Legierter Stahl erklärt: Arten, Zusammensetzung, Eigenschaften & Hauptanwendungen

In diesem Artikel besprechen wir Legierten Stahl, der in der Industrie sowie im täglichen Leben sehr häufig verwendet wird. Beginnend mit der Definition betrachten wir seine Zusammensetzung, Arten, Verwendungszwecke und Eigenschaften.

Was ist Legierter Stahl?

Legierter Stahl kann als Stähle definiert werden, denen in ausreichenden Mengen Elemente außer Kohlenstoff zugesetzt werden, um Verbesserungen der Eigenschaften zu erzielen.

Die häufigsten Legierungselemente, die dem Stahl zugesetzt werden, sind Chrom, Nickel, Mangan, Silicium, Vanadium, Molybdän, Wolfram, Phosphor, Kupfer, Titan, Zirkonium, Kobalt, Columbium und Aluminium. Jedes dieser Elemente verleiht den Stählen, denen es zugesetzt wird, bestimmte Eigenschaften. Sie können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um gewünschte Eigenschaften im Stahl zu erzeugen.

Eigenschaften von Legiertem Stahl: Wie Kohlenstoff sind eine Reihe von Legierungselementen löslich, um Legierungen mit verbesserter Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit zu erzeugen. Auch Kohlenstoff bildet neben einem intermetallischen Verbindung mit Eisen Verbindungen mit vielen Legierungselementen und bildet Legierungskarbide. Diese Legierungskarbide sowie Eisen-Legierungskarbide sind meist hart und weisen mangelnde Zähigkeit auf.

Einige Legierungselemente werden zugesetzt, um das Kornwachstum zu verhindern oder einzuschränken. Aluminium wird in dieser Hinsicht als am effektivsten angesehen. Andere sind Zirkonium, Vanadium, Chrom und Titan. Strukturell wirkt sich die Zugabe von Legierungselementen fast immer auf den Austenit-Ferrit-Transformationsmechanismus aus, indem sie die Temperatur ändern, bei der die Umwandlung von Gamma- in Alpha-Eisen stattfindet. Einige Legierungselemente senken und einige erhöhen die kritische Temperatur.

Die durch Legierungselemente erzeugten zusammensetzungsmäßigen und strukturellen Änderungen verändern und verbessern die physikalischen, mechanischen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften von Eisen und Stahl. Im Allgemeinen können legierte Stähle bessere Festigkeits-, Duktilitäts- und Zähigkeitseigenschaften bieten, die in Kohlenstoffstahl nicht erreichbar sind. Folglich sollte der konstruktive Ingenieur legierte Stähle in Konstruktionen in Betracht ziehen, die hohen Spannungen und/oder Stoßbelastungen ausgesetzt sind.

Fast alle legierten Stähle werden mit feinkörnigen Strukturen hergestellt. Feinkörnige Stähle haben weniger Neigung, während der Wärmebehandlung zu reißen, weisen aber bessere Zähigkeit und Schockfestigkeit auf. Großkörnige Stähle zeigen bessere Zerspanbarkeitseigenschaften und können tiefer gehärtet werden als feinkörnige Stähle.

Welcher Legierte Stahl wird für Permanentmagnete verwendet?

1. Siliciumstahl

2. Vanadiumstahl

3. Manganstahl

4. Kobaltstahl

Richtige Antwort ist 4. Kobaltstahl

Alnico-Legierung, eine Eisenlegierung mit Aluminium, Nickel und Kobalt. Alnico-Legierungsstahl wird zur Herstellung starker Permanentmagnete verwendet. Sie werden in der Industrie- und Unterhaltungselektronik weit verbreitet eingesetzt.

Welcher Legierte Stahl wird für Präzisionsinstrumente verwendet?

