Tiefkühlen von Stahl | Optimale Härte und Struktur

Was ist Tiefkühlen von Stahl?

Nach der Wärmebehandlung bleibt im Werkstück abhängig vom verwendeten Material eine meist unerwünschte instabile Phase im Stahl zurück – der Restaustenit. Die gezielte Umwandlung dieser Phase in eine martensitische Struktur kann durch Kombination konventioneller Wärmebehandlungstechniken mit Tiefkühlen erfolgen. Das Tiefkühlen ist oft die technisch und wirtschaftlich einfachste und sinnvollste Methode, um die angestrebten Werkstoffeigenschaften zu erzielen und Gefügeveränderungen während des Gebrauchs zu verhindern.

Das Tiefkühlen ist ein Verfahren, bei denen Werkstücke bei einer Temperatur unter Raumtemperatur, oft im Bereich zwischen -20 °C bis -80 °C behandelt werden. Die Behandlung kann ein einmaliger, oder ein mehrmaliger zusätzlicher Schritt im Härteprozess sein, um optimale Ergebnisse in Bezug auf Härte und Struktur des Materials zu erzielen, oder sie kann Teil eines Alterungsprozesses sein.

Tiefkühlen Verfahren

Bei hoch kohlenstoffhaltigen Stählen (> ca. 0,6 %), oder bei Stählen nach einer Einsatzhärtung reicht die Abschrecktemperatur des verwendeten Mediums nicht aus, um ein monophasiges Härtungsgefüge (Martensit) zu erzielen. Das heißt, das beim Härtungsprozess bei hohen Temperaturen vorliegende Austenitgefüge kann nicht komplett umwandelt und es bleibt ein gewisser Anteil Austenit übrig, der sogenannte Restaustenit. Dieser Restaustenit ist deutlich weicher als das Härtungsgefüge und ist auch von den Atomgittervolumen kleiner. Dies könnte beim Einsatz der Bauteile zu Problemen führen. Deshalb muss auch meistens dieser Restaustenit nachträglich in ein Härtungsgefüge (Martensit) umgewandelt werden. Der Umwandlungspunkt abhängig vom jeweiligen Kohlenstoffgehalt liegt dabei im Temperaturminusbereich (< 0 °C).

Für das Tiefkühlen benutzt man flüssigen Stickstoff, der in einer Tiefkühlkammer in gasförmigen Stickstoff umwandelt. Der Prozess beinhaltet dabei ein langsames Abkühlen auf Behandlungstemperatur, eine gewisse Haltezeit und ein langsames Erwärmen auf Raumtemperatur.

Nach jedem Tiefkühlprozess muss ein erneutes Anlassen erfolgen.

Tiefkühlen Vorteile

Das Tiefkühlen hat den Vorteil, dass man wirtschaftlich und relativ schnell die Restaustenit-Umwandlung durchführen kann, ohne die Bauteile einer höheren Temperatur aussetzen zu müssen, was aus technischen Gründen oft nicht möglich ist.

Erzielung einer höheren Oberflächenhärte
Reduzierung von oberflächennahen Gefügeeigenspannungen
Reduzierung von Rissgefahr

Anwendungsgebiete

Besonders wichtig bei Bauteilen, die im Einsatz keine Volumen- oder Längenänderungen durch Gefügeveränderungen erfahren dürfen, z.B. Messmittel, Werkzeuge, Automobil- und Luftfahrtbauteile. Zudem benötigen wir eine maximale Oberflächenhärte.

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Häufig gestellte Fragen zum Tiefkühlen von Stahl

Was ist das Tiefkühlen von Stahl?

Beim Tiefkühlen von Stahl handelt es sich um einen Prozessschritt bei der Wärmebehandlung, bei dem das Werkstück für eine notwendige Gefügeveränderung nicht erwärmt, sondern tiefgekühlt wird. In den meisten Fällen wird dabei der vorliegende Restaustenit in ein martensitisches Härtungsgefüge umgewandelt.

In welchen Anwendungen wird das Tiefkühlen von Stahl eingesetzt?

Meistens bei höher kohlenstoffhaltigen Stählen, oder bei Stählen, die einsatzgehärtet wurden. Das Tiefkühlen findet immer im Nachgang einer klassischen Wärmebehandlung statt.

Wie lange dauert das Tiefkühlen von Stahl?

Der Gesamtprozess (Abkühlen, Halten, Aufwärmen) kann schon mehrere Stunden dauern, abhängig von der Bauteilgeometrie und speziellen Kundenvorgaben.

Können alle Teile oder Komponenten aus Stahl tiefgekühlt werden, oder gibt es Einschränkungen?

Eigentlich kann man alle Bauteile tiefkühlen. Es sollte nur auf Thermoschock-Situationen verzichtet werden. Das passiert häufig, wenn man zum Tiefkühlen die Bauteile in den flüssigen Stickstoff mit -196 °C behandelt. Dann sind bei komplizierten Bauteilgeometrien Rissbildungen möglich.