Edelstahl(AlexanderKracht)
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Edelstahl Vortrag von Alexander Kracht Inhalt I. Historie II. Definition Edelstahl III. Gruppen IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl V. Verwendungsbeispiele VI. Quellen Historie • • 19. Jh. Entdeckung, dass die richtige Menge Cr, Ni beim Stahl zu einem besseren Verhalten bei Korrosion führt 1912 Erste Herstellung eines hochwertigen Stahls in Deutschland, durch Beigabe von Cr, Ni und der richtigen Behandlung mit Hitze II. Was ist Edelstahl? (Definition) • Sammelbegriff für Stähle, die mit einem bestimmten Verfahren erschmolzen wurden (Sekundärmetallurgie) • Hoher Reinheitsgrad • Reagiert gleichmäßig auf Wärmebehandlung • Hierunter fallen: alle Stähle für Wärmebehandlungen, nichtrostende Stähle, warmfeste Stähle usw. III. Gruppen Edelstahl legiert Niedriglegiert unlegiert hochlegiert Die chemische Zusammensetzung legierter Stähle muss so bemessen sein, dass bestimmte Grenzgehalte (für Elementkombinationen gelten zusätzliche Werte) nach Tabelle 1 in DIN EN 10020 in min. einem Fall überschritten werden. C-Gehalt < 0,5% C-Gehalt > 0,5% Die chemische Zusammensetzung unlegierter Stähle muss so bemessen sein, dass bestimmte Grenzgehalte (für Elementkombinationen gelten zusätzliche Werte) nach Tabelle 1 in DIN EN 10020 in keinem Fall überschritten werden. III. Gruppen • Chemisch beständige Edelstähle - nichtrostende Edelstähle - hitzebeständige Edelstähle - Edelstähle für die Kerntechnik • Edelbaustähle - Einsatzstähle - Vergütungsstähle Stähle für die Oberflächenhärtung Automatenstähle Nitrierstähle Verschleißfeste Stähle Warmfeste Stähle - Druckwasserstoffbeständige Stähle - Tieftemperaturstähle - Federstähle - Wälzlagerstähle - Hochfeste Stähle - Amagnetische Stähle III. Gruppen • Werkzeugstähle - Unlegierte Werkzeugstähle - Legierte Kaltarbeitsstähle - Warmarbeitsstähle • Schnellarbeitsstähle III.A Legierungen Legierungselemente sind: Al B Bi Co Cr Cu La Mn Mo Ni Pb Se Si Te Ti V W Zr • • Die Wirkung der wichtigsten Elemente - Mn: Verbessert Schmied- und Schweißbarkeit / erhöht die Festigkeit und den Verschleißwiderstand - Si: erhöht Zugfestigkeit und Streckgrenze - Al: wird genutzt zur Desoxidation und Herstellung von Nitrierstählen (Al bildet mit Stickstoff Nitride hoher Härte) III.A Legierungen - Cr: Erhöht die Festigkeit und die Einhärtetiefe; intensive Carbidbildung fördert Härte und Verschleißwiderstand; über 12 % Cr im Stahl bewirken edelmetallähnliche, chemische Beständigkeit - Mo: Erhöht die Festigkeit; günstige Wirkung auf das Schweißverhalten; Carbidbildner; Mo ist in Stahlmarken verschiedener Anwendung enthalten. Ti Ta Nb V W sind vorwiegend in Stählen für Werkzeuge enthalten - Cu: erhöht Festigkeit und etwas die chemische Beständigkeit; setzt deutlich die Bruchdehnung herab - Pb: Fe und Pb im flüssigen und festen Zustand unlöslich; feinverteilte, heterogen eingelagerte Pb-Kristalle verbessern die Spanbarkeit - Ni: wirkt festigkeitssteigernd, erhöht Einhärtetiefe beträchtlich IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl • Unlegiert >0,5 % C • Unlegiert <0,5 % C IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl • Das Stahlgefüge: Beschreibt die exakte Anordnung der beteiligten Atome im Material. Sind die Kohlenstoffatome z.B. statistisch im Eisen verteilt, oder bilden sie kleine Agglomerate, die kugelförmig oder plättchenförmig, etc. sind? All das spielt eine Rolle für die exakten mechanischen und chemischen Eigenschaften des Edelstahls. Fe-CMischkristall Metallograph. Bezeichnung Max. C- Gehalt Struktur AlphaMischkristall Ferrit 0,018% bei 723°C kubischraumzentrierte