Werkstoffe 2 - Vorlesung 1: Legierungselemente

WERKSTOFFE 2 – Dr. Bernd Stange, April 2010

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Wie unterscheidet sich z.B. ein Qualitätsmesser von

einem „Allerweltsmesser“?

legierter Stahl!

X45CrMoV150,45% C, 15% Cr, 0,5-0,8% Mo, 0,1-0,2% V


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Legierungen sind im technischen Sprachgebrauch Werkstoffe, denen ab-

sichtlich ein oder mehrere (metallische) Elemente zugesetzt wurden.

Einstellung gewünschter Eigenschaften

Beseitigung unerwünschter Eigenschaften

Legierungselemente beeinflussen den kristallinen Aufbau der Werkstoffe und

damit sämtliche Eigenschaften!

Beispiel: Bronze – eine CuSn-Legierung

Zinn senkt Schmelzpunkt, erhöht Festigkeit

und Härte

Herstellung von Waffen und Werkzeugen

kulturhistorische Bedeutung: Bronzezeit (2200 – 1200 v.Chr.)


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• Zinnbronze (CuSn), Messing (CuZn)

Zweistofflegierungen

• Neusilber (CuNiZn), Galinstan® (GaInSn, Fp. -19 °C)

Dreistofflegierungen

• Messerstahl (z.B. X45CrMoV15), WOODsches Metall (BiPbZnCd, Fp. 75 °C)

Mehrstofflegierungen

Legierungen

„Unlegierter“ Stahl enthält immer C (qua definitionem), Mn, Si, P, S u.a.(sogenannte Eisenbegleiter siehe dort).


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Mischkristalleintermediäre

KristalleKristall-

gemische

Legierungssysteme

vollständige Löslichkeit im festen Zustand„solid solutions“

Aufnahme von Fremdatomen in den

Gitterverband

Strukturen mit metallischen und nichtmetallischen Bindungsanteilen

intermetallische Ph., Einlagerungsstrukt., intermediäre Phasen

heterogene Gefüge verschiedener Phasen

„Normalgefüge“


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Mischkristalle

Die Aufnahme von Fremdatomen in den Gitterverband (Matrix) führt zu

Gitterverzerrungen (aufgrund unterschiedlicher Atomradien):

Härte (sog. Mischkristallverfestigung)

Substitutions-mischkristalle Einlagerungs-

mischkristalle

Mischkristalltypen


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MischkristalleSubstitutionsmischkristalle

Atome des Legierungselements (LE) ersetzen Atome des Basismetalls

(BM) auf regulären Gitterplätzen

statistische Verteilung

einphasiges System

Bedingungen

gleiche Kristallgitter

ähnliche Atomradien

gleiche Wertigkeiten

ähnliche Elektronegativitäten

Eigenschaften der Mischkristalle ǂ Summe der Eigenschaften von LE+BM!

Kupfer Nickel

Atomradius 128 pm 124 pm

Kristallgitter kfz kfz

Wertigkeit 2 2

EN 1,8 1,8


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MischkristalleEinlagerungsmischkristalle

(interstitielle Lösungen)

LE-Atome besetzen Zwischengitterplätze (interstitium, lat.: Zwischen-

raum interstitielle Lösung) des BM-Kristallgitters

statistische Verteilung

einphasiges System

LE: meist Nichtmetalle (B, C, N, O, H) oder kleine Metallatome

Löslichkeit meist < 1%

Bedingungen

Basisgitter aus Übergangsmetallatomen

Radienverhältnis (PYTHAGORAS)

Bsp.:

Lösung von Wasserstoff in V, Nb, Ta ohne Änderung des krz-Gitters:

VH0,05, NbH0,11, TaH0,22


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intermediäre Kristalle

• stöchiometrische Zusammensetzung: HUME-ROTHERY-Phasen (z.B. CuZn, Cu5Zn8, CuZn3) u.a.

intermetallische Verbindungen/Phasen (Metall/Metall)

• Carbide, Nitride und Boride der Übergangsmetalle: z.B. TiC, TiN, TiB.

