Werkstoffbezeichnung

Verstehen der Werkstoffbezeichnung und Stahl Bezeichnung

Die Werkstoffbezeichnung ist eine systematische und standardisierte Methode, um die spezifischen Eigenschaften eines Werkstoffs zu identifizieren. Dies ist besonders wichtig in der Metallindustrie, wo es eine Vielzahl von Materialien gibt, die sich in Zusammensetzung und Eigenschaften stark unterscheiden können.

Eine Werkstoffbezeichnung für Stahl, beispielsweise, gibt Auskunft über die chemische Zusammensetzung, die mechanischen Eigenschaften und oft auch über die Wärmebehandlung des Stahls. Hier ist ein kurzer Überblick, wie eine Werkstoffbezeichnung aufgebaut ist:

1. Werkstoffnummer: Die Werkstoffnummer ist eine vier- bis sechsstellige Zahl, die in der DIN EN 10027-2 genormt ist. Sie ist eindeutig und ermöglicht eine weltweit einheitliche Identifizierung des Werkstoffs.
2. Werkstoffgruppe: Die ersten Ziffern der Werkstoffnummer geben Aufschluss über die Werkstoffgruppe. So stehen beispielsweise die Ziffern 1.4 für nichtrostende Stähle.
3. Chemische Zusammensetzung: Die nachfolgenden Ziffern geben Auskunft über die chemische Zusammensetzung des Stahls. Sie können beispielsweise den Kohlenstoffgehalt oder das Vorhandensein bestimmter Legierungselemente anzeigen.
4. Zustandssymbole: Eventuell angehängte Buchstaben können Informationen über die Wärmebehandlung (z.B. "H" für gehärtet) oder die mechanischen Eigenschaften (z.B. "Q" für vergütet) des Stahls geben.

Ein Beispiel für eine solche Bezeichnung ist "1.4301". Hier steht die "1" für Eisenbasislegierungen, die ".4" für nichtrostende Stähle und die "301" für die spezifische chemische Zusammensetzung dieses Stahls, in diesem Fall eine bestimmte Art von rostfreiem Stahl (auch bekannt als "Edelstahl").

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Werkstoffbezeichnung nur einen Überblick über die grundlegenden Eigenschaften des Stahls gibt. Für detailliertere Informationen, wie z.B. genaue Werte für Zugfestigkeit, Dehnung oder Härte, sollte man auf das Werkstoffdatenblatt des Herstellers zurückgreifen.

Die Kenntnis der Werkstoffbezeichnung ist ein wesentliches Werkzeug für Ingenieure, Techniker und alle, die mit der Auswahl und Verarbeitung von Stahl und anderen Metallen zu tun haben. Es ermöglicht eine genaue Identifizierung des Materials und hilft, die beste Wahl für eine bestimmte Anwendung zu treffen.

Duplex Stähle

Allgemeines

Als Duplex-Stahl werden Werkstoffe bezeichnet, die ein zweiphasiges Gefüge aufweisen (Ferrit und Austenit). Duplex-Stähle zeichnen sich durch ihre Kombination von Eigenschaften aus, die eine Mischung aus den Eigenschaften rostfreier Chromstähle (ferritisch oder martensitisch) und rostfreier Chrom-Nickel-Stähle (austenitisch) darstellen.

Sie haben höhere Festigkeiten als die rostfreien Chrom-Nickel-Stähle, weisen dabei aber eine höhere Duktilität auf als rostfreie Chromstähle. Ihr Verhalten bei wechselnder Beanspruchung weist bis zu einem Austenitanteil von ca. 40% im Gegensatz zu reinen Austeniten noch eine Dauerschwingfestigkeit auf. Die Duplex-Stähle zählen zu den rost- und säurebeständigen Stählen.

PREN-Index

Der PREN-Index ist ein Maß für die Korrosionsbeständigkeit eines Edelstahls. Die ASTM G48 legt die Prüfverfahren dazu fest.

Bei korrosionsbeständigen Stählen werden die für das Korrosionsverhalten entscheidenden chemischen Elemente durch die PREN, die einen Zusammenhang zwischen der Lochfraßbeständigkeit und der chemischen Zusammensetzung herstellt, zusammengefasst.

PREN = %Cr + 3,3 x %Mo (Ferritische Stähle)

PREN = %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N (Austenitische Stähle)

PREN = %Cr + 3,3 x %Mo + 30 x %N (Duplex-Stähle)

Ferritisch-austenitische Duplex-Stähle mit PREN > 40 werden auch als Superduplex-Stähle bezeichnet und zeichnen sich durch eine besonders hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Stähle mit PREN-Werten über 32 gelten als salzwasserbeständig.

