Werkstoffkunde I WS 05 06 Episode 12 pdf

5 Eisengewinnung und Stahlerzeugung Seite 272 Kurznamen nach chemischer Zusammensetzung Unlegierte Stähle (ausgenommen Automatenstähle) Unlegierte Stähle (ausgenommen Automatenstähle) (Hauptsymbol C) mit einem mittleren Mangangehalt < 1,0 % (Hauptsymbol C) mit einem mittleren Mangangehalt < 1,0 % Beispiel: 1.1180 Beispiel: 1.1180 C 35 R Kohlenstoff vorgeschriebener Bereich des S-Gehalts Kohlenstoffgehalt in % x 100 Kurznamen nach chemischer Zusammensetzung Unlegierte Stähle mit einem mittleren Mangangehalt 1,0 % Unlegierte Stähle mit einem mittleren Mangangehalt 1,0 % unlegierte Automatenstähle sowie legierte Stähle unlegierte Automatenstähle sowie legierte Stähle (ausgenommen Schnellarbeitsstähle), sofern der mittlere Gehalt (ausgenommen Schnellarbeitsstähle), sofern der mittlere Gehalt der einzelnen Legierungselemente < % ist der einzelnen Legierungselemente < % ist Beispiel: 1.7737 Beispiel: 1.7737 45 Cr Mo V - 0,45 % C 6/4 = 1,5 % Cr 7/10 = 0,7 % Mo Element Element Cr, Co, Mn, Ni, Si, W Cr, Co, Mn, Ni, Si, W Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr Ce, N, P, S Ce, N, P, S B B Universität Hannover Gehalt in Norm definiert Faktor Faktor 4 10 10 100 100 1000 1000 Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach Eisengewinnung und Stahlerzeugung Seite 273 Kurznamen nach chemischer Zusammensetzung Hochlegierte Stähle (ausgenommen Schnellarbeitsstähle), Hochlegierte Stähle (ausgenommen Schnellarbeitsstähle), (Hauptsymbol X) sofern der Gehalt mindestens eines (Hauptsymbol X) sofern der Gehalt mindestens eines Legierungselements % ist Legierungselements % ist Beispiel: 1.4429 Beispiel: 1.4429 X Cr Ni Mo N 17-13 -3 0,02 % C 17 % Cr 13 % Ni % Mo Gehalt in Norm definiert Kurznamen nach chemischer Zusammensetzung Schnellarbeitsstähle (Hochleistungs-Schnellarbeitsstähle), Schnellarbeitsstähle (Hochleistungs-Schnellarbeitsstähle), (Hauptsymbol HS) (Hauptsymbol HS) Beispiel: 1.3207 Beispiel: 1.3207 HS 10 - - -10 HochleistungsSchnellarbeitsstahl 10 % W % Mo 3%V 10 % Co Die Zahlen geben, durch Bindestriche getrennt den Die Zahlen geben, durch Bindestriche getrennt den % Massengehalt der Legierungselemente in der % Massengehalt der Legierungselemente in der Reihenfolge W – Mo – V – Co an Reihenfolge W – Mo – V – Co an Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach Eisengewinnung und Stahlerzeugung Seite 274 Einsatzspektrum Stahl Akashi-Kaikyo-Bridge, Japan Brückenbalkenlänge 3911 m Pylonenhöhe 297 m Nadeln für Strick- und Wirkmaschinen Länge 30 – 40 mm Zusammenfassung Stahlbezeichnungen Stahlwerkstoffe werden bezeichnet: mit Werkstoffnummern nach DIN EN 10 027 T2 Beispiel: 1.0570 mit Kurznamen laut DIN EN 10 027 T2 nach ihrer Verwendung Beispiel: S355J2G3 mit Kurznamen laut DIN EN 10 027 T2 nach ihrer chemischen Zusammensetzung unlegiert: C35R legiert: 45CrMoV6-7 hochlegiert: X2CrNiMoN17-13-3 Schnellarbeitsstahl: HS10-4-3-10 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 275 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Begleitelemente: – sind unerwünscht – beeinflussen die Eigenschaften des Stahls negativ – bereits in Gehalten unter 0,005 % Auswirkungen auf Werkstoffeigenschaften Legierungselemente (LE): – gezielt zugesetzt zur Verbesserung der Eigenschaften (z B: Festigkeitseigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Warmfestigkeit, Härtbarkeit, ) – Wirkung der Legierungselemente steigt nicht proportional zu deren Menge – keine Addition der Wirkungen verschiedener Elemente – quantitative Vorhersage der Eigenschaftsänderungen nicht möglich, nur qualitative Prognose gewisser Eigenschaftsänderungen Begleitelemente Sauerstoff, Schwefel – Bildung nichtmetallischer Einschlüsse – Bildung niedrig schmelzender Phasen Verschlechterung der Schweißbarkeit Verschlechterung der Zähigkeitseigenschaften Beeinträchtigung der