Einfluss von Legierungselementen auf Stahl

Effect of Alloying Elements on Steel

Stahl wird durch Legierung von Eisen mit Kohlenstoff hergestellt.  Für die Stahlproduktion kann recyceltes Material aus Eisenerz oder Stahlschrott verwendet werden. Der flüssige Stahl wird im Gießverfahren als Barren oder im Stranggussverfahren als Knüppel oder Vorblöcke geformt.  Legierungselemente spielen eine sehr wichtige Rolle für die Stahleigenschaften. Besonders in den letzten zwei Jahrhunderten hat die Menschheit von Stahl und Legierungselementen sehr stark profitiert. Wir können diesen Legierungsprozess anhand des Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramms untersuchen. Eisen und Kohlenstofflegierungen werden in zwei Klassen eingeteilt: Stahl und Gusseisen. Wir bezeichnen Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 2,14 % im Eisen als Stahl. Ab dieser Zusammensetzung bis zu einer Kohlenstoffzusammensetzung von 6,7 Gewicht.-% spricht man von Gusseisen. Eine eutektische Umwandlung findet bei 727 ̊ C Grad statt und enthält 0,76 Gewichtsprozent Kohlenstoff. 

Alloying Elements -Iron-Carbon Phase Diagram

1. Kohlenstoffstähle;

  • Kohlenstoffarme Stähle (C <0.25%)
  • Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0.25% <C <0.55%)
  • Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt (0.55% <C)

2. Legierte Stähle;

  • Niedriglegierter Stahl

Niederlegierte Stähle enthalten weniger als 5 % Legierungselemente in ihrer Zusammensetzung.

  • Hochlegierte Stähle

Hochlegierte Stähle enthalten mehr als 5 % Legierungselemente in ihrer Zusammensetzung.

3. Stähle nach dem Legierungselement;

  • Rostfreie Stähle
  • Mangan-Stähle
  • Chrom-Nickel-Stähle

Stahl wird in vielen verschiedenen Bereichen verwendet wie z. B. in Küchen- und Haushaltsgeräten, in der Automobilindustrie, in der Erdölindustrie, in der Lederindustrie, in der chemischen Industrie, für Pumpen und Kompressoren, in der Luftfahrt und in der Atomindustrie. Entsprechend den Einsatzgebieten werden einige Änderungen an den Eigenschaften vorgenommen. Die Eigenschaften von Stahl hängen vom Kohlenstoffgehalt und den Legierungselementen ab. Jedes Legierungselement verleiht dem Stahl unterschiedliche Eigenschaften in unterschiedlichem Maße. Die Hersteller produzieren Materialien die den Erwartungen entsprechen, indem sie diese Zusammensetzungen einstellen. Sie müssen auch die Spezifikationen für verschiedene Branchen erfüllen. Die Erwartung, dass ein Material alle Eigenschaften optimal erfüllt, ist sowohl sehr schwierig als auch kostspielig. Daher ist es sehr wichtig, den Einsatzbereich zu bestimmen welche Eigenschaften bei diesem Einsatz am wichtigsten sind.

Bei der Konstruktion eines Wasserhahns für den Hausgebrauch wird dieses Material beispielsweise häufig mit Wasser in Berührung kommen. Aus diesem Grund ist das Korrosionsrisiko hoch. Die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs sollte hoch sein. Andererseits ist eine hohe Druckfestigkeit für dieses bestimmte Material nicht erforderlich.

Legierungselemente und ihr Einfluss auf den Stahl

Alloying Elements and How They Effect the Steel

Kohlenstoff, das wichtigste Legierungselement des Stahls. Der erhöht die mechanischen Eigenschaften wie z. B. Festigkeit, Härte und mechanische Beständigkeit.  Neben dieser Zunahme nehmen jedoch Verformbarkeit, Duktilität und Zähigkeit ab. Darüber hinaus kann die Zugfestigkeit bis zu einem gewissen Punkt steigen. Die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts in der Zusammensetzung des Stahls verringert die Duktilität. Daher besteht bei Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt die Gefahr der Rissbildung aufgrund von Restaustenit, der nach der Wärmebehandlung auftritt.  Dies wirkt sich negativ auf die Schmiede- und Schweißeigenschaften des Stahls aus.

Chrom ist das am meisten verwendete Legierungselement in Stahl. Die wichtigste Eigenschaft des Chroms ist, dass es den Stahl durch die helle Oxidschicht, die es auf der Stahloberfläche bildet, rostfrei macht. Die Zusammensetzung von rostfreiem Stahl besteht zu etwa 12 % aus Chrom. Chrom erhöht auch die Härte durch Karbide, die es im Stahl bildet. Chrom erhöht zwar die Zugfestigkeit und die Wärmebeständigkeit wie Kohlenstoff, verringert aber die Duktilität.