1. Siliciumstahl

2. Manganstahl

3. Vanadium

4. Invar-Stahl

Richtige Antwort ist 4. Invar-Stahl

Zusammensetzung von Legiertem Stahl

Wirkung der Legierungselemente

Um den legierten Stahl auszuwählen, der für ein gegebenes Design am besten geeignet ist, müssen die Wirkungen der primären Legierungselemente berücksichtigt werden. Sie sind:

Nickel verleiht Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und tiefe Härtbarkeit.

Chrom verbessert Korrosionsbeständigkeit, Zähigkeit und Härtbarkeit.

Mangan entoxidiert und trägt zu Festigkeit und Härte bei, verringert die kritische Abkühlrate.

Silicium entoxidiert und fördert die Beständigkeit gegen Hochtemperaturoxidation, erhöht die kritische Temperatur für die Wärmebehandlung, erhöht die Anfälligkeit des Stahls für Entkohlung und Graphitisierung.

Molybdän fördert die Härtbarkeit, erhöht Zug- und Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen.

Vanadium entoxidiert und fördert feinkörnige Struktur. Kupfer erhöht die Korrosionsbeständigkeit und wirkt als Verstärkungsmittel.

Aluminium entoxidiert, fördert feinkörnige Struktur und unterstützt das Nitrieren.

Bor erhöht die Härtbarkeit.

Eine Zusammenfassung der Wirkungen der wichtigsten Legierungselemente im Stahl ist in Tabelle 4.6 gegeben.

Niedriglegierter Stahl

Ein niedriglegierter Stahl ist eine Metalllegierung aus Stahl und zusätzlichen Metallen, die wünschenswerte Eigenschaften haben. Etwa 1 % bis 5 % Legierungselemente sind in niedriglegiertem Stahl vorhanden. Daher hat er präzise chemische Zusammensetzungen, die verbesserte mechanische Eigenschaften zur Korrosionsbeständigkeit bieten.

Bei der Herstellung werden niedriglegierte Stähle normalerweise wärmebehandelt, normalisiert und angelassen. Sie können auch geschweißt werden. Eine Schweißnaht-Wärmebehandlung ist jedoch erforderlich, um Schweißrisse zu verhindern.

Niedriglegierte Stähle bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber Baustahl, darunter:

• Außergewöhnliche Streckgrenze
• Fähigkeit, extremen Temperaturen standzuhalten
• Gute Kriechbeständigkeit
• Beständigkeit gegen Oxidation
• Beständigkeit gegen Wasserstoff
• Duktilität bei niedrigen Temperaturen

Arten von Legiertem Stahl oder Klassifizierung von Legiertem Stahl

Legierte Stähle können nach ihrer chemischen Zusammensetzung, strukturellen Klasse und Verwendungszweck klassifiziert werden.

Klassifizierung nach Chemischer Zusammensetzung

In diesem Aspekt werden legierte Stähle in Dreikomponenten-Stähle unterteilt, die neben Eisen und Kohlenstoff ein Legierungselement enthalten: Vierkomponenten-Stähle, die zwei Legierungselemente enthalten, usw.

Klassifizierung nach Struktureller Klasse

Auf Basis der Struktur, die erhalten wird, wenn Proben kleinen Querschnitts an der Luft abgekühlt werden. Legierte Stähle können klassifiziert werden als: 1. Perlitisch 2. Martensitisch 3. Austenitisch 4. Ferritisch und 5. Karbidisch.

Klassifizierung nach Verwendungszweck

Hinsichtlich der Verwendungszwecke, für die ihre Eigenschaften sie geeignet machen, können legierte Stähle klassifiziert werden:

1. Baustähle (Structural Steels) 2. Werkzeugstähle (Tool Steels) 3. Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften.

1. Legierter Baustahl

Sie werden in drei Gruppen unterteilt: niedriglegiert (bis zu 5 % Legierungselemente), mittellegiert (über 5 %) und hochlegiert (mehr als 10 %). IS: 7598-1974.