Warmumformbarkeit, Phosphor – Bildung nichtmetallischer Einschlüsse Verschlechterung der Zähigkeitseigenschaften Stickstoff – Reckalterung Erhöhung der Streckgrenze und Zugfestigkeit, Absenkung der Zähigkeitswerte Wasserstoff – Bildung von Flockenrissen durch rekombinierten Wasserstoff an den Korngrenzen hohe Kerbwirkung Kupfer – bildet mit Schwefel niedrigschmelzendes Kupfersulfid, Ausscheidung auf Korngrenzen bei Warmumformung Risse entlang der Korngrenzen Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 276 Bildungsarten von Legierungselementen Löslichkeit von LE im Eisen hängt ab von: – Atomgrưße – Gittertyp (krz, kfz) Die Aufnahme von LE durch das Eisen kann erfolgen durch: – Mischkristallbildung (Gitter des - oder -Eisens) – Bildung einer heterogenen Zweitphase (vorwiegend Karbide oder Nitride) – LE können infolge hoher Affinität Verunreinigungen an sich binden Entstehung von feindispersem Gefüge (Kornfeinung) – Verbindungsbildung, d h Bildung intermetallischen Phasen – Vorkommen als reine Kristallite (z B Cu oder Pb) Mischkristallbildung Bei Lösung der LE in der Matrix werden - abhängig vom Radienverhältnis der Atome - entweder Einlagerungs- oder Substitutionmischkristalle gebildet Substitutionsmischkristall (Austausch-MK): d D – gleiche Kristallgitter der Komponenten – Fremdatome nehmen reguläre Gitterplätze ein – Abweichung der Atomradien – Beispiel: Cu - Ni 15 % Wirtsatom Fremdatom Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 277 Mischkristallbildung Interstitielle Lưsung (Einlagerungs-MK): – bei grer Atomradiendifferenz D d (H, B, C, N, O) – verursacht Gitterverzerrung, Aufnahmefähigkeit begrenzt – führt zur Ausbildung heterogener, mehrphasiger Gefüge Wirtsatom Fremdatom Mischkristallverfestigung Festigkeitsanstieg durch Substitutionsatome – Atomdurchmesserdifferenz c – Veränderung des E- bzw G-Moduls – Elemente P und Si grưßte Wirkung W Cu ~ da a dc a: Gitterparameter c: Konzentration der Fremdatome Zn,Al Mo Ti P V Si Mn Mo Cr Mn Ni V HB Ni W Co Cr Si Legierungsgehalt in a/o Änderung des Gitterparameters von -Eisen durch gelöste Fremdatome Universität Hannover Legierungsgehalt im - Eisen Mischkristallverfestigung durch gelöste Fremdatome in -Eisen Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 278 Wirkung der LE auf -Gebiet Austenitbildner Ni, C, Co, Mn, N ( "Niccomann macht Gamma an") Offenes - Gebiet – Ni, Co, Mn u a bewirken ein offenes - Feld, A3 fällt, A4 steigt – bei charakteristischer Grenzkonzentration fällt A3 ( - -Umwandlung) auf RT (austenitischer Stahl) Temperatur Ts A4 S+ S + S+ A3 + Fe Zustandsschaubild mit geöffnetem -Gebiet, LE: Mn, Ni, Co %LE Legierungsgehalt Wirkung der LE auf -Gebiet Erweitertes - Gebiet: – C, N, Cu, Zn, Au, Re und B bewirken ein erweitertes - Feld – Wirkung des Kohlenstoffs ist beschrieben durch das Fe - C - Diagramm Eigenschaften austenitischer Stähle: große Zähigkeit hohe Verfestigung durch Kaltverformung hochwarmfest – niedrige Dehngrenze – nicht magnetisierbar – nicht abschreckhärtbar – evtl grobes Korn schwer zu beseitigen Universität Hannover Gefügebild eines austenitischen Stahls Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 279 Austenitische Chrom-Nickel-Stähle Austenitische Cr-Ni-Stähle: – enthalten um 18 m-% Cr und 10 m-% Nickel – durch Lösungsglühen (Zwangslösung von Chromkarbiden) Absenkung des Nickelgehaltes bis auf m-% möglich – nicht härtbar (keine eutektoide Umwandlung) – Festigkeitssteigerung nur durch Kaltverformung (Verformungsmartensit) – chemisch sehr beständig – kriechfest – nicht magnetisierbar Hautanwendungsgebiet: korrosive Umgebungen in der chem Industrie Wirkung der LE auf -Gebiet Ferritbildner Cr*, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W ( "Craltitasimovw") – Cr, Al, Ti, Ta, Si, V, Mo, Be, W bewirken ein abgeschlossenes - Feld – bei ausreichendem Gehalt dieser LE keine Umwandlung bei Erwärmung (ferritischer Stahl) Temperatur Abgeschnürtes - Gebiet Zustandsschaubild mit abgeschnürtem -Gebiet, LE: Cr, Al, Ti, Si, Mo, V, W * in geringen Mengen Stabilisierung des -Zustandes Universität Hannover S Ts A4 S+ + A3 Fe %LE Legierungsgehalt Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 280 Schaeffler-Diagramm Schaeffler-Diagramm: – Angabe der Gefügeart(en) des Stahles bei Kenntnis der Stahlzusammensetzung – Feststellen der Gefügearten des Schweißgutes beim Schweißen unterschiedl Stähle – x - Achse Chromäquivalent (Maßstab für Ferritbildner) – y - Achse Nickeläquivalent (Maßstab für Austenitbildner) %Cr + 2·%Si + 1,5·%Mo + 5·%V + 5,5·%Al + 1,75·%Nb + 1,5·%Ti + 0,75·%W Ni-Äquivalent = %Ni + %Co + 0,5·%Mn + 30·%C + 0,3·%Cu + 25·%N Austenit Nickel - Äquivalent Cr-Äquivalent = Austenit +Martensit Martensit Austenit +Ferrit Austenit +Martensit +Ferrit Martensit +Ferrit Gefüge von Eisen-Nickel-Chrom-Stählen (Schaeffler-Diagramm) Ferrit Chrom - Äquivalent Karbidbilder Karbidbildner nach steigender Intensität: Mn Cr Mo W Ta V Nb Ti Karbidtypen: – Mischkarbide mit Zementitstruktur, z B.(Fe, Mn)3C – Sonderkarbide mit eigener Struktur, z B Cr7C3, die auch Fe lösen können, z B (Cr, Fe)7C3 – Doppelkarbide, z B Fe3W 3C bei geringer Konzentration eines schwachen Karbidbildners Mischkarbid (Legierungselement wird vom Zementit aufgenommen) bei höheren Konzentrationen eines schwächeren Karbidbildners oder bei geringen Konzentrationen eines starken Karbidbildners Sonderkarbide Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 281 Karbidtypen Hauptbilder Vorkommen MC 2300 – 3300 V, Nb, Ti, W Schnellstahl, Ferro-Titanit, Hartmetall M 2C 1700 - 2000 Mo Schnellstahl auf Mo-Basis M 6C 1400 - 1700 W, Mo Schnellstahl M23C6 1100 - 1400 Cr Chromstahl, weichgeglühter Schnellstahl M7C3 900 - 1400 Cr Chromstahl, Stellit M 3C fallende Mikrohärte Karbidtyp Härte [HV] 800 - 1200 Fe Unlegierter und legierter Stahl Karbide in Stählen M: Gesamtanteil an Metallatomen eines Karbids Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Kohlenstoff Ferritbildner erniedrigt die Schmelztemperatur und die - -Umwandlungstemperatur ermöglicht das Abschreckhärten Austenitbildner Karbidbildner Verbesserung der Durchhärtbarkeit erhöht Zugfestigkeit und Streckgrenze Erhöhung der Verschleißfestigkeit (Karbidvolumenanteil 18 bis 45 vol-%) – erniedrigt Bruchdehnung und -einschnürung – erniedrigt Wärmeleitfähigkeit und spezifisches Gewicht – verringert die Schweißbarkeit des Stahls durch Gefahr von Härterissen (max 0,25 % C) – Abschreckalterung – Reckalterung Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 282 Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Mangan: Ferritbildner desoxidiert bindet Schwefel als Mangan-Sulfide Automatenstähle (Verringerung der Rotbruchgefahr) Austenitbildner Karbidbildner erhöht die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Kerbschlagzähigkeit senkt die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit (bei Vergütungsstählen) erhưht die Einhärtungstiefe verbessert die Schweißbarkeit und Schmiedbarkeit – überhitzungsempfindlich, neigen zu Anlsprưdigkeit (Vermeidung durch schnelle Abkühlung, insbesondere im Bereich um 500°C) Manganhartstähle (12-14 %Mn, 1,2-1,4 % C) erhöht den Wärmeausdehnungskoeffizienten bei gleichzeitigem Erniedrigen von Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit Beispiele der Legierungsmöglichkeiten: Mangan Baustahl Wirkung: Gehalt: Beispiel: Abbindung des Schwefels zu MnS Bildung von niedrigschmelzenden FeSPhasen wird verhindert Erhöhung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit bis 1,7% Mn S 355JZG3 (St52-3N) Vergütungsstahl Wirkung: Erhöhung der Einhärtungstiefe durch Absenkung der krit Abkühlgeschwindigkeit Gehalt: Beispiel: bis 1,7% Mn 28Mn6 Einsatzstahl Wirkung: Erhöhung der Einhärtungstiefe ohne Karbidbildung Gehalt: Beispiel: 0,9 - 