Legierungselemente, Einfluss auf Stahl

  Legierungselemente                 

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zu den einzelnen Materialien
  Einfluss der Legierungen auf Stahl  
     
 

Jedes einzelne Element verleiht dem Stahl je nach Anteil bestimmte spezifische Eigenschaften. Bei Anwesenheit mehrerer Elemente kann die Wirkung gesteigert werden. Es gibt jedoch Legierungsvarianten, bei denen die Einzelelemente bezüglich eines bestimmten Verhaltens ihren Einfluss nicht in gleicher Richtung ausüben, sondern sich entgegenwirken können.

Das Vorhandensein der Legierungselemente im Stahl bringt nur die Voraussetzung für die gewünschten Eigenschaften; erst die Verarbeitung und Wärmebehandlung lässt diese erzielen.

Aluminium (Al) : Schmelzpunkt 660°C
Es ist das stärkste, sehr häufig angewandte Desoxydation- und ausserdem Denitrierungsmittel; dadurch wirkt es auch stark begünstigend auf die Alterungsunempfindlichkeit ein. In kleinen Zugaben unterstützt es die Feinkornausbildung.
Aluminium bildet mit Stickstoff Nitride welche eine sehr hohe Härte haben, es ist meist Legierungselement in Nitrierstählen
Es erhöht die Zunderbeständigkeit und wird deshalb häufig ferritischen hitzebeständigen Stählen zulegiert. Bei unlegierten Kohlenstoffstählen kann man durch "Alitieren" (einbringen von Aluminium in die Oberfläche) die Zunderbeständigkeit fördern. Aluminium engt den Gamma-Bereich sehr stark ein.
Wegen der starken Erhöhung der Koerzitivkraft ist Aluminium Legierungselement in Eisen-Nickel-Kobalt-Aluminium-Dauermagnetlegierungen.
Arsen (As) : Schmelzpunkt 817°C unter Druck.
Schnürt ebenfalls das Gamma-Gebiet ab und ist Stahlschädling, da es starke Seigerungsneigung zeigt, ähnlich wie Phosphor. Die Beseitigung der Seigerungen durch Diffusions-Glühen ist jedoch noch schwieriger als bei Phosphor. Weiterhin erhöht es die Anlassprödigkeit, setzt die Zähigkeit stark herab und beeinträchtigt die Schweissbarkeit.
Bor (B) : Schmelzpunkt 2300°C
Da Bor einen hohen Wirkungsquerschnitt für Neutronen-Absorption aufweist, legiert man damit Stähle für Regler und Abschirmungen von Atomkernenergie-Anlagen.
Austenitische 18/8 CrNi-Stähle können mit Bor über Ausscheidungshärtungen auf höhere Streckgrenze und Festigkeit gebracht werden, wobei aber die Korrosionsbeständigkeit gemindert wird. Durch Bor hervorgerufene Ausscheidungen verbessern die Festigkeitseigenschaften hochwarmfester Stahltypen im Bereich erhöhter Temperaturen.
In Baustählen verbessert dieses Element die Durchhärtung und bewirkt damit in Einsatzstählen eine Erhöhung der Kernfestigkeit.
Mit einer Minderung der Schweissbarkeit in Borlegierten Stählen muss gerechnet werden.
Beryllium (Be) : Schmelzpunkt 1287°C
Aus Kupfer-Beryllium-Legierungen werden Spiralfedern für Uhren hergestellt, die kaum magnetisierbar sind und eine viel höhere Zahl von Lastwechseln aushalten als Stahlfedern. Nickel-Beryllium-Legierungen sind sehr hart und korrosionsbeständig; Verwendung in chirurgischen Instrumenten.
Sehr stark Abschnürung des Gamma-Gebietes. Mit Beryllium können Ausscheidungshärtungen erzielt werden, wobei aber die Zähigkeit sinkt; stark desoxydierend, grosse Affinität zu Schwefel.
Kohlenstoff (C) : Schmelzpunkt 3540°C
Kohlenstoff ist das wichtigste und einflussreichste Legierungselement im Stahl. Neben Kohlenstoff enthält jeder unlegierte Stahl Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel, welche bei der Herstellung unbeabsichtigt hinzukommen. Der Zusatz weiterer Legierungselementen zur Erzielung besonderer Wirkungen, sowie die bewusste Erhöhung des Mangan- und Siliziumgehaltes führt zum legierten Stahl. Mit zunehmendem Kohlenstoff-Gehalt steigen die Festigkeit und Härtbarkeit des Stahles, wogegen seine Dehnung, Schmiedbarkeit, Schweissbarkeit und Bearbeitbarkeit (durch spanabhebende Werkzeuge) verringert werden. Der Korrosionswiderstand gegenüber Wasser, Säuren und heissen Gasen wird durch den Kohlenstoff praktisch nicht beeinflusst.
Kalzium (Ca) : Schmelzpunkt 842°C
Gemeinsam mit Silizium in Form von Silico-Kalzium zur Desoxydation eingesetzt. Kalzium erhöht die Zunderbeständigkeit von Heizleiterwerkstoffen.
Cer (Ce) : Schmelzpunkt 798°C
Wirkt reinigend, da es stark desoxydiert und die Entschwefelung fördert; es kommt gewöhnlich gemeinsam mit Lanthan, Neodym, Praseodym und anderen seltenen Edelmetallen als "Mischmetall" zum Einsatz.
Begünstigt in hochlegierten Stählen z.T. die Warmverformbarkeit und verbessert in hitzebeständigen Stählen die Zunderbeständigkeit.
Eisen-Cer-Legierungen mit ungefähr 70% Cer sind pyrophor (Zündsteine)
 
