Wussten Sie, dass winzige Elemente, die in Stahl versteckt sind, dessen Leistung drastisch verändern können? Dieser Blog taucht in die faszinierende Welt der Legierungselemente ein und verrät, wie Wasserstoff, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Magnesium, Aluminium und Silizium die Festigkeit, Haltbarkeit und Verwendbarkeit von Stahl beeinflussen. Machen Sie sich bereit, die Geheimnisse hinter diesen entscheidenden Komponenten und ihren überraschenden Auswirkungen auf Stahl zu lüften.
Wasserstoff ist weithin als das schädlichste Element in Stahl anerkannt, da sein Vorhandensein zu Wasserstoffversprödung und zur Bildung von weißen Flecken führen kann, die beide die Qualität und Leistung von Stahl erheblich beeinträchtigen.
Ähnlich wie Sauerstoff und Stickstoff weist Wasserstoff eine äußerst geringe Löslichkeit in festem Stahl auf. Bei der Stahlerzeugung bei hohen Temperaturen kann sich Wasserstoff in flüssigem Stahl lösen. Wenn er nicht richtig gehandhabt wird, kann er beim schnellen Abkühlen eingeschlossen werden, sich im Gefüge ansammeln und Hochdruckmikroporen bilden. Dieses Phänomen kann die Plastizität, Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit des Stahls drastisch verringern, was zu schweren Rissen und katastrophalen Sprödbrüchen führen kann.
Die Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung ist bei den verschiedenen Stahlgefügen unterschiedlich. Martensitische Stähle sind besonders anfällig, während ferritische Stähle im Allgemeinen eine höhere Beständigkeit aufweisen. Die Schwere der Wasserstoffversprödung nimmt in der Regel mit steigender Härte und steigendem Kohlenstoffgehalt zu, was die Bedeutung einer sorgfältigen Werkstoffauswahl und Wärmebehandlung in wasserstoffreichen Umgebungen unterstreicht.
Interessanterweise kann Wasserstoff bestimmte magnetische Eigenschaften von Stahl verbessern, obwohl seine Auswirkungen überwiegend negativ sind. Insbesondere verbessert Wasserstoff die magnetische Permeabilität, was bei einigen elektromagnetischen Anwendungen von Vorteil sein kann. Dies geschieht jedoch um den Preis einer erhöhten Koerzitivfeldstärke und von Eisenverlusten. Studien haben gezeigt, dass die Zugabe von Wasserstoff die Koerzitivfeldstärke um einen Faktor von 0,5 bis 2 erhöhen kann, was ein empfindliches Gleichgewicht bei der Entwicklung von Magnetstahl erforderlich macht.
Um wasserstoffbedingte Probleme einzudämmen, setzen die Stahlhersteller verschiedene Strategien ein, wie z. B. Vakuumentgasung, kontrollierte Abkühlungsraten und Wärmebehandlungen nach der Produktion. Fortschrittliche zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Wasserstoffsonden und Ultraschalltechniken sind entscheidend für die Erkennung von wasserstoffbedingten Defekten und die Gewährleistung der Integrität von Stahl in kritischen Anwendungen.
Die Hauptfunktion von Bor im Stahl besteht darin, seine Härtbarkeit deutlich zu verbessern, was eine Verringerung des Einsatzes anderer Legierungselemente wie Nickel, Chrom und Molybdän ermöglicht. Normalerweise wird Bor in Konzentrationen von 0,001% bis 0,005% zugesetzt, wobei diese geringe Menge 1,6% Nickel, 0,3% Chrom oder 0,2% Molybdän ersetzen kann.
Bei der Erwägung, Bor als Ersatz für Molybdän zu verwenden, ist zu beachten, dass Molybdän die Anlassversprödung abschwächt, während Bor diese leicht fördern kann. Ein vollständiger Ersatz von Molybdän durch Bor ist daher nicht ratsam.
