Restaustenit und kryogene Behandlung: Wann sich Tiefkühlen lohnt

Was Restaustenit ist

Das Abschrecken wandelt Austenit zwischen den Temperaturen für Martensitstart (Ms) und Martensitende (Mf) zu Martensit um. Bei einfachen kohlenstoffarmen Stählen liegt Mf oberhalb der Raumtemperatur und die Umwandlung vollendet sich. Bei hochkohlenstoffhaltigen und hochlegierten Stählen — Werkzeugstählen, Einsatzstählen, Lagerstählen — senken Kohlenstoff- und Legierungsgehalt Ms und Mf, und ein Anteil des Austenits wandelt sich einfach niemals um: Restaustenit, eine weiche Phase, die in das gehärtete Gefüge eingemischt ist.

Die Mengen variieren stark mit Sorte und Austenitisierungspraxis; Werte von wenigen Prozent bis zu rund 20–30% werden bei hochlegierten Werkzeugstählen berichtet, die vom oberen Ende ihres Temperaturbereichs gehärtet wurden.

Warum er wichtig ist

• Härte und Verschleiß: Restaustenit ist weicher als Martensit, sodass übermäßige Mengen Härte und Leistung bei Kontakt-Ermüdung kosten (Lagerstähle werden aus diesem Grund eng spezifiziert).
• Maßstabilität: Restaustenit ist metastabil. Er kann sich später umwandeln — unter Spannung, Schleifwärme oder Temperaturänderung — und die Umwandlung dehnt das Bauteil aus. Lehren, Präzisionswerkzeuge und Lagerbauteile, die im Betrieb aus der Toleranz driften, sind das klassische Symptom.
• Er ist nicht nur schlecht: Eine kleine, kontrollierte Menge kann der Zähigkeit und dem Wälzkontaktverhalten zugutekommen, und Anlassen allein wandelt einen großen Teil davon um (siehe unten).

Die Abhilfen, in Reihenfolge

1. Anlassen. Ein richtig gewähltes Anlassen (und bei Werkzeugstählen ein zweites Anlassen) zersetzt Restaustenit und lässt den entstehenden frischen Martensit an. Bei vielen Werkzeugen reicht dies aus und keine Kältebehandlung ist nötig.
2. Tiefkühlbehandlung — Abkühlen des frisch abgeschreckten Bauteils auf etwa −70 bis −85 °C (Bereich von Trockeneis oder mechanischer Kühlung) und kurzes Halten, was die Umwandlung näher an Mf treibt. Weit verbreitet bei Lager- und einsatzgehärteten Bauteilen.
3. Tieftemperatur-Kryobehandlung — Abkühlen auf Flüssigstickstofftemperaturen, rund −196 °C, mit langsamem kontrolliertem Abkühlen und Erwärmen, üblicherweise über viele Stunden gehalten und immer gefolgt von Anlassen. Über das Vollenden der Austenitumwandlung hinaus wird der tiefen Kryobehandlung nachgesagt, eine sehr feine Karbidausscheidung in Werkzeugstählen zu fördern; der Nutzen für die Maßstabilität ist gut belegt, während die Größe des Nutzens für die Verschleißlebensdauer je nach Sorte und Studie variiert.

Sequenzregeln, die über den Erfolg entscheiden

• Unverzüglich nach dem Abschrecken behandeln — verzögerte Bauteile können den Austenit stabilisieren, und beanspruchte Bauteile können reißen, wenn sie im abgeschreckten Zustand belassen werden.
• Schrittweise abkühlen und erwärmen; dünne Querschnitte und komplexe Werkzeuge sind in beiden Richtungen empfindlich gegenüber einem Wärmeschock.
• Immer anschließend anlassen. Frischer Martensit, der in der Kälte gebildet wurde, ist unangelassen und spröde; ein Kryozyklus, der bei Raumtemperatur ohne Anlassen endet, hat das Bauteil schlechter gemacht.

Wann es sich lohnt

Eine Tiefkühl- oder Kryobehandlung verdient ihre Kosten bei: Präzisionslehren und Meistern, hochwertigen Schneid- und Umformwerkzeugen, Lagerbauteilen mit engen Restaustenit-Grenzwerten und Werkzeugen, deren Toleranzen ein Wachstum im Betrieb nicht aufnehmen können. Bei allgemeinen Maschinenbauteilen aus Stählen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt — die von vornherein wenig Austenit zurückbehalten — fügt sie Kosten hinzu, ohne einen Mechanismus, sie zurückzuzahlen.