Hotline: +49 7932 9155 - 0

Werkstoffe

Bezeichnungssystem für Stähle

Aufbau der Werkstoffnummer

Für eine Vielzahl der heute bekannten Werkstoffe (speziell auch für die Eisen- und Nichteisenwerkstoffe) ist eine eindeutige Bezeichnung festgelegt worden (vgl. DIN EN 10027-2).

Werkstoffhauptgruppen

Nummer Bezeichnung
0 Roheisen, Ferrolegierungen, Gusseisen
1 Stahl, Stahlguss
2 Schwermetalle
3 Leichtmetalle
4-8 Nichtmetallische Werkstoffe
9 Frei

Sortennummer

Stelle Bezeichnung
2 und 3 Sortenklasse (z.B. Chemisch beständige Stähle)
4 und 5 Zählnummer

Stahlgewinnungsverfahren

Stelle 6 Stahlgewinnungsverfahren
0 unbestimmt, ohne Bedeutung
1 unberuhigter Thomasstahl
2 beruhigter Thomasstahl
3 sonstige Erschmelzungsart - unberuhigt
4 sonstige Erschmelzungsart - beruhigt
5 unberuhigter Siemens-Martin-Stahl
6 beruhigter Siemens-Martin-Stahl
7 unberuhigter Sauerstoffaufblas-Stahl
8 beruhigter Sauerstoffaufblas-Stahl
9 Elektrostahl

Behandlungszustand

Stelle 7 Behandlungszustand
0 keine oder beliebige Behandlung
1 normalgeglüht
2 weichgeglüht
3 wärmebehandelt auf gute Zerspanbarkeit
4 zähvergütet
5 vergütet
6 hartvergütet
7 kaltvergütet
8 federhart kaltverfestigt
9 behandelt nach besonderen Vorgaben
Quelle:
DIN EN 10027-2 - Bezeichnungssysteme für Stähle; Teil 2: Nummernsystem

Werkstoffkombinationen

  Schraube
50 70 KB YK YB KG GA GB GC V VH VW S SD SB
Mutter 50 O - - - - - - - - - - - - - -
70 O O - - - - - - - - - - - - -
80 X X - - - - - - - - - - - - -
KB - - X - - - - - - - - - - - -
Y - - - O O O - - - - - - - - -
YK - - - X X X - - - - - - - - -
YB - - - O O O - - - - - - - - -
KG - - - - - O X - - - - - - - -
GA - - - - - X X X X - - - - - -
GB - - - - - - O O O - - - - - -
GC - - - - - - O O O - - - - - -
V - - - - - - - - - O O O - - -
VH - - - - - - - - - O O O - - -
VW - - - - - - - - - O O O - - -
S - - - - - - - - - - - - O - -
SD - - - - - - - - - - - - - O -
SB - - - - - - - - - - - - - - O

X
O
-

Vorzugskombination
zulässige Kombination
nicht empfohlen

Quelle:
DIN 267-13 - Mechanische Verbindungselemente - Technische Lieferbedingungen - Teil 13: Teile für Schraubenverbindungen mit besonderen mechanischen Eigenschaften zum Einsatz bei Temperaturen von -200 °C bis +700 °C

Festfressen rostfreier Verbindungselemente

Das "Festfressen" von rostfreien Verbindungselementen zwischen Schraube und Mutter kann unterschiedliche Ursachen haben:

1. Oberflächenfehler im Gewinde
Verursacht werden diese in der Regel beim Rollen von Gewinden auf bereits kaltverfestigten Oberflächen. Sie sind gekennzeichnet durch eine angerissene, zerklüftete und schuppige Oberfläche in den Gewindeflanken. Durch diese Oberflächenfehler erhöht sich die Oberfläche und damit die Angriffsfläche für korrosive Einflüsse.