Einlagerungsstrukturen (Metall/Nichtmetall, mit 0,43 < rNMe/rMe < 0,59)

• z.B. Zementit, Fe3C.

intermediäre Phasen (Metall/Nichtmetall, andere Größenverhältnisse)



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intermediäre Kristalle (intermedius, lat.: dazwischenliegend) enthalten

Strukturen mit metallischen und nichtmetallischen Bindungsanteilen

(Ionenbindung, Elektronenpaarbindung)

intermetallische Phasen bilden sich, wenn MK-Regeln nicht erfüllt sind

und über Löslichkeitsgrenzen hinaus legiert wird

Einlagerungsstrukturen (auch interstitielle Phasen)

besitzen häufig hochkomplexe Kristallgitter

im Aufbau große Ähnlichkeiten zu EMK – Unterschiede: nicht-metallischeBindungsanteile, hohe Packungsdichten

Metallcharakter , Duktilität , Härte

sehr stabil, hart, metallisch leitend und hochschmelzend: TiB (2200 °C), TiN (2900 °C), TiC (3157 °C)


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Kristall-gemische

Kristallgemische sind heterogene Gefüge, in denen verschiedene

Phasen als Kristallite nebeneinander vorliegen

Phasen sind selbst wieder reine Metalle, Mischkristalle oder intermediäre

Kristalle

Kristallgemische stellen für viele Legierungssysteme das Normalgefüge

dar

Bsp.: Fe + 0,45% C α-Fe + Perlit


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Zusammenfassung

nach WEISSBACH, S.60


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EisenbegleiterLegierungs-elemente

ohne bewußteZulegierung

Grenzwerte für Stahl, Qualitätsstahl, Edelstahl

bewußte Zulegierung

unlegierter Stahl,niedriglegierter Stahl,hochlegierter Stahl

15P 16S 1H 8O 7N

25Mn14Si

Unterscheidung


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Eisenbegleiter

15P 16S 1H 8O 7N

25Mn14Si


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Eisenbegleiter

typische Analyse der Eisenbegleiter in Roheisen

3,5% C, 0,4% Si, 1% Mn, 2% P, 0,08% S

Herkunft der Eisenbegleiter

Erze, Zuschläge, Brennstoffe, Ofenausmauerung, Schrott-

bestandteile, Desoxidationsprodukte (Sulfide, Oxide usw.)

Sekundärmetallurgie

qualitätsmindernde EB (P, S, O, N, H) auf möglichst niedrige Werte reduzieren

festigkeitssteigernde EB (Mn, Si) auf bestimmte Gehalte einstellen

Stahlqualität

sehr stark abhängig vom Gehalt der unerwünschten EB

(Stahl: P ≤ 0,09%, S ≤ 0,06%; Qualitätsstahl: P, S: 0,025 - 0,045%; Edelstahl: P, S ≤ 0,025%)

weniger stark abhängig vom Gehalt der erwünschten LE


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Eisenbegleiter15P

typisches Nichtmetall mit verschiedenen Modifikationen (weiß – P4, rot, schwarz - Pn)

Herkunft

P-haltige Erze und Zuschläge (Phosphate) im Hochofen

Standort im Gefüge

P und Fe bilden Substitutionsmischkristalle (BARGEL/SCHULZE) Einlagerungsmischkri-

stalle (WEISSBACH)

Löslichkeit: max. 2,8% (bei 1050 °C) im Ferrit

Gußeisen: Bildung des Dreifach-Eutektikums Steadit (Phosphideutektikum) aus Fe, Fe3C und Fe3P mit Fp. 950 °C

Auswirkung auf Verhaltenlangsame Diffusion (wg. großen Atomdurchmessers) homogene Verteilung kaum

möglich

Primärseigerungen beim Erstarren, Sekundärseigerungen im festen Zustand durch starke Abschnürung des γ-Gebiets

weitere Phosphide: Fe2P, FeP, FeP2


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Eisenbegleiter

Auswirkung auf EigenschaftenKaltsprödigkeit: Steilabfall (Übergangstemperatur TÜ) wird

zu höheren Temperaturen verschoben (bis 300 °C bei

0,6% P) Schlagbeanspruchung (Korngrenzen-

brüche, bes. bei niedrigem C-Gehalt)

