stahl

C/Fe-Phasendiagramm mit Bedingungen für die Bildung der einzelnen Phasen. Für unendlich langsame Temperaturänderungen.

Eisen und Kohlenstoff
Kohlenstoff ist die wichtigste Legierung. Die Qualität von Stahl hängt nicht nur vom Kohlenstoffgehalt ab, sondern auch von der Art der Wärmebehandlung.

Das Bild zeigt die einzelnen Phasen:

α – reines Eisen – Alpha-Eisen
γ - Austenit
* - Ledeburit
nach † - Ferrit
oben † - Perlit
Ich schmelze
Die Grafik zeigt das sogenannte V-förmige Charakteristik, die bei Systemen auftritt, die nur im flüssigen Zustand vollständig löslich und im festen Zustand schwer löslich sind (siehe Eutektikum).

Grundsätzlich kann dieses Diagramm in Teile zerlegt werden:

Eutektikum – unter Schmelze, mit Eutektikum bei 1150 °C, Kohlenstoffgehalt 4,3 %
Eutektoid – Festphasenumwandlung, unterhalb des γ-Bereichs, mit Eutektoid bei 723 °C, Kohlenstoffgehalt 0,8 %
Peritektisch – ein relativ kleiner Bereich oben links (Deltakristalle) mit einem Peritektoiden bei etwa 1430 °C.
Diese Phasen treten jedoch nur beim unendlich langsamen Abkühlen/Aufheizen auf. Beim schnellen Abkühlen (Abschrecken), z.B. Martensit, das die Härte erhöht. Langsames Abkühlen in austenitischen Stählen erhöht normalerweise die Zähigkeit.

TTT-Diagramme werden für dynamische Wellenformen verwendet. Die Position der TTT-Diagramme kann dargestellt werden, indem eine Zeitachse senkrecht zum Binärdiagramm platziert wird („aus dem Bild hervorgeht“). Diese schwanken je nach Kohlenstoffgehalt und Legierung recht stark. Dabei treten auch Zwischenstadien auf, wie z Bainit.

Einen wesentlichen Einfluss hat Mangan, das den Stahl auch bei höherem Kohlenstoffgehalt austenitisch macht und die Bildung von Martensit auch bei langsamer Abkühlung unterstützt.

Zu viel Kohlenstoff erhöht im Allgemeinen die Sprödigkeit, d. h. J. Da sich die Kerbzähigkeit verringert, besteht dieses Problem nicht bei Sphäroguss.

Es wird entweder in Form von Aufkohlungsmitteln der Schmelze zugesetzt oder man lässt es in die austenitisierte Stahloberfläche eindringen (z. B. beim Zementieren).

Legierungselemente
Weitere Informationen im Hauptartikel: Legieren
Bei der Herstellung verschiedener Stahlsorten (je nach Verwendungszweck) werden unterschiedliche Legierungselemente (Legierungen) verwendet, die der Schmelze zugesetzt werden, um die Eigenschaften des Stahls zu verändern. Legierungen werden in der Regel direkt der Eisenschmelze zugesetzt. Manchmal schmilzt eine Legierung härter als Eisen oder umgekehrt. Dort kommen entweder Tricks zum Einsatz, etwa die Eutektisierung, die jedoch nicht zu einer reinen Legierung führt. Bei unzureichender Löslichkeit der Legierung in der Stahlschmelze ist der Einsatz der Pulvermetallurgie erforderlich. Es wird auch Sinter genannt.

Härte
Die Härte wird durch Legierungen erhöht: Vanadium – durch Karbidierung, Wolfram – extrem harte Karbide, sie können auch glühende Karbide noch schneiden
Festung
Die Festigkeit wird durch Mangan-, Chrom-, Nickellegierungen erhöht, aber auch durch zusätzliche mechanische Behandlungen, z.B. Kaltwalzen und Wärmebehandlungen, z.B. Härten. Die theoretische Festigkeit von Eisen mit einem idealen Kristallgitter (berechneter Wert) liegt bei etwa 40000 N.mm-2. Der stärkste Stahl auf dem Markt hat 1500 N.mm-2.
Abriebfestigkeit
Diese Funktion ist für Teile erforderlich, die durch Abrieb beansprucht werden (z. B. Wellengelenke) oder für Bearbeitungswerkzeuge, bei denen die Schneide verschleißt. Um diese Eigenschaft zu verbessern, verwenden wir Legierungen: Kohlenstoff – Martensit, aber auch Zementit, Kobalt, Vanadium, Wolfram
Hitzebeständigkeit, Hitzebeständigkeit
Gewöhnlicher Stahl verliert bei Hitzebelastung (schon bei 300°C) seine Eigenschaften – vor allem Härte und Festigkeit (Motoren, Turbinen...). Die Hitzebeständigkeit wird durch die Zugabe von Legierungen verbessert: Nickel, Wolfram, Chrom, Molybdän, Vanadium. Die nominale Arbeitstemperatur für solche Stähle liegt zwischen 300 °C und 550 °C. Stähle über 550°C sind bereits hochwarmfeste Stähle. Oberhalb von 800°C sind die meisten Stähle unbrauchbar. Unter Laborbedingungen ist es möglich, Stahl herzustellen, der bei 1000 °C immer noch ca. 500 N.mm-2 aufweist, die Herstellung ist jedoch äußerst schwierig (für mehrere Produktionsschritte und nach der Hartstrukturierung).
Elastizität
Elastizität ist eine Eigenschaft, die angibt, wie weit sich Stahl verformen lässt, sodass er in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Wir nutzen diese Funktion z.B. an den Quellen. Zur Verbesserung der Elastizität wird Stahl mit Silizium legiert.
Sonderlegierungen
Magnesium – unterstützt die Bildung von Kugelgraphit in Sphäroguss (Gusseisen mit stahlähnlichen Eigenschaften), Beryllium – Cu-Be – Stahllegierungen, verlangsamt Materialermüdung (bei wiederholten Lastwechseln), z.B. an den Quellen