2. Falsche Werkzeugauswahl
Unter Umständen können die eingesetzten Werkzeuge für die Verarbeitung des Werkstoffes nicht geeignet sein. So kann zum Beispiel beim Schneiden eines Gewindes durch ein ungeeignetes Werkzeug das Gewinde nicht sauber und vollständig geschnitten werden, wodurch es bei der Montage zu Kaltverschweißungen kommen kann. Gleiches gilt auch für das Umformen von Gewinden. Auch hier kann durch falsche oder defekte Werkzeuge die vorgenannte Situation eintreten.

3. Härteunterschied
Einer der häufigsten Ursachen für das Festfressen ist die Unterschreitung einer Härtedifferenz zwischen Schrauben- und Mutterngewinde. Diese Differenz ist essentiell dafür verantwortlich, dass sich die Verbindungselemente nicht durch physikalisch-chemische Reaktionen dauerhaft verbinden ("festfressen"). Es sollte eine Härtedifferenz von mindestens 50 HV angestrebt werden um die Gefahr zu minimieren. In der Regel ist dies bei kaltumgeformten Verbindungselementen der gleichen Festigkeitsklasse sichergestellt, da das Schraubengewinde durch den Umformprozess eine deutliche Kaltverfestigung in den Gewindeflanken erfährt. Um die Gefahr beim Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe zu reduzieren sollten vor der Herstellung die Lieferzustände (mechanische Eigenschaften) der Vormaterialien verglichen werden.
Eine zusätzliche Sicherheit kann durch den Einsatz entsprechender Gleitpasten erzielt werden, die vor der Montage auf das Schraubengewinde aufgebracht werden. Diese Maßnahme wird häufig bei so genannten Heißschraubenverbindungen angewandt, um das Verschweißen der Verbindungeelemente bei hohen Einsatztemperaturen zu verhindern.

Quelle:

Wilke, F. (2002) ThyssenKrupp Steel Kurzbericht 2806 - Wie vermeide ich das Festfressen rostfreier Verbidnungselemente?
Online: http://www.edelstahl-rostfrei.de/downloads/ISER/Festfressen_vermeiden.pdf (05.09.2011)

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

Festigkeitsklassen

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

Neue Bezeichnung 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.6 6.8 6.9 8.8 10.9 12.9
Alte Bezeichnung 4A 4D 4S 5D 5S 6D 6S 6G 8G 10K 12K
Passende Mutter 5 6 8 10 12

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

Schweissbarkeit von Stählen

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:

Formel zur Berechnung der Schweissbarkeit von Stählen

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

ASTM - Werkstoffe

Kennzeichnung Norm Beschreibung Material Vergleichbarer EN Werkstoff


No Grade Mark
SAE J429
Grade 1


Bolts, Screws, Studs
Low or Medium
Carbon Steel
---
ASTM A307
Grade A & B
Low Carbon Steel ---
SAE J429
Grade 2
Low or Medium
Carbon Steel
---
No Grade Mark SAE J429
Grade 4
Studs Medium Carbon
Cold Drawn Steel
---
B5 ASTM A193
Grade B5




Bolts, Screws, Studs
for high temperature
service
Class 1:
Carbide
solution
treated



AISI 501 ~1.7362
B6 ASTM A193
Grade B6
AISI 410 ~1.4006
B7 ASTM A193
Grade B7
AISI 4140, 4142, 4105 ~1.7225
B16 ASTM A193
Grade B16
CrMoVa
Alloy Steel
~1.7711
B8 ASTM A193
Grade B8
Class 1
AISI 304 ~1.4301
B8C ASTM A193
Grade B8C
Class 1
AISI 347 ~1.4550
B8M ASTM A193
Grade B8M
Class 1
AISI 316 ~1.4401
B8T ASTM A193
Grade B8T
Class 1
AISI 321 ~1.4541
B8 ASTM A193
Grade B8
Class 2

Bolts, Screws,
Studs
for high temperature
service
Class 2:
Carbide
solution
treated and strain
hardened
AISI 304
Strain Hardened
~1.4301
B8C ASTM A193
Grade B8C
Class 2
AISI 347
Strain Hardened
~1.4550
B8M ASTM A193
Grade B8M
Class 2
AISI 316
Strain Hardened
~1.4401
B8T ASTM A193
Grade B8T
Class 2
AISI 321
Strain Hardened
~1.4541
L7 ASTM A320
Grade L7

