Werkstoffe 7 - Einfluß der Legierungselemente
-
Upload
dr-bernd-stange-grueneberg -
Category
Documents
-
view
164 -
download
1
description
Transcript of Werkstoffe 7 - Einfluß der Legierungselemente
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
2
Wie unterscheidet sich z.B. ein Qualitätsmesser von
einem „Allerweltsmesser“?
legierter Stahl!
X45CrMoV15 0,45% C, 15% Cr, 0,5-0,8% Mo, 0,1-0,2% V
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
3
7. EINFLUSS VON LEGIERUNGSELEMENTEN
7.1. WIRKUNG DER EISENBEGLEITER
7.2. ALLGEMEINE WIRKUNG
VON LEGIERUNGSELEMENTEN
7.3. WIRKUNG DER EINZELNEN
LEGIERUNGSELEMENTE
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
4
Wirkung der Eisenbegleiter
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
5
Eisenbegleiter Legierungs-elemente
ohne bewußte
Zulegierung
Grenzwerte für Stahl,
Qualitätsstahl, Edelstahl
bewußte Zulegierung
unlegierter Stahl,
niedriglegierter Stahl,
hochlegierter Stahl
15P 16S 1H 8O 7N
25Mn 14Si
Unterscheidung
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
6
Eisenbegleiter
15P 16S 1H 8O 7N
25Mn 14Si
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
7
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,
Desoxidationsprodukte (Sulfide, Oxide usw.)
Sekundärmetallurgie:
qualitätsmindernde Eisenbegleiter (P, S, O, N, H) auf möglichst niedrige
Werte reduzieren
festigkeitssteigernde Eisenbegleiter (Mn, Si) auf bestimmte Gehalte einstel-
len
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
8
Eisenbegleiter
Stahlqualität:
sehr stark abhängig vom Gehalt der unerwünschten Eisenbegleiter
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 Legierungselemente
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
9
Eisenbegleiter 15P
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) Einlage-
rungsmischkristalle (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 weitere Phosphide: Fe2P, FeP, FeP2
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
10
Eisenbegleiter 15P
Auswirkung auf Verhalten:
langsame Diffusion (wg. großen Atomdurchmessers) homogene Verteilung
kaum möglich
Primärseigerungen beim Erstarren, Sekundärseigerungen im festen Zustand
durch starke Abschnürung des γ-Gebiets
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
11
Eisenbegleiter
Auswirkung auf Eigenschaften:
Kaltsprödigkeit: Steilabfall (Übergangs-
temperatur TÜ) wird zu höheren Tempera-
turen verschoben (bis 300 °C bei 0,6% P)
Schlagbeanspruchung (Korngrenzen-
brüche, besonders bei niedrigem C-Gehalt)
Schweißbarkeit
15P
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
12
Eisenbegleiter
Zugfestigkeit , Warmfestigkeit , Korrosionswiderstand (in nie-
driglegierten 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 Ausscheidungs-
effekte
15P
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
13
Eisenbegleiter
Anwendungen:
Automatenstähle bis 0,2% P zur Verbesserung der Oberflächengüte
Stähle für Warmpreßmuttern bis 0,3% P (z.B. 6P10) zur Verbesserung der
Fließeigenschaften > 1050 °C
Kunstguß/Feinguß bis 1% P
15P
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
14
Eisenbegleiter 16S
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 Fe an die primär ausgeschiedenen γ-Mischkristalle ankristallisiert
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
15
Eisenbegleiter 16S
Auswirkung auf Verhalten:
starke Korngrenzenseigerungen
Warm- oder Rotbruch (Warmformgebung bei 800-1000 °C) – geringe Verform-
barkeit von FeS Bruch im Korngrenzenbereich; Heißbruch (>1200 °C) –
FeS-Schmelze
Deaktivierung durch Mn-Zugabe: MnS (Fp. 1610 °C) ist bei 1000-1200 °C gut
verformbar; allerdings: bei Warmformgebung Streckung in Walzrichtung
Zähigkeitsanisotropie Gefahr von Terrassenbrüchen
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
16
Eisenbegleiter
Auswirkung auf Eigenschaften:
Korrosionsbeständigkeit (Lochkorrosion)
Zähigkeit , Schmiedbarkeit , Versprödungsneigung
Zerspanbarkeit : fein verteilte Sulfidschlacken (meist MnS) erge-
ben kurzbrüchige Späne mit hoher Oberflächengüte
Anwendungen:
Automatenstähle bis 0,3% S
16S
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
17
Eisenbegleiter
Herkunft:
rostiger, feuchter Schrott und Brenngase
chemische Behandlung mit Säuren (Beizen, Galvanisieren) in kaltverform-
tem Stahl
Standort im Gefüge:
hohe Löslichkeit in Ferrit (atomar) und in Poren (molekular)
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)
