Stahlklassifizierung:Chemie und Eigenschaften

Die charakteristischen Eigenschaften von Stahl

Stahlsortiersysteme berücksichtigen chemische Zusammensetzung, Behandlung und mechanische Eigenschaften, damit Hersteller das geeignete Produkt für ihre Anwendung auswählen können. Neben dem eigentlichen Anteil an Kohlenstoff und anderen Legierungen im Werkstoff hat auch die Mikrostruktur einen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Stahl.

Es ist wichtig, die Definition der Mikrostruktur zu verstehen – und die Art und Weise, wie die Mikrostruktur von Stahl durch Warm- und Kaltumformung und nach der Fertigung manipuliert werden kann. Diese Techniken können verwendet werden, um Produkte mit spezifischen mechanischen Eigenschaften zu entwickeln. Die Manipulation von Zusammensetzung und Mikrostruktur führt jedoch zu einem Kompromiss zwischen verschiedenen Eigenschaften. Beispielsweise kann härterer Stahl zu einer geringeren Festigkeit führen.

Mikrostruktur

Die Mikrostruktur eines Materials ist die Art und Weise, wie die Moleküle miteinander verbunden sind, wobei Kräfte zwischen diesen Molekülen wirken. Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse werden verwendet, um die Mikrostruktur von einer Form in eine andere zu ändern und dadurch die Eigenschaften des Materials zu verändern.

Die Mikrostruktur ist mit bloßem Auge nicht erkennbar, kann aber unter einem Mikroskop untersucht werden. Stahl kann mehrere unterschiedliche Mikrostrukturen annehmen – Ferrit, Perlit, Martensit, Zementit und Austenit.

Ferrit

Ferrit ist die Bezeichnung für die Molekularstruktur von reinem Eisen bei Raumtemperatur. Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt nimmt ebenfalls dieselbe Mikrostruktur an. Die charakteristische Form von Ferrit ist eine kubisch raumzentrierte (BCC) Kristallstruktur. Stellen Sie sich visuell einen Würfel mit einem Molekül an jeder Ecke und einem Molekül in der Mitte des Würfels vor. Die Moleküle sind in BCC lockerer gepackt als in anderen Mikrostrukturen, die mehr Moleküle in jedem Würfel enthalten. Allerdings ist die Kohlenstoffmenge, die hinzugefügt werden kann, ohne die Ferrit-Mikrostruktur zu verändern, mit nur 0,006 % bei Raumtemperatur gering.

Austenit

Austenit ist eine Mikrostruktur, die gebildet wird, wenn Legierungen auf Eisenbasis über 1500 ˚F, aber unter 1800 ˚F erhitzt werden. Wenn der Stahl die richtige Legierung enthält, beispielsweise Nickel, behält der Werkstoff diese Mikrostruktur auch im abgekühlten Zustand. Die charakteristische Form von Austenit ist eine kubisch flächenzentrierte (FCC) Kristallstruktur. Stellen Sie sich visuell einen Würfel mit einem Molekül an jeder Ecke und einem Molekül in der Mitte jeder Seite des Würfels vor. Die Moleküle in einer Austenitkonfiguration sind dichter gepackt als die von Ferrit. Austenit kann bis zu 2 % Kohlenstoff enthalten und ist eine übliche Mikrostruktur von Edelstahl.

Zementit

Wenn Kohlenstoffstahl in den Austenitbereich erhitzt wird – und dann abgekühlt wird, ohne dass eine Legierung vorhanden ist, um die Austenitform beizubehalten – kehrt die Mikrostruktur in die Ferritform zurück. Wenn der Kohlenstoffgehalt jedoch mehr als 0,006 % beträgt, verbinden sich die überschüssigen Kohlenstoffatome mit Eisen zu einer chemischen Verbindung namens Eisencarbid (Fe3C), auch bekannt als Zementit. Zementit kommt nicht alleine vor, da ein Teil des Materials in Ferritform verbleibt.

Perlit

Perlit ist eine laminierte Struktur, die aus abwechselnden Schichten von Ferrit und Zementit besteht. Es tritt auf, wenn Stahl langsam abgekühlt wird und ein eutektisches Gemisch bildet. Ein eutektisches Gemisch ist ein Gemisch, in dem zwei geschmolzene Materialien gleichzeitig kristallisieren. Unter diesen Bedingungen werden gleichzeitig Ferrit und Zementit gebildet, was zu abwechselnden Schichten innerhalb der Mikrostruktur führt.

