Eigenschaften, Zusammensetzung und Anwendungen von Standardstählen

Stahl ist der Oberbegriff für eine große Familie von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs unmittelbar nach dem Erstarren aus dem geschmolzenen Zustand verformbar sind.

Die wichtigsten Rohstoffe für die Stahlerzeugung sind Eisenerz, Kohle und Kalkstein. Diese Materialien werden in einem Hochofen in ein Produkt namens „Roheisen“ umgewandelt, das erhebliche Mengen an Kohlenstoff, Mangan, Schwefel, Phosphor und Silizium enthält. Roheisen ist hart, spröde und für die direkte Verarbeitung zu Schmiedeformen ungeeignet. Stahlherstellung ist der Prozess der Veredelung von Roheisen sowie von Eisen- und Stahlschrott durch Entfernen unerwünschter Elemente aus der Schmelze und anschließendes Hinzufügen erwünschter Elemente in vorbestimmten Mengen. Eine primäre Reaktion bei der meisten Stahlherstellung ist die Kombination von Kohlenstoff mit Sauerstoff, um ein Gas zu bilden. Wird der Schmelze vor oder während des Gießens kein gelöster Sauerstoff entzogen, entwickeln sich die gasförmigen Produkte während der Erstarrung weiter. Wird der Stahl durch Zugabe von Desoxidationselementen stark desoxidiert, entwickelt sich kein Gas und der Stahl wird als „beruhigt“ bezeichnet, weil er ruhig in den Formen liegt. Zunehmende Gasentwicklung (verringerte Desoxidation) charakterisieren Stähle, die als „semikilled“, „capped“ oder „rimmed“ bezeichnet werden. Der Desoxidationsgrad beeinflusst einige der Eigenschaften des Stahls. Flüssiger Stahl enthält neben Sauerstoff messbare Mengen an gelöstem Wasserstoff und Stickstoff. Bei einigen kritischen Stahlanwendungen können spezielle Desoxidationsverfahren sowie Vakuumbehandlungen verwendet werden, um gelöste Gase zu reduzieren und zu kontrollieren.

Der Kohlenstoffgehalt gängiger Stahlsorten reicht von wenigen Hundertstel Prozent bis etwa 1 Prozent. Alle Stähle enthalten auch unterschiedliche Mengen anderer Elemente, hauptsächlich Mangan, das als Desoxidationsmittel wirkt und die Warmumformung erleichtert. Auch Silizium, Phosphor und Schwefel sind immer vorhanden, wenn auch nur in Spuren. Andere Elemente können vorhanden sein, entweder als Rückstände, die nicht absichtlich hinzugefügt werden, sondern aus den Rohstoffen oder der Stahlherstellung resultieren, oder als Legierungselemente, die hinzugefügt werden, um Änderungen in den Eigenschaften des Stahls zu bewirken.

Stähle können in Form gegossen werden, oder der gegossene Barren oder Strang kann wiedererwärmt und durch Walzen, Schmieden, Strangpressen oder andere Verfahren in eine Schmiedewalzform warmverformt werden. Schmiedestähle sind die am häufigsten verwendeten Konstruktionsmaterialien und bieten eine Vielzahl von Formen, Oberflächen, Festigkeiten und nutzbaren Temperaturbereichen. Kein anderes Material bietet eine vergleichbare Vielseitigkeit für das Produktdesign.

Standard-Stahlklassifikation

Geschmiedete Stähle können systematisch in Gruppen eingeteilt werden, die auf einigen gemeinsamen Merkmalen basieren, wie z. B. chemische Zusammensetzung, Desoxidationspraxis, Endbearbeitungsverfahren oder Produktform. Die chemische Zusammensetzung ist die am häufigsten verwendete Grundlage zur Identifizierung und Zuordnung von Standardbezeichnungen für Schmiedestähle. Obwohl Kohlenstoff das wichtigste härtende und festigende Element in Stahl ist, bestimmt kein einzelnes Element die Eigenschaften des Stahls. Die kombinierte Wirkung mehrerer Elemente beeinflusst die Reaktion auf Wärmebehandlung, Härte, Festigkeit, Mikrostruktur, Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit. Die Standardstähle können grob in drei Hauptgruppen unterteilt werden:Kohlenstoffstähle, legierte Stähle und rostfreie Stähle.

Kohlenstoffstähle

Ein Stahl gilt als Kohlenstoffstahl, wenn sein Mangangehalt auf 1,65 Prozent (max.), Silizium auf 0,60 Prozent (max.) und Kupfer auf 0,60 Prozent (max.) begrenzt ist. Mit Ausnahme von Desoxidationsmitteln und Bor, falls angegeben, werden keine anderen Legierungselemente absichtlich hinzugefügt, aber sie können als Reststoffe vorhanden sein. Wenn eines dieser zufälligen Elemente für spezielle Anwendungen als nachteilig angesehen wird, können maximal akzeptable Grenzwerte angegeben werden. Im Gegensatz zu den meisten legierten Stählen werden Kohlenstoffstähle meistens ohne abschließende Wärmebehandlung verwendet; sie können jedoch geglüht, normalisiert, einsatzgehärtet oder abgeschreckt und getempert werden, um die Herstellung oder die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Kohlenstoffstähle können beruhigt, halbberuhigt, gedeckelt oder umrandet sein, und, falls erforderlich, kann das Desoxidationsverfahren angegeben werden.