Kobalt (Co) : Schmelzpunkt 1495°C
Kobalt bildet keine Karbide; es hemmt das Kornwachstum bei höheren Temperaturen und verbessert die Anlassprödigkeit und die Warmfestigkeit stark; deshalb oft Legierungselement in Schnellstählen, Warmarbeitsstählen, warmfesten und hochwarmfesten Werkstoffen. Begünstigt die Graphitausbildung. Es erhöht in grossen Anteilen die Remanenz, und Wärmeleitfähigkeit; deshalb Legierungsbasis für hochwertige Dauermagnetstähle und -legierungen.
Unter Neutronenbestrahlung bildet sich das stark radioaktive Isotop 60Co, weshalb Kobalt in Stählen für Atomreaktoren unerwünscht ist.
Chrom (Cr) : Schmelzpunkt 1907°C
Chrom macht Stahl öl- bzw. lufthärtbar. Durch Herabsetzung der für die Martensitbildung erforderlichen kritischen Abkühlgeschwindigkeit erhöht es die Härtbarkeit und verbessert damit die Vergütbarkeit. Die Kerbschlagzähigkeit wird jedoch verringert, setzt die Dehnung aber nur sehr wenig herab. Die Schweissbarkeit nimmt bei reinen Chromstählen mit zunehmendem Chrom-Gehalt ab. Die Zugfestigkeit des Stahls steigt um die 80-100 N/mm2 je 1% Chrom.
Chrom ist Karbidbildner. Seine Karbide steigern Schnitthaltigkeit und Verschleissfestigkeit. Warmfestigkeit und Druckwasserstoff-Beständigkeit werden durch Chrom begünstigt. Während steigende Chrom-Gehalte die Zunderbeständigkeit erhöhen, ist für die Korrosionsbeständigkeit von Stählen ein Mindestgehalt von etwa 13% Chrom erforderlich, welches in der Grundmasse gelöst sein muss.
Das Element schnürt das Gamma-Gebiet ab und erweitert dadurch den Ferritbereich; stabilisiert jedoch den Austenit in austenitischen Chrom-Mangan- bzw. Chrom-Nickel-Stählen.
Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit werden verringert. Die Wärmeausdehnung wird gesenkt (Legierungen für Glaseinschmelzung).
Bei gleichzeitig höherem Kohlenstoffanteil erhöhen Chrom Gehalte bis 3% Remanenz und Koeritivkraft.
Kupfer (Cu) : Schmelzpunkt 1085°C
Kupfer wird nur bei wenigen Stahlsorten zulegiert, da es sich unter der Zunderschicht anreichert und durch Eindringen in die Korngrenze eine grosse Oberflächenempfindlichkeit bei Warmverformungsprozessen verursacht, weshalb es z.T. als Stahlschädling betrachtet wird.
Die Streckgrenze und das Streckgrenzen-Festigkeitsverhältnis werden erhöht. Gehalte über 0.30% können Aushärtungen bewirken. Die Härtbarkeit wird verbessert. Die Schweissbarkeit wird durch Kupfer nicht beeinflusst.
In unlegierten und schwachlegierten Stählen wird durch Kupfer eine bedeutende Verbesserung der Witterungsbeständigkeit erreicht.
In säurefesten hochlegierten Stählen erbringt ein Kupfer-Gehalt über 1% verbesserte Beständigkeit gegen Salzsäure und Schwefelsäure.
Wasserstoff (H) : Schmelzpunkt -259°C
Dieses Element ist ein Stahlschädling, weil er Versprödung durch Abfall von Dehnung und Einschnürung ohne Erhöhung von Streckgrenze und Zugfestigkeit hervorruft. Wasserstoff bildet die Ursache für die gefürchtete Flockenbildung und begünstigt die Schattenstreifenentstehung. Beim Beizen entstehender atomarer Wasserstoff dringt unter Blasenbildung in den Stahl ein. Feuchter Wasserstoff entkohlt bei höheren Temperaturen.
Magnesium (Mg) : Schmelzpunkt 648°C
Dieses Element wird als Desoxydations- und Entschwefelungsmittel hinzulegiert. In Gusseisen erzeugt Magnesium Kugelgraphit.
Mangan (Mn) : Schmelzpunkt 1246°C
Mangan desoxydiert. Es bindet Schwefel als Mangan-Sulfide und verringert dadurch den ungünstigen Einfluss des Eisen-Sulfides. Besondere Bedeutung hat dies bei Automatenstahl; die Rotbruchgefahr wird verringert.
Mangan setzt die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit sehr stark herab und erhöht damit die Härtbarkeit. Streckgrenze sowie Festigkeit werden durch Mangan-Zusatz erhöht, ferner wirkt Mangan sich günstig auf die Schmiedbarkeit und Schweissbarkeit aus und vergrössert stark die Einhärttiefe.