Schweißbarkeit

Zugfestigkeit , Warmfestigkeit , Korrosionswider-stand (in niedriglegierten Stählen, ~0,1% C)

Cu verstärkt Korrosionsbeständigkeit, z.B. wetterfester Baustahl 9CrNiCuP3-2-4(0,06-0,15% P)

P-Zusätze in austenitischen CrNi-Stählen: Re und Ausscheidungseffekte


15P


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Eisenbegleiter

Anwendungen

Automatenstähle bis 0,2% P zur Verbesserung der Oberflächengüte

Stähle für Warmpreßmuttern bis 0,3% P (z.B. 6P10) zur Verbesserung der Fließeigen-schaften > 1050 °C

Kunstguß/Feinguß bis 1% P

15P


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Eisenbegleiter16S

typisches Nichtmetall, gelb, weit verbreitet in sulfidischer Form (z.B. Pyrit, FeS2)

Herkunft

sulfidische Erze und Koks

Standort im Gefüge

nahezu unlöslich in Ferrit/Austenit, Bildung einer charakteristischen FeS-Phase

Bildung eines Dreifach-Eutektikums aus Fe, FeO und FeS (Fp. 935/985 °C), dessen Fean die primär ausgeschiedenen γ-Mischkristalle ankristallisiert

Auswirkung auf Verhaltenstarke Korngrenzenseigerungen

Warm- oder Rotbruch (Warmformgebung bei 800-1000 °C) – geringe Verformbarkeitvon FeS Bruch im Korngrenzenbereich; Heißbruch (>1200 °C) – FeS-Schmelze

Deaktivierung durch Mn-Zugabe: MnS (Fp. 1610 °C) ist bei 1000-1200 °C gut verform-bar; allerdings: bei Warmformgebung Streckung in Walzrichtung Zähigkeitsaniso-tropie Gefahr von Terrassenbrüchen


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Eisenbegleiter

Auswirkung auf Eigenschaften

Korrosionsbeständigkeit (Lochkorrosion)

Zähigkeit , Schmiedbarkeit , Versprödungsneigung

Zerspanbarkeit : fein verteilte Sulfidschlacken (meist MnS) ergeben kurz-

brüchige Späne mit hoher Oberflächengüte

AnwendungenAutomatenstähle bis 0,3% S

16S


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Eisenbegleiter

Herkunft

rostiger, feuchter Schrott und Brenngase

chem. Behandlung mit Säuren (Beizen, Galvanisieren) in kaltverformtem Stahl

Standort im Gefüge

hohe Löslichkeit in Ferrit (atomar) und in Poren (molekular)

Auswirkung auf Verhalten und Eigenschaftensehr hohe Diffusionsgeschwindigkeit (wg. kleinsten Atomdurchmessers)

Abnahme der Löslichkeit bei Abkühlung/Erstarren H2-Bildung in Gitterfehlstellen unter hohem Druck Flockenrisse und innere Spaltbrüche (bes. bei CrNi- und CrMn-

Stählen) – Abhilfe: Glühen mit Ausdiffundieren des Wasserstoffs

1H

leichtestes und einfachstes Element, gasförmig, gewöhnlich molekular als H2

Cave: Gase sind in Schmelzen löslich und bleiben teilweise bei der Erstarrung im Gefüge zurück

Zähigkeit (Abhilfe: Vakuumentgasung)


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Eisenbegleiter

Auswirkung auf Verhalten und Eigenschaften (Fortsetzung)„Beizsprödigkeit“: geringe Kaltverformbarkeit durch H-Atome auf Zwischengitterplätzen

im Ferrit (Mischkristallverfestigung) – Abhilfe: Glühen bei 200 °C

1H


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Eisenbegleiter8O

häufigstes und reaktives Element, gasförmig, gewöhnlich molekular als O2

Herkunft

Frischverfahren: Bildung von FeO (Wüstit)

