Messer schleifen. von Leonhard Ullrich

Hintergründe zum Stahl

Welche Eigenschaften muss ein Stahl haben, um gute Messer hervorbringen zu können?

Klingenmaterialien

Verschiedene Aspekte führen zur Auswahl des sinnvollen Klingenstahls für ein Messer, aber was macht den Klingenstahl eigentlich wirklich aus? Viele Leute achten beim Messerkauf nur auf die Stahlbezeichnung, aber die alleine gibt nicht Auskunft wie dieses eine spezielle Messer performt. Hier spielen noch viel mehr Dinge, wie die Wärmebehandlung, die Einfluss auf Härte und Gefügestruktur nimmt, die Heftigkeit der Verarbeitungssschritte, etc. mit rein. Leider geben die Stahlhersteller meist nur die Stahlsorte an und in seltenen Fällen noch die Härte. Daher möchte ich mich dem Thema Stahl erstmal von der theoretischen Seite nähern.

Was ist Stahl?

Eisen wird durch die Zugabe von Kohlenstoff zu Stahl. Zusätzlich enthalten viele Stähle zur Anpassung und Verbesserung der Eigenschaften weitere Legierungsbestandteile (Legierung bedeutet ) wie Chrom, Molybdän, Mangan, Vanadium, Niob, Wolfram und andere. Diese Bestandteile interagieren zum einen mit der Stahlmatrix (z.B. Chrom, was dazu führt, dass der Stahl beständiger gegen Rost wird) zum anderen aber auch mit dem Kohlenstoff (z.B. Vanadium, Wolfram, aber auch Chrom), was zur Bildung von Karbiden führt. Mehr zu diesen wichtigen Karbiden erkläre ich weiter unten.

Wie wirken sich die Legierungsbestandteile auf die Stahleigenschaften aus?

Legierungsbestandteile verändern die Stahleigenschaften teilweise gegensätzlich, daher gibt es viele Legierungen, die zu Stählen mit unterschiedlichen Eigenschaften führen. Hier ein paar Beispiele für die Auswirkungen, die typische Legierungsbestandteile im Stahl haben können (sicherlich nicht vollständig):

  • Kohlenstoff: ermöglicht das Härten von Stahl und liefert den Kohlenstoff für die Karbide
  • Chrom: erhöht die Rostbeständigkeit und Verschleissfestigkeit, ist aber ein agressiver Karbidbildner und reduziert die maximal erreichbare Schärfe eines Stahls
  • Molybdän: verbessert die Härtbarkeit
  • Mangan: erhöht die Zähigkeit
  • Vanadium: erhöht die Verschleissfestigkeit, Karbidbildner
  • Wolfram: erhöht die Verschleissfestigkeit, Karbidbildner
  • Nickel: erhöht die Zähigkeit
  • Silizium: behindert die Bildung von Karbiden

Wie wird Stahl normalerweise hergestellt?

Die Legierungsbestandteile werden in das geschmolzene Eisen gegeben und lösen sich bei den hohen Temperaturen darin. Beim Abkühlen erfährt der Stahl je nach Abkühlgeschwindigkeit Gefügeänderungen, Karbide bilden sich und wachsen, bei zu hoch legierten Stählen kann es auch zu Abscheidungen von Legierungsbestandteilen kommen, die bei niedrigerer Temperatur nicht in Lösung gehalten werden können.

Es werden Rohlinge aus dem Stahl hergestellt bei Messerstählen oftmals Bleche in Messerstärke, aus denen dann von den Messerherstellern die Klingenformen ausgestanzt, gesägt, ausgelasert, oder durch Umformen und anschließende Schleifschritte und die Wärmebehandlung und eventuelle Politur zu Messerklingen verarbeitet werden.

Was ist pulvermetallurgischer Stahl?

Pulvermetallurgischer Stahl auch PM Stahl zeichnet sich meist durch ein feinkörniges Gefüge, aber trotzdem sehr hohe Anteile von Karbiden aus. Typische Vertreter dieser Stähle sind CPM S30V, CPM S35V, CPM S60V, Böhler N690, N695 aber auch andere. Sie sind eher bei den hochwertigen Messern, meist bei Jagdmesser zu finden, aber kommen inzwischen auch bei dem einen oder anderen Küchenmesser zum Einsatz.

