04. Martensitische Edelstähle

Martensit, das härteste Strukturbauteil in Stählen, ist für die hohe Härte vieler scharfer Kantenwerkzeuge verantwortlich. Die Martensitbildung ist ein bemerkenswertes Phänomen in der Materialwissenschaft, und Schmiede wissen seit mindestens 3000 Jahren, wie man sie zur Herstellung von Werkzeugen wie Messern, Äxten und Pflügen nutzt. Daher hat Martensit eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung unserer Zivilisation gespielt.

Die ersten martensitischen Edelstähle, erfunden von Brearly in Sheffield und Krupp Stahl in Deutschland, kamen jedoch unmittelbar vor dem Ersten Weltkrieg auf den Markt. Die Erfindung von Brearly brachte Sheffield Ruhm, da sie die Grundlage für das berühmte Besteckgeschäft bildete.

Die außergewöhnliche Härte des Martensits ergibt sich aus der festen Lösung von Kohlenstoff, die zu einer Kristallstruktur führt, die körperzentriert tetragonal ist und somit von der kubischen Struktur abweicht, die sich durch Austenit und Ferrit auszeichnet (Abb. 1). Austenit, das eine Voraussetzung für die Bildung von Martensit ist, ist im geglühten Zustand recht weich. Aufgrund des im Austenit gelösten Kohlenstoffs und einer anschließenden Phasenumwandlung kann Martensit durch ein Abschreckverfahren gebildet werden, bei dem der Kohlenstoff in der in Abb. 1 angegebenen Position eingeschlossen wird. Die dadurch verursachte Kristallasymmetrie ist das Geheimnis hinter der extremen Härte des Martensits. Während kohlenstoffreicher Martensit eine Härte von 1000 HV erreichen kann, ist die Härte von Austenit typischerweise eine Größenordnung niedriger.

Figure 1. The crystal structure of martensite. Solid solution of carbon gives rise to an extension in the z-direction causing a tetragonal distortion. Carbon only enters the indicated positions (x and y are unoccupied).

Eine Teilmenge aller martensitischen Edelstähle mit 9-12 % Chromgehalt wird in Kohlekesseln verwendet. Dank neuester Forschungsergebnisse wurden diese so modifiziert, dass sie Temperaturen bis zu 600 °C oder sogar darüber standhalten. Diese Entwicklung hat zu einer höheren Arbeitseffizienz und weniger Kohlendioxidemissionen pro produzierter Energieeinheit geführt.

Der Schwerpunkt dieser Kolumne liegt jedoch auf martensitischen Edelstählen mit einem Chromgehalt von etwa 13 %, die in Konsumgütern verwendet werden. Beispiele hierfür sind Küchenutensilien und verschiedene andere Konsumgüter wie Rasierapparate und Rasierklingen, die den Menschen im Allgemeinen besser bekannt sind. Eine Auswahl an martensitischen Edelstählen ist unten in Tabelle 1 aufgeführt. Die meisten dieser Edelstähle fallen unter die Spezifikation der UNS S 42026 (EN 1.4021) oder sind Modifikationen, die auf diesem Thema basieren. Ein Grund für die Modifikation von Standard 42026-Legierungen ist die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit bei Anwendungen, bei denen die Standard-Zusammensetzung unzureichend ist. Da Lochkorrosion in chloridionenhaltigen Medien (z. B. in der Küche) ein mögliches Problem darstellt, ist es sehr hilfreich, den Gehalt an Chrom, Molybdän und sogar Stickstoff leicht zu erhöhen. So wird beispielsweise für die Reinigung von Küchenmessern in Geschirrspülern mehr als 13 % Chrom zum Korrosionsschutz benötigt (Abb. 2).

Figure 2. Kitchen knives typically contain 14 wt% chromium and 0.5 wt% carbon. A chromium content of 14% is adequate for cleaning in modern dish-washers. Photo: The author.