Standort im Gefüge

praktische Unlöslichkeit von O in Ferrit

FeO-Schlacke im Gefüge verteilt

Auswirkung auf Verhalten und Eigenschaftenausgeprägte Versprödung schon in geringsten Mengen Kerbschlagzähigkeit

Rotbruch in Kombination mit FeS bei Warmumformung Stahl ist nicht schmiedbar

(bei FeO ≥ 0,2%)

Abhilfe: Desoxidation


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Eisenbegleiter7N

häufigstes und Element in der Atmosphäre, gasförmig, gewöhnlich molekular als N2

Herkunft

Kontakt der Schmelze mit Luft (80% N2)

Reststickstoff in techn. reinem O2 (Frischverfahren)

Standort im Gefüge

geringe Löslichkeit in Ferrit (max. 0,1% bei 594 °C) – Druckaufstickung möglich

Löslichkeit mit steigendem Cr-, Mo-, Mn-Gehalt

Austenitbildner (ähnlich wie C)

Auswirkung auf Verhalten und EigenschaftenAustenitstabilisierung: Erweiterung des γ-Gebiets Festigkeit (ohne Zähig-keit zu vermindern, Re , Verbesserung der mechanischen Eigenschaften)

in höher legierten Stählen: Korrosionsbeständigkeit (bes. in Mo-haltigen

Stählen)


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Eisenbegleiter7N

Auswirkung auf Verhalten und Eigenschaften (Fortsetzung)Ausscheidung von Fe-nitriden nach schneller Abkühlung Kaltzähigkeit

„Blausprödigkeit“: Zähigkeit bei Verformung bei 300-350 °C Gefahr des

„Blaubruchs“ – Abhilfe: Si-Zugabe

Alterungsempfindlichkeit


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Eisenbegleiter25Mn

silbergraues, hartes, sehr sprödes, unedles Metall; Fp. 1247 °C, 𝜚 = 7,4 g cm-3

Herkunft

Erze und Desoxidation (z.B. nach FeO + Mn Fe + MnO)

Standort im Gefüge

Schlacketeilchen

Reste Mn in Ferrit (~10% bei RT keine eigene Phase) und Zementit gelöst

Austenitbildner (erschwert u.U. Umwandlung Austenit/Martensit)

EigenschaftenMn bildet Mischcarbide (Mn, Fe)3C Steuerung des Zementitzerfalls > 700 °C

Festigkeit (ohne Zähigkeitsabfall), Härtbarkeit , Korrosionsbest. (?)Schmiedbarkeit , Schweißbarkeit Rotbruchgefahr (Bindung von S)Löslichkeit für N (in Austenit) (Bsp. X2CrNiMnMoNbN25-18-5-4)

sehr gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis als LE


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Eisenbegleiter25Mn

Eigenschaften (Fortsetzung)

Mn > 12% (hoher C-Gehalt): austenitisches Gefüge; schlagende Bean-spruchung sehr hohe Kaltverfestigung (zäher Kern)

Mn > 18%: nicht magnetisierbare Sonderstähle; Verwendung als kaltzäheStähle bei Tieftemperatur-Beanspruchung

Zerspanbarkeit , Kaltformbarkeit

Perlitverfeinerung Kornwachstum bei höheren Temperaturen

MnS wird beim Walzen zeilenförmig in Walzrichtung gestreckt und beeinflußtdie Zähigkeit quer zur Walzrichtung (anisotropes Verhalten)

Wärmeausdehnungskoeffizient , therm./elektr. Leitfähigkeit

Anwendungen

Hochbaustahl S355J2 erhält hohe Festigkeit bei niedrigem C-Gehalt durch 0,9-1,7% Mn

Vergütungsstahl, z.B. für Schmiedeteile (28Mn6)


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Eisenbegleiter14Si

grauschw. Halbmetall, zweithäufigstes Element, Halbleiter; Fp. 1410 °C, 𝜚 = 2,3 g cm-3

HerkunftErze, Gangart (SiO2, Quarz), Desoxidation (z.B. gemäß 2 FeO + Si SiO2 + 2 Fe)

SiO2 ergibt mit ev. vorhandenen Alkalimetalloxiden spröde, hoch schmelzende Silicate