Durch den Zusatz von Bor zu Kohlenstoffstahl wird die Härtbarkeit deutlich verbessert, was insbesondere die Leistung von dicken Stahlprofilen über 20 mm steigert. Dank dieser Eigenschaft können 40B- und 40MnB-Stähle als brauchbare Alternativen zu 40Cr-Stahl dienen, während 20Mn2TiB-Stahl 20CrMnTi bei Aufkohlungsanwendungen wirksam ersetzen kann.
Die Wirksamkeit von Bor nimmt jedoch mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt im Stahl ab. Dieses Phänomen ist besonders relevant bei der Auswahl borhaltiger Aufkohlungsstähle, da die Härtbarkeit der aufgekohlten Schicht nach der Behandlung geringer ist als die des Kernmaterials.
Für Federstahlanwendungen, bei denen in der Regel ein vollständiges Abschrecken erforderlich ist, stellt Borstahl aufgrund seines kompakten Federquerschnitts eine hervorragende Option dar. Bei der Beimischung von Bor zu siliziumreichen Federstählen ist jedoch Vorsicht geboten, da die Wechselwirkung zu unvorhersehbaren Ergebnissen führen kann.
Bor weist auch eine starke Affinität zu Stickstoff und Sauerstoff auf. Bei Rimming-Stählen kann die Zugabe von nur 0,007% Bor die Auswirkungen der Alterungshärtung wirksam beseitigen und die langfristige Stabilität des Stahls verbessern.
Um die Vorteile von Bor im Stahl zu optimieren, ist eine genaue Kontrolle der Zusammensetzung und der Verarbeitungsparameter unerlässlich. Fortgeschrittene Techniken wie Vakuumentgasung und Wärmebehandlung unter Schutzatmosphäre können eingesetzt werden, um den gewünschten Borgehalt und die Verteilung in der Stahlmatrix zu erhalten.
Kohlenstoff ist nach Eisen das wichtigste Legierungselement in Stahl, das dessen mechanische Eigenschaften, Mikrostruktur und Verarbeitungseigenschaften maßgeblich beeinflusst. Der Kohlenstoffgehalt wirkt sich direkt auf die Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit und Schweißbarkeit von Stahl aus und ist daher ein entscheidender Faktor bei der Materialauswahl und den Herstellungsverfahren.
Bei untereutektoiden Stählen (Kohlenstoffgehalt unter 0,8%) führt ein höherer Kohlenstoffgehalt zu höherer Festigkeit und Härte aufgrund der Bildung von Perlit und der verstärkenden Wirkung der interstitiellen Kohlenstoffatome. Dies geht jedoch auf Kosten einer geringeren Duktilität und Kerbschlagzähigkeit, da das Gefüge des Stahls weniger verformbar wird.
Umgekehrt führt bei übereutektoiden Stählen (Kohlenstoffgehalt über 1,0%) eine weitere Erhöhung des Kohlenstoffgehalts zu einem Rückgang der Festigkeit. Dieses Phänomen ist auf die Bildung eines spröden Zementitnetzwerks entlang früherer Austenitkorngrenzen zurückzuführen, die unter Belastung als Rissausgangsstellen fungieren können.
Die Schweißbarkeit von Stahl wird erheblich durch den Kohlenstoffgehalt beeinflusst, wobei ein deutlicher Rückgang der Schweißbarkeit zu beobachten ist, wenn der Kohlenstoffgehalt 0,3% überschreitet. Diese Verringerung ist in erster Linie auf die erhöhte Härtbarkeit und Anfälligkeit für Kaltrisse in der Wärmeeinflusszone zurückzuführen. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt wird der Stahl auch anfälliger für Kaltversprödung und Reckalterung, während seine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit aufgrund der Bildung von Eisenkarbiden, die als lokale Kathoden wirken und den Korrosionsprozess beschleunigen können, abnimmt.
