Elemente und Symbole

Der Einfluss der Elemente auf Stahl

Stahl gehört zu den am häufigsten verwendeten Legierungen und besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff und Eisen. Er enthält auch andere Elemente, die zum Teil beim Herstellungsprozess entstehen oder ihm beigefügt werden, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen.

Die am häufigsten verwendeten Elemente sind:

1. Aluminum (Al)

Wenn es der Schmelze beigefügt wird, mischt es sich sehr schnell mit jedem gelösten Sauerstoff und gilt daher als eines der häufigsten Desoxidationsmittel in der Stahlherstellung. Aluminium wird außerdem eingesetzt, um eine feinkörnige Struktur zu erzeugen und die Korngröße zu steuern. Da es zusätzlich die Zunderbeständigkeit erhöht, ist es Legierungsbestandteil der hitze- und zunderbeständigen Stähle.

2. Blei (Pb)

Wird dem Stahl beigemischt, um eine bessere Bearbeitbarkeit zu erzielen. In kleinen Mengen von 0,15-0,30% und fein verteilt, hat es keine bekannten Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Stahls.

3. Chrom (Cr)

Chrom wird dem Stahl beigemischt, um die Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation zu erhöhen. Dieser Widerstand nimmt mit dem Chrom-Anteil zu, „Edelstahl“ enthält mindestens 11% Chrom. Neben der Korrosionsbeständigkeit wird mit weiter steigenden Cr-Gehalt auch der Einfluss auf die Wirksumme (auch PRE oder PREN-Wert genannt) erhöht. Dieser Wert schätzt die Korrosionsbeständigkeit der Edelstähle ein. Des Weiteren verbessert ein steigender Cr-Gehalt die Zunderbeständigkeit.

4. Eisen (Fe)

Obwohl es an Zugfestigkeit fehlt, ist Eisen sehr weich und geschmeidig und reagiert überhaupt nicht auf Wärmebehandlung. Eisen ist das wichtigste Element im Stahl. Mit der Zugabe von anderen Legierungselementen können die erforderlichen mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit erreicht werden.

5. Kobalt (Co)

Wird benutzt, um die Warmhärte eines Stahls zu erhöhen.

6. Kohlenstoff (C)

Das Grundmetall Eisen wird mit Kohlenstoff legiert, um Stahl zu erzeugen. Er erhöht die Härte und die Festigkeit des Eisens. Reines Eisen kann nicht nur durch Wärmebehandlung gehärtet oder gestärkt werden, auch durch die Zugabe von Kohlenstoff wird eine Vielzahl von Härten und Festigkeiten möglich. Der Kohlenstoff hat jedoch keinen direkten positiven Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit des Stahles.

7. Kupfer (Cu)

Kupfer ist in der Regel in Edelstählen als Ascherestelement vorhanden. Jedoch wird es einigen Legierungen hinzugefügt, um Aushärtungseigenschaften zu erzeugen. Wird auch bei höherlegierten Werkstoffen verwendet (ca. 1%) um die Korrosionsbeständigkeit gegenüber Salz- und Schwefelsäure zu erhöhen.

8. Mangan (Mn)

Erzeugt im wesentlichen drei Effekte:

• Es ist ein mildes Antioxidans, das als ein Reinigungsmittel den Schwefel und den Sauerstoff aus der Schmelze in die Schlacke befördert.
• Es erhöht die Härtbarkeit und die Zugfestigkeit, verringert aber die Zähigkeit.
• In Verbindung mit Schwefel bildet es Mangansulfide, die besonders wichtig für Automatenstählen sind.

9. Molybdän (Mo)

Wenn Molybdän den austenitischen Chrom-Nickel-Stählen zugefügt wird, erhöht er den Widerstand gegen Lochfraßkorrosion besonders durch Chloride und Schwefelchemikalien. Es verbessert bei niedrig legierten Stählen die Härtbarkeit und verringert die Anlasssprödigkeit, kann auch die Streckgrenze und Festigkeit erhöhen.

10. Nickel (Ni)

Wenn Nickel Kohlenstoffstahl in Mengen bis zu 5% beigefügt wird, erhöht sich die Zugfestigkeit, Zähigkeit und die Härtbarkeit ohne Verlust der Verformungseigenschaften.. Nickel als Austenitbilder wird oft in Kombination mit anderen Legierungselementen, besonders Chrom und Molybdän, verwendet. Die Standardedelstähle beinhalten zwischen 8% und 14% Nickel, bei höherlegierten Werkstoffen, wie z.B. 1.4539 (904L) oder 254 SMo ist der Anteil höher. Nickel erhöht die Beständigkeit gegen reduzierende Medien.