Bolts, Screws,
Studs
for low temperature
service
Quenched and
tempered
AISI 4140, 4142, 4145
~1.7225
L7A ASTM A320
Grade L7A
AISI 4037 ---
L7B ASTM A320
Grade L7B
AISI 4137 ~1.7220
L7C ASTM A320
Grade L7C
AISI 8740 ~1.6546
L43 ASTM A320
Grade L43
AISI 4340 ~1.6580
B8 ASTM A320
Grade B8
Class 1


Bolts, Screws,
Studs
for low temperature
service
Class 1:
Carbide
solution
treated

AISI 304 ~1.4301
B8C ASTM A320
Grade B8C
Class 1
AISI 347 ~1.4550
B8T ASTM A320
Grade B8T
Class 1
AISI 321 ~1.4541
B8F ASTM A320
Grade B8F
Class 1
AISI 303 (Se) ~1.4305
B8M ASTM A320
Grade B8M
Class 1
AISI 316 ~1.4401
B8 ASTM A320
Grade B8
Class 2


Bolts, Screws,
Studs
for low temperature
service
Class 2:
Carbide
Solution
treated and strain
hardend

AISI 304 ~1.4301
B8C ASTM A320
Grade B8C
Class 2
AISI 347 ~1.4550
B8T ASTM A320
Grade B8T
Class 2
AISI 321 ~1.4541
B8F ASTM A320
Grade B8F
Class 2
AISI 303 (Se) ~1.4305
B8M ASTM A320
Grade B8M
Class 2
AISI 316 ~1.4401

3 Radial Lines 120°
SAE J429
Grade 5

Bolts, Screws, Studs
Medium Carbon
Steel
Quenched and
Tempered
---
ASTM A449 ---

3 Radial Lines 90°

SAE J429
Grade 5.1

Bolts, Screws, Studs
Low or Medium
Carbon Steel
Quenched and
Tempered

---
3 Radial Lines 60° SAE J429
Grade 5.2
Bolts, Screws, Studs Low Carbon
Martensitic Steel
Quenched and
Tempered

---
A325 ASTM A325
Type 1

High strength
structural bolts
Medium Carbon Steel
Quenched and Tempered
---
--- ASTM A325
Type 2
(Withdrawn)
Low Carbon Martensitic
Steel
Quenched and Tempered

---
A325 ASTM A325
Type 3
Atmospheric Corrosion
Resisting Steel
Quenched and Tempered

---
BD ASTM A354
Grade BD

Bolts, Studs

Alloy Steel
Quenched and Tempered
---
BC ASTM A354
Grade BC
---
5 Radial Lines SAE J429
Grade 7
Bolts, Screws Medium Carbon
Alloy Steel
Quenched and Tempered

---
6 Radial Lines 60° SAE J429
Grade 8
Bolts, Screws, Studs Medium Carbon
Alloy Steel
Quenched and Tempered

---
No Grade Mark SAE J429
Grade 8.1
Studs Medium Carbon
Alloy or SAE 1041 Modified Elevated
Quenched and Tempered

---
A490 ASTM A490 High strength
structural bolts
Alloy Steel
Quenched and Tempered
 

Quellen:
http://praticalmaintenance.wordpress.com (24.08.2011)

Übersicht Legierungselemente

Einfluss der Elemente auf die Eigenschaften des Stahls

Bei den Legierungselementen ist grundsätzlich zu unterscheiden, ob sie Karbid-, Austenit- oder Ferritbildner sind bzw. zu welchem Zweck sie dem Stahl zulegiert werden. Jedes einzelne Element verleiht dem Stahl je nach Anteil bestimmte spezifische Eigenschaften. Bei Anwesenheit mehrerer Elemente kann die Wirkung gesteigert werden. Es gibt jedoch Legierungsvarianten, bei denen die Einzelelemente bezüglich eines bestimmten Verhaltens ihren Einfluss nicht in gleicher Richtung ausüben, sondern sich entgegenwirken können. Das Vorhandensein der Legierungselemente im Stahl bringt nur die Voraussetzung für die gewünschten Eigenschaften, die erst durch die richtige Verarbeitung und Wärmebehandlung erzielt werden.

