Stahl

C/Fe Phasendiagramm mit Bedingungen für die Bildung einzelner Phasen. Für unendlich langsame Temperaturänderungen.

 

Eisen und Kohlenstoff

Kohlenstoff ist die wichtigste Legierung. Die Qualität des Stahls hängt nicht nur vom Kohlenstoffgehalt ab, sondern auch von der Art der Wärmebehandlung.

Auf dem Bild sind die einzelnen Phasen:

1. α - reines Eisen - alpha Eisen
2. γ - Austenit
3. * - Ledeburit
4. nach † - Ferit
5. über † - Perlit
6. I - Schmelze

Auf dem Diagramm ist die sogenannte V-förmige Charakteristik zu sehen, die bei Systemen auftritt, die nur im flüssigen Zustand vollständig löslich sind und im festen Zustand nur wenig löslich sind (siehe Eutektikum).

Grundlegend kann dieses Diagramm in Teile zerlegt werden:

• Eutektisch - unter der Schmelze, mit einem Eutektikum bei 1150 °C, Kohlenstoffgehalt 4,3 %
• Eutektoidisch - feste Phasenumwandlung, unter der γ-Bereich, mit einem Eutektoid bei 723 °C, Kohlenstoffgehalt 0,8 %
• Peritektisch - ziemlich kleiner Bereich oben links (delta Kristalle) mit einem Peritektoid um 1430 °C.

Diese Phasen treten jedoch nur bei unendlich langsamer Abkühlung/Erwärmung auf. Bei schneller Abkühlung (Kalten) entsteht z. B. Martenzit, der die Härte erhöht. Bei langsamer Abkühlung erhöht sich bei austenitischen Stählen normalerweise die Zähigkeit.

Für dynamische Abläufe werden TTT-Diagramme verwendet. Die Position der TTT-Diagramme kann so dargestellt werden, dass wir senkrecht zum binären Diagramm noch eine Zeitachse hinzufügen ("tritt aus dem Bild hervor"). Diese verändern sich stark je nach Kohlenstoff- und Legierungsgehalt. In diesen treten auch Zwischenstufen auf, z. B. Bainit.

Ein deutlicher Einfluss hat Mangan, der den Stahl auch bei höherem Kohlenstoffgehalt austenitisch macht und die Bildung von Martenzit auch bei langsamer Abkühlung unterstützt.

Zu viel Kohlenstoff erhöht allgemein die Sprödigkeit, d. h. verringert Eckenbiegsamkeit, dieses Problem betrifft nicht verformbaren Guss.

Es wird entweder in Form von Kohlenstoffzusätzen in die Schmelze gegeben oder die Oberfläche wird in austenitisierten Stahl durchgeimpft (z. B. bei der Kärbung).

Legierungsbestandteile

Weitere Informationen im Hauptartikel: Legierung

Beim Herstellen verschiedener Stahlarten (je nach Zweck) werden verschiedene Legierungsbestandteile (Legierungen), die in die Schmelze eingefügt werden, um die Eigenschaften des Stahls zu verändern. Legierungen werden meist direkt in die eiserne Schmelze eingebracht. Manchmal schmilzt die Legierung schwerer als Eisen oder umgekehrt. Da werden entweder Tricks angewendet, wie Eutektizität, bei der jedoch keine reine Legierung entsteht. Im Fall der unzureichenden Löslichkeit der Legierung in der Stahlschmelze ist es notwendig, die Pulvermetallurgie zu verwenden. Man nennt es auch Sinter.

• Härte

Die Härte wird durch Legierungen erhöht: Vanad - aufgrund der Karbidierung, Wolfram - extrem harte Karbide, die sogar bis zum Glühpunkt schneiden können

• Festigkeit

Die Festigkeit wird durch Legierungen Mangan, Chrom, Nikkel, aber auch durch zusätzliche mechanische Behandlungen z. B. kaltwalzen und Wärmebehandlungen z. B. Kalten. Die theoretische Festigkeit des Eisens bei einer idealen Kristallgitterstruktur (berechneter Wert) beträgt ca. 40000 N.mm^-2. Der stärkste Stahl auf dem Markt hat 1500 N.mm^-2.

• Abriebfestigkeit

Diese Eigenschaft ist erforderlich für Bauteile, die auf Reibung beansprucht werden (z. B. Schachtverbindungen) oder bei Bearbeitungswerkzeugen, bei denen die Schneide abgenutzt wird. Um diese Eigenschaft zu verbessern, verwenden wir Legierungen: Kohlenstoff - Martenzit, aber auch Cementit, Kobalt, Vanad, Wolfram

• Hitzebeständigkeit, hitzebeständige Festigkeit

Normaler Stahl verliert bei thermischer Belastung (schon bei 300 °C) Eigenschaften - vor allem Härte und Festigkeit (Motoren, Turbinen ...). Die hitzebeständige Festigkeit wird durch die Zugabe von Legierungen verbessert: Nikkel, Wolfram, Chrom, Molybdän, Vanad. Die nominale Betriebstemperatur für solche Stähle beträgt von 300 °C bis 550 °C. Stähle über 550 °C sind bereits Hochtemperaturstähle. Über 800 °C sind bereits die meisten Stähle nicht mehr verwendbar. Unter Laborbedingungen kann Stahl hergestellt werden, der bei 1000 °C noch ca. 500 N.mm^-2 hat, aber er wird extrem schwer hergestellt (über mehrere Produktionsstufen und nach harter Vorbereitung).