Legierte Baustähle werden in der Ingenieurindustrie für Teile eingesetzt, die sowohl statischen als auch dynamischen Belastungen im Betrieb ausgesetzt sind. Sie haben ein günstigeres Set an mechanischen Eigenschaften als Kohlenstoffstähle, insbesondere für Artikel mit großem Querschnitt. Die Legierungselemente stärken den Ferrit, der der Hauptbestandteil in der Struktur dieser Stähle ist; erhöhen die Härtbarkeit, verfeinern die Korngröße; und erhöhen den Widerstand gegen Erweichung beim Erhitzen auf mäßige Temperaturen.

Die wichtigsten Legierungselemente in Baustählen sind Chrom, Nickel und Mangan. Wolfram, Molybdän, Vanadium und Titan werden normalerweise nicht als unabhängige Zusätze verwendet. Sie werden in Verbindung mit Chrom, Nickel und Mangan zugesetzt.

2. Legierter Werkzeugstahl

Sie werden in der Werkzeugherstellung eingesetzt, wenn die Standzeit, die durch Kohlenstoffstahl geboten wird, unzureichend ist.

Der Werkzeugindustrie werden geliefert:

1. Niedriglegierte Stähle, die hohe Härte bei Temperaturen bis 250 °C beibehalten.

2. Mittel- und hochlegierte Stähle, z. B. Schnellarbeitsstähle (High Speed Steels), die hohe Härte bei Temperaturen bis 620 °C beibehalten. Sie erlangen hohe Schneideigenschaften erst nach geeigneter Wärmebehandlung.

Legierte Werkzeugstähle werden in Siemens-Martin- und Elektroöfen geschmolzen und gehören zu hochwertigen Qualitätsklassen.

3. Legierte Stähle mit Besonderen Physikalischen Eigenschaften

Sie können in mehrere Gruppen unterteilt werden als (1) Rostfreie Stähle (Stainless Steels) (2) Zunder- und Hitzebeständige Stähle (Scale and Heat Resisting Steels) (3) Verschleißfeste Stähle (Wear Resisting Steels) (4) Magnetstähle (Magnet Steels) und (5) Stähle mit besonderen thermischen Eigenschaften wie Kriechfeste Stähle (Creep Resisting Steels) usw.

Speziallegierter Stahl

In Einsatzsituationen, in denen Stähle hohen Temperaturen, Korrosion, Schock usw. widerstehen müssen, sind spezielle legierte Stähle unverzichtbar. Die wichtigsten Gruppen spezieller legierter Stähle werden in den folgenden Diskussionen beschrieben.

Magnetstähle

Hochkobaltstähle, wenn sie korrekt wärmebehandelt werden, werden häufig zur Herstellung von Permanentmagneten für Magnetzünder, Lautsprecher und andere elektrische Maschinen und Instrumente verwendet. Stähle mit Zusammensetzungen von 15 bis 40 % Kobalt und 0,4 bis 10 % Wolfram besitzen verbesserte magnetische Eigenschaften.

Hitzebeständige Stähle

Hitzebeständige Stähle sind solche, die besonders für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet sind. Solche Stähle müssen den Einflüssen widerstehen, die zum Versagen gewöhnlicher Stähle führen, wenn sie unter hohen Temperaturen arbeiten. Ein kontrollierter Stahl (entwickelt für die rostfreie Serie) bietet eine nützliche Kombination aus nicht-skalierenden und festigkeitserhaltenden Eigenschaften zusammen mit Beständigkeit gegen Säurekorrosion, vergleichbar mit der von rostfreien Stählen.

Legierte Stähle mit 23 bis 30 % Chrom bei einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,35 % werden hauptsächlich für den Einsatz bei Temperaturen zwischen 815 °C und 1150 °C verwendet. Ofenteile, Glühboxen und andere Ausrüstungen, die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen erfordern, werden oft aus diesen Stählen hergestellt.

