 

Schweißbarkeit verfügen. 

Beispiel: S235 

Schweißgeeignete Feinkornbaustähle (DIN EN 10222-4:2001) 

Schweißgeeignete Feinkornbaustähle sind Stähle, deren Mindeststreckgrenze im Bereich 255 - 500 N/mm² 

liegt und deren chemische Zusammensetzung im Hinblick auf die Schweißeignung gewählt ist. Durch das 

Stahlherstellungsverfahren wird ein besonders feines Gefüge eingestellt, was eine hohe 

Sprödbruchunempfindlichkeit aufweist. 

Ein feines Gefüge wird durch Zulegieren von B, Ti, Ta, Nb erzielt, häufig in Verbindung mit einem 

thermomechanischen Prozeß 

Beispiel: P285NH 

Vergütungsstähle (DIN EN 10083:2003) 

Vergütungsstähle sind Maschinenbaustähle, die sich aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung zum 

Härten eignen und im vergüteten Zustand gute Zähigkeit bei gegebener Zugfestigkeit aufweisen. 

Beispiele: 42 CrMo 4 (1.7225), 51 CrV 4 (1.8159) 



Einsatzstähle (DIN EN 10084:1998) 

Einsatzstähle sind Stähle mit verhältnismäßig niedrigem Kohlenstoffgehalt, die für Bauteile verwendet werden, 

deren Randschicht vor dem Härten üblicherweise aufgekohlt oder carbonitriert wird. Solche Stähle sind nach der 

Behandlung gekennzeichnet durch eine Randschicht mit hoher Härte und einem zähen Kern. 

Beispiele: C 15 (1.0401), 16 MnCr 5 (1.7131), 

20 MnCr 5 (1.2162, 1.7147), X 19 NiCrMo 4 (1.2764) 

Automatenstähle (DIN EN 10087:1998) 

Automatenstähle sind durch gute Zerspanbarkeit und gute Spanbrüchigkeit gekennzeichnet. Dies wird im 

Wesentlichen durch hohe Massenanteile an Schwefel (>0,1%, in Verbindung mit Mn), ggf. gemeinsam mit 

weiteren Zusätzen, z.B. Pb, erzielt werden. 

Beispiel: 11 SMn 30; 11 SMnPb 30 

Nichtrostende Stähle (DIN EN 10088:2001) 

Nichtrostende Stähle enthalten mindestens 10,5% Cr und höchstens 1,2% C. Sie werden nach ihren 

wesentlichen Eigenschaften weiterhin unterteilt in korrosionsbeständige (Chromoxidschicht), hitzbeständige 

(>550°C; Chr-Si-Al-Oxid-Schutzschicht) und warmfeste Stähle (hohe Zeitstandfestigkeit >500°C; 

Ausscheidungen). 

Nach der chemischen Zusammensetzung und dem resultierenden Gefüge kann weiterhin unterscheiden in 

ferritische, martensitische, ausscheidungshärtende, austenitische und ferritisch-austenitische Srähle. 

Beispiele: X 6 Cr 17 (1.4016), X 5 CrNi 18 10 (1.4301) 

X 35 CrMo 17 (1.4122), X 90 CrMoV 18 (1.4112) 



Werkzeugstähle (DIN EN ISO 4957:1999) 

Werkzeugstähle sind Edelstähle, die zum Be- und Verarbeiten von Werkstoffen sowie Handhaben und 

Messen von Werkstücken geeignet sind. Sie weisen eine dem Verwendungszweck angepaßte hohe Härte, 

hohen Verschleißwiderstand und Zähigkeit auf. 

Kaltarbeitsstähle 

sind unlegierte oder legierte Stähle für Verwendungszwecke, bei denen die Oberflächentemperatur im 

Einsatz im allgemeinen unter etwa 200°C liegt. 

Warmarbeitsstähle 

sind legierte Stähle für Verwendungszwecke, bei denen die Oberflächentemperatur im Einsatz im 

allgemeinen über 200°C liegt. 

Schnellarbeitsstähle 

sind Stähle, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung die höchste Warmhärte und 

Anlaßbeständigkeit haben und deshalb bis zu hohen Temperaturen von rund 600°C hauptsächlich zum 

Zerspanen und zum Umformen einsetzbar sind. 

Kunststoffformenstähle 

sind Stähle, welche für die Herstellung von formgebenden Werkzeugen für die Kunststoffverarbeitung 

verwendet werden. Hierbei kann es sich um unlegierte Stähle, Einsatzstähle und Werkzeugstähle handeln. 


Bezeichnung der Stähle 

Es gibt unterschiedliche Nomenklatursysteme 

Das geeignete Nomenklatursystem richtet sich nach der jeweiligen Stahlgruppe 

Der Bezeichnung liegen grundlegende Eigenschaften zugrunde. Es wird bezeichnet nach: 

- der chemischen Zusammensetzung 

- den mechanischen Eigenschaften (Festigkeit) 

- technologischen Eigenschaften 

Neben den genormten Bezeichnungen erhält jeder Werkstoff eine eigene Werkstoffnr., 

über welche er gleichfalls eindeutig beschrieben ist. 