In einigen Anwendungen ist die Verschleißfestigkeit eine wesentliche Eigenschaft. Sandvik 19C27 wurde entwickelt, um diesen Bedarf in sehr anspruchsvollen Industrieanwendungen zu decken, bei denen Messer zum Schneiden von Kunstfasern, Papier und Polymerfolien verwendet werden. Aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts von 0,95 % ist der Volumenanteil der Hartmetalle recht hoch, was zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit beiträgt. Ein weiterer Effekt der hohen Kohlenstoffkonzentration ist jedoch, dass der Stabilitätsbereich der Carbide erweitert wird, was zu Schwierigkeiten bei der Vermeidung der Primärcarbide während der Produktion führt. Da diese recht groß sind, können sie bei der Austenitisierung nicht gelöst werden und sind zwangsläufig auch im Endprodukt vorhanden. Ein solcher Werkstoff ist nicht für Anwendungen geeignet, bei denen die Kantenqualität im Vordergrund steht, z. B. bei Rasierklingen. Die erhöhte Verschleißfestigkeit von Sandvik 19C26 wird daher auf Kosten der Kantenqualität erreicht.

Figure 3. Razor blades typically have a composition of 13% chromium and 0.7% carbon. The high hardness is achieved by an austenitizing treatment above 1000°C whereby carbon goes into solid solution followed by quenching to room temperature. Photo: The author.

Martensitische Edelstähle, die für Rasierklingenanwendungen optimiert sind, sind ausgewogen, um eine extrem feiner Dispersion von Hartmetallen im Lieferzustand zu erreichen (Abb. 3). Dies erleichtert die Auflösung von Carbiden während der Wärmebehandlung und setzt genügend Kohlenstoff frei, um den Martensit ausreichend zu härten. Hartmetallpartikel mit einer Größe von mehr als 2 µm sind nicht akzeptabel, da die Gefahr von Hautschädigung besteht.

Tabelle 1. Eine Auswahl an martensitischen Edelstählen.

Legierung C Si Mn Cr Sonstiges Anwendungen
UNS S 42026 0,32 0,2 0,3 13,5 - Scherköpfe, Küchenutensilien (Buttermesser, Kartoffelschäler, Hobel)
UNS S 42026 0,38 0,4 0,6 13,5 1,0 Mo Klappenventile, chirurgische Instrumente, Schneiden in Elektrorasierern, Fleischsägen, Rakel
UNS S 42026 0,52 0,4 0,6 14,5 - Werkzeuge mit qualitativ hochwertigen Kanten, die in Spülmaschinen gereinigt werden müssen (Küchenmesser, Scheren)
UNS S 42026 0,6 0,4 0,4 13,5 - Jagd- und Fischermesser, Taschenmesser, Schlittschuhkufen
UNS S 42026 0,62 0,2 0,6 14,0 0,11N Mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit. Jagd- und Fischermesser, Taschenmesser, Schlittschuhkufen
UNS S 42026 0,68 0,4 0,7 13,0 Rasierklingen, Skalpelle und Industriemesser
Sandvik 19C27 0,95 0,4 0,7 13,5 Verschleißbeständige Industriemesser zum Schneiden von synthetischen Fasern, Papier und Kunststofffolien

Wie wir feststellen konnten, bilden sich beim schnellen Abkühlen traditionelle martensitische Edelstähle aus Martensit. Es gibt noch weitere Möglichkeiten zur Bildung von Martensit. Eine davon ist die Einführung der plastischen Verformung eines austenitischen Edelstahls. Sie können dies gerne in meiner nächsten Kolumne über metastabile austenitische Edelstähle nachlesen.


Jan-Olof Nilsson worked for Sandvik for over 35 years as a materials expert and was Adjunct Professor of Physics at Chalmers University of Technology for 9 years. He is now an independent consultant specializing in duplex materials.

Dieser Artikel wurde erstmalig im Juni 2017 im Stainless Steel World Magazine veröffentlicht.

Jan-Olof Nilsson

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