Gehalte über 4% führen auch bei langsamer Abkühlung zur Ausbildung von spröden martensitischem Gefüge, so dass der Legierungsbereich kaum genützt wird.
Stähle mit Mangan-Gehalten über 12% sind bei gleichzeitigem hohen Kohlenstoff-Anteil austenitisch, weil Mangan den Gamma-Bereich erheblich ausweitet. Solche Stähle erhalten unter schlagender Beanspruchung der Oberfläche eine sehr hohe Kaltverfestigung, während der Kern zäh bleibt; sie sind deshalb bei Schlageinwirkung hochverschleissfest.
Stähle mit Mangan-Gehalten von 18% aufwärts bleiben auch nach verhältnismässig starker Kaltverformung nicht magnetisierbar und werden als Sonderstähle und auch als kaltzähe Stähle bei Tieftemperatur-Beanspruchung verwendet.
Durch Mangan erhöht sich der Wärmeausdehnungs-Koeffizient, während Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit sinken.
Molybdän (Mo) : Schmelzpunkt 2622°C
Molybdän legiert man meist zusammen mit anderen Elementen. Durch Herabsetzung der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit wird die Härtbarkeit verbessert. Molybdän verringert weitgehend die Anlasssprödigkeit, beispielsweise bei Chrom-, Nickel- und bei Mangan-Stählen, fördert die Feinkornbildung und wirkt sich auch günstig auf die Schweissbarkeit aus. Erhöhung von Streckgrenze und Festigkeit. Bei höherem Molybdän-Gehalt wird wird die Schneidbarkeit erschwert. Starker Karbidbildner; die Schneideigenschaften bei Schnellarbeitsstählen werden dadurch verbessert.
Es gehört zu jeden Elementen, welche die Korrosionsbeständigkeit erhöhen und wird deshalb bei hochlegierten Chrom-Stählen und bei austenitischen Chrom-Nickel-Stählen häufig eingesetzt; hohe Molybdän Gehalte senken die Lochfrassanfälligkeit. Sehr starke Einengung des Gamma-Bereichs; Erhöhung der Warmfestigkeit, die Zunderbeständigkeit wird vermindert.
Stickstoff (N) : Schmelzpunkt -210°C
Dieses Element kann sowohl als Stahlschädling wie auch als Legierungsbestandteil in Erscheinung treten.
Schädlich wegen der Verminderung der Zähigkeit durch Ausscheidungsvorgänge, der Hervorrufung von Alterungsempfindlichkeit und Blausprödigkeit (Verformung in Gebieten der Blauwärme 300-350°C) sowie wegen der Möglichkeit der Auslösung von interkristaliner Spannungsrisskorrosion in unlegierten und nidriglegierten Stählen.
Als Legierungselement erweitert Stickstoff das Gamma-Gebiet und stabilisiert das austenitische Gefüge; erhöht in austenitischen Stählen die Festigkeit und vor allem die Streckgrenze sowie die mechanischen Eigenschaften in der Wärme.
Stickstoff lässt durch Nitridbildung beim Nitrieren hohe Oberflächengüte erreichen.
Nickel (Ni) : Schmelzpunkt 1455°C
Erhöht die Streckgrenze und Kerbzähigkeit in Baustählen. Nickel wird zudem bei Einsatzstählen und Vergütungsstählen verwendet zur Erhöhung der Zähigkeit. Das Element erweitert das Gamma-Gebiet und bewirkt daher in korrosions- und zunderbeständigen Chrom-Nickel-Stählen die Austenitstruktur.
Hohe Nickelgehalte führen zu Stählen mit kleiner Temperatur-Ausdehnung (Invar).
Blei (Pb) : Schmelzpunkt 327.4°C
Blei ist eigentlich kein "richtiges" Legierungselement, da es die gegebenen Eigenschaften bei bestimmten Legierungsgehalten kaum beeinflusst. Dieses Legierungselement wird in Gehalten von ca. 0.2%-0.5% hinzulegiert, um die Bearbeitbarkeit in Automatenstählen wesentlich zu verbessern. Es entstehen kürzere Späne und saubere Schnittflächen.
Phosphor (P) : Schmelzpunkt 44°C
Phosphor wird meist als Stahlschädling betrachtet. Da es kaum möglich ist, eine homogene Verteilung des Phosphors zu erzielen, versucht man, den P-Gehalt sehr niedrig zu halten und dementsprechend bei hochwertigen Stählen eine obere Grenze von 0.03%-0.05% anzustreben. Das Ausmass der Seigerungen kann nicht mit Sicherheit bestimmt werden.

