Edelstahl(AlexanderKracht)

Edelstahl
Vortrag von
Alexander Kracht
Inhalt
I. Historie
II. Definition Edelstahl
III. Gruppen
IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl
V. Verwendungsbeispiele
VI. Quellen
Historie
•
•
19. Jh. Entdeckung, dass die richtige Menge
Cr, Ni beim Stahl zu einem besseren
Verhalten bei Korrosion führt
1912 Erste Herstellung eines hochwertigen
Stahls in Deutschland, durch Beigabe von
Cr, Ni und der richtigen Behandlung mit
Hitze
II. Was ist Edelstahl?
(Definition)
• Sammelbegriff für Stähle, die mit einem
bestimmten Verfahren erschmolzen
wurden (Sekundärmetallurgie)
• Hoher Reinheitsgrad
• Reagiert gleichmäßig auf
Wärmebehandlung
• Hierunter fallen: alle Stähle für
Wärmebehandlungen, nichtrostende
Stähle, warmfeste Stähle usw.
III. Gruppen
Edelstahl
legiert
Niedriglegiert
unlegiert
hochlegiert
Die chemische Zusammensetzung legierter Stähle
muss so bemessen sein, dass bestimmte
Grenzgehalte (für Elementkombinationen gelten
zusätzliche Werte) nach Tabelle 1 in DIN EN 10020
in min. einem Fall überschritten werden.
C-Gehalt < 0,5%
C-Gehalt > 0,5%
Die chemische Zusammensetzung unlegierter Stähle
muss so bemessen sein, dass bestimmte Grenzgehalte
(für Elementkombinationen gelten zusätzliche Werte)
nach Tabelle 1 in DIN EN 10020 in keinem Fall
überschritten werden.
III. Gruppen
•
Chemisch beständige Edelstähle
- nichtrostende Edelstähle
- hitzebeständige Edelstähle
- Edelstähle für die Kerntechnik
•
Edelbaustähle
- Einsatzstähle
-
Vergütungsstähle
Stähle für die Oberflächenhärtung
Automatenstähle
Nitrierstähle
Verschleißfeste Stähle
Warmfeste Stähle
- Druckwasserstoffbeständige Stähle
- Tieftemperaturstähle
- Federstähle
- Wälzlagerstähle
- Hochfeste Stähle
- Amagnetische Stähle
III. Gruppen
•
Werkzeugstähle
- Unlegierte Werkzeugstähle
- Legierte Kaltarbeitsstähle
- Warmarbeitsstähle
•
Schnellarbeitsstähle
III.A Legierungen
Legierungselemente sind:
Al B Bi Co Cr Cu La Mn Mo Ni Pb
Se Si Te Ti V W Zr
•
•
Die Wirkung der wichtigsten Elemente
- Mn: Verbessert Schmied- und Schweißbarkeit / erhöht die Festigkeit und den
Verschleißwiderstand
- Si: erhöht Zugfestigkeit und Streckgrenze
- Al: wird genutzt zur Desoxidation und Herstellung von Nitrierstählen
(Al bildet mit Stickstoff Nitride hoher Härte)
III.A Legierungen
- Cr: Erhöht die Festigkeit und die Einhärtetiefe; intensive Carbidbildung fördert Härte und
Verschleißwiderstand; über 12 % Cr im Stahl bewirken edelmetallähnliche, chemische
Beständigkeit
- Mo: Erhöht die Festigkeit; günstige Wirkung auf das Schweißverhalten; Carbidbildner; Mo
ist in Stahlmarken verschiedener Anwendung enthalten. Ti Ta Nb V W sind
vorwiegend in Stählen für Werkzeuge enthalten
- Cu: erhöht Festigkeit und etwas die chemische Beständigkeit; setzt deutlich die
Bruchdehnung herab
- Pb: Fe und Pb im flüssigen und festen Zustand unlöslich; feinverteilte, heterogen
eingelagerte Pb-Kristalle verbessern die Spanbarkeit
- Ni: wirkt festigkeitssteigernd, erhöht Einhärtetiefe beträchtlich
IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl
•
Unlegiert >0,5 % C
•
Unlegiert <0,5 % C
IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl
•
Das Stahlgefüge:
Beschreibt die exakte Anordnung der beteiligten Atome im Material. Sind die
Kohlenstoffatome z.B. statistisch im Eisen verteilt, oder bilden sie kleine Agglomerate,
die kugelförmig oder plättchenförmig, etc. sind? All das spielt eine Rolle für die exakten
mechanischen und chemischen Eigenschaften des Edelstahls.
Fe-CMischkristall
Metallograph.
