KIESELSTEINGroup. Werkstoff Stahl. Werkstofftechnik Eisenwerkstoffe. E. Kieselstein

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1 Werkstoff Stahl Verkehrswesen Maschinenbau Haushalt Bauwesen Fahrzeugbau Sport 1

2 Golden Gate Bridge Harilaos-Trikoupis-Brücke über den Golf von Korinth (2004) Allianz Arena in München 2

3 3

4 Vorteile der Metalle Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften - wie Streckgrenze und Zugfestigkeit - um Größenordnungen, bei nahezu gleichem E-Modul durch Manipulation der Bewegungsfähigkeit der Versetzungen Bei Eisen besonders stark ausgeprägt durch: -Umwandlungsverhalten des Eisengitters - Allotropie, d.h. Gittermodifikationen -Intensive Wechselwirkung zwischen Kohlenstoff und Gittermodifikation - Eisen-Kohlenstoff System Verfahren: - Legieren - Wärmebehandeln - Kaltverformen 4

5 Stahl DIN EN (für Stahlguss und Stahl) a) Teil 1 Kurzzeichen für Stahlguss, Stahl b) Teil 2 Werkstoffnummern für Stahlguss, Stahl Gusseisen (DIN EN 1560 Kurzzeichen und Nummernsystem für Gusswerkstoffe) Reineisen 0,1 0,5 z. B. unlegierter Baustahl DIN EN ,25 0,8 z. B. Vergütungsstähle DIN EN ,7 2,0 Werkzeugstahl unter über Eutektoider Stahl Knetlegierung Sammelname für alle metallischen Werkstoffe, die sich durch Umformverfahren (Schmieden, Walzen, Pressen ) Formen lassen. Gusslegierungen sind direkt verwendbar Knetlegierungen werden zunächst umgeformt. 5

6 Eigenschaftsänderung durch Legieren mit Metallen und Nichtmetallen Verschieben von Phasengrenzen (EKD) Reduktion der Diffusionsgeschwindigkeit von C Bildung von Verbindungen Die Eigenschaften der Stähle hängen weitgehend von der Menge sowie der Zusammensetzung der Legierungselemente ab. Legierungselement Chrom (Cr) Cobalt (Co) Kohlenstoff (C) Mangan (Mn) Verbesserung der Eigenschaften Härte, Festigkeit, Warmfestigkeit, Korrosionswiderstand Härte, Schneidhaltigkeit Festigkeit, Härte Festigkeit, Schlagfestigkeit Verschlechterung der Eigenschaften Dehnung (gering) Zähigkeit, Empfindlichkeit gegen Überhitzung Schmelztemperatur, Zähigkeit, Dehnung, Schweißbarkeit Molybdän (Mo) Nickel (Ni) Phosphor (P) Schwefel (S) Silizium (Si) Vanadium (V) Wolfram (W) Härte, Warmfestigkeit Dauerfestigkeit Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit Warmfestigkeit Spanbrüchigkeit Elastizität, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit Dauerschwingfestigkeit, Härte, Zähigkeit, Warmfestigkeit Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Härte Dehnung, Schlagfestigkeit Wärmeausdehnung Dehnung, Schlagfestigkeit Schlagfestigkeit Schweißbarkeit Empfindlichkeit gegen Überhitzen Dehnung (gering) Quelle: ETH Zürich, Vorlesungsscript 6

7 Stahlgruppen (nach Stahlschlüssel) Allgemeine Baustähle Einsatzstähle Nitrierstähle Vergütungsstähle Stähle für Oberflächenhärtung Feinkornbaustähle Kaltfließpressstähle Kaltzähe Stähle Warmfeste Stähle Druckwasserstoffbeständige Stähle Hochwarmfeste Stähle Nichtmagnetisierbare Stähle Hitzebeständige Stähle Rost- und säurebeständige Stähle Automatenstähle Wälzlagerstähle Federstähle Unlegierte Werkzeigstähle Kaltarbeitsstähle Warmarbeitsstähle Schnellarbeitsstähle Ventilstähle Europäische Stahlregistratur: ca Stahlsorten Quelle: 7

8 Einteilung der Stähle nach chemischer Zusammensetzung und Gebrauchseigenschaft Unlegierter legierter Stahl, nicht rostender Stahl, Qualitätsstahl, Edelstahl Gefügeausbildung ferritischer, perlitischer, austenitischer, martensitischer, bainitischer, ledeburitische Stahl, Feinkorn-Baustahl, eutektoider, untereutektoider, übereutektoider Stahl Erzeugnisform Rohstahl, Halbzeug, Walzstahl, Enderzeugnis (Bleche, Bänder) Herstellverfahren Bessemerstahl, Thomasstahl, Siemens-Martin-Stahl, Elektrostahl besondere technische Eigenschaften (Anwendung, Behandlung) Werkzeugstahl (Kalt-, Warm-, Schnellarbeitsstahl), Baustahl, Automatenstahl Federstahl, Stahldraht, Schiffbaustahl Einsatzstahl, Vergütungsstahl, Nitrierstahl Korrosionsbeständig, hitzebeständig, warmfest nach DIN EN : Hauptgüteklassen unlegiert niedrig legiert hoch legiert siehe Tabelle Gesamtanteil aller Legierungselemente < 5 Gew.-% Gesamtanteil aller Legierungselemente >5 Gew.-% 8