Aluminium (Al): Schmelzpunkt 658°C

Es ist das stärkste, sehr häufig angewandte Desoxydation- und außerdem Denitrierungsmittel; dadurch wirkt es auch stark begünstigend auf die Alterungsunempfindlichkeit ein. In kleinen Zugaben unterstützt es die Feinkornausbildung. Da Aluminium mit Stickstoff Nitride mit hoher härte bildet, ist es meist Legierungselement in Nitrierstählen. Es erhöht die Zunderbeständigkeit und wird deshalb häufig ferritischen hitzebeständigen Stählen zulegiert. Bei unlegierten Kohlenstoffstählen kann man durch "Alitieren" (einbringen von Aluminium in die Oberfläche) die Zunderbeständigkeit fördern. Aluminium engt den Gamma-Bereich sehr stark ein. Wegen der starken Erhöhung der Koerzitivkraft ist Aluminium Legierungselement in Eisen-Nickel-Kobalt-Aluminium-Dauermagnetlegierungen.

Arsen (As): Schmelzpunkt 817°C unter Druck

Schnürt ebenfalls das Gamma-Gebiet ab und ist Stahlschädling, da es starke Seigerungsneigung zeigt, ähnlich wie Phosphor. Die Beseitigung der Seigerungen durch Diffusions-Glühen ist jedoch noch schwieriger als bei Phosphor. Weiterhin erhöht es die Anlassprödigkeit, setzt die Zähigkeit stark herab und beeinträchtigt die Schweißbarkeit.

Bor (B): Schmelzpunkt 2300°C

Da Bor einen hohen Wirkungsquerschnitt für Neutronen-Absorption aufweist, legiert man damit Stähle für Regler und Abschirmungen von Atomkernenergie-Anlagen. Austenitische 18/8 CrNi-Stähle können mit Bor über Ausscheidungshärtungen auf höhere Streckgrenze und Festigkeit gebracht werden, wobei aber die Korrosionsbeständigkeit gemindert wird. Durch Bor hervorgerufene Ausscheidungen verbessern die Festigkeitseigenschaften hochwarmfester Stahltypen im Bereich erhöhter Temperaturen. In Baustählen verbessert dieses Element die Durchhärtung und bewirkt damit in Einsatzstählen eine Erhöhung der Kernfestigkeit. Mit einer Minderung der Schweißbarkeit in borlegierten Stählen muss gerechnet werden.

Beryllium (Be): Schmelzpunkt 1280°C

Aus Kupfer-Beryllium-Legierungen werden Spiralfedern für Uhren hergestellt, die kaum magnetisierbar sind und eine viel höhere Zahl von Lastwechseln aushalten als Stahlfedern. Nickel-Beryllium-Legierungen sind sehr hart und korrosionsbeständig; Verwendung in chirurgischen Instrumenten. Sehr stark Abschnürung des Gamma-Gebietes. Mit Beryllium können Ausscheidungshärtungen erzielt werden, wobei aber die Zähigkeit sinkt; stark desoxydierend, große Affinität zu Schwefel.

Kohlenstoff (C): Schmelzpunkt 3540°C

Kohlenstoff ist das wichtigste und einflussreichste Legierungselement im Stahl. Neben Kohlenstoff enthält jeder unlegierte Stahl Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel, welche bei der Herstellung unbeabsichtigt hinzukommen. Der Zusatz weiterer Legierungselementen zur Erzielung besonderer Wirkungen, sowie die bewusste Erhöhung des Mangan- und Siliziumgehaltes führt zum legierten Stahl. Mit zunehmendem Kohlenstoff-Gehalt steigen die Festigkeit und Härtbarkeit des Stahles, wogegen seine Dehnung, Schmiedbarkeit, Schweißbarkeit und Bearbeitbarkeit (durch spanabhebende Werkzeuge) verringert werden. Der Korrosionswiderstand gegenüber Wasser, Säuren und heißen Gasen wird durch den Kohlenstoff praktisch nicht beeinflusst.

