Chemische Zusammensetzung von Stahl

Hier können Sie anhand eines Screenshots sehen, nach welchen Elementen Sie die chemische Zusammensetzung Ihres gesuchten Stahlwerkstoffs filtern können.

Beispielscreenshot:

chemische_zusammensetzung

Kohlenstoff (C)

Schmelzpunkt 3540°C

  

Im Stahl ist Kohlenstoff das wichtigste und einflussreichste Legierungselement. Jeder unlegierte Stahl enthält außer Kohlenstoff auch noch Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel, welche bei der Herstellung unbeabsichtigt dazukommen. Die bewusste Erhöhung des Mangan- und Siliziumgehaltes sowie das Hinzufügen  weiterer Legierungselemente zur Erzielung besonderer Wirkungen, führen zum legierten Stahl. Die Festigkeit und Härtbarkeit des Stahles steigen mit zunehmendem Kohlenstoff-Gehalt, wogegen seine Dehnung, Schmiedbarkeit, Schweißarbeit und Bearbeitbarkeit (durch spanabhebende Werkzeuge) reduziert werden. Der Kohlenstoff beeinflusst den Korrosionswiderstand gegenüber Wasser, Säuren und heißen Gasen nicht.

 

Phosphor (P)

Schmelzpunkt 44°C

 

Aufgrund der starken Primärseigerungen bei der Erstarrung der Schmelze und die Möglichkeit zu Sekundärseigerungen im festen Zustand durch die starke Abschnürung des Gamma-Gebietes, wird Phosphor oft als Stahlschädling gesehen. Sowohl im Alpha- als auch im Gamma-Mischkristall ist die Diffusionsgeschwindigkeit verhältnismäßig gering, weshalb gegebene Seigerungen nur schwierig ausgeglichen werden können. Da es sehr schwierig ist, eine homogene Verteilung des Phosphors zu erzielen, versucht man, den P-Gehalt sehr niedrig zu halten. Dementsprechend versucht man bei hochwertigen Stählen eine obere Grenze von 0.03%-0.05% anzustreben. Das Ausmaß der Seigerungen kann nicht mit Sicherheit bestimmt werden.
Schon in geringsten Gehalten erhöht Phosphor die Empfindlichkeit gegen Anlassversprödung. Mit Zunahme des C-Gehaltes, mit steigender Härtetemperatur, mit der Korngröße und mit der Verminderung des Verschmiedungsgrades steigt die P-Versprödung. In Erscheinung tritt die Versprödung als Kaltbrüchigkeit und Empfindlichkeit gegenüber Schlagbeanspruchung.
Phosphor erhöht die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit gegen atmosphärische Einflüsse in schwachlegierten Baustählen mit C-Gehalten von etwa 0.1%. Cu unterstützt die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit (rostträge Stähle). Phosphor-Zusätze können in austenitischen Chrom-Nickel-Stählen Streckgrenzerhöhungen bedingen und Ausscheidungseffekte erzielen.

 

Aluminium (AL)

 

Aluminium wirkt stark begünstigend auf die Alterungsunempfindlichkeit ein, weswegen es ein starkes und sehr häufig angewandtes Desoxydations- und Denitrierungsmittel ist. Zudem unterstützt es die Feinkornausbildung.

In Nitrierstählen ist Aluminium meistens ein Legierungselement: mit Stickstoff bildet es  Nitride hoher Härte. Es wird oft ferritischen hitzebeständigen Stählen zulegiert, weil es die Zunderbeständigkeit erhöht.

Bei unlegierten Kohlenstoffstählen kann man durch "Alitieren" (einbringen von Al in die Oberfläche) die Zunderbeständigkeit unterstützen. Der  γ-Bereich wird von Al sehr stark eingeengt. Al ist aufgrund der starken Erhöhung der Koerzitivfeldstärke ein Legierungselement in Eisen-Nickel-Kobalt-Aluminium-Dauermagnetlegierungen.

 

Molybdän (Mo)

Schmelzpunkt 2622°C

 

Molybdän legiert man meist zusammen mit anderen Elementen. Die Härtbarkeit wird durch die Herabsetzung der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit verbessert. Molybdän verringert überwiegend die Anlassprödigkeit, beispielsweise bei Chrom-, Nickel- und bei Mangan-Stählen Es fördert die Feinkornbildung und wirkt sich auch günstig auf die Schweißarbeit aus. Erhöhung von Streckgrenze und Festigkeit. Die Schneidbarkeit wird bei höherem Molybdän-Gehalt erschwert. Starker Karbidbildner; die Schneideigenschaften bei Schnellarbeitsstählen werden dadurch verbessert. Es gehört zu jeden Elementen, welche die Korrosionsbeständigkeit erhöhen und wird daher 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.