Der Einfluss von Stickstoff (N) auf die Leistungsfähigkeit von Stahl ist vielschichtig und weist Ähnlichkeiten mit Kohlenstoff und Phosphor auf. Mit steigendem Stickstoffgehalt erhöht sich die Festigkeit des Stahls erheblich, während sich gleichzeitig die Plastizität verringert, was sich insbesondere auf die Zähigkeit und Schweißbarkeit auswirkt. Darüber hinaus trägt Stickstoff zu einer erhöhten Kältesprödigkeit des Stahls bei.
Erhöhte Stickstoffgehalte verschlimmern Alterungstendenzen, Kalt- und Heißsprödigkeit und beeinträchtigen die Schweiß- und Kaltbiegeeigenschaften. Folglich ist die Minimierung und Kontrolle des Stickstoffgehalts im Stahl entscheidend für die Aufrechterhaltung optimaler Leistungsmerkmale.
Industrienormen empfehlen in der Regel, den Stickstoffgehalt in den meisten Stahlsorten auf höchstens 0,018% zu begrenzen. Bei strategischer Kombination mit Elementen wie Aluminium, Niob oder Vanadium können die nachteiligen Auswirkungen von Stickstoff jedoch abgeschwächt und die Leistungsfähigkeit des Stahls verbessert werden. Durch diese synergistische Wechselwirkung kann Stickstoff als vorteilhaftes Legierungselement in bestimmten niedrig legierten Stählen dienen.
Bei bestimmten Zusammensetzungen von rostfreiem Stahl können kontrollierte Stickstoffzusätze Chrom teilweise ersetzen und so die Materialkosten ohne Leistungseinbußen senken. In austenitischen nicht rostenden Stählen wirkt Stickstoff beispielsweise als Austenitstabilisator und trägt zur Mischkristallverfestigung bei, was einen geringeren Nickelgehalt ermöglicht.
Es ist wichtig zu wissen, dass die genaue Kontrolle des Stickstoffgehalts und seiner Wechselwirkung mit anderen Legierungselementen entscheidend ist, um die gewünschte Ausgewogenheit der Eigenschaften bei der Stahlproduktion zu erreichen. Fortschrittliche Stahlerzeugungstechniken wie Vakuumentgasung und kontrollierte Abkühlung spielen eine wichtige Rolle bei der Steuerung des Stickstoffgehalts und der Optimierung der Stahlleistung für verschiedene Anwendungen.
Sauerstoff spielt bei der Stahlerzeugung eine entscheidende Rolle, aber seine Anwesenheit kann sich nachteilig auf das Endprodukt auswirken. Er ist bei der Stahlherstellung von Natur aus vorhanden, und trotz der Bemühungen zur Desoxidation mit Elementen wie Mangan, Silizium, Eisen und Aluminium in den letzten Stufen ist eine vollständige Entfernung nicht möglich.
Während der Erstarrung reagiert der gelöste Sauerstoff mit dem Kohlenstoff im geschmolzenen Stahl und bildet Kohlenmonoxid. Diese Reaktion kann zur Bildung von Gasporosität oder Lunkern führen und die strukturelle Integrität des Stahls beeinträchtigen.
In Stahl kommt Sauerstoff hauptsächlich in Form von Oxideinschlüssen vor, wie FeO (Eisenoxid), MnO (Manganoxid), SiO2 (Siliziumdioxid) und Al2O3 (Aluminiumoxid). Diese nichtmetallischen Einschlüsse wirken als Spannungskonzentratoren und verringern die mechanischen Eigenschaften des Stahls, insbesondere seine Festigkeit und Duktilität. Das Vorhandensein dieser Oxide hat erhebliche Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit und die Zähigkeit, entscheidende Faktoren in vielen technischen Anwendungen.
Bei Elektrostählen, insbesondere bei Siliziumstahl, der in Transformatoren und Elektromotoren verwendet wird, hat der Sauerstoffgehalt erhebliche Auswirkungen. Er erhöht die Eisenverluste und verringert dadurch die Energieeffizienz. Sauerstoff vermindert auch die magnetische Permeabilität und die Sättigungsmagnetisierung, Schlüsselparameter für die elektromagnetische Leistung. Außerdem beschleunigt er die magnetische Alterung, eine zeitabhängige Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften, die die Lebensdauer elektrischer Bauteile verkürzen kann.
