Normstähle: Zusammensetzung, Eigenschaften und Anwendungen

Bildquelle: Shutterstock/CHIARI VFX

Stahl ist der Oberbegriff für eine große Familie von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die in einem Temperaturbereich unmittelbar nach der Erstarrung aus dem flüssigen Zustand formbar sind.

Die wichtigsten Rohstoffe der Stahlerzeugung sind Eisenerz, Kohle und Kalkstein. Diese werden im Hochofen zu „Roheisen“ umgewandelt, das beträchtliche Mengen an Kohlenstoff, Mangan, Schwefel, Phosphor und Silicium enthält. Roheisen ist hart, spröde und ungeeignet für die direkte Verarbeitung zu Schmiedeformen. Stahlerzeugung ist der Prozess der Veredelung von Roheisen sowie Eisen- und Stahlschrott durch Entfernen unerwünschter Elemente aus der Schmelze und anschließendes Zuschlagen erwünschter Elemente in vorgegebenen Mengen. Eine Hauptreaktion bei den meisten Stahlerzeugungsverfahren ist die Verbindung von Kohlenstoff mit Sauerstoff zu einem Gas. Wenn gelöster Sauerstoff vor oder während des Gießens nicht aus der Schmelze entfernt wird, entwickeln sich gasförmige Produkte während der Erstarrung weiter. Wird der Stahl durch Zugabe von Entoxidationsmitteln stark entoxidiert, entsteht kein Gas, und der Stahl heißt „beruhigt“, weil er ruhig in den Formen liegt. Zunehmende Gasentwicklung (verminderte Entoxidierung) kennzeichnet Stähle als „halbberuhigt“, „gedeckelt“ oder „randig“. Der Entoxidationsgrad beeinflusst einige Stahleigenschaften. Neben Sauerstoff enthält flüssiger Stahl messbare Mengen gelösten Wasserstoff und Stickstoff. Für kritische Anwendungen können spezielle Entoxidationsverfahren und Vakuumbehandlungen eingesetzt werden, um gelöste Gase zu reduzieren und zu kontrollieren.

Der Kohlenstoffgehalt gängiger Stahlsorten reicht von wenigen Hundertstelprozent bis etwa 1 %. Alle Stähle enthalten zudem variable Mengen anderer Elemente, hauptsächlich Mangan, das als Entoxidationsmittel wirkt und die Warmumformung erleichtert. Silicium, Phosphor und Schwefel sind stets vorhanden, wenn auch nur in Spuren. Weitere Elemente können als Verunreinigungen aus Rohstoffen oder Herstellungsverfahren oder als gezielt zugesetzte Legierungselemente zur Änderung der Stahleigenschaften vorliegen.

Stähle können in Form gegossen werden, oder der Gussblock/Strang kann wieder erhitzt und durch Walzen, Schmieden, Strangpressen oder andere Verfahren zu einem gewalzten Halbzeug umgeformt werden. Gewalzte Stähle sind die am weitesten verbreiteten Werkstoffe im Ingenieurbau und bieten eine Vielzahl von Formen, Oberflächen, Festigkeiten und Einsatztemperaturbereichen. Kein anderes Material bietet vergleichbare Vielseitigkeit für das Produktdesign.

Klassifizierung von Normstählen

Gewalzte Stähle können systematisch in Gruppen eingeteilt werden, basierend auf gemeinsamen Merkmalen wie chemischer Zusammensetzung, Entoxidationspraxis, Veredelungsmethode oder Produktform. Die chemische Zusammensetzung ist die am häufigsten verwendete Grundlage für die Identifizierung und Zuordnung standardisierter Bezeichnungen. Obwohl Kohlenstoff das Haupthärte- und Festigkeitselement ist, kontrolliert kein einzelnes Element die Stahleigenschaften. Die kombinierte Wirkung mehrerer Elemente beeinflusst das Ansprechverhalten auf Wärmebehandlung, Härte, Festigkeit, Gefüge, Korrosionsbeständigkeit und Umformbarkeit. Normstähle lassen sich grob in drei Hauptgruppen unterteilen: Kohlenstoffstähle, Legierungsstähle und rostfreie Stähle.

