• Dichte 7,8 kg/dm³

• Struktur (allotropes Verhalten) krz (α), kfz (γ), krz (δ)

• Ferromagnetisch unterhalb der Curie-Temperatur

• E-Modul 210 GPa

• Schmelzpunkt Eisen 1538°C

• Durch Legieren vielseitig einsetzbar

• Sehr korrosionsanfällig -> Legieren

Vorteil-> viel höheren E-Modul als Alu(=70MPa)

Nachteil-> schwerer als Alu

Stahl ist ein Hochleistungswerkstoff, weil Festigkeiten von bis zu 2000 MPa erreicht werden können. Bei Alu ist die Grenze schon bei 500MPa erreicht.

Mit der Zugabe von bestimmten Elementen wie C, Ni, Cr, Mo, V… lassen sich die Eigenschaften von Stahl verbessern.

• unlegierte oder niedrig legierte C-Stähle

• hochlegierte nichtrostende Stahlgüten (Austenite, Ferrite, Duplex sowie Martensite)

• hochlegierte martensitische Güten

  
  

• hochlegierte hitzebeständige Stähle (Austenite, Ferrite)

• bei zusätzlicher Anforderung hinsichtlich Festigkeit / Zeitstandsverhalten auch mischkristallgehärtet, ausscheidungsgehärtet oder Dispersionsgehärtet

• Sie wird auch nasse Korrosion genannt

• Wenn sich Dreck in Wasser löst und sie sich auf dem Metall ablagert. -> ionenleitende Flüssigkeit

• unedle Metalle unter dem Einfluss von Wasser und Sauerstoff

• Die Metallatome reagieren durch Elektronenabgabe zu Metall-Ionen, die in die wässrige Lösung übergehen, sodass sich das Metall langsam auflöst. -> Es beginnt zu korrodieren.

Das Schaubild zeigt die Taubildung als Beispiel

bei -> 100% relativer Luftfeuchte und einer absoluten Luftfeuchtigkeit von 10,5g/m³ fängt es bei 11,5°C an zu schwitzen

während es bei

-> 100% Luftfeuchte und einer absoluten Luftfeuchtigkeit von 7g/m³ es bei 5,5 °C anfängt zu schwitzen

gamma-> ist Flächenzentriert -> Austenit

alpha-> ist kubisch raumzentriert

Kubisch flächenzentriert ist verformbarer beide haben aber die selbe Festigkeit.

Curiepunkt -> 769°C -> Ferrit verliert den Ferromagnetismus

Perlit-> besteht aus Ferrit und Zementit

• unlegiert, niedrig- und hochlegiert letztere nur bis ca. 0,15-0,2%C

• %C -> 0,05…0,22

• viele Baustähle, weiche und höherfeste Tiefziebleche gut schweißbar bis 0,22%C härtbar nur durch Aufkohlen

• unlegiert, niedrig- und hochlegiert letztere schon ab 0,2%C

• %C-> 0,23…0,5

• im vergüteten Zustand optimaler Kompromiss aus Festigkeit und Zähigkeit

  
  

• hochlegiert, enthalten meist V

• 0,3...0,5

• Vergütungsstähle mit sekundärem Härtemaximum beim Anlassen

• legiert, häufig Al-haltig

• %C ->0,3...0,4

• durch Nitrieren randschichthärtbare Vergütungsstähle

• wenn unlegiert, etwa eutektoide Zusammensetzung, häufig auch Si-legiert

• %C -> 0,4...0,8

• Schließen sich an die Vergütungsstähle im C-Gehalt oben an, hart und noch möglichst zäh

• in der Regel niedriglegiert

• 0,8...1,0

• ähnlich wie Werkzeugstähle, hart und verschleißfest

• unlegiert, niedriglegiert, hochlegiert, dann häufig auch mit V, W

• %C ->0,23…2,15

• Auf Härte und Verschleißbeständigkeit optimiert, oberhalb von 1,3%C nur legierte Sorten (ledeburitische Stähle)

• nur hochlegiert mit W, Mo, V, Co, Cr

• %C-> 0,8...1,5

• ausgeprägtes sekundäres Härtemaximum

• gibt einen Überblick zu den zu erwartenden Gefügebestandteilen

• Gefüge nach dem Schweißen zu bestimmen

• Beim Schweißen sollte das Martensitgebiet wegen Härterissbildung gemieden werden.