• Elastizität

Elastizität ist die Eigenschaft, die angibt, bis zu welchem Grad Stahl verformt werden kann, um in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Diese Eigenschaft wird z. B. bei Feder verwendet. Um die Elastizität zu verbessern, wird Stahl mit Silizium legiert.

• Spezielle Legierungen

Magnesium - fördert die Bildung von Kugelgraphit bei verformbaren Güssen (Guss mit Eigenschaften, die dem Stahl ähneln), Beryllium - Cu-Be- Stahllegierungen, verlangsamen die Materialermüdung (bei wiederholter Belastungsänderung), z. B. bei Federn

 

Stahlkategorisierung

Nach dem Kohlenstoffgehalt

• Untereutektoid - mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,8 %
• Eutektoid - 0,8 % Kohlenstoff
• Übereutektoid - zwischen 0,8 % und 2,06 %

Nach der Legierung

• Niedriglegiert
• Hochlegiert - über 5 % Legierungsbestandteile

Nach der Entgasung

• Entgast - Sauerstoff wurde entfernt
• Nicht entgast

Nach der Verwendung

1. Automatenstahl - Stahl für zusätzliche Spänebearbeitung
2. Stahl für die Wärmebehandlung - Stahl für zusätzliche Wärmebehandlung
3. Karbonisierungsstahl - Stahl für die Verstärkung abgenutzter Teile. Wenig legierter oder unlegierter Stahl mit weniger als 0,25 % Kohlenstoff, der an der Oberfläche kohlenstoffiert und gehärtet wird. Auch nach dem Härten haben sie gute plastische Eigenschaften.
4. Konstruktionsstahl - Stahl für Baustrukturen und Maschinen, bei der Verwendung ist auch die Wirtschaftlichkeit entscheidend
5. Nitridierungsstahl - extrem hart und abriebfest. Härte 750 HV bis 1200 HV.
6. Federstahl - hohe Elastizitätsgrenze.
7. Nichtspröde Stähle (Kryostahl) - Stähle, die bei niedrigen Temperaturen nicht spröde werden. Unlegiert bis -60 °C, niedriglegiert bis -120 °C und hochlegiert bis -250 °C.
8. Lagerstahl
9. Werkzeugstahl - Stahl für die Herstellung von Werkzeugen, sei es für Spänebearbeitung oder Handwerkzeug
10. Lebensmittelstahl - speziell gereinigter Stahl mit Nullgehalt an Schwermetallen und schädlichen Verunreinigungen
11. Tiefgezogenen Stahl - Stahl für gepresste Bleche, z. B. für die Herstellung von Karosserien Autos. Meist niedrigkohlenstoffhaltiger Stahl.

 

Gegenwart

Herstellung

Grundlagen

Heute wird Stahl auf zwei Arten hergestellt - entweder wird er als Rohstahl (nur sein Grundbestandteil) in Hochöfen hergestellt. Es handelt sich eigentlich nur um rohes Eisen - das wird dann entgast und entgast und danach werden Legierungen hinzugefügt. Hier wird LD-Konverter oder in letzter Zeit Corex verwendet.

Siemens-Martin-Öfen sind heute bereits völlig veraltet.

Oder der Stahl wird in elektrischen Öfen genau gemischt. Diese Methode wird in der Klein- und Mittelserienproduktion oft wegen ihrer wirtschaftlichen Flexibilität verwendet.

Donawitz-Methode (LD-Konverter)

In die Schmelze des Konverters wird durch einen langen dünnen Schlauch - Kopie - 98 % Sauerstoff geblasen. Dazu wird auch Schrott und Erz hinzugefügt, um den Anteil an rohem Eisen zu reduzieren. Der Sauerstoff reagiert mit dem Eisen und bildet Eisenoxid FeO, das unerwünschte Verunreinigungen verbrennt, und zwar in dieser Reihenfolge:

• Silizium - 2FeO + Si → SiO₂ +2Fe
• Mangan - FeO + Mn → MnO + Fe
• Kohlenstoff - FeO + C → CO + Fe
• Phosphor - 5 FeO + 2P → P₂O₅ + 5Fe
• Schwefel - 2 FeO + S → SO₂ + 2 Fe

Bei dieser Methode muss jedoch noch Schmelze zugeführt werden, damit die Charge nicht abkühlt. Der fertige Stahl wird dann aus dem Konverter in die Schale gegossen, um weiter verarbeitet zu werden. Die maximale Kapazität des Konverters beträgt ca. 250 t.

Fast kostengünstigste Methode der Stahlherstellung für große Mengen.