Kohlenstoffstähle

Ein Stahl gilt als Kohlenstoffstahl, wenn sein Mangananteil auf 1,65 % (max), Silicium auf 0,60 % (max) und Kupfer auf 0,60 % (max) begrenzt ist. Mit Ausnahme von Entoxidationsmitteln und Bor (wenn spezifiziert) werden keine anderen Legierungselemente absichtlich zugesetzt, sie können aber als Verunreinigungen vorhanden sein. Falls diese Begleitelemente für Sonderanwendungen als schädlich angesehen werden, können Höchstgrenzen festgelegt werden. Im Gegensatz zu den meisten Legierungsstählen werden Kohlenstoffstähle meist ohne abschließende Wärmebehandlung verwendet; sie können jedoch geglüht, normalisiert, einsatzgehärtet oder vergütet werden, um Fertigungs- oder mechanische Eigenschaften zu verbessern. Kohlenstoffstähle können beruhigt, halbberuhigt, gedeckelt oder randig sein, und die Entoxidationsmethode kann bei Bedarf spezifiziert werden.

Legierungsstähle

Legierungsstähle umfassen nicht nur jene Sorten, die die Elementgrenzwerte für Kohlenstoffstahl überschreiten, sondern auch jede Sorte, der andere Elemente als jene für Kohlenstoffstahl in spezifischen Bereichen oder Mindestmengen zugesetzt werden, um mechanische Eigenschaften, Verarbeitungseigenschaften oder andere Attribute zu verbessern. Nach dieser Definition umfassen Legierungsstähle alle Stähle außer Kohlenstoffstählen; konventionell werden jedoch Stähle mit über 3,99 % Chrom als „Sonderarten“ von Legierungsstählen betrachtet, zu denen rostfreie Stähle und viele Werkzeugstähle gehören.

Im technischen Sinn ist der Begriff Legierungsstahl jenen Stählen vorbehalten, die einen mäßigen Legierungsgehalt (ca. 1–4 %) aufweisen und im Allgemeinen auf Wärmebehandlungen angewiesen sind, um spezifische mechanische Eigenschaften zu entwickeln. Legierungsstähle sind immer beruhigt, aber spezielle Entoxidations- oder Schmelzverfahren, einschließlich Vakuum, können für kritische Anwendungen festgelegt werden. Legierungsstähle erfordern im Allgemeinen zusätzliche Sorgfalt während der Herstellung, da sie empfindlicher auf thermische und mechanische Vorgänge reagieren.

Rostfreie Stähle

Rostfreie Stähle sind hochlegierte Stähle mit überlegener Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kohlenstoff- und konventionellen niedriglegierten Stählen, da sie relativ große Mengen Chrom enthalten. Obwohl andere Elemente die Korrosionsbeständigkeit ebenfalls erhöhen können, ist deren Nutzen in dieser Hinsicht begrenzt.

Rostfreie Stähle enthalten allgemein mindestens 10 % Chrom, mit oder ohne andere Elemente. In den USA war es üblich, in die Klassifizierung auch Stähle mit nur 4 % Chrom aufzunehmen. Zusammen bilden sie die Familie der rostfreien und hitzebeständigen Stähle, von denen einige sehr hohe Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit besitzen. Wenige enthalten jedoch mehr als 30 % Chrom oder weniger als 50 % Eisen.

Im weitesten Sinne lassen sich Standard-rostfreie Stähle in drei Gruppen nach ihrem Gefüge unterteilen: austenitisch, ferritisch und martensitisch. In jeder Gruppe gibt es eine Zusammensetzung, die die grundlegende, allgemeine Legierung darstellt. Alle anderen Zusammensetzungen leiten sich davon ab, mit spezifischen Variationen, um sehr spezifische Eigenschaften zu erzielen.

Die austenitischen Sorten sind im geglühten Zustand nicht magnetisch, können aber nach Kaltumformung leicht magnetisch werden. Sie lassen sich nur durch Kaltumformung härten, nicht durch Wärmebehandlung, und verbinden hervorragende Korrosions- und Hitzebeständigkeit mit guten mechanischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich. Die austenitischen Sorten werden weiter in zwei Untergruppen unterteilt: Chrom-Nickel-Typen und die seltener verwendeten Chrom-Mangan-Niedrignickel-Typen. Die Grundzusammensetzung der Chrom-Nickel-Gruppe ist als 18-8 (Cr-Ni) bekannt und ist die allgemeine austenitische Sorte. Diese Sorte ist Basis für über 20 Modifikationen, die sich wie folgt charakterisieren lassen: Das Chrom-Nickel-Verhältnis wurde geändert, um Umformeigenschaften zu variieren; der Kohlenstoffgehalt wurde gesenkt, um interkristalline Korrosion zu verhindern; die Elemente Niob oder Titan wurden zur Stabilisierung des Gefüges zugesetzt; oder Molybdän wurde zugesetzt bzw. Chrom- und Nickelgehalt erhöht, um Korrosions- oder Oxidationsbeständigkeit zu verbessern.