Normalerweise würden sich die hohen Anteile an Karbiden im Stahl bei normaler Herstellung Raumtemperatur im Stahl gar nicht sinnvoll verteilen, sondern ähnlich wie eine Fleischbrühe beim Erkalten Fettaugen absondert, scheidet Stahl beim langsamen Abkühlen Legierungsbestandteile ab, die zuviel für die Stahlmatrix sind.

Um dennoch Stähle mit sehr hohen Karbidmengen feinkörnig herstellen zu können, wird ein Trick verwendet. Der flüssige Stahl wird mit einer Düse zerstäubt und schlagartig abgekühlt. Die Abkühlzeit reicht nicht aus, um die überschüssigen Legierungsbestandteile abzuscheiden. Statt dessen erhält man ein extrem feines Stahlpulver, das dann unter hohem Druck leicht unterhalb der Schmelztemperatur in Formen gepresst wird. Das Ergebnis ist ein Stahl mit feinkörnigem Gefüge (aber immer noch etwas gröber als reine Kohlenstoffstähle) und dennoch vielen Karbiden. Solche Stähle können eine enorme Schnitthaltigkeit und höhere maximale Schärfe aufweisen als hochlegierte Stähle, die herkömmlich hergestellt werden. Sind jedoch je nach Schleifkörnung, Schleifmittel, Härte und Gefügegröße der Karbide auch etwas schwieriger zu schärfen.

Was ist die Wärmebehandlung?

Damit der Stahl seine messerrelevanten Eigenschaften erhält, muss er wärmebehandelt werden. Dabei ändert sich ein großer Teil des Gefüges des Stahls vom Austenit auf das für uns Messerfreunde relevante Martensit. Dazu wird der Stahl zunächst auf die materialabhängige Härtetemperatur gebracht, dort gehalten und dann sehr schnell abgekühlt (durch Abschrecken in Wasser, Öl, Salzbad und bei einigen Stählen auch an Luft). Dabei verspannt sich das Stahlgefüge, wird härter aber auch spröder.

Durch einen nachfolgenden Anlassschritt wird die Klinge für ca. 1 Stunde einmal oder auch mehrfach auf Temperaturen, je nach Stahl zwischen 180 °C und 550°C beginnen erhitzt und gehalten. Dabei entspannt sich das Gefüge wieder etwas, die Härte geht leicht zurück und der Stahl verliert Sprödigkeit und gewinnt dafür mehr Zähigkeit (bricht also weniger leicht).

Durch eine abschließende Tieftemperaturbehandung versuchen manche Stahlhersteller das Gefüge noch weiter zu verbessern, da bei diesen Temperaturen nochmals eine Restaustenitumwandlung stattfinden kann.

Je nachdem wie lange das Messer auf der Härtetemperatur gehalten wird, wie schnell es abgekühlt wird und wie tief sie abgekühlt wird und bei welcher Temperatur sie wieder angelassen wurde ändern sich dabei für das Messer sehr wichtige Parameter wie Gefügefeinheit, Härte und Karbidgröße.

Was ist die Wärmebehandlung wissenschaftlich?

Achtung, wem es zu kompliziert wird diesen Abschnitt einfach überspringen.

Für das Härten von Stahl bei Messern ist primär das Umwandlungshärten relevant. Die Klinge aus härtbarem Stahl wird so hoch erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten, bis sich das Alpha-Eisen, auch Ferrit, was in einer kubisch-raumzentrierten Gitterstruktur vorliegt, genannt, das bei Raumtemperatur vorliegt, in Gamma-Eisen, das als Austenit bezeichnet wird, umwandelt. Nicht dass wir und falsch verstehen, dabei schmilzt der Stahl nicht, er ändert nur seine Gefügestruktur. Dabei löst sich das Zementit (Fe3C, also im Prinzip Eisenkarbid) auf und gibt somit den bisher gebundenen Kohlenstoff für den übrigen Stahl frei. Im Austenit ist nun der Kohlenstoff gelöst. Würde ich jetzt langsam abkühlen, entsteht wieder der Ausgangszustand aus Ferrit und Zementit.

