Werkstoffe 2 - Vorlesung 1: Legierungselemente
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WERKSTOFFE 2 – Dr. Bernd Stange, April 2010
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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
WERKSTOFFE 2 – Dr. Bernd Stange, April 2010
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WERKSTOFFE 2 – Dr. Bernd Stange, April 2010
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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)
intermediäre Kristalle
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intermediäre Kristalle
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
nach WEISSBACH, S.391
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“)
nach WEISSBACH, S.92
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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.
nach WEISSBACH, S.95
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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
nach BARGEL/SCHULZE, S.194
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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
nach BARGEL/SCHULZE, S.194
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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
nach WEISSBACH, S.105
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Legierungs-elemente
nach WEISSBACH, S.95
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
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Legierungs-elemente
Übersicht Legierungskarte
nach http://drzoom.ch/project/stahl/stahlmap.htm (30.03.2010)
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