Die Standard-ferritischen Sorten sind immer magnetisch und enthalten Chrom, aber kein Nickel. Sie lassen sich durch Kaltumformung etwas härten, nicht durch Wärmebehandlung, und verbinden Korrosions- und Hitzebeständigkeit mit mäßigen mechanischen Eigenschaften und dekorativer Wirkung. Ferritische Sorten sind im Allgemeinen auf einen engeren Bereich korrosiver Bedingungen beschränkt als austenitische. Die grundlegende ferritische Sorte enthält 17 % Chrom. In dieser Reihe gibt es frei schneidende Modifikationen und Sorten mit erhöhtem Chromgehalt zur Verbesserung der Zunderbeständigkeit. Auch in dieser ferritischen Gruppe findet sich ein 12-%iger Chromstahl (die Grundzusammensetzung der martensitischen Gruppe) mit Zusätzen wie Aluminium oder Titan, um die Härtung zu verhindern.

Die Standard-martensitischen Sorten sind magnetisch und lassen sich durch Abschrecken und Anlassen härten. Sie enthalten Chrom und, mit zwei Ausnahmen, kein Nickel. Die grundlegende martensitische Sorte enthält normalerweise 12 % Chrom. Es gibt mehr als 10 Standardzusammensetzungen in der martensitischen Reihe; einige sind zur Verbesserung der Zerspanbarkeit modifiziert, andere haben kleine Nickel- oder andere Elementzusätze zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften oder des Ansprechverhaltens auf Wärmebehandlung. Wieder andere haben stark erhöhten Kohlenstoffgehalt im Werkzeugstahlbereich und sind auf die höchsten Härtewerte aller rostfreien Stähle härtbar. Martensitische Sorten eignen sich hervorragend für milde Umgebungen wie Atmosphäre, Süßwasser, Dampf und schwache Säuren, sind aber nicht beständig gegen stark korrosive Lösungen.

Nummerierungssysteme für Metalle und Legierungen

Verschiedene Nummerierungssysteme für Metalle und Legierungen wurden von diversen Fachverbänden, Ingenieurgesellschaften, Normorganisationen und privaten Industrien für den eigenen Bedarf entwickelt. Der numerische Code zur Identifizierung des Metalls oder der Legierung steht möglicherweise in keinem Bezug zu einer Spezifikation, die die technischen und kommerziellen Anforderungen an das Produkt festlegt. Verwendete Systeme umfassen jene des American Iron and Steel Institute (AISI), Society of Automotive Engineers (SAE), American Society for Testing and Materials (ASTM), American National Standards Institute (ANSI), Steel Founders Society of America, American Society of Mechanical Engineers (ASME), American Welding Society (AWS), Aluminum Association, Copper Development Association, U.S. Department of Defense (Militärspezifikationen) und General Accounting Office (Bundesspezifikationen).

Das Unified Numbering System (UNS) wurde durch gemeinsame Anstrengungen von ASTM und SAE entwickelt, um eine Korrelation der verschiedenen Nummerierungssysteme für kommerziell stehende Metalle und Legierungen zu ermöglichen. Dieses System vermeidet Verwirrung, wenn mehr als eine Identifikationsnummer für dasselbe Material verwendet wird oder dieselbe Nummer zwei völlig unterschiedlichen Materialien zugewiesen wird. Wichtig: Eine UNS-Nummer ist keine Spezifikation, sondern eine Identifikationsnummer für Metalle und Legierungen, für die detaillierte Spezifikationen anderswo vorliegen. UNS-Nummern bestehen aus einem Buchstabenpräfix gefolgt von fünf Ziffern. In einigen Fällen deutet der Buchstabe auf die Metallfamilie hin, z. B. A für Aluminium, C für Kupfer. Wo immer möglich, enthalten UNS-Gruppen Nummerierungsfolgen direkt aus anderen Systemen, um die Materialidentifikation zu erleichtern; z. B. entspricht die UNS-Nummer für AISI 1020 Stahl G10200. Die UNS-Nummern, die den gängigen AISI-SAE-Nummern für unlegierte, legierte und Werkzeugstähle entsprechen, sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Zusammenfassung

Dieser Artikel beschrieb die wichtigsten Arten von Normstählen. Erfahren Sie mehr über Werkstoffeigenschaften aus dem Machinery's Handbook, 30. Auflage, erhältlich bei Industrial Press auf Amazon.

Um Lieferquellen für Stahl zu finden, besuchen Sie die Thomas Supplier Discovery Platform, wo Sie potenzielle Lieferanten für über 70.000 verschiedene Produkt- und Dienstleistungskategorien lokalisieren können.