Kalzium (Ca): Schmelzpunkt 850°C

Gemeinsam mit Silizium in Form von Silico-Kalzium zur Desoxydation eingesetzt. Kalzium erhöht die Zunderbeständigkeit von Heizleiterwerkstoffen.

Cer (Ce): Schmelzpunkt 775°C

Wirkt reinigend, da es stark desoxydiert und die Entschwefelung fördert; es kommt gewöhnlich gemeinsam mit Lanthan, Neodym, Praseodym und anderen seltenen Edelmetallen als "Mischmetall" zum Einsatz. Begünstigt in hochlegierten Stählen z.T. die Warmverformbarkeit und verbessert in hitzebeständigen Stählen die Zunderbeständigkeit. Eisen-Cer-Legierungen mit ungefähr 70% Cer sind pyrophor (Zündsteine). Zusatz in kugelgraphitischem Gusseisen (GGG).

Kobalt (Co): Schmelzpunkt 1492°C

Kobalt bildet keine Karbide; es hemmt das Kornwachstum bei höheren Temperaturen und verbessert die Anlassprödigkeit und die Warmfestigkeit stark; deshalb oft Legierungselement in Schnellstählen, Warmarbeitsstählen, warmfesten und hochwarmfesten Werkstoffen. Begünstigt die Graphitausbildung. Es erhöht in großen Anteilen die Remanenz, Koerzitivkraft und Wärmeleitfähigkeit; deshalb Legierungsbasis für hochwertige Dauermagnetstähle und -legierungen. Unter Neutronenbestrahlung bildet sich das stark radioaktive Isotop 60Co, weshalb Kobalt in Stählen für Atomreaktoren unerwünscht ist.

Chrom (Cr): Schmelzpunkt 1920°C

Chrom macht Stahl öl- bzw. lufthärtbar. Durch Herabsetzung der für die Martensitbildung erforderlichen kritischen Abkühlgeschwindigkeit erhöht es die Härtbarkeit und verbessert damit die Vergütbarkeit. Die Kerbschlagzähigkeit wird jedoch verringert, setzt die Dehnung aber nur sehr wenig herab. Die Schweißbarkeit nimmt bei reinen Chromstählen mit zunehmendem Chrom-Gehalt ab. Die Zugfestigkeit des Stahls steigt um die 80-100 N/mm2 je 1% Chrom. Chrom ist Karbidbildner. Seine Karbide steigern Schnitthaltigkeit und Verschleissfestigkeit. Warmfestigkeit und Druckwasserstoff-Beständigkeit werden durch Chrom begünstigt. Während steigende Chrom-Gehalte die Zunderbeständigkeit erhöhen, ist für die Korrosionsbeständigkeit von Stählen ein Mindestgehalt von etwa 13% Chrom erforderlich, welches in der Grundmasse gelöst sein muss. Das Element schnürt das Gamma-Gebiet ab und erweitert dadurch den Ferritbereich; stabilisiert jedoch den Austenit in austenitischen Chrom-Mangan- bzw. Chrom- Nickel-Stählen. Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit werden verringert. Die Wärmeausdehnung wird gesenkt (Legierungen für Glaseinschmelzung). Bei gleichzeitig höherem Kohlenstoffanteil erhöhen Chrom Gehalte bis 3% Remanenz und Koeritivkraft.

Kupfer (Cu): Schmelzpunkt 1084°C

Kupfer wird nur bei wenigen Stahlsorten zulegiert, da es sich unter der Zunderschicht anreichert und durch Eindringen in die Korngrenze eine große Oberflächenempfindlichkeit bei Warmverformungsprozessen verursacht, weshalb es z.T. als Stahlschädling betrachtet wird. Die Streckgrenze und das Streckgrenzen-Festigkeitsverhältnis werden erhöht. Gehalte über 0.30% können Aushärtungen bewirken. Die Härtbarkeit wird verbessert. Die Schweißbarkeit wird durch Kupfer nicht beeinflusst. In unlegierten und schwachlegierten Stählen wird durch Kupfer eine bedeutende Verbesserung der Witterungsbeständigkeit erreicht. In säurefesten hochlegierten Stählen erbringt ein Kupfer-Gehalt über 1% verbesserte Beständigkeit gegen Salzsäure und Schwefelsäure.