11. Niob/Columbium (Nb/Cb)

Niob (Columbium) erhöht die Streckgrenze und in geringerem Maße auch die Zugfestigkeit des Kohlenstoffstahls. Durch die Erhöhung der Warmfestigkeit und der Zeitstandsfestigkeit ist Niob oft ein Legierungsbestandteil der hochwarmfesten Stähle für Kessel wie auch im entsprechenden Rohrleitungsbau. Für die korrosionsbeständigen Stähle (Ferrite wie Austenite) ist Niob (ähnlich Titan) als starker Karbidbilder wichtig für das Verhindern von Cr-Karbiden, die zu der interkristallinen Korrosion führen können.

12. Phosphor (P)

Obwohl Phosphor die Zugfestigkeit und die Zerspanbarkeit verbessert, wird dieses Element als Verunreinigung betrachtet, da es den Stahl spröde macht. Die meisten Stähle beinhalten nicht mehr als 0,05% Phosphor.

13. Schwefel (S)

In geringen Mengen verbessert Schwefel die Bearbeitbarkeit, macht den Stahl jedoch nicht spröde. Warmsprödheit wird durch Zugabe von Mangan reduziert, welches sich mit dem Schwefel verbindet, um Mangansulfid zu bilden. Da Mangansulfide einen höheren Schmelzpunkt haben als Eisensulfide, die sich ohne Mangan bilden würden, wird während der Warmumformung die Gefahr von “Rotbruch“ (Aufbrechen der Korngrenzen durch die Eisensulfide) verhindert. Schwefel reduziert die Korrosionsbeständigkeit der Edelstähle, so ist ein 1.4305 auf keinen Fall mit dem 1.4301/07 vergleichbar.

14. Selen (Se)

Selen wird benutzt, um die Bearbeitbarkeit des Stahls zu verbessern, soll im Gegensatz zu Schwefel aber die Beständigkeit in korrosionsbeständigen Automatenstählen weniger stark reduzieren.

15. Silizium (Si)

In den meisten Stählen ist Silizium in einem Bereich von 0,05 / 0,35 % vorhanden. Es wirkt als starkes Reduktionsmittel. In größeren Mengen findet man Silizium in Si-Mn-Federstählen sowie in hitze- und zunderbeständigen Stählen.

16. Stickstoff (N)

Stickstoff erhöht die Stabilität der austenitischen Edelstähle und ist, genau wie Nickel, ein austenitisches Formelement. Die Streckgrenze (Festigkeit) wird stark verbessert, ohne dass die Zähigkeit vermindert wird. Stickstoff hat in den höher legierten korrosionsbeständigen Stählen einen wesentlichen Einfluss auf die Beständigkeit gegenüber Lochfraß und Spaltkorrosion. Stickstoff geht in der oben genannten Wirksumme W = % Cr + 3,3 % Mo + X % N bei den Duplexstählen mit dem Faktor 16 ein und bei hoch legierten Austeniten (z.B. 254 SMo) mit dem Faktor 30.

17. Tantal (Ta)

Chemisch ähnlich Niob und wirkt auch ähnlich.

18. Titanium (Ti)

Titan wird (wie Niob) als Legierungselement in Stahl hauptsächlich für die Stabilisierung der Karbide benutzt. Es verbindet sich mit Kohlenstoff und daraus bilden sich Titankarbide. Diese sind recht stabil und verhindern, dass sich Cr-Karbide bilden können, die dann durch eine Verarmung des Chroms an den Korngrenzen zu der interkristallinen Korrosion (IK) führen könnten. Titan als Stabilisator ist gebräuchlicher als Niob. Durch den abgesenkten C-Gehalt in dem Werkstoff 316L ist eine Stabilisierung dieser Legierung nicht erforderlich, die Gefahr der IK ist nicht gegeben.

19. Vanadium (V)

Ist ein starkes Desoxidationsmittel und fördert die feine Kornstruktur. Das Vanadium erhöht die Warmfestigkeit. Ein mit Vanadium legierter härtbarer martensitischer Chromstahl scheint unempfindlicher gegen Überhitzung zu sein als Stähle ohne Vanadium.

20. Wolfram (W)

Ist das Hauptelement in Hochgeschwindigkeitswerkzeugstählen. Nach der Wärmebehandlung behält der Stahl seine Härte auch bei hoher Temperatur und ist dadurch besonders geeignet für Werkzeugstahl.

Dichte von Werkstoffen

Elemente und Symbole

*Die amerikanische Bezeichnung für Niob.