Martensit-> gehärteter Stahl

Austenit +Ferrit -> Duplex

• Lufthärten

• Ölhärter

• Wasserhärter

  
  

• Einsatzhärten

• Nitrieren

• Carbonitrieren

• Korrosionsschutz leicht Verbessern nach Nachoxidieren

• Schnelles Abschrecken ohne „Berühren“ der Nase des ZTU im Wasser

• Diffusionslose Umwandlung aus dem Austenit (zu niedrige T für C Diffusion)

• Sehr schnell (Schallgeschwindigkeit)

• Kein Gleichgewichtszustand

• Feine nadelartige Struktur

• Allotrope Umwandlung-> Änderung der Kristallstruktur bei einer bestimmten Temperatur. Wichtigstes Beispiel für eine allotrope Umwandlung ist das Eisen, das zwischen 911 und 1392°C kubisch-flächenzentriert, bei höheren und tieferen Temperaturen kubisch-raumzentriert ist.

• Änderung der Gittergeometrie wobei die nächsten Atomnachbarn jeweils erhalten bleiben

• Keine Platzwechselvorgängen, da keine Diffusion

• C bleibt auf den Zwischengitterplätzen -> übersättigter Mischkristall

• Bei C-Stahl bleibt die Umwandlung von kfz zu krz unvollständig -> tetragonal verzerrte Struktur

• Arthermische Bildung ->Was heißt das?

• C-Atome sind auf den Oktaederlücken des kfz Gitters. -> behindern die Umwandlung von kfz nach krz -> tetragonale Verzerrung, da c>a

• Mit steigendem C-Gehalt-> wachsende Verzerrung (höhere Härte und Festigkeit)

• niedriger C-Anteil -> Martensit näher an krz -> weicher

• Kohlenstoffarme Stähle lassen sich gut Schweißen

• Die Randhärte hängt nur vom C-Gehalt ab

• Ni, Cr, Mo, Mn verbessern drastisch die Durchhärtbarkeit

distance =d

Austenitisierte Probe (Bolzen mit Bund) -> senkrechtes Einhängen in Apparatur -> definierte Dusche mit kaltem Wasser an der Stirnfläche

Verteilung der Abkühlgeschwindigkeit in einem zylindrischen Stab bei verschiedenen Abschreckmedien

-> Wird die kritische Abkühlgeschwindigkeit nur außen überschritten bleibt der Kern weich

->Je höher der Legierungsgehalt, desto tiefer wird eingehärtet

-> Wasser -> Spannung im Material kommt zu Härterisse

-> Bei Luft ist die Abschreckung am gleichmäßigsten

• unlegierte Qualitäts- und Edelstähle,

• Perlitnase bei ca. 1 s

• benötigte Abkühlgeschwindigkeiten 300-500 K/s,

• Einhärtetiefe ~5 mm

Härte ist hoch, wenn man schnell abkühlt

niedriglegierte Edelstähle (Legierungsgehalt 1-2%),

• Perlitnase bei ca. 10 s,

• benötigte Abkühlgeschwindigkeit <50 K/s,

• Einhärtetiefe ~20 mm

• hochlegierte Edelstähle

• Abkühlgeschwindigkeit im einstelligen Bereich

• sehr dicke Werkstücke härten durch

-> Als erstes wird erwärmt bis zur Härtetemperatur

-> Dann wird die Temperatur gehalten

-> Abgeschreckt -> zu härten

-> Zum Schluss bis zur Anlasstemperatur erwärmt und angelassen um Spannungen im gehärteten Stahl zu reduzieren.