 

Wasserstoff (H)

Schmelzpunkt -262°

 

Weil er Versprödung durch Abfall von Dehnung und Einschnürung ohne Erhöhung von Streckgrenze und Zugfestigkeit hervorruft, ist Wasserstoff ein Stahlschädling. Wasserstoff bildet die Ursache für die gefürchtete Flockenbildung und begünstigt die Schattenstreifenentstehung. Der atomare Wasserstoff, der beim Beizen entsteht, dringt unter Blasenbildung in den Stahl ein. Bei höheren Temperaturen entkohlt feuchter Wasserstoff.

 

Zirkon (Zr)

Schmelzpunkt 1860°C

 

Dieses Element wird in speziellen Fällen als Zusatzelement zur Desoxydation, Dendrierung und Entschwefelung verwendet. Es ist ein starker Karbidbildner. Zr-Zusätze zu völlig beruhigten schwefelhaltigen Automatenstählen üben einen günstigen Einfluss auf die Sulfidbildung und somit Vermeidung von Rotbruch aus. Es beeinflusst die Lebensdauer von Heizleiterwerkstoffen positiv und bewirkt eine Einengung des Gamma-Bereichs.

 

Titan (Ti)

Schmelzpunkt 1727°C

 

Dieses Element ist ein starkes Desoxydationsmittel und Karbidbildner. Daher wird oft Titan als Stabilisator in korrosionsbeständigen Stählen verwendet.

 

Silizium (Si)

Schmelzpunkt 1414°C

 

Silizium verengt den Gamma-Bereich und wirkt desoxydierend. Es erhöht die Festigkeit und Verschleißfestigkeit. Die Elastizitätsgrenze wird durch diesen Legierungszusatz stark erhöht, weshalb er bei Federstählen hinzulegiert wird. Der Zusatz erhöht bei hohen Gehalten an Silizium die Zunderbeständigkeit und Säurebeständigkeit, allerdings wird die elektrische Leitfähigkeit und Koerzitivkraft erniedrigt; weshalb Silizium in Elektroblechen verwendet wird.

 

Schwefel (S)

Schmelzpunkt 118°C

 

Dieses Element legiert am stärksten. Eisensulfid, verstärkt durch Sauerstoff, führt zu Rotbruch. Die Zähigkeit wird zudem verschlechtert. Schwefel in Automatenstählen bis 0.3% erhöht die Bearbeitbarkeit.

Da die niedrigschmelzenden Sulfid-Eutektika die Körner netzartig umfassen, sodass nur ein geringer Zusammenhalt der letzteren gegeben ist und bei der Warmverformung bevorzugt die Korngrenzen aufbrechen, führt Eisen-Sulfid zu Rotbruch bzw. Heißbruch. Durch die Sauerstoffeinwirkung wird dies noch verstärkt. Schwefel hat zu Mangan eine besonders große Affinität, daher bindet man ihn als Mn-Sulfid ab. Stählen für Automatenbearbeitung absichtlich Schwefel bis zu 0,4% zugegeben, da die durch die Schmierwirkung auf die Werkzeugschneide verminderte Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug erhöhte Standzeiten erzielen lässt. Bei Automatenstählen treten bei der spanabhebenden Bearbeitung außerdem kurze Späne auf. Schwefel verstärkt die Schweißrissanfälligkeit.

 

Chrom (Cr)

Schmelzpunkt 1920°C

 

Stahl wird von Chrom öl- bzw. lufthärtbar gemacht. Für die Martensitbildung ist es erforderlich, dass die kritische Abkühlgeschwindigkeit gesenkt wird. Dadurch wird die  Härtbarkeit erhöht und die Vergütbarkeit verbessert. Die Kerbschlagzähigkeit wird allerdings verringert, was die Dehnung jedoch nur wenig herabsetzt. Mit zunehmendem Chrom-Gehalt nimmt die Schweißarbeit  bei reinen Chromstählen ab. Die Zugfestigkeit des Stahls steigt um die 80-100 N/mm2 je 1% Chrom. Chrom ist Karbidbildner. Seine Karbide steigern Verschleißfestigkeit und Schnitthaltigkeit. Druckwasserstoff-Beständigkeit und Warmfestigkeit werden durch Chrom begünstigt. Steigende Chrom-Gehalte erhöhen die Zunderbeständigkeit erhöhen, während für die Korrosionsbeständigkeit von Stählen ein Mindestgehalt von etwa 13% Chrom erforderlich ist, welches in der Grundmasse gelöst sein muss. Durch die Abschnürung des Gamma-Gebietes wird der Ferritbereich erweitert. Der Austenit in austenitischen Chrom-Mangan- bzw. Chrom-Nickel-Stählen wird jedoch stabilisiert. Elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit werden verringert. Die Wärmeausdehnung wird gesenkt (Legierungen für Glaseinschmelzung). Bei gleichzeitig höherem Kohlenstoffanteil erhöhen Chrom Gehalte bis 3% Remanenz und Koeritivkraft. Dies führt zu einer Verbesserung der Korrionsbeständigkeit.