Legierte Stähle

Legierte Stähle umfassen nicht nur die Güten, die die Elementgehaltsgrenzen für Kohlenstoffstahl überschreiten, sondern auch alle Güten, denen andere Elemente als die für Kohlenstoffstahl verwendeten innerhalb bestimmter Bereiche oder bestimmter Mindestmengen zugesetzt werden, um die mechanischen Eigenschaften, Fertigungseigenschaften oder zu verbessern jedes andere Attribut des Stahls. Nach dieser Definition umfassen legierte Stähle alle anderen Stähle als Kohlenstoffstähle; Konventionell gelten Stähle mit mehr als 3,99 % Chrom jedoch als „besondere Arten“ von legierten Stählen, zu denen rostfreie Stähle und viele Werkzeugstähle gehören.

Im technischen Sinne ist der Begriff legierter Stahl jenen Stählen vorbehalten, die eine bescheidene Menge an Legierungselementen (etwa 1-4 Prozent) enthalten und im Allgemeinen auf Wärmebehandlungen angewiesen sind, um spezifische mechanische Eigenschaften zu entwickeln. Legierte Stähle werden immer beruhigt, aber für spezielle kritische Anwendungen können spezielle Desoxidations- oder Schmelzverfahren, einschließlich Vakuum, spezifiziert werden. Legierte Stähle erfordern im Allgemeinen während ihrer gesamten Herstellung zusätzliche Sorgfalt, da sie empfindlicher gegenüber thermischen und mechanischen Vorgängen sind.

Edelstahl

Rostfreie Stähle sind hochlegierte Stähle und weisen eine überlegene Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kohlenstoff- und herkömmlichen niedriglegierten Stählen auf, da sie relativ große Mengen an Chrom enthalten. Obwohl auch andere Elemente die Korrosionsbeständigkeit erhöhen können, ist ihr Nutzen in dieser Hinsicht begrenzt.

Rostfreie Stähle enthalten im Allgemeinen mindestens 10 Prozent Chrom, mit oder ohne andere Elemente. In den Vereinigten Staaten ist es jedoch üblich, solche Stähle in die Edelstahlklassifizierung aufzunehmen, die nur 4 Prozent Chrom enthalten. Zusammen bilden diese Stähle eine Familie, die als rostfreie und hitzebeständige Stähle bekannt ist, von denen einige eine sehr hohe Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit besitzen. Nur wenige enthalten jedoch mehr als 30 % Chrom oder weniger als 50 % Eisen.

Im weitesten Sinne lassen sich die Standard-Edelstähle aufgrund ihres Gefüges in drei Gruppen einteilen:austenitisch, ferritisch und martensitisch. In jeder der drei Gruppen gibt es eine Zusammensetzung, die die allgemeine Allzwecklegierung darstellt. Alle anderen Zusammensetzungen werden von der Grundlegierung abgeleitet, wobei spezifische Variationen in der Zusammensetzung vorgenommen werden, um ganz spezifische Eigenschaften zu erhalten.

Die austenitischen Sorten sind im geglühten Zustand nicht magnetisch, obwohl einige nach der Kaltumformung leicht magnetisch werden können. Sie lassen sich nur durch Kaltverformung und nicht durch Wärmebehandlung härten und vereinen hervorragende Korrosions- und Hitzebeständigkeit mit guten mechanischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich. Die austenitischen Güten werden weiter in zwei Untergruppen eingeteilt:die Chrom-Nickel-Sorten und die weniger häufig verwendeten Chrom-Mangan-Low-Nickel-Sorten. Die Grundzusammensetzung in der Chrom-Nickel-Gruppe ist weithin als 18-8 (Cr-Ni) bekannt und ist die austenitische Allzwecksorte. Diese Sorte ist die Basis für über 20 Modifikationen, die wie folgt charakterisiert werden können:Das Chrom-Nickel-Verhältnis wurde modifiziert, um die Umformeigenschaften zu ändern; der Kohlenstoffgehalt wurde verringert, um interkristalline Korrosion zu verhindern; die Elemente Niob oder Titan wurden hinzugefügt, um die Struktur zu stabilisieren; oder Molybdän wurde hinzugefügt oder der Chrom- und Nickelgehalt wurde erhöht, um die Korrosions- oder Oxidationsbeständigkeit zu verbessern.