1,4% Mn 16MnCr5 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 283 Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Silizium Ferrit- Austenitbildner bildner desoxidiert Karbidbildner verbessert Einhärtbarkeit erhöht Zugfestigkeit und Streckgrenze bei Si - Gehalten bis 4,5 %; ab 4,5 - 6,5 % nimmt die Zugfestigkeit und die Streckgrenze wieder ab erhöht den Verschleißwiderstand und die Anlbeständigkeit erhưht die Zunderbeständigkeit hitze - und zunderbeständige Stähle erniedrigt die elektrische Leitfähigkeit und Koerzitivkraft – setzt die Kaltformbarkeit herab Werkzeugstähle in Tiefziehblechen Si bei Si - Gehalt von 12 % wird Säurebeständigkeit erreicht sprưder Stahlformg herstellbar Elektrobleche 0,2 % nur als sehr harter und Beispiele der Legierungsmöglichkeiten: Silizium Federstahl Wirkung: Erhöhung der Einhärtbarkeit und der Zugfestigkeit, Erhöhung des Streckgrenzenverhältnisses im vergüteten Zustand Gehalt: Beispiel: 0,6 - 1,8% Si 38Si3, 65SiW7 Werkzeugstahl Wirkung: Erhưhung der Verschleißfestigkeit und der Anlassbeständigkeit Gehalt: Beispiel: 0,7 - 2,0% Si 125CrSi5, 45SiCrV6 Dynamo- und Transformatorstahl Wirkung: Widerstandserhöhung, dadurch Absenkung der Wirbelstromverluste Gehalt: Beispiel: bis 4,3% Si 5Si17 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 284 Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Aluminium: Ferrit- Austenitbildner bildner Desoxidationsmittel für beruhigte Stähle, ca 0,01 % Al außerdem N-Abbindung bei besonders beruhigten Stählen begünstigt die Alterungsunempfindlichkeit (mind 0,02 % Al) Karbidbildner begünstigt bei Zugabe kleiner Mengen die Feinkornausbildung erhöht die Zunderbeständigkeit bei ferritischen hitzebeständigen Stählen durch Deckschichtbildung bildet mit N Nitride höherer Härte starke Erhöhung der Koerzitivkraft Dauermagnetlegierungen LE in Nitrierstählen LE in Eisen-Nickel-Kobalt-Aluminium- Beispiele der Legierungsmöglichkeiten: Aluminium Feinkornbaustahl Wirkung: Bei bestimmten Al- und N-Gehalte wird die Keimbildung bei der / -Umwandlung begünstigt, das Kornwachstum behindert und die Feinkörnigkeit verbessert Gehalt: Beispiel: 0,02% Al, falls N nicht durch Nb, Ti oder V abgebunden wird FeE460KGTM (StE460TM) Nitrierstahl Wirkung: Erhöhung der Härte der Nitrierschicht durch die Bildung einer festhaftenden Al-reichen Deckschicht Gehalt: Beispiel: 0,8 - 1,2% Al 34CrAl6, 41CrAlMo7 Hitze- und zunderbeständiger Stahl Wirkung: Herabsetzen der Zundergeschwindigkeit durch die Bildung einer festhaftenden Al-reichen Deckschicht Gehalt: Beispiel: 0,5 - 1,7% Al X10CrAl18 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 285 Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Nickel steigert Zugfestigkeit und Streckgrenze, 40 N/mm² je % Ni Baustähle verbessert die Kerbschlagzähigkeit durch Kornfeinung und verringerte Einsatz-und Vergütungsstähle Überhitzungsempfindlichkeit Ferrit- Austenitbildner bildner Karbidbildner verringert die kritische Abkühlgeschwindigkeit und erhöht die Einhärtetiefe erhöht den elektrischen Widerstand sehr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient bei Eisen-Nickel-Legierung Invar (36 % Ni): L1 = L0 (1 + T) -6 mm/K = 1,5 10 (vgl reines Fe: 12 10-6 mm/K) Anwendung in Thermo - Bimetallen Beispiele der Legierungsmöglichkeiten: Nickel Einsatzbaustahl Wirkung: Steigerung der Zähigkeitseigenschaften Gehalt: Beispiel: 1,4 - 1,7% Ni 15CrNi6, 17CrNiMo6 Vergütungsstahl Wirkung: Verbesserung der Durchhärtbarkeit und Durchvergütbarkeit durch Senken der krit Abkühlgeschwindigkeit Gehalt: Beispiel: 1,0 - 4,5% Ni 36NiCrMo16, 36CrNiMo4 Austenitischer Cr-Ni-Stahl Wirkung: Festigkeitssteigerung durch Mischkristallbildung Gehalt: Beispiel: mehr als 8% Ni X5CrNi18-10 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 286 Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Chrom Ferrit- Austenitbildner bildner macht