 

Nickel (Ni)

Schmelzpunkt 1453°C

 

Nickel wird zur Erhöhung der Zähigkeit in Einsatz-, Vergütungs- und kaltzähen Stählen zulegiert, da es bei Baustählen eine bedeutende Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit, auch im Tieftemperaturbereich, bewirkt. Nickel senkt alle Umwandlungsprodukte (A1 - A4); es ist kein Karbidbildner. Nickel verleiht durch starke Ausweitung des γ-Gebietes in Gehalten von mehr als 7% hoch-Cr-haltigen chemisch beständigen Stählen Austenit-Struktur bis weit unter Raumtemperatur. Ni allein macht den Stahl auch in hohen Prozentsätzen nur rostträge, ergibt jedoch in austenitischen Cr-Ni-Stählen Beständigkeit gegen den Einfluss reduzierender Chemikalien. Die Beständigkeit dieser Stähle in oxydierenden Substanzen wird durch Cr erreicht. Da ihre Rekristallisationstemperatur hoch liegt, haben austenitische Stähle bei Temperaturen oberhalb 600°C eine höhere Warmfestigkeit. Sie sind praktisch nicht magnetisierbar. Elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit werden stark vermindert. Physikalische Stähle mit bestimmten physikalischen Eigenschaften (z. B. geringe Temperaturausdehnung (Invartypen)) resultieren aus hohen Ni-Gehalten in genau begrenzten Legierungsbereichen. Das Element bewirkt in korrosions- und zunderbeständigen Chrom-Nickel-Stählen die Austenitstruktur, da es das das Gamma-Gebiet erweitert. Hohe Nickelgehalte führen zu Stählen mit kleiner Temperatur-Ausdehnung (Invar). Hitzebeständigkeit und hohe Festigkeit werden gern in hoch beanspruchtem Stahl benutzt. Es findet aber auch in Chemie-Tanks Verwendung.

 

Magnesium (Mg)

Schmelzpunkt 657°C

 

Dieses Element wird als Desoxydations- und Entschwefelungsmittel hinzulegiert. Magnesium erzeugt in Gusseisen Kugelgraphit.

 

Wolfram (W)                        

Schmelzpunkt 3380°C

 

Schmelzpunkt 3380°C', Wolfram erhöht die Zugfestigkeit, die Streckgrenze und die Zähigkeit. Es ist ein starker Karbidbildner (harte Karbide). Wolfram wird als Zusatz bei Schnellarbeitsstahl und Warmarbeitsstahl verwendet, da es die Warmfestigkeit und Verschleißfestigkeit erhöht.

 

Kobalt (Co)

 

Kobalt weist die höchste Curie-Temperatur aller Metalle mit 1121°C auf, gehört zu der Gruppe der Austenitbildner, verschiebt aber die Ferritumwandlung in Massenanteilen bis zu 70% zu höheren Temperaturen. Kobalt bewirkt eine hohe Versetzungsdichte des Ni-Martensits und ist in der Matrix gelöst. Durch eine verminderte Löslichkeit im Stahl durch Kobalt wird außerdem wird die Wirkung ausscheidungsbildender Elemente verstärkt.

 

Co bildet keine Karbide. Es hemmt das Kornwachstum bei höheren Temperaturen und verbessert die Anlassbeständigkeit und die Warmfestigkeit stark. Es wird daher oft als Legierungselement in Schnellstählen, Warmarbeitsstählen, warmfesten und hochwarmfesten Werkstoffen verwendet. Kobalt begünstigt zudem die Graphitbildung. Es erhöht in großen Anteilen Wärmeleitfähigkeit, Remanenz und Koerzitivfeldstärke. Deshalb fungiert es als Legierungsbasis für höchstwertige Dauermagnetstähle und -legierungen. Unter Neutronenbestrahlung bildet sich das stark radioaktive Isotop 60Co, weshalb Kobalt in Stählen für Atomreaktoren unerwünscht ist.