Die ferritischen Standardsorten sind immer magnetisch und enthalten Chrom, aber kein Nickel. Sie können bis zu einem gewissen Grad durch Kaltverformung, aber nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden, und sie vereinen Korrosions- und Hitzebeständigkeit mit mäßigen mechanischen Eigenschaften und dekorativer Wirkung. Die ferritischen Sorten sind im Allgemeinen auf einen engeren Bereich korrosiver Bedingungen beschränkt als die austenitischen Sorten. Die ferritische Grundsorte enthält 17 Prozent Chrom. In dieser Reihe gibt es Automatenbearbeitungsmodifikationen und Sorten mit erhöhtem Chromgehalt zur Verbesserung der Zunderbeständigkeit. Zu dieser ferritischen Gruppe gehört auch ein 12-prozentiger Chromstahl (die Grundzusammensetzung der martensitischen Gruppe), dem andere Elemente wie Aluminium oder Titan zugesetzt werden, um ein Aushärten zu verhindern.

Die martensitischen Standardsorten sind magnetisch und können durch Abschrecken und Anlassen gehärtet werden. Sie enthalten Chrom und bis auf zwei Ausnahmen kein Nickel. Die martensitische Grundsorte enthält normalerweise 12 Prozent Chrom. Es gibt mehr als 10 Standardzusammensetzungen in der martensitischen Reihe; Einige sind modifiziert, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern, und andere haben kleine Zusätze von Nickel oder anderen Elementen, um die mechanischen Eigenschaften oder ihr Ansprechen auf Wärmebehandlung zu verbessern. Wieder andere haben im Werkzeugstahlbereich einen stark erhöhten Kohlenstoffgehalt und sind auf die höchsten Werte aller rostfreien Stähle härtbar. Die martensitischen Güten eignen sich hervorragend für den Einsatz in milden Umgebungen wie der Atmosphäre, Süßwasser, Dampf und schwachen Säuren, sind jedoch nicht beständig gegen stark korrosive Lösungen.

Nummerierungssysteme für Metalle und Legierungen

Mehrere unterschiedliche Nummerierungssysteme wurden für Metalle und Legierungen von verschiedenen Handelsverbänden, Fachgesellschaften für Ingenieurwesen, Normungsorganisationen und der Privatindustrie für ihren eigenen Gebrauch entwickelt. Der numerische Code, der zur Identifizierung des Metalls oder der Legierung verwendet wird, kann sich auf eine Spezifikation beziehen oder nicht, die eine Angabe der technischen und kommerziellen Anforderungen ist, die das Produkt erfüllen muss. Zu den verwendeten Nummerierungssystemen gehören die vom American Iron and Steel Institute (AISI), der Society of Automotive Engineers (SAE), der American Society for Testing and Materials (ASTM), dem American National Standards Institute (ANSI), der Steel Founders Society of America, American Society of Mechanical Engineers (ASME), American Welding Society (AWS), Aluminium Association, Copper Development Association, US-Verteidigungsministerium (Military Specifications) und General Accounting Office (Federal Specifications).

Das Unified Numbering System (UNS) wurde durch eine gemeinsame Anstrengung von ASTM und SAE entwickelt, um ein Mittel bereitzustellen, um die verschiedenen Nummerierungssysteme für Metalle und Legierungen, die einen kommerziellen Ruf haben, zu korrelieren. Dieses System vermeidet die Verwirrung, die entsteht, wenn mehr als eine Identifikationsnummer verwendet wird, um dasselbe Material zu spezifizieren, oder wenn dieselbe Nummer zwei völlig unterschiedlichen Materialien zugeordnet wird. Es ist wichtig zu verstehen, dass eine UNS-Nummer keine Spezifikation ist; Es ist eine Identifikationsnummer für Metalle und Legierungen, für die an anderer Stelle detaillierte Spezifikationen angegeben sind. UNS-Nummern sind in Tabelle 1 gezeigt; Jede Nummer besteht aus einem Buchstabenpräfix, gefolgt von fünf Ziffern. In einigen weist der Buchstabe auf die durch die Reihe identifizierte Metallfamilie hin, wie A für Aluminium und C für Kupfer. Wo immer möglich, enthalten die Nummern in den UNS-Gruppen Nummerierungssequenzen, die direkt aus anderen Systemen übernommen wurden, um die Identifizierung des Materials zu erleichtern; Beispielsweise lautet die entsprechende UNS-Nummer für AISI 1020-Stahl G10200. Die UNS-Nummern, die den üblicherweise verwendeten AISI-SAE-Nummern entsprechen, die zur Identifizierung von unlegiertem Kohlenstoff-, legierten und Werkzeugstählen verwendet werden, sind in Tabelle 2 angegeben.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurden die Haupttypen von Standardstählen beschrieben. Erfahren Sie mehr über die Eigenschaften von Materialien im Machinery's Handbook, 30. Ausgabe, das bei Industrial Press auf Amazon veröffentlicht und erhältlich ist.

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