Standort im Gefüge

Schlacketeilchen

Rest Si im Ferrit gelöst (max. 14% - keine spezielle Phase, außer Silicaten)

Hinderung von Carbidbildung

EigenschaftenZementitzerfall zum Graphit

Re, Rm (ε ≈ const), Korrosionsbeständigkeit , Härtbarkeit Zunderbeständigkeit ( hitzebeständige Stähle, z.B. X15CrNiSi25-21 mit

1,5-2,5% Si)

Säurefestigkeit (ggüb. konz. HNO3, z.B. X1CrNiSi18-5-4 mit 3,7-4,5% Si)


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Eisenbegleiter

Eigenschaften (Fortsetzung)

Kornwachstum , Bruchdehnung , Tiefzieheigenschaften

Warmformbarkeit , Schweißeignung (wg. zähflüssiger Silicathaut)

Kerbschlagzähigkeit (> 2% Si)

SiO2 wird beim Walzen zeilenförmig in Walzrichtung gestreckt und beeinflußtdie Zähigkeit quer zur Walzrichtung (anisotropes Verhalten)

elektr. Leitfähigkeit , Koerzitivkraft ( Elektrobleche)

Anwendungen

Federstähle (Re hoch, z.B. 38Si, 65SiW7)

Magnetbleche für Trafos/E-Maschinen bis 4% Si (5Si17)

säurefester Guß bis 16% Si

14Si


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EisenbegleiterNichtmetallische Einschlüsse

nach BARGEL/SCHULZE, S.161

Menge, Art und Verteilung der im Stahl vorhandenen Einschlüsse bestimmen weitgehend das Verformungs- und Bruchverhalten sowie Festigkeitsverhalten der Stähle

Einschlüsse sind i.d.R. spröde (Ausnahme: MnS) Zähigkeit

Anisotropie der Verformungs- und Festigkeitseigenschaften

Widerstand gegen spröde Rißausbreitung kann erhöht sein (MnS): Ablenkung und Neu-entstehung des Risses sehr hohe Kerbschlagzähigkeit in Walzrichtung

Terrassenbruch bei „schicht-artig“ aufgebautem WS mög-lihh (wg. zeilenförmig ange-ordneten Schlackenteilchen)


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Legierungs-elemente


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Legierungs-elementeStahlqualität EN 10 020

Grenzgehalte für Legierungselemente in unlegierten Stählen

LE Grenzgehalt

C 0,06-2,06%

Mn ≤ 1,65%

Si ≤ 0,6%

Pb, Cu ≤ 0,4%

Cr, Ni, Co, W ≤ 0,3%

Al, V u.a. ≤ 0,1%unlegierter Stahl mit 0,2% C

Grenzgehalte für P, S

Basisstahl

P ≤ 0,09%, S ≤ 0,06%

QualitätsstahlP, S: 0,025-0,045%

EdelstahlP, S ≤ 0,025%


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Legierungs-elemente

LEGIERUNGSELEMENTE

Gefüge-ausbildung

Struktur des EKD

Eigen-schaften

7.4.

Einfluß auf


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Legierungs-elemente

Legierungselemente wirken unterschiedlich, weil sie im Gefüge an verschiedenen

Standorten eingebaut sind.

Cave: Die Wirkung zweier LE muß nicht die Summe der Einzeleinflüsse sein, auch läßt

sich in der Regel kein inkrementeller Einfluß feststellen!

Cr CarbidbildnerNi Austenitbildner

CrNi-Stähle: Wirkungsverstärkung von Ni durch Cr!


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Legierungs-elemente

Gefüge-ausbildung

Mischkristallbildner

prinzipiell sind alle LE in Ferrit und Austenit löslich (Ausnahme: Pb)

LE, die sich bevorzugt im Ferrit lösen, heißen Ferritbildner:

Cr-Al-Ti-Ta-Si-Mo-V-W (Merkhilfe: „CRALTATISIMOVW“)

LE, die sich bevorzugt im Austenit lösen, heißen Austenitbildner:

Ni-C-Co-Mn-N (Merkhilfe: „NICCOMANN“)



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Legierungs-elemente

Mischkristallbildner

Gefüge-ausbildung

Gelöste LE erhöhen die Festigkeit des Ferrits (sog. Mischkristallverfestigung).