Phosphor erhöht schon in geringsten Gehalten die Empfindlichkeit gegen Anlassversprödung. Die P-Versprödung steigt mit der Zunahme des C-Gehaltes, mit steigender Härtetemperatur, mit der Korngrösse und mit der Verminderung des Verschmiedungsgrades. Die Versprödung tritt als Kaltbrüchigkeit und Empfindlichkeit gegenüber Schlagbeanspruchung in Erscheinung.

Phosphor wird jedoch oft in geringen Mengen in Automatenstählen verwendet.

In schwachlegierten Baustählen mit C-Gehalten von etwa 0.1% erhöht P die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit gegen atmosphärischen Einflüsse; Cu unterstützt die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit (rostträge Stähle).

Phosphor-Zusätze können in austenitischen Chrom-Nickel-Stählen Streckgrenzerhöhungen bedingen und Ausscheidungseffekte erzielen.
Sauerstoff (O) : Schmelzpunkt -218.7°C
Dieses Element ist ein Stahlschädling. Sauerstoff verschlechtert die technologischen Eigenschaften Kerbzähigkeit und Alterung. Zudem erzeugt das Element Rotbruch und begünstigt Holzfaserbruch
Schwefel (S) : Schmelzpunkt 118°C
Dieses Element verschlechtert die Zähigkeit und die Schweissbarkeit. Schwefel in Automatenstählen bis 0.3% erhöht die Bearbeitbarkeit.
Silizium (Si) : Schmelzpunkt 1414°C
Dieses Element wirkt desoxydierend und verengt den Gamma-Bereich. Silizium erhöht die Festigkeit und Verschleissfestigkeit. Dieser Legierungszusatz erhöht auch stark die Elastizitätsgrenze, daher wird er bei Federstählen hinzulegiert. Bei hohen Gehalten an Silizium erhöht der Zusatz die Zunderbeständigkeit und Säurebeständigkeit, jedoch wird die elektrische Leitfähigkeit erniedrigt; daher wird Silizium in Elektroblechen verwendet.
Titan (Ti) : Schmelzpunkt 1668°C
Dieses Element ist ein starkes Desoxydationsmittel und Karbidbildner. Oft wird daher Titan als Stabilisator in korrosionsbeständigen Stählen verwendet.
Vanadium (V) : Schmelzpunkt 1910°C
Dieses Element ist ein starker Karbidbildner. Vanadium bindet Stickstoff und ergibt eine feinkörnige Gusstruktur. Es erhöht den Verschleisswiderstand durch harte Karbide, sowie die Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit. Vanadium wird daher zu Schnellarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl und Hochwarmfesten-Stahl hinzulegiert. Es erhöht auch die Elastizitätsgrenze bei Federstählen.
Wolfram (W) : Schmelzpunkt 3422°C
Die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit wird durch Wolfram erhöht. Es ist zudem ein starker Karbidbildner (harte Karbide). Wolfram erhöht die Warmfestigkeit und Verschleissfestigkeit, daher wird es als Zusatz bei Schnellarbeitsstahl und Warmarbeitsstahl verwendet.