 

Mangan (Mn)

Schmelzpunkt 1221°C

 

Mangan desoxydiert. Durch das Binden von Schwefel als Mangan-Sulfide, verringert es dadurch den ungünstigen Einfluss des Eisen-Sulfides. Besondere Relevanz hat dies bei Automatenstahl; die Rotbruchgefahr wird verringert. Die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit wird von Mangan sehr stark hinabgesetzt, wodurch die Härtbarkeit erhöht wird. Der Mangan-Zusatz erhöht die Streckgrenze sowie die Festigkeit. Ferner wirkt Mangan sich positiv auf die Schmiedbarkeit und Schweißarbeit aus und vergrößert die Einhärttiefe stark. Auch bei langsamer Abkühlung führen Gehalte über 4 % zur Ausbildung von sprödem martensitischem Gefüge, so dass der Legierungsbereich kaum genützt wird. Weil Mangan den Gamma-Bereich erheblich ausweitet sind Stähle mit Mangan-Gehalten über 12% bei gleichzeitig hohem Kohlenstoff-Anteil austenitisch. Während der Kern zäh bleibt, erhalten solche Stähle unter schlagender Beanspruchung der Oberfläche eine sehr hohe Kaltverfestigung. Deshalb sind sie bei Schlageinwirkung hochverschleißfest. Stähle mit Mangan-Gehalten von 18% oder mehr bleiben auch nach verhältnismäßig starker Kaltverformung nicht magnetisierbar und werden als Sonderstähle und auch als kaltzähe Stähle bei Tieftemperatur-Beanspruchung verwendet. Der Wärmeausdehnungs-Koeffizient erhöht sich durch Mangan, während sich die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit verringern.

Stickstoff (N)

Schmelzpunkt -210°C

 

Dieses Element kann sowohl als Legierungsbestandteil als auch als Stahlschädling erscheinen. Aufgrund 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 interkristalliner Spannungsrisskorrosion in unlegierten und niedriglegierten Stählen, gilt Stickstoff als schädlich. Es erweitert als Legierungselement das Gamma-Gebiet und stabilisiert das austenitische Gefüge. Zudem erhöht es in austenitischen Stählen die Festigkeit und vor allem die Streckgrenze sowie die mechanischen Eigenschaften in der Wärme. Stickstoff lässt durch Nitritbildung beim Nitrieren hohe Oberflächengüte erreichen.

  

Kupfer (Cu)

Schmelzpunkt 1084°C

 

Da es sich unter der Zunderschicht anreichert und durch Eindringen in die Korngrenze eine Große Oberflächenempfindlichkeit bei Warmverformungsprozessen verursacht, wird Kupfer nur bei wenigen Stahlsorten zulegiert. Deshalb wird es z.T. als Stahlschädling betrachtet. Die Streckgrenze und das Streckgrenzen-Festigkeitsverhältnis werden erhöht. Aushärtungen können durch Gehalte über 0.30 % bewirkt werden. Die Härtbarkeit wird verbessert. Kupfer wird durch die Schweißarbeit nicht beeinflusst. In schwachlegierten und unlegierten Stählen wird durch Kupfer eine bedeutende Verbesserung der Witterungsbeständigkeit erreicht. ein Kupfer-Gehalt über 1% erbringt in säurefesten hochlegierten Stählen verbesserte Beständigkeit gegen Salzsäure und Schwefelsäure.

 

Vanadium (V)

Schmelzpunkt 1726°C

 

Dieses Element ist ein starker Karbidbildner. Vanadium bindet Stickstoff und ergibt eine feinkörnige Gussstruktur. Durch harte Karbide, sowie die Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit erhöht es den Verschleißwiderstand. Vanadium wird daher zu Schnellarbeitsstahl, Warmarbeitsstahl und Hochwarmfesten-Stahl hinzulegiert. Es erhöht auch die Elastizitätsgrenze bei Federstählen.

 

Zinn (Sn)

 

Dieses Element ist ein Stahlschädling und legiert stark.

 

Bor (B)

 

Bereits in sehr geringen Massenanteilen verzögert Bor die Austenitumwandlung in der Ferritstufe sehr wirkungsvoll. Die Ausscheidungen die mit Bor gebildet werden, verbessern im Bereich erhöhter Temperaturen die Festigkeit austenitischer CrNi-Stähle. In niedriglegierten Vergütungsstählen wird die kritische Abkühlgeschwindigkeit so weit abgesenkt, dass eine Öl- anstatt einer Wasserhärtung erfolgen kann.

Da es einen hohen Wirkungsquerschnitt für Neutronen-Absorption aufweist, legiert man mit Bor Stähle für Regler und Abschirmungen von Atomkernenergie-Anlagen. Mit Bor können austenitische 18/8 CrNi-Stähle über Ausscheidungshärtungen auf höhere Streckgrenze und Festigkeit gebracht werden. Allerdings wird dabei die Korrosionsbeständigkeit gemindert. Die Ausscheidungen, die durch Bor hervorgerufen worden sind, verbessern die Festigkeitseigenschaften hochwarmfester austenitischer Stahltypen im Bereich erhöhter Temperaturen. Das Element verbessert die Durchhärtung in Baustählen und bewirkt damit in Einsatzstählen eine Erhöhung der Kernfestigkeit. Es muss mit einer Minderung der Schweißbarkeit in borlegierten Stählen gerechnet werden.