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
18
Eisenbegleiter
Auswirkung auf Verhalten und Eigenschaften:
sehr hohe Diffusionsgeschwindigkeit (sehr geringer Atomdurchmesser)
Abnahme der Löslichkeit bei Abkühlung/Erstarren H2-Bildung in Gitter-
fehlstellen unter hohem Druck Flockenrisse und innere Spaltbrüche (be-
sonders bei CrNi- und CrMn-Stählen) – Abhilfe: Glühen mit Ausdiffundieren
des Wasserstoffs
„Beizsprödigkeit“: geringe Kaltverformbarkeit durch H-Atome auf Zwischen-
gitterplätzen im Ferrit (Mischkristallverfestigung) – Abhilfe: Glühen bei
200 °C
1H
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
19
Eisenbegleiter 8O
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 Eigenschaften:
ausgeprägte Versprödung in geringsten Mengen Kerbschlagzähigkeit
Rotbruch in Kombination mit FeS bei Warmumformung Stahl ist nicht
schmiedbar (bei FeO ≥ 0,2%)
Abhilfe: Desoxidation
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
20
Eisenbegleiter 7N
häufigstes und Element in der Atmosphäre, gasförmig, gewöhnlich molekular als N2
Herkunft:
Kontakt der Schmelze mit Luft (80% N2)
Reststickstoff in technisch reinem O2 (Frischverfahren)
Standort im Gefüge:
geringe Löslichkeit in Ferrit (max. 0,1% bei 594 °C) – Druckaufstickung mög-
lich
Löslichkeit mit steigendem Cr-, Mo-, Mn-Gehalt
Austenitbildner (ähnlich wie C)
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
21
Eisenbegleiter 7N
Auswirkung auf Verhalten und Eigenschaften:
Austenitstabilisierung: Erweiterung des γ-Gebiets Festigkeit
(ohne Zähigkeit zu vermindern, Re , Verbesserung der mechani-
schen Eigenschaften)
in höher legierten Stählen: Korrosionsbeständigkeit (besonders in
Mo-haltigen Stählen)
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
22
Eisenbegleiter 7N
Ausscheidung von Eisennitriden nach schneller Abkühlung Kalt-
zähigkeit
„Blausprödigkeit“: Zähigkeit bei Verformung bei 300-350 °C
Gefahr des „Blaubruchs“ – Abhilfe: Si-Zugabe
Alterungsempfindlichkeit
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
23
Eisenbegleiter 25Mn
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)
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
24
Eisenbegleiter 25Mn
Eigenschaften:
Mn bildet Mischcarbide (Mn, Fe)3C Steuerung des Zementitzer-
falls > 700 °C
Festigkeit (ohne Zähigkeitsabfall), Härtbarkeit , Korrosionsbe-
ständigkeit (?)
Schmiedbarkeit , Schweißbarkeit
Rotbruchgefahr (Bindung von S)
Löslichkeit für N (in Austenit) (Bsp. X2CrNiMnMoNbN25-18-5-4)
sehr gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis als Legierungselement
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
25
Eisenbegleiter 25Mn
Mn > 12% (hoher C-Gehalt): austenitisches Gefüge; schlagende
Beanspruchung sehr hohe Kaltverfestigung (zäher Kern)
Mn > 18%: nicht magnetisierbare Sonderstähle; Verwendung als
kaltzähe Stäh-le bei Tieftemperatur-Beanspruchung
Zerspanbarkeit , Kaltformbarkeit
Perlitverfeinerung Kornwachstum bei höheren Temperaturen
MnS wird beim Walzen zeilenförmig in Walzrichtung gestreckt und
beeinflußt die Zähigkeit quer zur Walzrichtung (anisotropes
Verhalten)
Wärmeausdehnungskoeffizient , therm./elektr. Leitfähigkeit
Anwendungen:
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
26
Eisenbegleiter 25Mn
Wärmeausdehnungskoeffizient , thermische/elektrische Leitfä-
higkeit
Anwendungen:
Hochbaustahl S355J2 erhält hohe Festigkeit bei niedrigem C-Gehalt durch
0,9 - 1,7% Mn
Vergütungsstahl, z.B. für Schmiedeteile (28Mn6)
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
27
Eisenbegleiter 14Si
grauschw. Halbmetall, zweithäufigstes Element, Halbleiter; Fp. 1410 °C, 𝜚 = 2,3 g cm-3
Herkunft:
Erze, Gangart (SiO2, Quarz), Desoxidation (z.B. gemäß 2 FeO + Si SiO2 +
2 Fe) SiO2 ergibt mit eventuell 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
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
28
Eisenbegleiter 14Si
Eigenschaften:
Zementitzerfall 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)
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
29
Eisenbegleiter
Kornwachstum , Bruchdehnung , Tiefzieheigenschaften
Warmformbarkeit , Schweißeignung (wegen zähflüssiger Silicat-
haut)
Kerbschlagzähigkeit (> 2% Si)
SiO2 wird beim Walzen zeilenförmig in Walzrichtung gestreckt und
beeinflußt die Zähigkeit quer zur Walzrichtung (anisotropes Verhal-
ten)
elektrische Leitfähigkeit , Koerzitivkraft ( Elektrobleche)