Kristallstruktur gammaMischkristall Austenit 2,06% bei 1147°C kubischflächenzentrierte Kristallstruktur IV. Die „Chemie“ des Edelstahls • Das Stahlgefüge Nach dem grundsätzlichen Gefügebau unterscheidet man A) ferritische Stähle; (Cr, V, Ti) Stähle, die bei der Erstarrung ein ferritisches Gefüge ausbilden. Diese Stahlsorten sind warmfest und haben besondere magnetische Eigenschaften. Rein ferritisches Gefüge besitzt geringe Festigkeit, aber hohe Umformbarkeit B) austenitische Stähle (Mn, Ni) Mangan- oder nickellegierte Stähle. Sie sind nicht magnetisierbar. Zu ihnen zählen die nichtrostenden Chrom-Nickel-Stähle, die Mn-legierten verschleißfesten sowie die amagnetischen Stähle. Sie zeichnen sich durch hohe Warmfestigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit aus. Beispiel V2A / V4A: V2A bedeutet: Versuchsschmelze 2 Austenit (Cr, Ni Stahl) V4A bedeutet: Versuchsschmelze 4 Austenit (Cr, Ni, Mo Stahl) IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl • Carbidbildung Die Festigkeit eines Stahls im geglühten Zustand wird durch den Gehalt an Eisencarbid bestimmt, denn Carbide zeichnen sich durch hohe Härte aus. Carbide von Wolfram, Titan, Tantal, Niob, etc. finden bevorzugt Einsatz zum Verschleißschutz von Oberflächen. • Passivierung Chromgehalte von mehr als 12 % bewirken die Bildung einer dünnen, dichten und festhaftenden Passivschicht aus Chromoxid. Stähle mit hinreichend hohen Chromgehalten werden damit rostbeständig oder mit weiteren Elementen wie Nickel auch säurebeständig IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl • Sekundärmetallurgie Ist der Oberbegriff für alle Verfahren zur Desoxidation, Entgasung, Entkohlung, Entschwefelung, Entphosphorung, Legierungsfeineinstellung und Reinheitsgradverbesserung von Stahl. Ein großer Teil von ihnen geschieht unter Vakuum. - Pfannenmetallurgie ohne Vakuum - Vakuummetallurgie - AOD / VOD -Verfahren (Argon-Oxygen-/Vakuum-Oxygen- Dekarburierung) - Umschmelzverfahren IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl • Desoxidation Verfahren zur Entfernung von überschüssigem Sauerstoff aus Stahlschmelzen durch Zugabe von Elementen wie Mg, Mn, Si, Al, C, Ca deren Sauerstoffaffinität größer ist als die des Eisens Man unterscheidet a) über die Gasphase und b) Fällungsdesoxidation Über die Gasphase: (Danach muss der gewünschte C-Gehalt wieder eingestellt werden) C + FeO Fällungsdesoxidation: Si + 2FeO Mn + FeO COK + Fe SiO2 + 2Fe MnO + Fe IV. Die „Chemie“ vom Edelstahl • Nitrierstähle Ein wichtiges Verfahren zur Oberflächenbehandlung ist das Nitridieren. Hierbei diffundiert Stickstoff (aus NH3) in die Metalloberfläche und bildet mit den stickstoffaffinen Elementen Al Cr Mo V etc. feinverteilte extrem harte Nitride. Typische Anwendungsbeispiele: - Nockenwellen (rechts) - Kurbelwellen (unten) - Zahnräder V. Verwendungsbeispiele • Erdgaskraftwerke In einer Gasturbine entstehen bei der Stromerzeugung so hohe Verbrennungstemperaturen, dass extrem hitzebeständige Edelstähle gefordert sind. • Braunkohlekraftwerke In Rauchgasentschwefelungsanlagen kommen neuste Legierungen zum Einsatz, die extrem korrosionsbeständig sind V. Verwendungsbeispiele • Chemieanlagenbau Größter Einsatzbereich für hochkorrosionsbeständige Legierungen ist (besonders Nickel) ist der Chemieanlagenbau. • Offshore-Technik und Pipelinebau V. Verwendungsbeispiele • Automobilbau - Abgaskatalysatoren/Diesel Rußpartikelfilter - Hohlventile VI. Quellen • • • • • • Technologie der Werkstoffe (Ruge/Wohlfahrt) Werkstoffkunde für Ingenieure (Laska/Felsch) Tabellenbuch Metall FH-Münster FB Maschinenbau/Werkstofftechnik ThyssenKrupp VDM GmbH E-niro.de