Magnesium (Mg) spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Qualität und Leistung von Stahl, insbesondere bei der Kontrolle von Einschlüssen und der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Wenn Magnesium in präzisen Mengen zugesetzt wird, kann es die Mikrostruktur von Stahl erheblich verändern, was zu besseren Materialeigenschaften führt.
Bei der Stahlherstellung wirkt Magnesium als starkes Desoxidationsmittel und Entschwefelungsmittel. Es reduziert effektiv die Anzahl der nichtmetallischen Einschlüsse, verringert ihre Größe, fördert eine gleichmäßigere Verteilung in der Stahlmatrix und verändert ihre Morphologie zu günstigeren Formen. Diese Verbesserungen der Einschlusseigenschaften tragen zu einer verbesserten Sauberkeit des Stahls und der gesamten Materialleistung bei.
Bei Wälzlagerstählen, die eine außerordentliche Reinheit und ein gleichmäßiges Gefüge aufweisen müssen, haben Spuren von Magnesium bemerkenswerte Vorteile gezeigt. Magnesium beeinflusst die Größe und Verteilung von Karbiden, kritischen Komponenten in Wälzlagerstählen. Durch die Verfeinerung der Karbidstrukturen trägt Magnesium zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit, Ermüdungslebensdauer und Gesamtleistung der Lager bei.
Der Einfluss von Magnesium auf die mechanischen Eigenschaften von Stahl ist besonders bemerkenswert. Wenn der Magnesiumgehalt genau zwischen 0,002% und 0,003% nach Gewicht gesteuert wird, weist der Stahl erhebliche Verbesserungen der Festigkeit auf, ohne dass die Duktilität beeinträchtigt wird. Insbesondere steigen sowohl die Zugfestigkeit als auch die Streckgrenze um mehr als 5%, während die Plastizität des Materials im Wesentlichen unverändert bleibt. Diese einzigartige Kombination aus erhöhter Festigkeit und gleichbleibender Duktilität ist in vielen technischen Anwendungen äußerst wünschenswert, da sie die Konstruktion leichterer und dennoch festerer Bauteile ermöglicht.
Es ist wichtig zu wissen, dass die Erzielung dieser Vorteile eine genaue Kontrolle der Magnesiumzugabe erfordert, da übermäßige Mengen zu nachteiligen Auswirkungen führen können. Daher sind fortschrittliche Legierungsverfahren und eine sorgfältige Prozesskontrolle von entscheidender Bedeutung, um das volle Potenzial von Magnesium in der Stahlproduktion auszuschöpfen.
Aluminium, ein starkes Desoxidationsmittel und Legierungselement in der Stahlproduktion, weist im Vergleich zu Silizium und Mangan überlegene Desoxidationsfähigkeiten auf. Seine Hauptfunktionen in der Stahlmetallurgie sind vielfältig und von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung verschiedener Stahleigenschaften.
Der Zusatz von Aluminium zu Stahl dient der Verfeinerung des Korngefüges und der Stabilisierung des Stickstoffs, was zu einer erheblichen Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit führt. Dieser Mechanismus der Kornverfeinerung mildert die Kaltsprödigkeit erheblich und verringert die Tendenz zur Alterungshärtung, wodurch die mechanische Gesamtleistung und die Langlebigkeit des Stahls verbessert werden.
Bei bestimmten Stahlsorten ist der genaue Aluminiumgehalt entscheidend. Die Kohlenstoffbaustahlsorte D beispielsweise erfordert einen Mindestgehalt an säurelöslichem Aluminium von 0,015%. Bei kaltgewalzten Blechen der Güte 08AL, die für Tiefziehanwendungen bestimmt sind, liegt der optimale Gehalt an säurelöslichem Aluminium zwischen 0,015% und 0,065%, was eine gute Verformbarkeit und Festigkeit gewährleistet.