14Si
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
30
Eisenbegleiter
Anwendungen:
Federstähle (Re hoch, z.B. 38Si, 65SiW7)
Magnetbleche für Trafos/E-Maschinen bis 4% Si (5Si17)
säurefester Guß bis 16% Si
14Si
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
31
Eisenbegleiter nichtmetallische Einschlüsse
Menge, Art und Verteilung der im Stahl vorhandenen Einschlüsse bestimmen
weitgehend das Verformungs- und Bruchverhalten sowie Festigkeitsverhal-
ten 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
& Neuentstehung des Risses sehr hohe Kerbschlagzähigkeit in Walzrichtung
Terrassenbruch bei „schichtartig“ aufgebautem WS möglich (wegen
zeilenförmig angeordneter Schlackenteilchen)
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
32
Eisenbegleiter nichtmetallische Einschlüsse
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
33
Allgemeine Wirkung von Legierungselementen
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
34
Legierungs-elemente
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
35
Legierungs-elemente Stahlqualität 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%
Qualitätsstahl:
P, S: 0,025-0,045%
Edelstahl:
P, S ≤ 0,025%
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
36
Legierungs-elemente
LEGIERUNGSELEMENTE
Gefüge-ausbildung
Struktur des EKD
Eigen-schaften
7.3.
Einfluß auf
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
37
Legierungs-elemente
Cr Carbidbildner
Ni Austenitbildner
CrNi-Stähle:
Wirkungsverstärkung
von Ni durch Cr!
Legierungselemente wirken unterschiedlich, weil sie im Gefüge an verschie-
denen 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!
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
38
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“
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
39
Legierungs-elemente
Gefüge-ausbildung
Gelöste LE erhöhen die Festigkeit des Ferrits (sog. Mischkristallverfestigung).
Beeinflussung des γ-α-Umwandlungsverhalten durch Behinderung der Diffu-
sion 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 )
Mischkristallbildner
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
40
Legierungs-elemente
Gefüge-ausbildung
Entstehung von Stählen mit perlitischem (untereutektoidem) Gefüge – ob-
wohl C < 0,8%
Bsp.: Stahl mit 10% Cr hat bereits bei 0,3% C ein
rein perlitisches Gefüge; Mo, W, und V erreichen
dies mit noch kleineren Werten
Gelöste LE verschieben S und E im EKD nach links.
Mischkristallbildner
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
41
Legierungs-elemente
Gefüge-ausbildung
LE mit höherer C-Affinität als Fe können Fe-Atome im Zementit teilweise
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 ähn-
lich, Verbesserung von Verschleiß-/Festigkeitswerten erst
bei höheren Temperaturen)
schwächere Carbidbildner Bildung von Mischcarbiden, z.B. (Fe, Cr)3C
Carbidbildner
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
42
Legierungs-elemente
Gefüge-ausbildung
stärkere CB „Sondercarbide“ (mit Nicht-Zementitstruktur), z.B. TiC,
Fe3W3C, Cr23C6
Härte für C-Anteil , z.B. MC > M2C
Anteil der LE, die als Carbide gebunden sind, geht dem Grundgefüge verlo-
ren:
Hoher C-Gehalt im Stahl erfordert hohen Anteil an Carbidbildnern.
Carbidbildner
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
43
Legierungs-elemente
Gefüge-ausbildung
C- und N-Atome vergleichbar groß Carbide/Nitride z.T. gleiche Kristallgit-
ter (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 Kornwach-
stums beim Glühen
Nitridbildner
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
44
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
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
45
Legierungs-elemente
Reineisen: Ar3 (911 °C) niedrigste Temperatur, bei der langsam abgekühlter
Austenit existieren kann
Zugabe von C: A3 (PSK im EKD)
LE mit ähnlicher Wirkung (A3 , A4 : Austenitbildner/austenitstabilisie-
rende Elemente
Mn, Ni, Co, N
Struktur des EKD Austenitbildner
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
46
Legierungs-elemente
AB gegenseitig ersetzbar (z.B. Ni → Mn/Co/N) kostengünstigere Kombina-
tionen
bei höheren Gehalten: Erweiterung des γ-Gebiets bis auf RT austenitische
Stähle
Struktur des EKD
Eigenschaftsprofil
•niedr. Streckgrenze
•stark umformbar
•auch bei tief Temp. zäh
•unmagnetisch (wg. kfz)
•umwandlungsfrei, kein
Härten/Vergüten mögl.