Martensit

Martensit hat eine raumzentrierte tetragonale Kristallstruktur. Diese mikrokristalline Form wird durch schnelles Abkühlen von Stahl erreicht, wodurch Kohlenstoffatome im Eisengitter eingeschlossen werden. Das Endergebnis ist eine sehr harte, nadelartige Struktur aus Eisen und Kohlenstoff. Stahl mit einer mikrokristallinen Martensitstruktur ist normalerweise eine Stahllegierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, die etwa 12 % Chrom enthält.

Für Stahlhersteller und Verbraucher ist es wichtig, die Mikrostruktur von Stahl zu verstehen und wie sie die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinflusst. Kohlenstoffgehalt, Legierungskonzentrationen und Veredelungsverfahren wirken sich alle auf die Mikrostruktur aus und können daher verwendet werden, um die Eigenschaften des Endprodukts zu manipulieren. Es ist möglich, dass zwei Proben mit demselben Legierungsgehalt je nach Veredelungsverfahren und Wärmebehandlung unterschiedliche Mikrostrukturen aufweisen.

Warm- und Kaltumformung

Sobald geschmolzener Stahl gegossen ist, muss er in seine endgültige Form gebracht und dann endbearbeitet werden, um Korrosion zu verhindern. Stahl wird normalerweise in maschinenfertige Formen gegossen:Vorblöcke, Knüppel und Brammen. Die Gussformen werden dann durch Walzen geformt. Das Walzen kann je nach Material und Einsatzzweck heiß, warm oder kalt erfolgen. Während des Walzens wird die Druckverformung durch die Verwendung von zwei Arbeitswalzen erreicht. Die Rollen drehen sich schnell, um gleichzeitig den Stahl zwischen sich zu ziehen und zu quetschen.

Kaltumformung

Kaltumformen ist das Walzen von Stahl unterhalb seiner Rekristallisationstemperatur. Der von den Walzen auf den Stahl ausgeübte Druck verursacht Versetzungen in der Mikrostruktur des Materials und erzeugt somit Körner im Material. Wenn sich diese Versetzungen aufbauen, wird der Stahl härter und schwieriger weiter zu verformen. Kaltwalzen führt auch dazu, dass der Stahl spröde wird, was durch Wärmebehandlung überwunden werden kann.

Nachdem das Walzen abgeschlossen ist, werden die Stahlteile mit sekundären Verarbeitungstechniken endbearbeitet, um Korrosion zu verhindern und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern:

• Beschichtung
• Oberflächenbehandlung
• Wärmebehandlung

Wärmebehandlung

Auswirkungen der Wärmebehandlung

Die Mikrostruktur von Stahl kann durch kontrolliertes Erhitzen und Abkühlen verändert werden. Dies hat zur Entwicklung verschiedener Wärmebehandlungsmethoden geführt, um die Mikrostruktur zu modifizieren und eine gewünschte Änderung der mechanischen Eigenschaften zu erreichen.

Stahlmikrostrukturen erfahren bei bestimmten Temperaturen wechselnde Phasen. Die Wärmebehandlung basiert auf dem Verständnis und der Manipulation bestimmter Umwandlungspunkte:

• Normalisierung der Temperatur
  Austenit ist die Phase, aus der andere Strukturen gebildet werden. Die meisten Wärmebehandlungen beginnen mit dem Erhitzen des Stahls auf eine gleichmäßige austenitische Phase von 1500–1800 °F.
• Obere kritische Temperatur
  Die obere kritische Temperatur ist der Punkt, unterhalb dessen sich Zementit oder Ferrit zu bilden beginnt. Dies tritt auf, wenn Stahl von der Normalisierungstemperatur abkühlt. Je nach Kohlenstoffgehalt liegt dieser Punkt zwischen 1333–1670 °F.
• Untere kritische Temperatur
  Die untere kritische Temperatur ist der Punkt der Umwandlung von Austenit zu Perlit. Austenit kann unterhalb der unteren kritischen Temperatur von 1333 °F nicht existieren.