Nickel, das ein sehr wichtigtes Leigerungselement ist, kann in Stählen bis zu 5 Gewichtsprozent der Zusammensetzung ausmachen. Im Gegensatz zu Chrom und Kohlenstoff erhöht Nickel die Härte und Festigkeit des Materials, ohne die Duktilität und Zähigkeit zu verringern. Es wird häufig in rostfreiem Stahl verwendet.

Mangan verbessert die mechanischen Eigenschaften von Stählen. Dieses Leigerungselement erhöht die Festigkeit und verringert die Duktilität. Es erhöht die Verformbarkeit, indem es mit dem Schwefel reagiert. Aus thermischer Sicht erhöht es die Einhärtetiefe. Die Fähigkeit von Mangan, Härte und Festigkeit zu erhöhen, hängt auch von der Kohlenstoffzusammensetzung des Materials ab. Es kann auch zu einer Verbesserung der Schweißbarkeit des Werkstoffs führen.

Schwefel ist außer bei Automatenstahl ein unerwünschtes Legierungselement, denn er macht den Stahl spröde. Aus diesem Grund wird die Wirkung durch die Reaktion mit Mangan minimiert. Es ist erwünscht, dass es in der Zusammensetzung enthalten ist, da es die Bearbeitung in Automatenstählen erleichtert.

Silicium wird bei der Produktion als Sauerstoff- und Entgasungsmittel verwendet. Außerdem sorgt es für Fließfähigkeit beim Gießen. Es verbessert die magnetischen Eigenschaften von Stahl und erhöht seine Hitzebeständigkeit. Es erhöht zwar die Härtbarkeit des Materials, beeinträchtigt aber die Oberflächenqualität.

Molybdän: Es wird verwendet, um die Anlaßsprödigkeit von molybdän-, chrom- und nickelhaltigen Stählen zu verhindern. Es erhöht zudem die Hitzebeständigkeit von Stahl. Molybdän hat den Effekt, die Wirkung anderer Legierungselemente zu verstärken. Daher wird es häufig nicht allein, sondern in Kombination mit anderen Legierungselementen verwendet. Molybdän verbindet sich mit Kohlenstoff und bildet Karbid. Da Karbide die Härte erhöhen, werden häufig Werkzeugstähle verwendet.

Vanadium erhöht die Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit von Stählen. Geringe Mengen an Vanadium können die Kornvergröberung verhindern. Anlassen und Erweichen nach der Wärmebehandlung führen zu keinen Ergebnissen. Aus diesem Grund wird es häufig in Werkzeugstählen verwendet.

Wolfram erhöht die Verschleißfestigkeit, Härte und Zähigkeit von Stählen. Es verleiht dem Material Formbarkeit bei hohen Temperaturen. Aus diesem Grund wird es gerne in Werkzeugstählen und Schnellarbeitsstählen eingesetzt. Zudem wird es in hitzebeständigen Stählen verwendet.

Kobalt verlangsamt die Kornvergröberung bei hohen Temperaturen. Außerdem erhöht es die Wärmebeständigkeit des Werkstoffs und die Festigkeit bei hohen Temperaturen.  Aus diesem Grund wird es in Werkzeugstählen bevorzugt.

Aluminium wird als Desoxidationsmittel verwendet. Es hat eine kornverfeinernde Wirkung und verhindert daher das Wachstum von Austenitkörnern. Außerdem erhöht es die Alterungsbeständigkeit. Aus diesem Grund enthalten tiefgezogene Bleche Aluminium in ihrer Struktur.

Phosphor macht ebenso wie Schwefel den Stahl spröde. Aus diesem Grund ist Phosphor auch unerwünscht. Er erhöht die Härtbarkeit des Stahls und verursacht einen starken Rückgang der Duktilität. Dieser Rückgang ist vor allem bei Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt zu beobachten.

Kupfer verleiht dem Stahl Korrosionsbeständigkeit und Härteeigenschaften. Gleichzeitig verringert es aber die Duktilität sehr stark. Aus diesem Grund wird sein Anteil in der Zusammensetzung auf maximal 0,5 % beschränkt.

Stickstoff erhöht die Festigkeits- und Härteeigenschaften des Stahls. Er erhöht die Härte durch die Bildung von Nitriden in der Struktur des Stahls und erleichtert den Bearbeitungsprozess. Er erhöht zudem die Zerbrechlichkeit.

Reference

©[2019] Yena Engineering

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