9 Tabelle 1: Grenze zwischen unlegierten und legierten Stählen (Schmelzenanalyse) Festgelegtes Element Al Aluminium 0,30 B Bor 0,000 8 Bi Wismut 0,10 Co Kobalt 0,30 Cr Chrom 0,30 Cu Kupfer 0,40 La Lanthanide (einzeln gewertet) 0,10 Mn Mangan 1,65 a Mo Molybdän 0,08 Nb Niob 0,06 Ni Nickel 0,30 Pb Blei 0,40 Se Selen 0,10 Si Silicium 0,60 Te Tellur 0,10 Ti Titan 0,05 V Vanadium 0,10 W Wolfram 0,30 Zr Zirconium 0,05 Sonstige (mit Ausnahme von Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel, Stickstoff) (jeweils) 0,10 aus DIN EN Grenzwert Massenanteil in % a Falls für Mangan nur ein Höchstwert festgelegt ist, ist der Grenzwert 1,80% und die 70%-Regel (siehe 3.1.2) gilt nicht. 9

10 Werkstoffbezeichnungen DIN EN 1560 Kurzzeichen und Nummernsystem für Gusswerkstoffe DIN 1700 Kurzzeichen und Nummernsystem für Nichteisenmetalle DIN EN (für Stahlguss und Stahl) a) Teil 1 Kurzzeichen für Stahlguss, Stahl b) Teil 2 Werkstoffnummern für Stahlguss, Stahl Allgemeiner Aufbau des Bezeichnungssystems + Hauptsymbol Eigenschaft bezogen auf das Hauptsymbol Zusatzsymbole für den Stahl Zusatzsymbole für das Erzeugnis -nach Verwendung und mechanischen Eigenschaften (Mindeststreckgrenze) nach chemischer Zusammensetzung unlegiert (C) - Niedrig legiert (Multiplikatoren) Hochlegiert (X) 10

11 Härteabfall beim Anlassen von Werkzeugstählen 11

12 Gefügeausbildung von korrosionsbeständigen Stählen Schaefflerdiagramm Bestimmungsformeln Chromäquivalent = %Cr + %Mo + 1,5 x %Si + 0,5 x %Nb Nickeläquivalent = %Ni + 30 x %C + 0,5 x %Mn + 30 x %N Ferritbildner Austenitbildner z. B. X5CrNi18-10: Cr- Äquivalent: 18% Ni- Äquivalent: 10% + 30 x 0,05% = 11,5% 12

13 Wichtige Stahlgruppen (nach Seidel) Baustähle Allgemeine Baustähle Wetterfeste Baustähle Hochfeste schweißbare Baustähle (Feinkornstähle) Stähle für Wärmebehandlung Einsatzstähle Vergütungsstähle Nitrierstähle Chemisch beständige Stähle Nichtrostende Stähle Hitzebeständige Stähle Stähle für hohe Temperaturen Warmfeste und hochwarmfeste Stähle für niedrige Temperaturen (hohe Zähigkeit) Arbeitsstähle Werkzeugstähle Unlegierter Kaltarbeitsstahl Legierter Kaltarbeitsstahl Warmarbeitsstahl Schnellarbeitsstahl 0,7 1,4%C; W, Mo, Cr, V, Co Wärmhärte und Anlassbeständigkeit Wälzlagerstahl Federstahl Si, Mn, Cr (hohe Elastizitätsgrenze 13

14 Wirkung der Legierungselemente (nach W. Weißbach) Mischkristallbildner Erhöhung der Festigkeit des Ferrits durch MK-Bildung Karbidbildner Zr, Ta, Nb, Ti, V, Mo, W, Cr Mischkarbide (Fremdatome im Zementit) Sonderkarbide (eigene Karbide) Erweiterung des Austenitgebietes Mn, Ni, Co, N, Zn Austenitische Stähle - kfz Gute Verformbarkeit Niedrige SAtreckgrenze (Aushärten) Hohe Kaltverfestigung Unmagnetisch (ohne Umwandlung) Korrosionsbeständig Kaltfest (geringe Kaltversprödung) Verkleinerung des Austenitgebietes Cr, Si, Mo, V, Ti, W, Al Ferritische Stähle Magnetisch bes. magnetische Eigenschaften Warmfest, hitze- und zunderbeständig Geringe Kaltverformung Kaltversprödung Umwandlungsfrei (kein Härten) Falls rein ferritisch korrosionsbeständig Härtbarkeit Siehe Wärmebehandlung Warmfestigkeit Kriechen Langzeitverformung unter Langzeitbelastung Schweißbarkeit: <0,45%C gut schweißbar unter 0,6 % C bedingt schweißbar > 0,6 %C schlecht schweißbar 14

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