Stahl

Der hartende Bestandteil, der dem Eisen die Gebrauchseigenschaften verleiht, ist der Kohlenstoff. Er ist damit das wichtigste Legierungselement des Eisens. Die spezifischen Wechselwirkungen des Kohlenstoffs mit den unterschiedlichen Modifikationen des Eisens in Abhangigkeit von der Temperatur machen die Vielfalt dieses auberordentlich wichtigen Werkstoffes aus. Dariiber hinaus zeigt Eisen eine gute „Loslichkeit“ fur eine Reihe weite – rer Nichtmetalle und Metalle, die entweder als Begleitelemente aus den Eisenerzen stam – men (Si, Mn, P, S) oder als Legierungselemente zugesetzt werden (Cr, Ni, W, Mn, Со, V, Ті, Та).

Zur Herstellung von Stahl aus Roheisen muss der Kohlenstoffgehalt des Eisens deutlich gesenkt werden (Entkohlung), andere Begleitstoffe miissen dagegen ganz entfemt werden. Der Raffinationsprozess umfasst das Frischen, d. h. die Oxidation der gelosten Bestandteile wie C, Si, Mn und P, die Entschwefelung mit CaO und eine als Desoxidation bezeichnete Nachbehandlung. Dabei wird der in der Stahlschmelze geloste Sauerstoff durch Desoxida – tionsmittel (Al, Legierungen vom Тур Fe-Si,,Ferrosilicium“ oder vom Тур Ca-Si „Calci – umsilicium“, z. B. CaSi2) entfemt. Das Frischen geschieht heute iiberwiegend im Sauer- stoffaufblasverfahren (LD-Verfahren).

Stahl ist ein warmverformbarer Eisenwerkstoff mit einem Kohlenstoff – gehalt ^ 2,1 %.

Stahl kann durch die Art seiner Herstellung, durch den Zusatz von Legierungsmetallen und durch entsprechende Warmebehandlung fur die verschiedensten technischen Anwendungs – bereiche aufbereitet werden.

Fur das Verstandnis der bei der Warmebehandlung von Stahl und Gusseisen ablaufenden Phasenumwandlungen ist das Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff von grundlegender Bedeutung. Das in Abb. 8.2 dargestellte Zustandsdiagramm gilt ausschlieBlich fur die Kombination Eisen-Kohlenstoff, nicht aber bei Anwesenheit weiterer Legierungsmetalle. Fur den letzteren Fall ergeben sich teilweise betrachtliche Veranderungen der Phasenbe- reiche.

6-Mischkristalle

Подпись: Abbildung 8.2 Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff

Die Linie ABCD in Abb. 8.2 ist die Liquiduslinie, oberhalb derer ausschlieBlich die fliis – sige Phase vorliegt. Unterhalb der Linie AFUECF (Soliduslinie) existieren nur feste kri – stalline Formen. Beim Massenanteil 0 liegt reines Eisen vor, seine temperaturabhangige Phasenumwandlung wurde bereits oben diskutiert. Der Kohlenstoffgehalt wird generell in Prozent angegeben, auch wenn Eisencarbid Fe3C vorliegt. Ein C-Massenanteil von 6,68%

entspricht der reinen Verbindung Fe3C. Fur die Herstellung von Stahl ist im Prinzip nur der Bereich von 0,02 … 1,3% C von Bedeutung.

Obwohl y-Eisen (kubisch-flachenzentriert) in einer dichteren Packung kristallisiert als a – Eisen (kubisch-raumzentriert), ist die Loslichkeit von Kohlenstoff in a-Eisen mit einem Maximalwert von 0,02% (bei 738°C) geringer als in y-Eisen. Der entstehende a-Misch – kristall wird Ferrit genannt. Die zweite feste Fe-Modifikation, das y-Eisen, vermag we – sentlich mehr C zu losen. So betragt die C-L6slichkeit des sich bildenden y-Mischkristalls (Austenit) bei 1147°C maximal 2,06% (Bereich GSEIF). Wahrend die C-Atome im Ferrit nur Wtirfelkanten besetzen konnen, ordnen sie sich im Austenit auch im Wiirfelinneren an. Die sich ausbildenden Mischkristalle sind demnach Einlagerungsmischkristalle.

Der Kohlenstoff kann im Kristallgefuge der Eisenlegierungen in unterschiedlicher Form vorkommen. Er kann entweder gelost sein (a – bzw. у-Mischkristalle) oder als Graphit – kristallchen (Grauguss) bzw. Eisencarbid (Fe3C, Cementit) vorliegen. Bei einem Kohlen – stoffgehalt von 4,3% weist das Zustandsdiagramm mit einer Temperatur von 1147°C den tiefsten Schmelzpunkt fur das Eisen auf. Rechts der Linie SE wird die Loslichkeit des Kohlenstoffs im y-Eisen uberschritten und es kommt zur Ausscheidung von Cementit. Die Cementitphase ist hart, auBerordentlich sprode und weist ein kompliziert aufgebautes Git – ter auf (intermetallische Phase).

Kiihlt man eine Fe/C-Schmelze (C-Gehalt > 4,3%) nicht zu langsam ab, entsteht so lange Cementit bis der C-Gehalt 4,3% betragt. Dann erstarrt die Schmelze bei 1147°C unter Bil – dung eines als Ledeburit bezeichneten Eutektikums aus C-haltigen y-Eisen und Cementit. Kiihlt man dagegen eine Eisenschmelze mit einem C-Gehalt < 4,3% ab, kristallisiert aus ihr so lange eine feste Losung von y-Eisen und Kohlenstoff (Austenit), bis sie wiederum 4,3% C enthalt und bei 1147°C in Ledeburit iibergeht.