Die Abkühlungsgeschwindigkeit – von der Normalisierungstemperatur bis zu den oberen und unteren kritischen Temperaturen – bestimmt die resultierende Stahlmikrostruktur bei Raumtemperatur.

Die Wärmebehandlung umfasst eine Reihe von Prozessen, einschließlich Glühen, Abschrecken und Anlassen. Bei Stahl stehen Duktilität und Festigkeit in umgekehrter Beziehung. Wärmebehandlungen können entweder die Duktilität auf Kosten der Festigkeit erhöhen oder umgekehrt.

Arten der Wärmebehandlung

Sphäroidisieren

Sphäroidisieren tritt auf, wenn Kohlenstoffstahl 30 Stunden lang auf etwa 1290 °F erhitzt wird. Die Zementitschichten in der Perlit-Mikrostruktur werden in Sphäroide umgewandelt, was zur weichsten und dehnbarsten Form von Stahl führt.

Vollglühen

Kohlenstoffstahl wird geglüht, indem er zuerst leicht über die obere kritische Temperatur erhitzt wird – diese Temperatur eine Stunde lang hält – und dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 36 ° F pro Stunde abkühlt. Dieser Prozess erzeugt eine grobe perlitische Struktur, die ohne innere Spannungen duktil ist.

Prozessglühen

Prozessglühen entspannt kaltverformten Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (> 0,3 % C). Der Stahl wird eine Stunde lang auf 1025–1292 °F erhitzt. Versetzungen in der Mikrostruktur werden durch das Umformen des Kristalls vor dem Abkühlen repariert.

Isothermes Glühen

Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt wird zuerst über die obere kritische Temperatur erhitzt. Dann wird sie gehalten, auf die untere kritische Temperatur abgekühlt und erneut gehalten. Es wird dann allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt. Dieser Prozess stellt sicher, dass das Material vor dem nächsten Kühlschritt eine einheitliche Temperatur und Mikrostruktur erreicht.

Normalisierung

Kohlenstoffstahl wird eine Stunde lang auf die Normalisierungstemperatur erhitzt. An diesem Punkt tritt der Stahl vollständig in die Austenitphase ein. Der Stahl wird dann luftgekühlt. Durch das Normalisieren entsteht ein feines perlitisches Gefüge mit hoher Festigkeit und Härte.

Löschen

Stahl mit mittlerem oder hohem Kohlenstoffgehalt wird auf die Normalisierungstemperatur erhitzt und dann auf die obere kritische Temperatur abgeschreckt (schnelles Abkühlen durch Eintauchen in Wasser, Salzlösung oder Öl). Der Abschreckprozess erzeugt eine martensitische Struktur – extrem hart, aber spröde.

Anlassen von abgeschrecktem Stahl

Die häufigste Wärmebehandlung, da ihr Ergebnis genau vorhergesagt werden kann. Abgeschreckter Stahl wird wieder auf eine Temperatur unterhalb des unteren kritischen Punkts erhitzt und dann abgekühlt. Die Temperaturen variieren je nach beabsichtigtem Ergebnis – wobei der Bereich von 298–401 °F am häufigsten vorkommt. Dieser Prozess gibt dem spröden abgeschreckten Stahl etwas Zähigkeit zurück, indem er die Bildung von Sphäroidit ermöglicht.

Mechanische Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften werden in Übereinstimmung mit internationalen Standards wie ASTM (American Society for Testing and Materials) oder SAE (Society of Automotive Engineers) gemessen.

Wichtigste mechanische Eigenschaften von Stahl

Härte

Härte ist die Fähigkeit eines Materials, Abrieb zu widerstehen. Eine Erhöhung der Härte kann durch Erhöhung des Kohlenstoffgehalts und durch Abschrecken erreicht werden, was zur Bildung von Martensit führt.

Stärke

Die Metallfestigkeit ist die Kraft, die erforderlich ist, um ein Material zu verformen. Das Normalisieren eines Stahlstücks verbessert seine Festigkeit, indem es eine konsistente Mikrostruktur im gesamten Material erzeugt.

Dehnbarkeit

Duktilität ist die Fähigkeit eines Metalls, sich unter Zugspannung zu verformen. Kaltumgeformter Stahl hat aufgrund der Versetzungen im Gefüge eine geringe Duktilität. Prozessglühen wird dies verbessern, indem es den Kristallen ermöglicht, sich neu zu bilden und dadurch einige der Versetzungen zu beseitigen.