Wasserstoff (H): Schmelzpunkt -262°C

Dieses Element ist ein Stahlschädling, weil er Versprödung durch Abfall von Dehnung und Einschnürung ohne Erhöhung von Streckgrenze und Zugfestigkeit hervorruft. Wasserstoff bildet die Ursache für die gefürchtete Flockenbildung und begünstigt die Schattenstreifenentstehung. Beim Beizen entstehender atomarer Wasserstoff dringt unter Blasenbildung in den Stahl ein. Feuchter Wasserstoff entkohlt bei höheren Temperaturen.

Magnesium (Mg): Schmelzpunkt 657°C

Dieses Element wird als Desoxydations- und Entschwefelungsmittel hinzulegiert. In Gusseisen erzeugt Magnesium Kugelgraphit.

Mangan (Mn): Schmelzpunkt 1221°C

Mangan desoxydiert. Es bindet Schwefel als Mangan-Sulfide und verringert dadurch den ungünstigen Einfluss des Eisen-Sulfides. Besondere Bedeutung hat dies bei Automatenstahl; die Rotbruchgefahr wird verringert. Mangan setzt die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit sehr stark herab und erhöht damit die Härtbarkeit. Streckgrenze sowie Festigkeit werden durch Mangan-Zusatz erhöht, ferner wirkt Mangan sich günstig auf die Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit aus und vergrößert stark die Einhärttiefe. Gehalte über 4% führen auch bei langsamer Abkühlung zur Ausbildung eines spröden martensitischen Gefüges, so dass der Legierungsbereich kaum genützt wird. Stähle mit Mangan-Gehalten über 12% sind bei gleichzeitig hohem Kohlenstoff-Anteil austenitisch, weil Mangan den Gamma-Bereich erheblich ausweitet. Solche Stähle erhalten unter schlagender Beanspruchung der Oberfläche eine sehr hohe Kaltverfestigung, während der Kern zäh bleibt; sie sind deshalb bei Schlageinwirkung hoch verschleißfest. Stähle mit Mangan-Gehalten von 18% aufwärts bleiben auch nach verhältnismäßig starker Kaltverformung nicht magnetisierbar und werden als Sonderstähle und auch als kaltzähe Stähle bei Tieftemperatur-Beanspruchung verwendet. Durch Mangan erhöht sich der Wärmeausdehnungskoeffizient, während Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit sinken.

Molybdän (Mo): Schmelzpunkt 2622°C

Molybdän meist mit anderen Elementen legiert. Durch Herabsetzung der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit wird die Härtbarkeit verbessert. Molybdän verringert weitgehend die Anlassprödigkeit, beispielsweise bei Chrom-, Nickel- und bei Mangan-Stählen, fördert die Feinkornbildung und wirkt sich günstig auf die Schweißbarkeit aus. Erhöhung von Streckgrenze und Festigkeit. Bei höherem Molybdän-Gehalt wird die Schneidbarkeit erschwert. Starker Karbidbildner; die Schneideigenschaften bei Schnellarbeitsstählen werden dadurch verbessert. Es gehört zu jeden Elementen, welche die Korrosionsbeständigkeit erhöhen und wird deshalb bei hochlegierten Chrom-Stählen und bei austenitischen Chrom- Nickel-Stählen häufig eingesetzt; hohe Molybdän Gehalte senken die Lochfraßanfälligkeit. Sehr starke Einengung des Gamma-Bereichs; Erhöhung der Warmfestigkeit, die Zunderbeständigkeit wird vermindert.