Abkiihlung von kohlenstoffgesattigtem (2,1% C) Austenit unter 1147°C fuhrt zur Auskris – tallisation von Cementit unter Emiedrigung des C-Gehalts des Austenits. Betragt der C – Gehalt nur noch 0,8%, entsteht beim Abkuhlen unter 723°C (Perlit-Linie) ein Gefiige alter- nierender Schichten aus a-Mischkristallen (Ferrit) und Cementit. Die entstehende feste Mischung ist lamellenartig strukturiert und perlmutt-glanzend und wird deshalb als Perlit bezeichnet. Kiihlt man Stahl mit einem C-Gehalt < 0,8% aus dem Austenit-Bereich all- mahlich ab, scheiden у-Mischkristalle (Ferrit) aus. Sie werden armer an Fe und reichem sich dementsprechend mit Kohlenstoff (entlang der Linie GS!) an. Bei einer Temperatur von 723°C weisen sie einen C-Gehalt von 0,8% auf. Im eutektoiden Punkt S kristallisiert Perlit aus. Kohlenstoffreicheres Austenit (0,8…2,06% C) scheidet beim Abkuhlen zunachst Cementit an seinen Komgrenzen aus, bis sich der an Kohlenstoff armer werdende y – Mischkristall mit einem C-Gehalt von 0,8% bei 723°C wiederum in Perlit umwandelt.

Erfolgt beim Abschrecken des gluhenden Stahls in Wasser eine rasche Abkiihlung, kann die beschriebene Umwandlung des y-Mischkristalls in Ferrit und Cementit als Folge der Wanderung der C-Atome im Gitter nicht stattfinden. Das kubisch-flachenzentrierte y-Eisen wandelt sich in die kubisch-raumzentrierte Struktur um (,,Umklappumwandlung“), wobei die KohlenstoffVerteilung des Austenitgitters beibehalten wird. Die dadurch entstehenden inneren Spannungen, die mit einer Aufweitung des a-Gitters verbunden sind, beeinflussen die Eigenschaften des Eisens. Seine Harte nimmt zu. Das sich ausbildende nadelige Gefuge wird als Martensit bezeichnet. Der beschriebene Vorgang spielt sich beim Harten von Stahl ab. Durch anschlieBende Erwarmung (Anlassen) werden die inneren Spannungen abgebaut und die Martensit-Phase wird teilweise zerstort (Anlassgefuge, Vergutungsge – fuge). Es entstehen kristalline Gefuge hochster Harte, die sich durch einen hohen Ver – schleiliwiderstand, hohe Druckfestigkeit und hohe Belastungsfahigkeit auszeichnen.

Zur Problematik Warmebehandlung von Stahlen, bei der Werkstucke einer gesteuerten Aufheiz – und Abkuhlgeschwindigkeit ausgesetzt werden, um bestimmte Stahleigenschaften zu erzielen, wird auf Lehrbiicher der Baustoffkunde verwiesen.

Stahlsorten. Nach DIN EN 10 020 konnen Stahle entweder nach ihrer chemischen Zu – sammensetzung oder nach Hauptgiiteklassen aufgrund ihrer Haupteigenschafts – und Hauptanwendungsmerkmale (Grundstahle, Qualitatsstahle und Edelstahle) unterteilt wer­den. Auf letztere Gruppen soil im Rahmen des vorliegenden Buches nicht naher eingegan – gen und wiederum auf Lehrbiicher der Baustoffkunde verwiesen werden [z. B. BK 1,2].

Unlegierte Stahle enthalten den Kohlenstoff als wesentlichen Hartungsbestandteil. Her – stellungsbedingt enthalt der Stahl neben Eisen und Kohlenstoff noch andere Elemente (Ei – senbegleiter), die in unterschiedlichen Mengen enthalten sind. Sie durfen in unlegierten Stahlen die nachfolgend angegebenen Grenzwerte nicht uberschreiten: Mn ^ 1,8%, Si ^ 0,5%, Cu <s 0,4%, A1 <; 0,1%, Ті 0,05%, P u. S 0,05% (DIN EN 10 021).

Legierte Stahle (Edelstahle) enthalten bis zu etwa 30% stahlveredelnde Legierungsele – mente. Als Grenze zwischen den legierten und den hochlegierten Stahlen wurde ein Ge – samtgehalt an Legierungsbestandteilen von 5% festgelegt. Wichtige Legierungselemente sind Cr, Ni, Mn, W, V, Mo, Co, Ті, Al, Та, Nb, Cu, aber auch Si und B.

Eine besondere Bedeutung kommt dem Chrom zu. Ab einem Gehalt von 12,5% Cr erhoht sich die Koirosionsbestandigkeit der Stahle deutlich. Sie sind in der Lage, sich in Gegen – wart von Sauerstoff zu passivieren. Edelstahle werden als nicht rostend bezeichnet, wenn sie korrosionsbestandig gegen aggressive Medien sind. Klassisches Beispiel fur einen Edelstahl ist der V2A-Stahl (V steht fur Versuchsreihe und A fur Austenit). Die exakte Bezeichnung fur V2A-Stahl ist X5CrNi 18 9. Daraus sind die Cr – und Ni-Gehalte unmit – telbar ersichtlich: 18% Cr, 9% Ni. Der V4A-Stahl enthalt 18% Cr, 11% Ni, 2% Mo und 0,07% C.