Bezeichnung der Stähle (DIN EN 10027 10027-1:2001) 1:2001) 

Kurznamen 

Bezeichnung nach Festigkeit (z.B. allgemeine Baustähle) 

Alte Benennung: 

St + Angabe der Mindestzugfestigkeit in kp/mm² (1 kp entspricht 10 N) 

z.B.: St 37 = Baustahl mit einer Mindestzugfestigkeit von 37 kp/mm² 

Neue Bezeichnungen: 

Buchstabe für Stahlgruppe + Angabe der Streckgrenze in MPa 

z.B.: S Stähle für den Stahlbau S 235 (= St 37 alt) 

E Maschinenbaustähle 

P Stähle für Druckbehälter 

B Betonstähle 

L Stähle für Leitungsrohre 

H kaltgewalzte Flacherzeugnisse 

Buchstabe für Stahlgruppe + Angabe der Zugfestigkeit in MPa 

z.B.: Y Spannstähle Y1770 

HT kaltgewalzte Flacherzeugnisse 



Kurznamen 

Bezeichnung nach technologischen Eigenschaften 

Buchstabe für Stahlgruppe + festgelegte Mindesthärte in HB 

z.B.: R Stähle für Schienen R350 

Angabe der Tiefziehfähigkeit 

Flacherzeugnisse für Kaltumformung: 

D + Art des Walzens (C kalt; D warmgewalzt) + 2 Ziffern zur Charakterisierung des 

Stahls 

z.B. DC04 Sondertiefziehgüte 



Kurznamen 

Bezeichnung nach chemischer Zusammensetzung 

Unlegierte Stähle 

C + Angabe des C-Gehaltes in Gew. % geteilt durch 100 

z.B.: C 45 unlegierter Stahl mit 0,45 % Kohlenstoff 

Niedrig legierte Stähle 

Angabe des C-Gehaltes in Gew. % geteilt durch 100 + 

chem. Kurzzeichen der Legierungselemente in abnehmender Konzentration + 

Konzentration der vorstehenden Elemente geteilt durch den entsprechenden Faktor 

Faktoren: Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 

Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10 

Ce, N, P, S 100 

B 1000 

z.B.: 42CrMo4 0,42% C, 1% Cr, Zusätze an Mo 

40CrMnNiMo8-6-4 0,4% C, 2% Cr, 1% Ni, Zusätze an Mo 



Kurznamen 

Hochlegierte Stähle 

X (wenn der Gehalt eines Elementes mehr als 5% beträgt) + Angabe des C-Gehaltes in Gew. % 

geteilt durch 100 + 

chem. Kurzzeichen der Legierungselemente in abnehmender Konzentration + Konzentration der 

vorstehenden Elemente in Gew.% 

z.B.: X38CrMoV5-1 0,38% C, 5% Cr, 1% Mo, Zusätze an V 

X5CrNi18-10 0,05% C, 18% Cr, 10% Ni 

Schnellarbeitsstähle 

HS (oder PM) + Konzentrationsangabe der Legierungselemente W, Mo, V, Co 

z.B.: HS6-5-2 6% W, 5% Mo, 2% V 

HS6-5-2-5 6% W, 5% Mo, 2% V, 5% Co 

Zusätzlich enthalten Schnellarbeitsstähle ca. 0,8-0,9 % C und ca. 4% Cr 

Sonstiges 

Bei allen Kurznamen wird Guß durch einvorangestelltes G und pulvermetallurgischer Stahl durch ein 

PM gekennzeichnet. 

Es können noch weitere Symbole zur Kennzeichnung bestimmter Eigenschaften (z.B. Erschmelzung, 

Umformung �) angehängt sein 



Werkstoffnummern 

X.XXXX(XX) 

1. Stelle: Werkstoffhauptgruppe (1.XXXX sind Stähle) 

2. und 3. Stelle: Stahlgruppennummer 

4. und 5. Stelle: Zählnr. für die einzelnen Stähle 

6. und 7. Stelle: weitere Zählnummern (bei Bedarf) 

Beispiel für Stahlgruppen 

20 Cr-Stähle 35 Wälzlagerstähle 

23 Cr-Mo, Cr-Mo-V ab50 Baustähle 

24 W, Cr-W 70 Cr-haltig 

27 Ni-haltig 72 Cr-Mo 

32 Co-haltige Schnellarbeitsst. 85 Nitrierstähle 

33 Co-freie Schnellarbeitsstähle 

Beispiele: 

1.2343 ist X38CrMoV5-1 

1.7225 ist 42CrMo4 

Gleiche Stähle können je nach Verwendungsgruppe unterschiedliche Werkstoffnummern besitzen. 