Stickstoff (N): Schmelzpunkt -210°C

Dieses Element kann sowohl als Stahlschädling wie auch als Legierungsbestandteil in Erscheinung treten. Schädlich wegen der Verminderung der Zähigkeit durch Ausscheidungsvorgänge, der Hervorrufung von Alterungsempfindlichkeit und Blausprödigkeit (Verformung in Gebieten der Blauwärme 300-350°C) sowie wegen der Möglichkeit der Auslösung von interkristalliner Spannungsrisskorrosion in unlegierten und niedrig legierten Stählen. Als Legierungselement erweitert Stickstoff das Gamma-Gebiet und stabilisiert das austenitische Gefüge; erhöht in austenitischen Stählen die Festigkeit und vor allem die Streckgrenze sowie die mechanischen Eigenschaften in der Wärme. Stickstoff lässt durch Nitridbildung beim Nitrieren hohe Oberflächengüte erreichen.

Niob-Tantal (Nb-Ta): Schmelzpunkte Nb 1960°C Ta 3030°C

Diese Elemente kommen fast nur gemeinsam vor und sind sehr schwer voneinander zu trennen, so dass sie üblicherweise zusammen verwendet werden. Sehr starke Karbidbildner, deshalb besonders als Stabilisatoren chemisch beständigen Stählen zulegiert. Beide Elemente sind Ferritbildner und verringern damit den Gamma- Bereich. Infolge der Erhöhung der Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit durch Niob wird es zu hochwarmfestem austenitischen Kesselstählen oft zulegiert. Tantal hat einen hohen Absorptions-Querschnitt für Neutronen; für Atomreaktorstähle kommt nur Tantal armes Niob in Betracht.

Nickel (Ni): Schmelzpunkt 1453°C

Erhöht die Streckgrenze und Kerbzähigkeit in Baustählen. Nickel wird zudem bei Einsatzstählen und Vergütungsstählen verwendet zur Erhöhung der Zähigkeit. Das Element erweitert das Gamma-Gebiet und bewirkt daher in korrosions- und zunderbeständigen Chrom- Nickel-Stählen die Austenitstruktur. Hohe Nickelgehalte führen zu Stählen mit kleiner Temperatur-Ausdehnung (z.B. Invar).

Antimon (Sb): Schmelzpunkt 630°C

Dieses Element ist ein Stahlschädling, es erniedrigt die Zähigkeit des Stahls; es wird das Gamma-Gebiet abgeschnürt. Allgemein sind wenige Informationen zu diesem Legierungselement erhältlich.

Blei (Pb): Schmelzpunkt 327.4°C

Blei ist eigentlich kein "richtiges" Legierungselement, da es die gegebenen Eigenschaften bei bestimmten Legierungsgehalten kaum beeinflusst. Dieses Legierungselement wird in Gehalten von ca. 0.2%-0.5% hinzulegiert, um die Bearbeitbarkeit wesentlich zu verbessern. Es entstehen kürzere Späne und saubere Schnittflächen. Ein weiteres Einsatzgebiet von Blei ist in Lagern, wo die hervorragenden Gleiteigenschaften ausgenutzt werden.

Phosphor (P): Schmelzpunkt 44°C

Dieses Element ist meistens ein Stahlschädling und legiert stark. Phosphor wird jedoch oft in geringen Mengen in Automatenstählen verwendet. Phosphor wird meist als Stahlschädling betrachtet, da dieser starke Primärseigerungen bei der Erstarrung der Schmelze und die Möglichkeit zu Sekundärseigerungen im festen Zustand durch dir starke Abschnürung des Gamma-Gebietes ergibt. Infolge der verhältnismäßig geringen Diffusionsgeschwindigkeit, sowohl im Alpha- als auch im Gamma-Mischkristall können gegebene Seigerungen nur schwierig ausgeglichen werden. Da es kaum möglich ist, eine homogene Verteilung des Phosphors zu erzielen, versucht man, den P-Gehalt sehr niedrig zu halten und dementsprechend bei hochwertigen Stählen eine obere Grenze von 0.03%-0.05% anzustreben. Das Ausmaß der Seigerungen kann nicht mit Sicherheit bestimmt werden Phosphor erhöht schon in geringsten Gehalten die Empfindlichkeit gegen Anlassversprödung. Die P-Versprödung steigt mit der Zunahme des C-Gehaltes, mit steigender Härtetemperatur, mit der Korngröße und mit der Verminderung des Verschmiedungsgrades. Die Versprödung tritt als Kaltbrüchigkeit und Empfindlichkeit gegenüber Schlagbeanspruchung in Erscheinung. In schwachlegierten Baustählen mit C-Gehalten von etwa 0.1% erhöht Phosphor die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit gegen atmosphärischen Einflüsse; Cu unterstützt die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit (rostträge Stähle). Phosphor-Zusätze können in austenitischen Chrom- Nickel-Stählen Streckgrenzerhöhungen bedingen und Ausscheidungseffekte erzielen.