Wir wollen jedoch einen harten Stahl erzeugen, dazu kühlen wir den Stahl schneller ab als die relativ langsamen, oben beschriebenen Diffusionsvorgänge rückwärts ablaufen können. Dadurch kann sich der Stahl nicht mehr in Ferrit und Zementit entmischen, sondern die Kohlenstoffatome sind im Weg und verhindern, dass das Austenit wieder in die kubisch-raumzentrierte Gitter zurückumwandeln kann. Statt dessen klappt das Gefüge um zu einem durch den Kohlenstoff verzerrten kubisch-raumzentrierten Gitter, dem sogenannten Martensit. Je schneller und je tiefer ich abkühle, desto mehr Martensit entsteht. Durch eine Unterkühlung mit flüssigem Stickstoff kann noch vorhandenes Restaustentit zum Teil noch zu Martensit umgewandelt werden.

Wie wichtig ist die Wärmebehandlung?

Über die Wärmebehandlung liest man in Messeranzeigen der Hersteller so gut wie nie etwas, obwohl sie einen maßgeblichen Einfluss auf die Qualität des Messers hat. Bei manchen Herstellern wird sie ein wenig wie ein Betriebsgeheimnis gehandhabt. Es muss Euch allerdings klar sein, dass ich aus einem guten Messerstahl mit einer schlechten Wärmebehandlung ein schlechteres Messer machen kann als aus einem einfachen Messerstahl mit perfekter Wärmebehandlung.

Härte

Wenn ein Stahl genug Kohlenstoff enthält, kann er durch eine Wärmebehandlung gehärtet werden. Diese Härte ist die Härte der Stahlmatrix, nicht die Härte der Karbide. Mit höherer Härte steigt die Schnitthaltigkeit des Stahls, aber auch die Bruchempfindlichkeit der Schneidkante und der ganzen Klinge. Daher sind Macheten und Haumesser meist auf niedrigere Härten angelassen als Messer für feine, kontrollierte Schnitte.
Die Härte entsteht im Härteprozess durch schnelles gezieltes Abkühlen (stahlabhängig z.B. Abschrecken in Öl, Wasser oder auch Luft). Die sich dabei bildende sogenannte Ansprungshärte liegt über einer sinnvollen Härte für Messer. Fällt so ein Messer runter auf den Boden, kann es leicht zerbrechen. Aus diesem Grund werden Messer nach dem Härten noch angelassen, wobei der Stahl etwas Härte verliert, aber dafür mehr Zähigkeit erhält.

Karbide und Karbidgröße

Wie oben geschildert bilden die Karbidbildner unter den Legierungselementen zusammen mit dem Kohlenstoff Karbide. Karbide sind deutlich härter als der Stahl und erhöhen so die Verschleissfestigkeit des Stahls.

Bildlich könnt Ihr Karbide und Stahl als Zähne mit Zahnfleisch verstehen. Das Zahnfleisch ist die Stahlmatrix, die durchdrungen ist von vielen kleinen Zähne. Wenn Ihr eine Messergeometrie aus diesem Material schleift, dann kann der Schleifstein das Zahnfleisch (Stahlmatrix) gut abtragen, aber die Zähne bieten ihm durch ihre hohe Härte sehr viel Widerstand beim Schleifen. Ist das Schleifkorn grob genug, können die Zähne allerdings auch unterschnitten werden, also ohne von den Zähnen Material abzutragen mit dem umgebenden Zahnfleisch entfernt werden.

Wenn das umgebende Zahnfleisch soweit runtergeschliffen ist, dass ein Zahn im Schneidkantenbereich liegt, dann bleibt die Schneidkante solange auf der Größe des Zahnes, bis der Zahn ausbricht, weil drum herum zuviel Zahnfleisch weggeschliffen wurde. Also gilt, je gröber die Karbide, desto gröber die Schneidkante und desto stumpfer die mögliche Maximalschärfe des Messers. Große Zähne brechen aber auch nicht so leicht aus, daher gilt auch, dass diese niedrigere Schärfe länger gehalten werden kann. Eine Kauleiste (Zahnfleisch ohne Zähne), also Stahl, der nur aus Eisen und Kohlenstoff besteht, könnt Ihr dagegen auf extrem hohe Schärfen bringen, die aber nicht so lange diese Schärfe halten können.