Beeinflussung des γ-α-Umwandlungsverhalten durch Behinderung der Diffusion von C aus dem Austenit bei der Umwandlung Folgen:

oberhalb PS wird weniger Ferrit ausgeschieden

bei γ-Zerfall wird der Abstand der Zementitlamellen kleiner feinstreifiger Perlit bessere Stützung des Ferrit-Gefüges durch viele dünne Lamellen (Rp0,2 )

Entstehung von Stählen mit perlitischem(untereutektoidem) Gefüge – obwohl C < 0,8%

Bsp.: Stahl mit 10% Cr hat bereits bei 0,3% C ein reinperlitisches Gefüge;Mo, W, und V erreichen dies mit noch kleineren Werten.

Gelöste LE verschieben S und E im EKD nach links.



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Legierungs-elemente

Carbidbildner

Gefüge-ausbildung

LE mit höherer C-Affinität als Fe können Fe-Atome im Zementit teil-weise substituieren bzw. Mischcarbide bilden

Neigung zur Carbidbildung: Mn < Cr < Mo < W < Ta < V < Nb < Ti

IVb-VIb-Carbide sind intermetallische Phasen und härter als Fe3C (BS: nicht härter als Fe3C, bei RT Festigkeitswerte ähnlich, Verbes-serung von Verschleiß-/Festigkeitswerten erst bei höh. Temp.)

schwächere CB Mischcarbide, z.B. (Fe, Cr)3C

stärkere CB „Sondercarbide“ (mit Nicht-Zem.-struktur), z.B. TiC,

Fe3W3C, Cr23C6

Härte für C-Anteil , z.B. MC > M2C

Anteil der LE, die als Carbide gebunden sind, geht dem Grundgefüge verloren:

Hoher C-Gehalt im Stahl erfordert hohen Anteil an Carbidbildnern.


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Legierungs-elemente

Gefüge-ausbildung

Nitridbildner

C- und N-Atome vergleichbar groß Carbide/Nitride z.T. gleiche Kri-

stallgitter (z.B. TiC/TiN), Carbonitride möglich

Neigung zur Nitridbildung: Al < B < Cr < Zr < Nb < Ti < V

Nitride liegen als feindisperse Ausscheidungen innerhalb der Kristalle vor

Wirkung:Re (bei C-armen und austenitischen Stählen), Rp0,2 (bei vergüteten warmfesten

Stählen – ohne Zähigkeitsabfall), Behinderung des Kornwachstums beim Glühen


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Legierungs-elemente

Struktur des EKD

LE verschieben die Phasengrenzen im EKD

S und E werden mit Ausnahme von Co immer nach links verschoben

Erweiterung des Austenitgebietes: Austenitbildner

Verkleinerung des Austenitgebietes: Ferritbildner



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Legierungs-elemente

Reineisen: Ar3 (911 °C) niedrigste Temperatur, bei der langsam abge-kühlter Austenit existieren kann

Zugabe von C: A3 (PSK im EKD)

LE mit ähnlicher Wirkung (A3 , A4 : Austenitbildner/austenitstabilisierende Elemente

Mn, Ni, Co, N

Struktur des EKD

Austenitbildner

nach WEISSBACH, S.94 nach BARGEL/SCHULZE, S.195


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Legierungs-elemente

AB gegenseitig ersetzbar (z.B. Ni Mn/Co/N) kostengünstigere Kombinationen

bei höheren Gehalten:

Erweiterung des γ-Gebiets bis auf RT austenitische Stähle

Austenitbildner

Struktur des EKD

Eigenschaftsprofil

•niedr. Streckgrenze•stark umformbar•auch bei tief Temp. zäh•unmagnetisch (wg. kfz)•umwandlungsfrei, kein Härten/Vergüten mögl.