Sauerstoff (O): Schmelzpunkt -218.7°C

Dieses Element ist ein Stahlschädling. Sauerstoff verschlechtert die technologischen Eigenschaften Kerbzähigkeit und Alterung. Zudem erzeugt das Element Rotbruch und begünstigt Holzfaserbruch.

Schwefel (S): Schmelzpunkt 118°C

Dieses Element legiert am stärksten. Eisensulfid, verstärkt such Sauerstoff, führt zu Rotbruch. Zudem wird die Zähigkeit verschlechtert. Schwefel in Automatenstählen bis 0.3% erhöht die Bearbeitbarkeit.

Silizium (Si): Schmelzpunkt 1414°C

Dieses Element wirkt desoxydierend und verengt den Gamma-Bereich. Silizium erhöht die Festigkeit und Verschleißfestigkeit. Dieser Legierungszusatz erhöht auch stark die Elastizitätsgrenze, daher wird er bei Federstählen hinzulegiert. Bei hohen Gehalten an Silizium erhöht der Zusatz die Zunderbeständigkeit und Säurebeständigkeit, jedoch wird die elektrische Leitfähigkeit und Koerzitivkraft erniedrigt; daher wird Silizium in Elektroblechen verwendet.

Titan (Ti): Schmelzpunkt 1727°C

Dieses Element ist ein starkes Desoxydationsmittel und Karbidbildner. Oft wird daher Titan als Stabilisator in korrosionsbeständigen Stählen verwendet.

Vanadium (V): Schmelzpunkt 1726°C

Dieses Element ist ein Starker Karbidbildner. Vanadium bindet Stickstoff und ergibt eine feinkörnige Gusstruktur. Es erhöht den Verschleißwiderstand durch harte Karbide, sowie die Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit. Vanadium wird daher zu Schnellarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl und Hochwarmfesten-Stahl hinzulegiert. Es erhöht auch die Elastizitätsgrenze bei Federstählen.

Wolfram (W): Schmelzpunkt 3380°C

Die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit wird durch Wolfram erhöht. Es ist zudem ein starker Karbidbildner (harte Karbide). Wolfram erhöht die Warmfestigkeit und Verschleißfestigkeit, daher wird es als Zusatz bei Schnellarbeitsstahl und Warmarbeitsstahl verwendet.

Zinn (Sn): Schmelzpunkt 232°C

Dieses Element ist ein Stahlschädling und legiert stark.

Zirkon (Zr): Schmelzpunkt 1860°C

In speziellen Fällen wird dieses Element als Zusatzelement zur Desoxydation, Dendrierung und Entschweflung verwendet. Es ist ein starker Karbidbildner. Zr-Zusätze zu völlig beruhigten schwefelhaltigen Automatenstählen üben einen günstigen Einfluss auf die Sulfidbildung und somit Vermeidung von Rotbruch aus. Es erhöht die Lebensdauer von Heizleiterwerkstoffen und bewirkt eine Einengung des Gamma-Bereichs.

Quelle:
Diese Informationen wurden freundlicherweise vom Verlag Stahlschlüssel Wegst GmbH zur Verfügung gestellt. Weitere Informationen unter http://www.stahlschluessel.de.