Kälteeinwirkung auf Klingen

Die Wärmebehandlung von Stahl mit flüssigem Stickstoff (Kryoverfahren) ist in den letzten zehn Jahren zu einem der Haupttrends in der Messerindustrie geworden. Dies liegt vor allem an der weitverbreiteten Verwendung moderner Pulverstähle, von denen viele ihre Eigenschaften bei Anwendung dieser Technologie maximieren.

Die Kryobehandlung ermöglicht eine Erhöhung der Härte, Verschleißfestigkeit und Festigkeit durch die Umwandlung von Restaustenit in Martensit sowie eine Steigerung der Schlagzähigkeit und Verschleißfestigkeit von Stählen durch eine Zunahme der Anzahl von Karbiden. Das Abkühlen unmittelbar nach dem Abschrecken auf kryogene Temperaturen verändert die Eigenschaften des Stahls immer in eine bestimmte vorgegebene Richtung, da das Anlassen des Martensits ausgeschlossen wird. Dadurch ist es möglich, eine deutlich höhere Härte des abgeschreckten Stahls zu erreichen, die mit anderen Wärmebehandlungsverfahren praktisch unerreichbar ist. Betrachtet man die Stahlabkühlung aus physikalischer Sicht, so erfolgt eine beschleunigte Ausbildung der martensitischen Stahlstruktur beim Übergang vom Austenit. Martensit besitzt eine hohe Härte und eine Gesamtheit von Eigenschaften, die für Schneidwerkzeuge erforderlich sind. Die Abkühlung ermöglicht es, das Volumen des Austenits in Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt um das bis zu 6-fache zu reduzieren. Sie hilft auch, die während der Wärmebehandlung auftretenden Eigenspannungen zu verringern.

Die Kryobehandlung wird in der letzten Phase der Wärmebehandlung von Stahl eingesetzt. Die Hauptaufgabe dieser Behandlung ist die thermische Härtung des Metalls durch eine gezielte Veränderung seiner Struktur und Eigenschaften. Technologisch wird dieser Prozess in drei Hauptschritte unterteilt: 

• Abkühlung des Werkstücks auf die gewünschte Temperatur;

• Halten des Stahls im Gefäß für eine festgelegte Zeit bei einer festgelegten Temperatur; 

• langsames Erwärmen auf Raumtemperatur;

Am häufigsten werden Behälter mit flüssigem Stickstoff oder spezielle Niedertemperaturkammern verwendet, die mit einem elektronischen Steuerungssystem (kryogener Prozessor) ausgestattet sind, um eine kryogene Behandlung durchzuführen. Ein kryogener Prozessor ist eine Einheit, die Kühlung auf Temperaturen unter -150° C erzeugt, und zwar mit einer ziemlich gleichmäßigen und niedrigen Rate. Es ist notwendig, einen starken thermischen Einfluss auf das Werkstück zu verhindern, der zur Verschlechterung der Metallstruktur führt. Der erste kommerzielle Prozessor wurde Ende der 1960er Jahre entwickelt. Der gesamte Zyklus der Stahlbehandlung in modernen Kryoprozessoren dauert etwa 72 Stunden. Die ersten 24 Stunden werden genutzt, um die optimale Temperatur für das Werkstück zu erreichen, die zweiten 24 Stunden dienen dazu, das Werkstück bei dieser Temperatur zu halten, und die verbleibende Zeit wird verwendet, um langsam auf Raumtemperatur zurückzukehren. Es gibt Kryoprozessoren, bei denen extreme Temperaturen erreicht werden können, und die neben der kryogenen Behandlung auch das Anlassen von Metall durchführen können.  

Die meisten Messerhersteller haben jedoch keinen Zugang zu solchen High-Tech-Geräten und beschränken sich auf die Verwendung spezieller Gefäße. Zu diesem Zweck werden sogenannte „Dewar-Gefäße“ verwendet, die für die Langzeitlagerung von Substanzen bei erhöhten oder niedrigeren Temperaturen ausgelegt sind. In diesen Gefäßen wird die konstante Temperatur durch passive Methoden dank guter Wärmedämmung und interner Prozesse in der gelagerten Substanz aufrechterhalten. Ursprünglich war das „Dewar-Gefäß“ ein Glasflakon mit doppelten Wänden, aus deren Zwischenraum die Luft ausgepumpt wurde. In modernen Gefäßen bestehen der innere und äußere Teil aus Aluminium oder Edelstahl. Dabei sind das innere und äußere Gefäß durch einen gemeinsamen Hals verbunden. Um Wärmeverluste zu reduzieren, ist das innere Gefäß mit zusätzlicher Wärmedämmung versehen. Moderne „Dewar-Gefäße“ haben geringe Verdunstungsverluste. Die Kryobehandlungszeit in solchen Gefäßen unterscheidet sich deutlich von der in Kryoprozessoren. Meist wird eine Temperatur von etwa -198 °C verwendet. Die Kaltbehandlung beginnt unmittelbar nach dem Abschrecken. Das Werkstück wird für 2 Stunden im Gefäß gehalten, danach wird etwa die gleiche Zeit benötigt, um es auf Raumtemperatur abzukühlen.

Die Kryobehandlung von Messerstählen begann vor mehreren Jahrzehnten von Handwerkern eingesetzt zu werden. Sie entwickelten durch Experimente verschiedene Verfahren für die damals beliebtesten Messerstähle. Insbesondere wurde die Kryobehandlung von D2-Stahlklingen in den Vereinigten Staaten aktiv genutzt. Diese Methode führte nicht zu einer signifikanten Härtezunahme, ermöglichte jedoch eine Beschleunigung des gesamten Wärmebehandlungsprozesses. Verschiedene Schnellarbeitsstähle, die einer solchen Abkühlung unterzogen wurden, zeigten ebenfalls ähnliche Ergebnisse.

In der heutigen Ära der weitverbreiteten Verwendung von Pulverstählen ist die Kryobehandlung weltweit sehr beliebt geworden. Zum Beispiel erhöht der gebräuchliche S30V-Stahl seine Härte nach der Kryobehandlung um etwa 1,5 HRC, während alle seine Leistungseigenschaften erhalten bleiben. Ähnliche Ergebnisse werden mit dem beliebten Elmax-Stahl erzielt. Die neueste Generation von „Pulvern“, sogenannte „Superstähle“ wie S390, M398, S125V usw., werden bereits obligatorisch kryobehandelt.