Diesen Prozess nennt man:

Vergüten -> Härten + Anlassen

Beim Abschrecken

-> Wasser am konstantesten nach 100sekunden immer noch über 500°C heiß

-> Beim Rest sinkt es stark

-> Beim Wasser sinkt es am stärksten und ist nach ca. 100sekunden auch bei 0°C

Wasser: C15

Öl: 16MnCr5

Luft: 19NiCoMo16

Wasser: C35E

Öl: 31Cr4

Luft: X46Cr13

Wasser: C67S

Öl: 61SiCr7

Wasser: C105U

Öl: 90MnCrV8

Luft: X155CrMoV12

Sekundärhärtung

Härtezunahme bei ein - oder mehrmaligem Anlassen gehärteter Stähle, als Folge einer Ausscheidung von Sondercarbiden und/oder einer Umwandlung von Restaustenit

Sondercarbidbildner: Mo, W, V, Cr

T>300°C -> Carbidausscheidung

Härtemaximum ~ 550°C

Anwendung:

• hochlegierte Warmarbeitsstähle (C=0,35-0,40%)

• Schnellarbeitstähle (C~1%)

• (hochlegierte Kaltarbeitsstähle)

Durch die Zugabe der Carbidebildner verbessert sich die Arbeitstemperatur.

Selektives Härten von randnahen Bereichen:

• rein thermisches Verfahren

  • Gasbrenner – Flammhärten

  • Wirbelströme – Induktionshärten

  • Laser – Laserhärten

  • Elektronenstrahl - Elektronenstrahlhärten

• Diffusionsverfahren

  • C: Einsatzhärten

  • N: Nitrieren/Aufsticken

  • C und N: Carbonitrieren, Nitrocarburieren

  • B: Borieren

Unter Einsatzhärten versteht man das Aufkohlen, Härten und Anlassen eines Werkstücks aus Stahl. Ziel des Einsatzhärtens ist ein weicher und zäher Kern bei gleichzeitig harter Oberfläche des Werkstoffs. Die Randschicht des Werkstücks wird in einem geeigneten Aufkohlungsmedium mit Kohlenstoff angereichert.

Härtetiefe: 0,3-1mm

Ausgangsmaterial: Kohlenstoffarmer, nicht härtbarer Stahl

Zeit: 1-5h

Beim Nitrieren wird die Randschicht von Eisenwerkstoffen gezielt mit Stickstoff angereichert. Dadurch erhöhen sich neben der Härte auch die Verschleiß- und Dauerfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit.

Ausgangsmaterial: Vergütungsstähle mit Nitridbildnern Al,Cr (31CrMoV9)

Zeit: ca.20h

Härtetiefe: 0,03-0,3mm

• Die schweißbarkeit von Baustahl hängt vom Kohlenstoffgehalt ab

• CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 (in %)

• Stähle mit CEV < 0,4 % gut schweißbar

• Stähle mit CEV < 0,6 % bedingt schweißbar (z. B. Vorwärmen der Teile)

• Stähle mit CEV > 0,6 % schwer schweißbar (z. B. Anwendung spezieller Elektroden)

Basiselement für den Korrosionsschutz; Passivität ab mind. 11%; Schwach unter sauren reduzierenden Bedingungen (Loch- und Spaltkorrosion)

Molybdän Verbessert die Korrosionsbeständigkeit insbesondere unter reduzierenden Bedingungen, welche von Chrom allein schlecht vertragen werden

+ immer mit Chrom -> Molybdän alleine ist nicht so gut

Eher selten verwendetes Legierungselement

• verbessert Festigkeit und Witterungsbeständigkeit

Verbesserung der

• allg. Korrosionsbeständigkeit

• der Zunderbeständigkeit

• Beeinflussung von Sonderkorrosionsformen

Unterbinden als Sondercarbidbildner Sonderkorrosionsformen (IK)

-> Wenn man schweißen will

verbessern die Zunderbeständigkeit

Verzunderung, direkte Reaktion mit Sauerstoff verursachte Korrosion von Metallen.

Verbessert die Korrosionsbeständigkeit stark

• bindet Chrom

• beeinflusst Sonderkorrosionsformen (IK)

• Verbessert Zerspanbarkeit

• verschlechtert Korrosionsbeständigkeit stark

• über das gesamte Temperaturgebiet ferritisch

• keine Austenitisierung

  -> (magnet. Nirostahlteile Küche z.B. Kühlschrank)

z.B. 1.4016 (X6Cr17)

• Austenitgebiet reicht bis unter Raumtemperatur (stabil)

• fast bis Raumtempertur (instabil)

Anwendung: Kochtopf

z.B. 1.4301 (X5CrNi18-10)

• Austenitisch nur bei hohen Temperaturen

• bei tiefen Temperaturen stabil ferritisch

• aber sehr leicht martensitisch umwandelbar

Anwendung: Messer, Stanzwerkzeuge, Sicherungsringe

z.B. 1.4122 (X39CrMo17-1) oder 1.4313 (X4CrNi13-4)