Stahl öl- bzw lufthärtbar verringert die kritische Abkühlgeschwindigkeit und Verbesserung der Anlassbeständigkeit Erhöhung der Härtbarkeit Karbidbildner – Zugfestigkeit steigt um 80-100 N/mm² je 1% Cr Verringerung der Kerbschlagzähigkeit bei geringfügiger Verschlechterung der Dehnung Verbesserung der Warmfestigkeit und somit der Anlassbeständigkeit Härtesteigerung durch Karbide und Nitride erhöht mit Al und Si die Zunderbeständigkeit ab 12 % Bildung einer Passivschicht Korrosionsschutz steigert die Druckwasserstoffbeständigkeit (Chromkarbide sind beständiger gegenüber Wasserstoff als Eisenkarbid) Beispiele der Legierungsmöglichkeiten: Chrom Warmfester Stahl Wirkung: Erhöhung der Warmfestigkeit durch Mischkristallbildung und Karbidausscheidung Gehalt: Beispiel: bis 2,5% Cr 21CrMoV5-7 Kaltarbeitsstahl Wirkung: Erhöhung der Anlassbeständigkeit und Verbesserung der Härtbarkeit Gehalt: unter- und übereutektoid bis 1,5% Cr, ledeburitisch 12% Cr, rostfreie Werkzeugstähle 15 - 17% Cr 105WCr6, X210Cr12, X35CrMo17 Beispiel: Hitze- und zunderbeständiger Stahl Wirkung: Bildung einer festhaftenden Cr2O3-Schicht durch selektive Oxidation des Chroms Gehalt: Beispiel: bis 30% Cr X10CrAl18, X20CrNiSi25-4 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 287 Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Ferrit- Austenitbildner bildner Molybdän erhöht die Warm- und Dauerstandfestigkeit sowie die Schneidfähigkeit, besonders in Verbindung mit V, W und Cr wirksamstes Mittel gegen Anlasssprödigkeit fördert die Feinkornbildung Karbidbildner Chrom-, Nickel- und Manganstähle verbessert die Schweißbarkeit erhöht die Korrosionsbeständigkeit Nickel-Stähle hochlegierte Chromstähle, austenitische Chrom- hohe Gehalte senken Lochfraßanfälligkeit – bei hohen Gehalten wird die Schmiedbarkeit erschwert Beispiele der Legierungsmöglichkeiten: Molybdän Vergütungsstahl Wirkung: Erhöhung der Anlassbeständigkeitund der Einhärtbarkeit, Verringerung der Gefahr der Anlassversprödung Gehalt: Beispiel: bis 0,5% Mo 42CrMo4 Warmfester Stahl Wirkung: Steigerung der Warmfestigkeit und der Zeitstandfestigkeit durch Mischkristallhärtung und Karbidausscheidung Gehalt: Beispiel: bis 1% Mo 15Mo3, 21CrMoV5-11 Rost- und säurebeständiger Stahl Wirkung: Erhưhung der Lochfrbeständigkeit gegenüber chloridhaltigen Medien Gehalt: Beispiel: bis 2% Mo X12CrNiMo17-12-2 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 288 Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Ferrit- Austenitbildner bildner Wolfram erhöht die Festigkeit, Härte und Schneidhaltigkeit erhưht die Anlbeständigkeit durch Ausscheiden von Karbiden bei hưherer Temperatur erhưht die Warmfestigkeit und Verschleißfestigkeit Warmarbeitsstahl Karbidbildner Schnellarbeitsstahl, bildet im Stahl das schwer lösliche Doppelkarbid (FeW)6C Überhitzung verringerte Gefahr der erhöht die Remanenz in gehärtetem Stahl für Dauermagnete – Gefahr des Totglühens bei Wolframstahl durch Entstehen des schwer zu beseitigenden stabilen Wolframkarbids WC; Chromzusatz (0,2%) verringert diese Glühempfindlichkeit Beispiele der Legierungsmưglichkeiten: Wolfram Kaltarbeitsstahl Wirkung: Erhưhung des Verschleißwiderstandes durch Karbidausscheidungen Gehalt: Beispiel: bis 2% W 105WCr6, X210CrW6 Warmarbeitsstahl Wirkung: Erhưhung der Warmfestigkeit, der Anlassbeständigkeit und der Verschleißfestigkeit durch Sonderkarbidausscheidungen Gehalt: Beispiel: bis 8% W X30WCrV5-3 Schnellarbeitsstahl Wirkung: Erhöhung der Warmhärte, der Anlassbeständigkeit und der Verschleißfestigkeit durch Sonderkarbidausscheidungen Gehalt: Beispiel: - 18% W S 2-9-1, S 18 1-2-5 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 289 Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Ferrit- Austenitbildner bildner Kobalt erhöht kritische Abkühlgeschwindigkeit beim Härten, Einhärtungstiefe nimmt ab Karbidbildner hemmt Kornwachstum bei