Zähigkeit

Zähigkeit ist die Fähigkeit, Belastungen standzuhalten, ohne zu brechen. Abgeschreckter Stahl kann durch Anlassen zäher gemacht werden, wodurch der Mikrostruktur Sphäroide hinzugefügt werden.

Bearbeitbarkeit

Bearbeitbarkeit ist die Leichtigkeit, mit der Stahl durch Schneiden, Schleifen oder Bohren geformt werden kann. Die Bearbeitbarkeit wird hauptsächlich durch die Härte beeinflusst. Je härter das Material, desto schwieriger zu bearbeiten.

Schweißbarkeit

Schweißbarkeit ist die Fähigkeit von Stahl, fehlerfrei geschweißt zu werden. Sie ist in erster Linie von der chemischen Zusammensetzung und der Wärmebehandlung abhängig. Schmelzpunkt sowie elektrische und Wärmeleitfähigkeit haben alle einen Einfluss auf die Schweißbarkeit eines Materials.

Weitere Informationen zu den mechanischen Eigenschaften und Prüfungen von Stahl finden Sie unter Eigenschaften und Herstellung von Stahlgussteilen.

Qualitätsdeskriptoren

Qualitätsdeskriptoren werden auf Stahlprodukte in breiten Kategorien wie Handels-, Industrie- oder Bauqualität angewendet. Diese Etiketten kennzeichnen bestimmte Stähle als für bestimmte Anwendungen und Herstellungsprozesse geeignet, was eine schnellere Marktnavigation und Entscheidungsfindung ermöglicht. Stahl wird aufgrund verschiedener Faktoren in bestimmte Kategorien eingeteilt:

• Interne Solidität
• Chemische Zusammensetzung und Einheitlichkeit
• Grad der Oberflächenfehler
• Umfang der Prüfung während der Herstellung
• Anzahl, Größe und Verteilung von Einschlüssen
• Härtbarkeit

Stahlsortiersysteme

Spezifikationen, wie sie von ASTM, AISI (American Iron and Steel Institute) und SAE herausgegeben werden, bieten eine Standardsprache für Ingenieure, Hersteller und Verbraucher, um die Eigenschaften von Stahl zu kommunizieren. Die Einstufung ist oft sehr spezifisch – einschließlich aller chemischen Zusammensetzungen, physikalischen Eigenschaften, Wärmebehandlungen, Herstellungsverfahren und Formen.

ASTM

Das ASTM-System verwendet einen beschreibenden Buchstaben, gefolgt von einer fortlaufenden Nummer. Beispielsweise steht „A“ für Eisenmetall und „53“ für verzinkten Kohlenstoffstahl.

ASTM A53 hätte die folgenden Eigenschaften:

• Chemische Zusammensetzung, max. %
  • Kohlenstoff:0,25 (Klasse A), 0,30 (Klasse B)
  • Mangan:0,95 (Klasse A), 1,20 (Klasse B)
  • Phosphor:0,05
  • Schwefel:0,045
• Mechanische Eigenschaften
  • Zugfestigkeit, UTS:330 MPa oder 48.000 psi (Klasse A), 414 MPa oder 60.000 psi (Klasse B)
  • Zugfestigkeit, Streckgrenze:207 MPa oder 30.000 psi (Klasse A), 241 MPa oder 35.000 psi (Klasse B)
• Form und Behandlung
  • Rohr NPS 1/8 – NPS 26
  • Verzinkter Stahl
  • Schwarz und heiß getaucht
  • Verzinkt
  • Verschweißt und nahtlos

SAE

Das AISI/SAE-Nummerierungssystem verwendet eine 4-stellige Nummer zur Klassifizierung. Die ersten beiden Zahlen geben den Stahltyp und die Legierungselementkonzentration an, und die letzten beiden Zahlen geben die Kohlenstoffkonzentration an.

Beispielsweise beschreibt SAE 5130 einen Stahl, der 1 % Chrom und 0,30 % Kohlenstoff enthält. Buchstabenpräfixe werden als Qualitätsdeskriptoren für Händlerqualität verwendet.