• ferritisch-austenitisches Mischgefüge

  Anwendungsbereich:

  -> Chemiereaktor

  z.B. 1.4462 (X2CrNiMoN22-5-3)

Chromgehalt: 12-25%

Weitere Bestandteile: Mo ggf. wenig Ti, Nb, V, Si

-> möglichst wenig C-> 0,02 oder 0,06% und N

-> kein Ni und Mn

• ohne Carbidbildner nicht schweißbar, sonst IK Anfälliger

z.B. X6Cr13

C-Gehalt: ~0,45% hoch

wenig Chrom

z.B. -> 1.4122 X39CrMo17-1

• wenig Kohlenstoff

• viel Chrom

• Nickel

Hat eine sehr hohe Zugfestigkeit

z.B. -> X4CrNi13-4

Chromgehalt: 17~22% zusätzlich Mo

Ni: 7 bis über 20%

Ni kann durch Mn ersätzt werden

N-Legierung möglich

niedriger C-Gehalt

Eigenschaften:

• duktil

• zäh

• niedrige Streckgrenzen

• IK-Gefahr- aber viel weniger ausgeprägt als bei Ferriten

• Gefahr der transkristallinen Spannungsrisskorrosion – gefährlich!

z.B. -> V2A -> X2CrNi19-11

hohe Chromgehalte: 22-27%

Mo-legiert

N-legiert

C-Gehalt: sehr niedrig

Ni-Gehalt: 4-6%

• hohe Festigkeit

• hohe Streckgrenze

• gute Zähigkeit

• Sehr gute Korrosionsbeständigkeit

• wenig Spannungskorrosion

Problem: starke Tendenz zur Bildung von Ausscheidungen

z.B. -> X2CrNiMoCuN25-6-3

Lebensmittelbranche

• Flächenkorrosion

• Lochkorrosion

• Muldenkorrosion

• Spaltkorrosion

• Selektive Korrosion

• Interkristalline Korrosion

• Transpassivität

• Spannungsrisskorrosion

Chloridbelastung -> bei einem austinitischem Stahl

Empfindlichkeit gegen Lochkorrosion fällt mit steigendem Gehalt an Cr, Mo, N

Kohlenstoff frisst den Chrom auf

Es entsteht ein Loch wie in einem Zahn

Offshoretechnik

Für Offshore A2 und auch A4 nicht geeignet

Dreck und und Wasser sammelt sich und es beginnt zu Rosten

Wirksumme:

1%Cr + 3,3%Mo + 16%N = >33

Dann ist es Seewasserbeständig

-> Kohlenstoff mag Chrom

-> Interkristallin ist wenn es wie Candyszucker zerfällt

-> bei erhöhten Temperaturen ~550°C beim Schweißen z.b.

Abhilfe wäre -> Diffusionsglühen

• Reaktion findet in Korngrenzen statt

• Von den Korngrenzen wird Chrom entfernt

  -> Zerfall des Wekstoffs

  
  

• einen Elektrolyten + zusätzlich mechanische Beanspruchungen (Zug, Druck, Biegung, Torsion oder Eigenspannung aufgrund einer Schweißnaht) auf den Werkstoff einwirken.

• chloridhaltige Medien

• hochkonzentrierte Salzlösungen

  
  

• Dadurch erstellt man schöne Oberflächen

• Grat zu entfernen

• glänzende Oberfläche

• glatte Oberfläche

• Frässpuren zu beseitigen

  
  

• 0V-20V DC regelbar

• Stromdichte 0,05-0,5 A/cm²

• 30-60°C bei ferritischen Stählen

• 40-65°C bei austenitischen Stählen

—> Einsatz von konz. Säure H3PO4 & H2So4

—> pH-Wert ca.1

—> Teile vorher entfettet

—> Kaskadenspüle zur Teilreinigung

• hohe Abtragsrate 15-60mü/min

• 5-30min Prozesszeit

• Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit plasmapolierter Oberflächen

• Bearbeitung beliebiger Konturen ist möglich

• minimaler Materialabtrag

• Maße der Becken müssen beachtet werden

• nur nichtrostende Stähle