höheren Temperaturen verbessert Anlassbeständigkeit und Warmfestigkeit (bei Schnellstähle, Warmarbeitsstählen, warmfesten und hochwarmfesten Werkstoffen) begünstigt die Graphitbildung bei hoher Konzentration Erhöhung der Remanenz, Koerzitivkraft und Wärmeleitfähigkeit (Dauermagnetstähle) erhöht Korrosionsbeständigkeit Beispiele der Legierungsmöglichkeiten: Kobalt Martensitaushärtender Stahl Wirkung: In der Matrix gelöstes Kobalt bewirkt eine erhöhte Versetzungsdichte des NiMartensits Wirkung ausscheidungsbildender Elemente wird durch eine verminderte Löslichkeit im Stahl durch Kobalt verstärkt Gehalt: Beispiel: - 12% Co X2NiCoMo18-8-5 Schnellarbeitsstahl (und hochlegierter Warmarbeitsstahl) Wirkung: Durch Mischkristallbildung werden Warmhärte und Anlassbeständigkeit durch Beeinflussung der C-Diffusion erhöht Das Sekundärhärtemaximum wird zu höheren Temperaturen verschoben Gehalt: Beispiel: - 10% Co S 18-1-2-5, X20CrCoWMo10-10 Dauermagnetstahl Wirkung: Erhöhung der Sättigungs- und Remanenzflußdichte und der Koerzitivfeldstärke von Dauermagneten Gehalt: Beispiel: bis 50% Co AlNiCo 30/10 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 290 Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Kupfer: Ferrit- Austenitbildner bildner erhöht den Korrosionswiderstand von Stahl, 0,2-0,3 % Cu Karbidbildner erhöht die Haltbarkeit von Anstrichen, 0,15 % Cu – setzt bei Gehalten 0,3 % die Kaltformbarkeit von Stahl herab Wetterfester Baustahl Wirkung: Bildung wetterfester Deck- und Schutzschichten in Verbindung mit Phoshat- und Sulfatkomplexen Gehalt: Beispiel: 0,25 - 0,55% Cu S355J2WP Austenitischer Cr-Ni-Stahl Wirkung: Erhöhung der Beständigkeit gegen Salz- und Schwefelsäure Gehalt: Beispiel: - 2% Cu X2NiCrMoCu25-20-5 Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Titan, Tantal, Niob und Vanadium Bildung stabiler Karbide, verhindern den Kornzerfall (Stabilisatoren) bei rostfreien Stählen, ca 0,1 % werden zum Mikrolegieren eingesetzt, gute Festigkeit bei niedrigem C - Gehalt durch die Ausscheidungshärtung und Rekristallisationsbehinderung Universität Hannover Ferritbildner Austenitbildner Karbidbildner Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 291 Wirkung der Legierungselemente auf das Stahlgefüge Bor weist großen Wirkungsquerschnitt für Neutronen-Absorption auf Stähle für Regler und Abschirmungen von Atomenergie-Anlagen erhöht die Streckgrenze und Festigkeit über Ausscheidungshärtung CrNi-Stähle (Korrosionsbeständigkeit wird vermindert) austenitische 18/8 durch Bor hervorgerufenen Ausscheidungen verbessern die Festigkeitseigenschaften im Bereich erhöhter Temperatur hochwarmfeste Stahltypen verbessert die Durchhärtung in Baustählen Einsatzstählen Erhưhung der Kernfestigkeit in – Verminderung der Schweißbarkeit Hochfeste Leichtbaustähle Entwicklung hochfester supraduktiler Manganleichtbaustähle Mechanische Eigenschaften Spezifisches Gewicht ~ 7,2 g/cm³ – „TRIP-Effekt“ (Transformation Induced Streckgrenze Plasticity) - spannungs- und verformungsinduzierte Umwandlung TRIP-Stahl TWIP-Stahl 500 MPa 200 MPa Zugfestigkeit TRIP-Stahl TWIP-Stahl 1.100 MPa 500 bis 600 MPa Bruchdehnung TRIP-Stahl TWIP-Stahl – „TWIP-Effekt“ (Twinning Induced Plasticity) - intensive Zwillingsbildung im verformten Gefüge durch gezielte Legierungsoptimierung mit den Elementen Silizium und Aluminium ~ 50 % ~ 90 % Max Spezifische Energieabsorption 0,5 kJ/cm³ (L = 10³s-1) Anwendungsgebiete – Strukturbauteile im Automobilbau, Transportbehälter für Flüssiggase, crashsichere Doppelwandungen, Schotten im Schiffsbau, Stahlschutzplanken an Verkehrswegen Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 292 Zusammenfassung Legierungselemente Begleitelemente: – beeinflussen die Eigenschaften des Stahls negativ Legierungselemente (LE): – gezielt zugesetzt zur Verbesserung der Eigenschaften (z.B: Festigkeitseigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Warmfestigkeit, Härtbarkeit, ) Austenitbildner – Ni, Co, Mn u a bewirken ein offenes - Feld, bei charakteristischer Grenzkonzentration austenitischer Stahl – C, N, Cu, Zn, Au, Re und B bewirken ein erweitertes - Feld Ferritbildner – Cr, Al, Ti, Ta, Si, V, Mo, Be, W bewirken ein abgeschlossenes - Feld, bei ausreichendem Gehalt dieser LE ferritischer Stahl – B, S, Nb, Ta, Zr, Ce u.a bewirken ein verengtes - Feld Karbidbildner nach steigender Intensität: Mn Cr Mo W Ta V Nb Ti Entwicklung höherfester Feinbleche Verfahrensentwicklung Werkstoffdesign ? ? TWIP-Stähle SULC-Stähle TRIP-Stähle Isotrope Stähle IF-Stähle Bake-Hardening-Stähle Dualphasen-Stähle Phosphorlegierte Stähle Mikrolegierte Stähle nachgewalzte Stähle 1975 1980 Universität Hannover 1985 1990 1995 2000 2005 Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 293 Verfestigungsmechanismen Effekt Hindernisarten Dimensionen Festigkeitsabhängigkeit Fremdatome - dimensional Mischkristallhärtung R~ c Versetzungen - dimensional Kaltverfestigung R~ Korngrenzen - dimensional Kornfeinung R~ Ausscheidungen - dimensional Teilchenhärtung R d R c, d Arten moderner Feinblechstähle TM gewalzte Güten TM gewalzte Güten Klassische Tiefziehbleche mit Kombination von thermischer und mechanischer Klassische Tiefziehbleche mit Kombination von thermischer und mechanischer Behandlung beim Walzen daher feinkörniges Gefüge, kleine feinverteilte Behandlung beim Walzen daher feinkörniges Gefüge, kleine feinverteilte Ausscheidungen dadurch Festigkeitssteigerung Ausscheidungen dadurch Festigkeitssteigerung Phosphorlegierte Stähle Mischkristallverfestigung durch Phosphor (bis 0,1%) ausgeprägte Rekristallisationstextur r-Wert ~ 1,8 BH-Stähle (Bake-Hardening-Stahl) BH-Stähle (Bake-Hardening-Stahl) Verfestigung nach Umformung während Einbrennen des Lackes (Alterungsprozess Verfestigung nach Umformung während Einbrennen des Lackes (Alterungsprozess führt zur Blockade der Versetzungen) führt zur Blockade der Versetzungen) Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 294 Arten moderner Feinblechstähle Mikrolegierte Stähle Mikrolegierte Stähle C unter 0,1% daher perlitfrei, Festigkeitssteigerung durch Mikrolegierungs-elemente Ti, C unter 0,1% daher perlitfrei, Festigkeitssteigerung durch Mikrolegierungs-elemente Ti, V und Nb die Kornfeinung und Ausscheidungshärtung bewirken V und Nb die Kornfeinung und Ausscheidungshärtung bewirken Isotrope Stähle Isotrope Stähle Zugabe von Ti, Warmwalzen und Rekristallisationsglühen hierdurch Gefüge mit Zugabe von Ti, Warmwalzen und Rekristallisationsglühen hierdurch Gefüge mit höheren Festigkeiten, keine Zipfelbildung oder Wandstärkenschwankungen (isotrope höheren Festigkeiten, keine Zipfelbildung oder Wandstärkenschwankungen (isotrope Verformung) Verformung) IF-Stähle (Interstitial Free) IF-Stähle (Interstitial Free) Stahl ohne interstitiell gelöste Legierungsanteile (C und N durch Ti oder Nb Stahl ohne interstitiell gelöste Legierungsanteile (C und N durch Ti oder Nb abgebunden) daher ferritisches Gefüge ohne Perlit oder Zementit abgebunden) daher ferritisches Gefüge ohne Perlit oder Zementit SULC Stähle (Supra Ultra Low Carbon) SULC Stähle (Supra Ultra Low Carbon) Sehr weiche Tiefzieh-“Stähle“ mit C und N unter 50 ppm (Weiterentwicklung der IFSehr weiche Tiefzieh-“Stähle“ mit C und N unter 50 ppm (Weiterentwicklung der IFStähle) Wegen des geringen C und N Gehaltes braucht praktisch keine Ti oder Nb Stähle) Wegen des geringen C und N Gehaltes braucht praktisch keine Ti oder Nb zugegeben werden um den IF-Effekt zu erreichen zugegeben werden um den IF-Effekt zu erreichen Arten moderner Feinblechstähle Dualphasenstähle (zweiphasige Stähle) Dualphasenstähle (zweiphasige Stähle) Ferritischer Stahl mit 10-30% Martensit (+Restaustenit) Verformbarkeit der ferritischen Ferritischer Stahl mit 10-30% Martensit (+Restaustenit) Verformbarkeit der ferritischen Matrix durch Versetzungen aufgrund martensitischer Umwandlung (zusätzlich: Matrix durch Versetzungen aufgrund martensitischer Umwandlung (zusätzlich: Versetzungsentstehung bei Umwandlung des Restaustenits) Versetzungsentstehung bei Umwandlung des Restaustenits) TRIP-Stähle (TRansformation Induced Plasticity) TRIP-Stähle (TRansformation Induced Plasticity) Mehrphasiger Stahl mit Anteilen von Austenit, Ferrit, Bainit und Martensit Mehrphasiger Stahl mit Anteilen von Austenit, Ferrit, Bainit und Martensit Manganstähle mit höheren Al- und Si-Gehalten, Verformungssteigerung durch Manganstähle mit höheren Al- und Si-Gehalten, Verformungssteigerung durch Umwandlung der Gitterstruktur Umwandlung der Gitterstruktur TWIP-Stähle (TWinning Induced Plasticity) TWIP-Stähle (TWinning Induced Plasticity) Gefüge ähnlich TRIP-Stahl Gefüge ähnlich TRIP-Stahl Manganstähle mit höheren Al- und Si-Gehalten, Verformungssteigerung durch Manganstähle mit höheren Al- und Si-Gehalten, Verformungssteigerung durch Zwillingsbildung Zwillingsbildung Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 295 Streckgrenze/ Dehnung moderner Feinblechstähle 45 40 Dehnung [%] 35 30 25 Weiche Tiefziehgüten Höherfeste isotrope Stähle Höherfeste mikrolegierte Stähle Höherfeste phosphorlegierte Stähle Dualphasenstähle Höherfeste IF-Stähle TM gewalzte Güten C-Stähle Höherfeste martensitische Stähle 20 15 10 0 200 400 600 800 Streckgrenze [MPa] 1000 1200 Moderne Verarbeitungsverfahren für Feinbleche Tailored Blanks Sandwichstrukturen InnenHochdruckumformen Laserschweißen Bonded Blanks NVEB-Schweißen Stahlblech Polypropylenkern Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente im Stahl Seite 296 Definition r-Wert F Flachzugprobe r b s s ln b1 / b0 ln s1 / s0 b F r-Wert (senkrechte Anisotropie) r-Wert (senkrechte Anisotropie) Der r-Wert ist ein Maß für die Tiefziehfähigkeit eines Blechwerkstoffs Ein Der r-Wert ist ein Maß für die Tiefziehfähigkeit eines Blechwerkstoffs Ein r-Wert kennzeichnet eine durch Textur verursachte Anisotropie ideal r-Wert kennzeichnet eine durch Textur verursachte Anisotropie ideal zum Tiefziehen sind große r-Werte zum Tiefziehen sind große r-Werte Übliche r-Werte bei Feinblechen zwischen 0,8 und 2,8 Übliche r-Werte bei Feinblechen zwischen 0,8 und 2,8 Stahleinsatz im KFZ Mikrolegierte höherfeste Stähle für Mikrolegierte höherfeste Stähle für struktur- und crashrelevante Teile struktur- und crashrelevante Teile Felge aus DP-Stahl Dualphasen-Stähle (DP) für Räder und Dualphasen-Stähle (DP) für Räder und schwierige Strukturteile (Längs- und schwierige Strukturteile (Längs- und Querträger); ebenso für streckgezogene Querträger); ebenso für streckgezogene Außenteile mit besonders hoher Außenteile mit besonders hoher Beulfestigkeit (Türen, Dächer, Beulfestigkeit (Türen, Dächer, Kofferdeckel) Kofferdeckel) TRIP und TWIP-Stähle für Strukturteile TRIP und TWIP-Stähle für Strukturteile mit besonders hohem mit besonders hohem Energieaufnahmevermögen (Säulen, Energieaufnahmevermögen (Säulen, Längs- und Querträger) Längs- und Querträger) B-Säule aus Trip-Stahl Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach ... Überhitzungsempfindlichkeit Ferrit- Austenitbildner bildner Karbidbildner verringert die kritische Abkühlgeschwindigkeit und erhöht die Einhärtetiefe erhöht den elektrischen Widerstand sehr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient... Lochfrbeständigkeit gegenüber chloridhaltigen Medien Gehalt: Beispiel: bis 2% Mo X12CrNiMo17 -12- 2 Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde Prof Dr.-Ing Friedrich-Wilhelm Bach 5.3 Begleit- und Legierungselemente... TWIP-Stahl – „TWIP-Effekt“ (Twinning Induced Plasticity) - intensive Zwillingsbildung im verformten Gefüge durch gezielte Legierungsoptimierung mit den Elementen Silizium und Aluminium ~ 50 % ~