Schockfeste Stähle (Shock Resisting Steel)

Schockfeste Stähle sind solche, die Schock und schwere Ermüdungsspannungen widerstehen. Eine Sorte Stahl für diesen Zweck enthält 0,50 % Kohlenstoff, 2,25 % Wolfram, 1,50 % Chrom und 0,25 % Vanadium. Eine andere Sorte schockfester Stahl, bekannt als Silicium-Mangan-Stähle, enthält 0,55 % Kohlenstoff, 2,00 % Silicium, 0,80 % Mangan und 0,30 % Molybdän. Diese Art von Stahl wird hauptsächlich für Blatt- und Schraubenfedern verwendet.

Rostfreier Stahl (Stainless Steel)

Rostfreie Stähle sind im Wesentlichen solche, die Chrom enthalten, zusammen mit anderen Elementen wie Nickel, und werden wie folgt gruppiert.

Austenitischer rostfreier Stahl. Wahrscheinlich der wichtigste in dieser Gruppe ist der, der 15 bis 20 % Chrom und 7 bis 10 % Nickel enthält. Ein Stahl mit 18 % Chrom und 8 % Nickel wird sehr häufig verwendet und wird allgemein als 18/8 rostfreier Stahl bezeichnet.

Martensitischer rostfreier Stahl. Diese Gruppe wird oft als einfache Chrom-Typen rostfreier Stahl bezeichnet, die 10 bis 14 % Chrom enthalten und, mit wenigen Ausnahmen, keine anderen Hauptlegierungselemente haben. Diese Stähle sind alle durch Wärmebehandlung härtbar.

Ferritischer rostfreier Stahl. Diese Gruppe enthält hauptsächlich 14 bis 18 oder 23 bis 30 % Chrom, wieder ohne andere Hauptlegierungselemente. Sie können nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden.

Maraging-Stahl

Sie sind eisenbasierte Legierungen mit 18 % Ni, 8 % Co, 5 % Mo mit geringen Mengen Al und Ti und weniger als 0,03 % C. Die Festigkeit bleibt bei zunehmender Wanddicke und bis 350 °C erhalten. Diese Stähle werden für Luftfahrtkomponenten, Motorkomponenten, Spritzgussformen und Matrizen verwendet.

Beim Abkühlen aus dem austenitischen Zustand wandelt sich die Legierung in einen feinen Lamellen-Martensit um, und Ausscheidungshärtung wird durch Maraging bei 480 °C induziert.

Die Stähle weisen eine hohe Bruchzähigkeit aufgrund einer Kombination aus feiner Korngröße des Martensits und hoher Versetzungsdichte auf, was zu feiner Ausscheidung führt.

Schnellarbeitsstahl (High Speed Steel)

Schnellarbeitsstähle (HSS) erhalten ihren Namen daraus, dass sie als Schneidwerkzeuge bei viel höheren Schnittgeschwindigkeiten betrieben werden können als es mit einfachen Kohlenstoffwerkzeugstählen möglich ist. Schnellarbeitsstähle arbeiten bei Schnittgeschwindigkeiten, die 2- bis 3-mal höher sind als bei Kohlenstoffstählen.

Wenn ein hartes Material mit hoher Geschwindigkeit und schweren Schnitten bearbeitet wird, kann ausreichend Wärme erzeugt werden, um die Temperatur der Schneide auf Rotglut zu bringen. Diese Temperatur würde Kohlenstoffwerkzeugstahl mit sogar bis zu 1,5 % Kohlenstoff so weit erweichen, dass ihre Schneidfähigkeit zerstört wird. Bestimmte hochlegierte Stähle, die als Schnellarbeitsstähle bezeichnet werden, wurden daher entwickelt, die ihre Schneideigenschaften bei Temperaturen bis 600 °C bis 620 °C beibehalten müssen.

Wir haben versucht, alle Details zum Thema Legierter Stahl in großem Umfang abzudecken, von Definition, Zusammensetzung, Eigenschaften bis hin zu Verwendungszwecken. Wenn Ihnen dieser Artikel gefällt, teilen Sie ihn bitte mit Ihren Freunden und geben Sie Ihr Feedback im Kommentar unten.