Quellen:

DIN EN ISO 15156-3 - Erdöl- und Erdgasindustrie - Werkstoffe für den Einsatz in H2S-haltiger Umgebung bei der Öl- und Gasgewinnung - Teil 3: Hochlegierte Stähle (CRAs) und andere Legierungen
NACE MR0175/ISO 15156 - Petroleum and natural gas industries—Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production
ASTM G48 - Standard Test Methods for Pitting and Crevice Corrosion Resistance of Stainless Steels and Related Alloys by Use of Ferric Chloride Solution

Die Festigkeitsklasse bei Schrauben besteht aus zwei Zahlen, die durch einen Punkt getrennt werden. Die Zahl links entspricht 1/100 der Nennzugfestigkeit Rm in MPa. Die Zahl rechts vom Punkt gibt das 10-fache des Verhältnisses zwischen Streckgrenze Re und Zugfestigkeit Rm (Streckgrenzenverhältnis). Daraus ergeben sich folgende Werte: 0,6 / 0,8 / 0,9. Diese Verhältniszahlen werden mit 10 multipliziert und ergeben dann den Wert nach dem Punkt.

Beispiel:
Eine Schraube mit der Zugfestigkeit Rm = 1.000 MPa und einem Streckgrenzenverhältnis von 0,9 hat somit die Festigkeitsklasse 10.9.

Formel zur Ermittlung der Festigkeitsklasse

Zugfestigkeit Rm: 1. Zahl X 100
Streckgrenze Re: (1. Zahl X 100) X (2.Zahl / 10)

Beispiel:
Schraube 10.9

Zugfestigkeit Rm: 10 x 100 = 1.000 MPa
Streckgrenze Re: (10 x 100) x (9 / 10) = 1.000 x 0,9 = 900 MPa

Übersicht alte und neue Festigkeitsklassen

Quellen:

DIN 267-3 - Mechanische Verbindungselemente; Technische Lieferbedingungen; Festigkeitsklassen für Schrauben aus unlegierten oder legierten Stählen; Umstellung der Festigkeitsklassen
DIN EN ISO 898-1 - Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl - Teil 1: Schrauben mit festgelegten Festigkeitsklassen - Regelgewinde und Feingewinde

Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,22 % gelten nur noch als bedingt schweißbar, es sind zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise das Vorwärmen erforderlich. Der Kohlenstoffgehalt des Stahls alleine macht jedoch keine Aussage über die Schweißbarkeit, da diese auch von vielen anderen Legierungselementen beeinflusst wird. Zur Beurteilung wird daher das so genannte Kohlenstoffäquivalent (CEV) berücksichtigt.

Das Kohlenstoffäquivalent ist in der Werkstoffkunde ein Maß zur Beurteilung der Schweißeignung von unlegierten und niedriglegierten Stählen. Der Kohlenstoffgehalt und eine Vielzahl anderer Legierungselemente im Stahl beeinflussen sein Verhalten. Zur Beurteilung der Schweißeignung ist deshalb im Kohlenstoffäquivalent der Kohlenstoffgehalt und der gewichtete Anteil der Elemente, welche die Schweißeignung des Stahls ähnlich beeinflussen, wie es vom Kohlenstoff zu erwarten wäre, zu einem Zahlenwert zusammengefasst. Dabei impliziert ein Wert des Kohlenstoffäquivalents kleiner 0,45 % eine gute Schweißeignung. Höhere Werte erfordern - abhängig von der Verarbeitungsdicke - das Vorwärmen des Materials. Ab einem Wert größer 0,65 ist das Werkstück nur mit erhöhtem Aufwand schweißgeeignet, da es durch Martensitbildung zu Kalt- bzw. Härterissen kommen kann.

Ein gängiges Verfahren für die Berechnung des Kohlenstoffäquivalents (CEV) sieht folgendermaßen aus:

Die Legierungsanteile sind in Prozent einzusetzen. Häufig wird im Werkstoffzeugnis das Kohlenstoffäquivalent angegeben, sodass der Anwender diese Berechnung nicht selbst vornehmen muss. Unter Umständen ist jedoch die Nutzbarkeit des dort angegebenen CEV für die spezielle Anwendung zu hinterfragen.

Quelle:

Wittel, H. / Muhs, D. / Jannasch, D. / Voßiek, J. (2009) Roloff/Matek Maschinenelemente - Normung, Berechung, Gestaltung; 19. Auflage; Vieweg+Teubner Verlag; Wiesbaden