•korrosionsbeständig
Austenitbildner
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
47
Legierungs-elemente
Struktur des EKD
Ferritbildner/ferritstabilisierende Elemente: A3 , A4 Verkleinerung
des γ-Gebiets bis zur Abschnürung
Cr, Si, Mo, V, Ti, Al
Ferritbildner
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
48
Legierungs-elemente
Struktur des EKD
bei höheren Gehalten: Abschnürung des γ-Gebiets, Abkühlung ohne Um-
wandlung bis auf RT ferritische Stähle
Ferritbildner
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
49
Legierungs-elemente
Beurteilung weiterer LE-Zusätze ist schwierig keine additive Wirkung
Bsp. 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
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
50
Legierungs-elemente
Struktur des EKD Einfluß weiterer LE
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
51
Wirkung der einzelnen Legierungseemente
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
52
Legierungs-elemente
24Cr
28Ni 27Co
42Mo 23V 22Ti 13Al
5B 41Nb 40Zr
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
53
Legierungs-elemente 28Ni
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
gegenüber nicht-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)
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
54
Legierungs-elemente 28Ni
> 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
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
55
Legierungs-elemente 27Co
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
Legierungselement in Schnellarbeitsstählen (z.B. X20CrCoWMo10-10) und
Warmarbeitsstählen
Wärmeleitfähigkeit
Remanenz , Koerzitivkraft (in hohen Anteilen)
Verwendung für höchstwertige Dauermagnetstähle
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
56
Legierungs-elemente 24Cr
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 „Ver-
letzung“ selbst heilenden – Oxidschicht (0,01-0,1 µm) aus Cr2O3 ( Passivie-
rung)
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
57
Legierungs-elemente 24Cr
Cr-Gehalt bis 33% Beständigkeit gegenüber stark oxidierenden Säuren wie
HNO3 (z.B. X1CrNiMoCuN33-32-1)
Kerbschlagzähigkeit , Schweißeignung , elektrische/thermische Leitfähig-
keit
Warmumformbarkeit , Wärmeausdehnungskoeffizient
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
58
Legierungs-elemente 42Mo
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 wichtigstes LE für Korrosionsbeständigkeit von nichtrostenden Stäh-
len
Beständigkeit gegen Loch-/Spaltkorrosion bei 2-5% Mo)
Schmiedbarkeit , Dehnbarkeit
Verwendung: zusammen mit Nb, Ta, Ti, V, W in Werkzeugstählen
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
59
Legierungs-elemente 23V
stahlgraues, bläulich schimmerndes, weiches Metall; Fp. 1910 °C, 𝜚 = 6,1 g cm-3 (krz)
Ferritbildner, Carbidbildner, Nitridbildner
Warmfestigkeit , Zugfestigkeit , Verschleißwiderstand , Härte , Anlaß-
beständigkeit
Verwendung in Schnellarbeits-/Warmarbeitsstählen (z.B. X40CrMoV5-1)
Elastizitätsgrenze Verwendung in Federstählen
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
60
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 ferriti-
schen/austenitischen Stählen
Unempfindlichkeit gegen interkristalline Korrosion
starkes Desoxidationsmittel, Stabilisator in korrosionsbeständigen Stählen
Ausscheidung von Titancarbid Korngrenzenkorrosion
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
61
Legierungs-elemente 13Al
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), Hochtemperaturbeständigkeit
(hohe Al-Gehalte)
Koerzitivkraft (LE in Permanentmagnetlegierungen [FeNiCoAl])
Verwendung in Nitrierstählen (Bildung von Aluminiumnitriden)
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
62
Legierungs-elemente 5B
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 Härt-
barkeit (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
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
63
Legierungs-elemente 41Nb
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“ Mikrolegierungselemente
Ferritbildner, Nitridbildner
starke Carbidbildner Stabilisatoren in chemisch beständigen Stählen
Mechanismus: Verhinderung interkristalliner Korrosion?
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
64
Legierungs-elemente
40Zr
silbrig glänzendes, rel. weiches Metall m. Passivierung; Fp. 1857 °C, 𝜚 = 6,5 g cm-3 (hdp)
Ferritbildner, Carbidbildner
in speziellen Fällen: Desoxidationsmittel/Entschwefelung mit Zr
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
65
Legierungs-elemente
Übersicht Legierungskarte
nach http://drzoom.ch/project/
stahl/stahlmap.htm (30.03.2010)
WERKSTOFFE 7 – Dr. Bernd Stange-Grüneberg, Mai 2014
66
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!