•korrosionsbeständig


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Legierungs-elemente

Struktur des EKD

Ferritbildner

Ferritbildner/ferritstabilisierende Elemente: A3 , A4 Verkleinerung des γ-Gebiets

bis zur Abschnürung

Cr, Si, Mo, V, Ti, Al



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Legierungs-elemente

Struktur des EKD

Ferritbildner

bei höheren Gehalten: Abschnürung des γ-Gebiets, Abkühlung ohne Umwandlung bis auf RT ferritische Stähle



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Legierungs-elemente


Beurteilung weiterer LE-Zusätze ist schwierig keine add. WirkungBsp. Cr-Stähle: Cr > 12% Abschnürung des Austenitgebietes; Cr ist Carbidbildner

Bindung von C, das dann für die erste Wirkung nicht zur Verfügung steht

Struktur des EKD

Einfluß weiterer LE


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Legierungs-elemente

24Cr

28Ni 27Co

42Mo23V 22Ti 13Al

5B 41Nb40Zr


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Legierungs-elemente28Ni

silbrig-weißes, ferromagnetisches Metall (TC = 354 °C); Fp. 1455 °C, 𝜚 = 8,9 g cm-3 (kfz)

Austenitbildner

neben Cr/Mo bedeutendstes LE für austenitische nichtrostende Stähle

maßgeblich für die Korrosionsbeständigkeit (> 8% Ni) von Edelstahl Rostfrei gegenübernicht-oxidierenden Säuren (z.B. Salzsäure)

Zugfestigkeit , Streckgrenze , Kerbzähigkeit (in Baustählen)

Zähigkeit (in Einsatz-/Vergütungsstählen)

hohe Gehalte führen zu Stählen mit geringem Wärmeausdehnungs-koeffizienten (INVAR, Ni36)

> 20 % Ni: Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion

nachteilig: Absenkung von A1 um 10 °C je 1% Ni

hohe Gehalte: Verschleißfestigk. , Zerspanbark. , Schweißbark.

gesundheitlich bedenklich: Nickel ist Auslöser für Kontaktallergien


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Legierungs-elemente27Co

stahlgraues, ferromagnetisches Metall (TC = 1150 °C); Fp. 1495 °C, 𝜚 = 8,9 g cm-3 (hdp)

Austenitbildner

Hemmung des Kornwachstums bei höheren Temperaturen

Verbesserung von Anlaßsprödigkeit und Warmfestigkeit

LE in Schnellarbeitsstählen (z.B. X20CrCoWMo10-10) und Warmarbeitsstählen

Wärmeleitfähigkeit

Remanenz , Koerzitivkraft (in hohen Anteilen)

Verwendung für höchstwertige Dauermagnetstähle


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Legierungs-elemente24Cr

silberweißes, korrosionsbeständiges, hartes Metall; Fp. 1907 °C, 𝜚 = 7,1 g cm-3 (krz)

eines der wichtigsten LE für Stähle

Ferritbildner

aber: Stabilisierung von Austenit in austenitischen CrMn-/CrNi-Stählen

Carbidbildner: Härte , Verschleißwiderstand

Festigkeit , Einhärtetiefe , Zunderbeständigkeit

Cr-Gehalt > 12% (10,5%?) Korrosionsbeständigkeit (nichtrostende

Stähle)Mechanismus: Ausbildung einer sehr dünnen, aber festhaftenden – bei „Verletzung“ selbst heilenden – Oxidschicht (0,01-0,1 µm) aus Cr2O3 ( Passivierung)

Cr-Gehalt bis 33% Beständigkeit gegenüber stark oxidierenden

Säuren wie HNO3 (z.B. X1CrNiMoCuN33-32-1)

Kerbschlagzähigkeit , Schweißeignung , elektr./therm. Leitfähig-

keit , Warmumformbarkeit , Wärmeausdehnungskoeffizient


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Legierungs-elemente42Mo

silbrigweißes, hochfestes, zähes, hartes Metall; Fp. 2623 °C, 𝜚 = 10,3 g cm-3 (krz)