z.B. 1.2067 und 1.3505 ist 100Cr6 


Idealer / realer Werkstoff 

• Eigenschaften sind unabhängig von 

▫ Geometrie 

▫ Ort 

▫ Richtung 

Isotropie 

• Aber Werkstoffe haben 

▫ Querschnittsabhängige Eigenschaften 

▫ Unterschiedliche Eigenschaften Oberfläche/Kern 

▫ Vorzugsrichtungen 

Anisotropie 



Anisotropie durch Erstarrung


Anisotropie durch Erstarrung 

Anisotropie durch Umformung 

Ferrit- Perlitzeiligkeit 


Korngrößenunterschiede durch 

unterschiedliche Umformgrade nach 

dem Rekristallisationsglühen 

Quelle: TU München

Anisotropie durch Verunreinigung 

Nichtmetallische Einschlüsse 

-Oxide 

-Sulfide 

-Phosphorseigerungen 


Metallische Gefügebestandteile 

-Delta Ferrit 

-Vorlegierungen 

-Randentkohlung � 

Q-Richtreihen 

Richtreihen 

DIN 50602: Mikroskopische Prüfung von Edelstählen auf 

nichtmetallische Einschlüsse mit Bildreihen 

DIN EN ISO 643: Mikrophotographische Bestimmung der scheinbaren 

Korngröße 

SEP 1520: Mikroskopische Prüfung der Carbidausbildung in Stählen mit 

Bildreihen 



Linienschnittverfahren 

Korngrößenbestimmung 

Flächenzählverfahren 


Richtreihen



Quelle: Stahl-Informationszentrum 


• Ausgangsmaterial: 

Roheisen (Hochofen) / Oxygenstahl 

Stahlschrott / Elektrostahl 

Stahlerzeugung 

Schmelzmetallurgie 

Rohstahlerzeugung 

• Erschmelzung im Lichtbogenofen oder Induktionsofen 

• Zulegieren der Legierungselemente 

(Vorlegierungen) 

• Abguß in Kokillen oder Strangguß 


Sekundärmetallurgie 

• Weitere Verbesserung der Stahlqualität durch: 

▫ Vakuumlichtbogenofen 

(verzehrende und nichtverzehrende Elektrode) 

▫ Elektroschlacke-Umschmelzen (ESU) 

• Verringerung des Gehalts an nichtmetallischen 

Verunreinigungen 


Vorteile: 

• Niedrigste Gasgehalte 

• Exakte Einstellung der 

Legierungselemente 

Vakuum Vakuum-Lichtbogenofen 

Lichtbogenofen mit nicht 

verzehrender Elektrode 

• Geringste nichtmetallische 

Einschlüsse 

Quelle: Böhler Edelstahl 


Vakuum Vakuum-Lichtbogenofen Lichtbogenofen mit verzehrender 

Elektrode 

Vorteile: 

• Optimale Blockstruktur 

• niedrigste Gasgehalte 

• gleichmäßige Verteilung 

verbleibender Einschlüsse 

• hohe Isotropie 



Elektroschlacke 

Elektroschlacke-Umschmelzen 

Umschmelzen 

Vorteile: 

• Optimale Blockstruktur 

• niedrigster Schwefelgehalt 

• höchster Reinheitsgrad 

(nichtmetallische Einschlüsse) 

• hohe Isotropie 



ESU-Qualität 

Konventionell 

Geschmiedet+ 

geglüht 

Konventionell 

gewalzt 



ESU-Qualität 

Seigerungen - Herstellung 

ESU-Qualität konventionell 


Mikroseigerungen - Herstellung 


Konventionell + geglüht 

Konventionell + gewalzt


Richtreihe Makroseigerungen 


Richtreihe Gefüge Warmarbeitsstahl 


• Umformung des erschmolzenen Stahls: 

– Walzen (flach, rund, Profil) 

– Ziehen 

– Schmieden 

• Wärmebehandeln 

– Glühen 

– Vergüten 

• Schälen 

• Fräsen, Schleifen 

Präzisionsflachstahl 

Weiterverarbeitung des Stahls 




Herstellung von PM PM-Stahl Stahl

• Pulververdüsung mit 

– Gas (Stickstoff, Edelgas) 

– Wasser 

– Flüssiggas 



Schmelzmetallurgischer Stahl 


Pulververdüsung 

Makroseigerungen 

PM-Stahl



Mikrogefüge 

Gleichmäßigkeit der Eigenschaften (Isotropie) 

Keine Gefügeunterschiede über dem Querschnitt 

Gleichmäßig fein verteilte Karbide 

Sehr gute Zähigkeitseigenschaften bei hoher Härte 

Geringe Richtungsabhängigkeit 

„Gute“ Bearbeitbarkeit 


Vorteile der PM PM-Stähle Stähle 

Herstellung (Design) einer optimierten Zusammensetzungen 

Höhere Karbidanteile als durch Schmelzmetallurgie möglich 

Lokal optimierte Zusammenstellung der Legierungskomponenten möglich 

Nachteil 

Kostenintensive Herstellung

Bezeichnung der Stähle - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe ...

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