Bezeichnung
Max. C- Gehalt
Struktur
AlphaMischkristall
Ferrit
0,018% bei 723°C
kubischraumzentrierte
Kristallstruktur
gammaMischkristall
Austenit
2,06% bei 1147°C
kubischflächenzentrierte
Kristallstruktur
IV. Die „Chemie“ des Edelstahls
•
Das Stahlgefüge
Nach dem grundsätzlichen Gefügebau unterscheidet man
A) ferritische Stähle; (Cr, V, Ti)
Stähle, die bei der Erstarrung ein ferritisches Gefüge ausbilden. Diese Stahlsorten sind
warmfest und haben besondere magnetische Eigenschaften.
Rein ferritisches Gefüge besitzt geringe Festigkeit, aber hohe Umformbarkeit
B) austenitische Stähle (Mn, Ni)
Mangan- oder nickellegierte Stähle. Sie sind nicht magnetisierbar.
Zu ihnen zählen die nichtrostenden Chrom-Nickel-Stähle, die Mn-legierten
verschleißfesten sowie die amagnetischen Stähle.
Sie zeichnen sich durch hohe Warmfestigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit aus.
Beispiel V2A / V4A:
V2A bedeutet: Versuchsschmelze 2 Austenit (Cr, Ni Stahl)
V4A bedeutet: Versuchsschmelze 4 Austenit (Cr, Ni, Mo Stahl)
IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl
•
Carbidbildung
Die Festigkeit eines Stahls im geglühten Zustand wird durch den Gehalt an
Eisencarbid bestimmt, denn Carbide zeichnen sich durch hohe Härte aus.
Carbide von Wolfram, Titan, Tantal, Niob, etc. finden bevorzugt Einsatz zum
Verschleißschutz von Oberflächen.
•
Passivierung
Chromgehalte von mehr als 12 % bewirken die Bildung einer dünnen, dichten und
festhaftenden Passivschicht aus Chromoxid. Stähle mit hinreichend hohen
Chromgehalten werden damit rostbeständig oder mit weiteren Elementen wie
Nickel auch säurebeständig
IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl
•
Sekundärmetallurgie
Ist der Oberbegriff für alle Verfahren zur Desoxidation, Entgasung,
Entkohlung, Entschwefelung, Entphosphorung, Legierungsfeineinstellung und
Reinheitsgradverbesserung von Stahl. Ein großer Teil von ihnen geschieht
unter Vakuum.
- Pfannenmetallurgie ohne Vakuum
- Vakuummetallurgie
- AOD / VOD -Verfahren
(Argon-Oxygen-/Vakuum-Oxygen- Dekarburierung)
- Umschmelzverfahren
IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl
IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl
•
Desoxidation
Verfahren zur Entfernung von überschüssigem Sauerstoff aus Stahlschmelzen
durch Zugabe von Elementen wie Mg, Mn, Si, Al, C, Ca deren Sauerstoffaffinität
größer ist als die des Eisens
Man unterscheidet a) über die Gasphase und
b) Fällungsdesoxidation
Über die
Gasphase:
(Danach muss der gewünschte
C-Gehalt wieder eingestellt werden)
C + FeO
Fällungsdesoxidation: Si + 2FeO
Mn + FeO
COK + Fe
SiO2 + 2Fe
MnO + Fe
IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl
•
Nitrierstähle
Ein wichtiges Verfahren zur Oberflächenbehandlung ist das Nitridieren.
Hierbei diffundiert Stickstoff (aus NH3) in die Metalloberfläche und bildet mit den
stickstoffaffinen Elementen Al Cr Mo V etc. feinverteilte extrem harte Nitride.
Typische Anwendungsbeispiele:
- Nockenwellen (rechts)
- Kurbelwellen (unten)
- Zahnräder
V. Verwendungsbeispiele
•
Erdgaskraftwerke
In einer Gasturbine entstehen bei der Stromerzeugung so hohe
Verbrennungstemperaturen, dass extrem hitzebeständige
Edelstähle gefordert sind.
•
Braunkohlekraftwerke
In Rauchgasentschwefelungsanlagen kommen neuste
Legierungen zum Einsatz, die extrem korrosionsbeständig sind
V. Verwendungsbeispiele
•
Chemieanlagenbau
Größter Einsatzbereich für hochkorrosionsbeständige
Legierungen ist (besonders Nickel) ist der Chemieanlagenbau.
•
Offshore-Technik und Pipelinebau
V. Verwendungsbeispiele
•
Automobilbau
- Abgaskatalysatoren/Diesel Rußpartikelfilter
- Hohlventile
VI. Quellen
•
•
•
•
•
•
Technologie der Werkstoffe (Ruge/Wohlfahrt)
Werkstoffkunde für Ingenieure (Laska/Felsch)
Tabellenbuch Metall
FH-Münster FB Maschinenbau/Werkstofftechnik
ThyssenKrupp VDM GmbH
E-niro.de