Ferritbildner, Carbidbildner

Förderung von Feinkornbildung

Festigkeit (auch bei höheren Temperaturen), Warmbeständigkeit

Härtbarkeit , Zunderbeständigkeit , Anlaßsprödigkeit

nach Cr wichtigste LE für Korrosionsbeständigkeit von nichtrostenden

Stählen

Beständigkeit gegen Loch-/Spaltkorrosion bei 2-5% Mo)

Schmiedbarkeit , Dehnbarkeit

zusammen mit Nb, Ta, Ti, V, W in Werkzeugstählen


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Legierungs-elemente23V

stahlgraues, bläulich schimmerndes, weiches Metall; Fp. 1910 °C, 𝜚 = 6,1 g cm-3 (krz)

Ferritbildner, Carbidbildner, Nitridbildner

Warmfestigkeit , Zugfestigkeit , Verschleißwiderstand , Härte , Anlaßbeständigkeit

Verw. in Schnellarbeits-/Warmarbeitsstählen (z.B. X40CrMoV5-1)

Elastizitätsgrenze Verwendung in Federstählen


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Legierungs-elemente

weiß-metallisches, korrosionsbeständiges Leichtmetall; Fp. 1668 °C, 𝜚 = 4,5 g cm-3 (hdp)

22Ti

Ferritbildner, Carbidbildner, Nitridbildner Bildung von TiC/TiN in

ferritischen/austenitischen StählenUnempfindlichkeit gegen interkristalline Korrosion

starkes Desoxidationsmittel, Stabilisator in korrosionsbeständigen Stählen

Ausscheidung von Cr-carbiden Korngrenzenkorrosion


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Legierungs-elemente13Al

relativ weiches, zähes Leichtmetall; häufigstes Metall; Fp. 660 °C, 𝜚 = 2,7 g cm-3 (kfz)

Ferritbildner (in hochlegierten Stählen)

starkes Desoxidationsmittel/Denitriermittel

Zunderbeständigkeit (sog. „Alitieren“, Einbringen von Al in die

Oberfläche)

Feinkornausbildung (kleine Al-Gehalte), Hochtemperaturbeständig-keit (hohe Al-Gehalte)

Koerzitivkraft (LE in Permanentmagnetlegierungen [FeNiCoAl])

Verwendung in Nitrierstählen (Bildung von Al-nitriden)


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Legierungs-elemente5B

silbergraues, hochfestes, sehr hartes Halbmetall; Fp. 2076 °C, 𝜚 = 2,5 g cm-3

Bor verbessert in extrem geringen Mengen (≥ 0,0008%!) sehr stark die Härtbarkeit (Bildung von Fe2B/FeB) und kann z.T. teure LE ersetzen

Streckgrenze , Festigkeit , Korrosionsbeständigkeit

Verzögerung der Austenitumwandlung in der Ferritstufe in sehr geringen Massenanteilen

Schweißbarkeit

starke Neutronenabsorber Verwendung in Stählen für den KKW-Bau

Verwendung in Einsatzstählen, z.B. 23CrMoB33


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Legierungs-elemente41Nb

73Ta

Nb und Ta kommen fast immer gemeinsam

vor; graue, glänzende, duktile (Nb) bzw. stahl-

harte (Ta) Metalle mit Passivierung

Nb: Fp. 2477 °C, 𝜚 = 8,6 g cm-3 (krz); Ta: Fp. 3017 °C, 𝜚 = 16,7 g cm-3 (krz)

„klassische“ MikrolegierungselementeFerritbildner, Nitridbildnerstarke Carbidbildner Stabilisatoren in chemisch beständigen Stählen

Mechanismus: Verhinderung interkristalliner Korrosion?


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Legierungs-elemente40Zr

silbrig glänzendes, rel. weiches Metall m. Passivierung; Fp. 1857 °C, 𝜚 = 6,5 g cm-3 (hdp)

Ferritbildner, Carbidbildnerin speziellen Fällen: Desoxidationsmittel/Entschwefelung mit Zr


57

Legierungs-elemente

Übersicht Legierungskarte

nach http://drzoom.ch/project/stahl/stahlmap.htm (30.03.2010)


58

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Werkstoffe 2 - Vorlesung 1: Legierungselemente

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