Wie wirken sich die Legierungselemente in Stählen auf ihre Herstellung aus?
Bei der Stahlerzeugung werden Legierungen aus Eisen mit Kohlenstoff und anderen Elementen wie Kupfer, Chrom, Mangan, Kobalt, Nickel, Titan, Silizium und Vanadium verwendet. Ihre Menge sollte die Konzentration so weit übersteigen, dass sie sicher ist und keine Veränderungen in der Struktur und anderen Eigenschaften des Stahls verursacht.
Legierungselemente sind sehr wichtige Zusatzstoffe für die chemische Zusammensetzung von Stahl, da sie sich direkt auf seine physikalischen Eigenschaften wie Festigkeit, Sprödigkeit oder Elastizität auswirken. Alle Legierungselemente, die bei der Stahlherstellung verwendet werden, sollen dem Stahl bestimmte Eigenschaften verleihen, die zur Korrosions- oder Verschleißfestigkeit beitragen und die Wärmebehandlung erleichtern. Jeder der Stoffe, die der Zusammensetzung des Stahls hinzugefügt werden, hat eine individuelle und besondere Wirkung auf seine physikalisch-chemischen und mechanischen Eigenschaften. Leider haben aber nicht alle von ihnen eine positive Wirkung.
Anhand des prozentualen Anteils der Legierungselemente an der Zusammensetzung lässt sich Stahl in folgende Kategorien einteilen:
– niedrig legierter Stahl mit einer Elementkonzentration von weniger als 2 %, – mittel legierter Stahl mit einer Elementkonzentration von weniger als 8 %, – hoch legierter Stahl mit einer Elementkonzentration von mehr als 8 %.
Aufgrund der unterschiedlichen Anwendungen wird zwischen Werkzeugstählen, Baustählen und solchen mit besonderen Eigenschaften unterschieden. Die Kunst besteht darin, die Beimischungen in der chemischen Zusammensetzung des Stahls so zu wählen, dass die Wirkung aller Zusatzstoffe ausgeglichen ist.
Wünschenswerte Eigenschaften von Legierungselementen
Eines der beliebtesten Legierungselemente ist Molybdän. Es erhöht die Korrosionsschutzeigenschaften des Stahls sowie seine Festigkeit und seinen Härtungsgrad. Dank Molybdän kann die Sprödigkeit von Stahl verringert werden. In den meisten säurebeständigen Stählen beträgt die Konzentration etwa 2,5 bis 7 Prozent. Auch Nickel hat einen positiven Einfluss auf den Härtungsprozess. In Ferrit aufgelöst, wird eine außergewöhnliche Schlagfestigkeit erreicht. Nickel ist ein sehr wichtiger Bestandteil aller säurebeständigen sogenannten säurefesten Stähle. Ermöglicht schnelles und einfaches Schweißen und Kunststoffverarbeitung. Ein Nickelanteil von 0,5 bis 4 % in der Zusammensetzung des Stahls führt zu einer besseren Wärmebehandlung. Die Zugabe dieses Elements in einer Größenordnung von 8 bis 10 Prozent verbessert die Säurebeständigkeit des Stahls deutlich.
Ein weiterer nützlicher Zusatz zum Stahl ist Mangan. Es erhöht die Schlagzähigkeit von Stahl äußerst günstig. Ohne seine Zähigkeit zu verändern, erhöht es gleichzeitig seine Abriebfestigkeit. Der Stahl ist dadurch haltbarer.
Welche Legierungselemente erhöhen die Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit?
Chrom wird für die Herstellung von Baustählen benötigt. Es verbessert ihre Härtbarkeit und erhöht auch ihre Festigkeit. Es wird auch in hitzebeständigen, rostfreien und Werkzeugstählen verwendet. Ohne Chrom verliert der Stahl seine Korrosionsschutzeigenschaften. Der angemessene Anteil in der Stahlzusammensetzung liegt zwischen 12 und 30 %. Das Element, das ebenfalls zur Korrosionsbeständigkeit beiträgt, ist natürlich Kupfer. Es hat ähnliche physikalische Eigenschaften wie Eisen, ist aber korrosionsbeständiger.
Ein besonderes Phänomen unter den Legierungselementen ist Vanadium, da es die Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften verbessert.
Vanadium, das dem Stahl in größeren Mengen zugesetzt wird, erhöht die Verschleißfestigkeit erheblich. Es erhöht die Härte und die mechanische Festigkeit und verbessert gleichzeitig die Elastizität des Stahls. Dieses Element besitzt eine hohe Fähigkeit zur Bildung von Karbiden und hat auch einen starken Einfluss auf die Feinkorngröße des Stahls. Es wird bei der Herstellung von Werkzeugstählen verwendet, wo es sich intensiv mit Kohlenstoff verbindet und die Verschleißfestigkeit erhöht.
Welche Legierungselemente sind bei der Stahlherstellung unerwünscht?
Eines der Elemente, dessen Zusatz am häufigsten unerwünscht ist, ist Silizium. Es hat einen erheblichen Einfluss auf die Härte und Elastizität von Stahl. Es ist ein geeigneter Bestandteil von Federstählen. Verringert die Schlagfestigkeit erheblich, erhöht jedoch die Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen. Dies ist besonders wichtig für Stähle, die mit konzentrierter Salpeter- oder Schwefelsäure in Berührung kommen.
Schwefelist ein weiteres Element, das sich nachteilig auf Stahl auswirkt. Sie erschwert das Schmieden und die Formgebung erheblich. Auch Phosphor, der die Festigkeit des Stahls und seine Schlagzähigkeit verringert, ist hier zu nennen. Es erhöht auch seine Härte und gleichzeitig seine Kältesprödigkeit.