Grobe Karbide führen aber auch dazu, dass an der Kontaktstelle zwischen den Karbiden und der umgebenden Stahlmatrix eine Art Sollbruchstelle ist. Wenn die Karbide zu groß werden, kann das Messer leichter bei schlagender Beanspruchung brechen. Weiterhin erschweren große Karbide das Nachschärfen von Messern. Sind die Karbide deutlich kleiner als das das Schleifkorn, kann das Schleifkorn die Matrix zusammen mit dem Karbid entfernen. Bei größeren Karbiden als das Schleifkorn muss erst von dem Matrixmaterial in der Umgebung des Karbids sehr viel Material abgetragen werden, bis es schlussendlich ausbricht. Daher verschleissen die Schleifsteine beim Schleifen von karbidreichen groben Stählen auch mehr als bei feinen karbidreichen Stählen. Die weich gebundenen japanischen Steine schlämmen bei diesen Stählen oft gewaltig.

Die Größe der Karbide lässt sich über den Fertigungsprozess und die Wärmebehandlung steuern, ist aber keine reine Kenngröße des Stahls. Ein jeder Stahl lässt sich sowohl mit großen, wie auch mit feinen Karbiden herstellen, ohne dass Ihr durch Ansehen von außen einen Unterschied erkennen könnt.

Für eine feine Schneide und gute Schnitthaltigkeit sollten also im Idealfall die Karbide sehr fein und extrem hart sein. Wenn das der Messerhersteller schafft, wird ein gutes Messer draus.

Schnitthaltigkeit

Je länger ein Messer auf hohen Schärfeniveau eingesetzt werden kann, ohne merklich abzustumpfen, desto größer ist die Schnitthaltigkeit. Die Schnitthaltigkeit hängt nicht nur vom verwendeten Stahl ab, sondern auch von Schneidkantengeometrie, Wärmebehandlung, Karbidgröße, Härte und vielem mehr ab.

Erreichbare Schärfe

Nicht jeder Stahl kann auf jede Schärfe gebracht werden. Hier ist das Stahlgefüge von besonderer Bedeutung. Dabei spielt die Wärmebehandlung eine sehr wichtige Größe, sie bestimmt die Größe der Karbide.

Niedriglegierte Stähle, die nur aus Eisen und Kohlenstoff, aber ohne agressive Karbidbildner wie Chrom werden oftmals als Kohlenstoffstahl oder Karbonstahl (auch Carbonstahl) bezeichnet. Sie haben das Potential zu einem sehr feinen Gefüge und können meist schärfer geschliffen werden als Stähle mit Karbiden. Daher ziehe ich bei Rasiermessern rostende Klingen den rostträgen Klingen vor.

Aber bitte nicht Schärfe mit Schnittfreudigkeit verwechseln.

Nachschärfbarkeit

Alle Messer werden irgendwann stumpf. Dann müssen sie nachgeschärft werden. Je härter der Stahl bzw. je mehr große und harte Karbide in ihm sind, desto schwieriger lässt sich ein Messer im Vergleich zu einem weicheren Messer mit vergleichbaren Karbiden, bzw.zu einem gleich harten Stahl mit weniger großen oder weniger harten Karbiden schleifen.
Unterwegs kann eine leichtere Nachschärfbarkeit auf Kosten der Schnitthaltigkeit durchaus Sinn machen, damit ein Messer auch mit einfacheren Mitteln noch nachgeschärft werden kann.

Rostbeständigkeit

Chrom, das frei und nicht in Karbiden gebunden in der Stahlmatrix vorliegt, erhöht die Rostbeständigkeit eines Stahles. Leider wird in Deutschland das Wort "rostfrei" inflationär verwendet. Ab ca. 12,5 % freiem Chrom in der Stahlmatrix kann in Deutschland ein Stahl als "rostfrei" bezeichnet werden. Unter Umgebungseinflüssen wie Meerwasser, Salzkontakt, aber auch bestimmten sauren Bedingungen rosten nämlich auch diese "rostfreien" Messer. Daher ziehe ich die weniger irreführende Bezeichnung "rostträge" vor (im englischen Raum wird hier ja auch nur mit "stainless" und nicht mit "stainfree" geworben.

Als Kohlenstoffstahl wird meist ein niedriglegierter rostender Stahl bezeichnet. Bei Kontakt mit säurehaltigen Lebensmitteln wie Obst oder auch Zwiebeln verfärbt sich die Klinge und das Lebensmittel läuft an. Dabei entsteht eine Patina auf der Klinge, die das weitere Anlaufen verlangsamt und daher nicht weggeschliffen werden sollte.