 

Vertrieb von Stahl
Je nach Kohlenstoffgehalt
Halbtektoid – weniger als 0,8 % Kohlenstoff
Eutektoid – 0,8 % Kohlenstoff
Überdeutektoid – zwischen 0,8 % und 2,06 %
Je nach Legierung
Niedrig legierten
Hochlegiert – über 5 % Legierungselemente
Nach Beschwichtigung
Beruhigt – Sauerstoff wurde entfernt
Unruhig
Je nach Nutzung
Automatenstähle – Stähle, die für die zusätzliche Spanbearbeitung bestimmt sind
Stähle für die Raffination – Stähle, die für eine zusätzliche Wärmebehandlung bestimmt sind
Zementstähle – Stähle zur Verstärkung verschlissener Teile. Niedriglegierte oder unlegierte Stähle mit weniger als 0,25 % Kohlenstoff sind zementiert (aufgekohlt) und an der Oberfläche trüb. Auch nach der Trübung weisen sie gute plastische Eigenschaften auf.
Baustähle – Stähle für Baukonstruktionen und Maschinen, auch die Wirtschaftlichkeit ist entscheidend für den Einsatz
Nitrierstähle – extrem hart und verschleißfest. Härte 750 HV bis 1200 HV.
Federstähle – hohe Elastizitätsgrenze.
Brüchige Stähle (Kryostähle) – Stähle für niedrige Temperaturen
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Sie werden nicht spröde. Unlegiert bis -60°C, niedriglegiert bis -120°C und hochlegiert bis -250°C.
Wälzlagerstähle
Werkzeugstähle – Stähle zur Herstellung von Werkzeugen, sei es für die Zerspanung oder für Handwerkzeuge
Lebensmittelstähle – spezielle Edelstähle ohne Gehalt an Schwermetallen und schädlichen Verunreinigungen
Tiefziehstähle – Stähle für gepresste Bleche, z.B. zur Herstellung von Autokarosserien. Hauptsächlich kohlenstoffarme Stähle.

 

Das Geschenk
Produktion
Die Basis
Derzeit wird Stahl auf zwei Arten hergestellt: Entweder wird Primärstahl (nur seine Basis) in Hochöfen hergestellt. Eigentlich nur Roheisen – das wird dann vergütet und angelassen und dann kommen die Legierungen dazu. Hier kommt LD-Konvertor oder neuerdings Corex zum Einsatz.

Siemens-Martin-Öfen sind heute hoffnungslos veraltet.

Oder der Stahl wird in Elektroöfen präzise gemischt. Aufgrund seiner wirtschaftlichen Flexibilität wird dieses Verfahren häufig für kleine und mittlere Produktionsmengen eingesetzt.

Donawitz-Methode (LD-Konverter)
Durch ein langes, dünnes Rohr – einen Speer – wird 98 %iger Sauerstoff in die Schmelze des Konverters eingeblasen. Zur Reduzierung des Roheisenanteils werden zusätzlich Schrott und Erz zugesetzt. Sauerstoff reagiert mit Eisen und es entsteht Eisenoxid FeO, das unerwünschte Verunreinigungen in der folgenden Reihenfolge verbrennt:

Silizium - 2FeO + Si → SiO2 + 2Fe
Mangan - FeO + Mn → MnO + Fe
Kohlenstoff - FeO + C → CO + Fe
Phosphor - 5 FeO + 2P → P2O5 + 5Fe
Schwefel - 2 FeO + S → SO2 + 2 Fe
Allerdings muss bei diesem Verfahren die Schmelze noch zugeführt werden, damit die Charge nicht abkühlt. Der fertige Stahl wird dann vom Konverter zur weiteren Verarbeitung in eine Pfanne gegossen. Max. Die Kapazität des Konverters beträgt ca. 250t.

Fast die kostengünstigste Art, Stahl in großen Mengen zu produzieren.
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