Aluminium trägt auch zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit von Stahl bei, insbesondere wenn es in Synergie mit anderen Legierungselementen wie Molybdän, Kupfer, Silizium und Chrom verwendet wird. Durch diese Kombination entsteht eine robustere Passivschicht, die die Beständigkeit des Stahls gegenüber verschiedenen korrosiven Umgebungen verbessert.
Bei Chrom-Molybdän- und Chromstählen führt der Zusatz von Aluminium zu einer erhöhten Verschleißfestigkeit. Dies wird durch die Bildung feiner, harter Aluminiumoxidpartikel erreicht, die in der Stahlmatrix verteilt sind und als Hindernisse für Versetzungsbewegungen wirken und die Oberflächenhärte erhöhen.
Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass die Auswirkungen von Aluminium nicht durchgängig positiv sind. Bei Werkzeugstählen mit hohem Kohlenstoffgehalt kann das Vorhandensein von Aluminium während des Abschreckens zu Sprödigkeit führen, was die Zähigkeit und die Gesamtleistung des Stahls beeinträchtigen kann.
Aluminium bietet zwar zahlreiche Vorteile, stellt aber auch eine Herausforderung bei der Stahlverarbeitung dar. Es kann sich negativ auf die thermischen Verarbeitungseigenschaften, die Schweißleistung und die Bearbeitbarkeit auswirken. Diese Auswirkungen sind auf die Bildung von Aluminiumoxideinschlüssen mit hohem Schmelzpunkt und die Veränderung der Mikrostruktur des Stahls zurückzuführen, die zu erhöhtem Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung und möglichen Schweißfehlern führen können, wenn sie nicht ordnungsgemäß behandelt werden.
Silizium ist ein entscheidendes Element bei der Stahlherstellung, das als Reduktions- und Desoxidationsmittel dient. In Kohlenstoffstählen liegt der Siliziumgehalt in der Regel unter 0,5%, der während des Stahlherstellungsprozesses zugeführt wird, um diese kritischen Funktionen zu erfüllen.
In Ferrit und Austenit aufgelöst, erhöht Silizium die Härte und Festigkeit von Stahl erheblich. Seine festigkeitssteigernde Wirkung ist nach der von Phosphor die zweitstärkste und übertrifft die von Mangan, Nickel, Chrom, Wolfram, Molybdän und Vanadium. Ein Siliziumgehalt von mehr als 3% kann jedoch die Plastizität und Zähigkeit des Stahls erheblich verringern.
Der Einfluss von Silizium auf die Stahleigenschaften ist vielschichtig:
In der Stahlproduktion wird der Siliziumgehalt sorgfältig kontrolliert. Bei Walzstahl ist er auf <0,07% begrenzt. Wenn nötig, wird bei der Stahlherstellung eine Silizium-Eisen-Legierung hinzugefügt, um den gewünschten Siliziumgehalt und die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.
Phosphor (P) wird vor allem durch Eisenerz in den Stahl eingebracht und gilt allgemein als schädliches Element. Während P die Festigkeit und Härte von Stahl erhöhen kann, beeinträchtigt es die Plastizität und Kerbschlagzähigkeit erheblich.
Bei niedrigen Temperaturen führt P zu "Kaltsprödigkeit", wodurch die Duktilität des Stahls stark reduziert wird. Dieses Phänomen wirkt sich negativ auf die Kaltverformbarkeit und Schweißbarkeit des Stahls aus. Die Schwere der Kaltsprödigkeit nimmt proportional zum P-Gehalt zu, was eine strenge Kontrolle des Phosphorgehalts in der Stahlproduktion erforderlich macht.
Die Industrienormen für den P-Gehalt variieren je nach Stahlqualität:
Phosphor hat eine starke mischkristallverfestigende und kühlungshärtende Wirkung. In Kombination mit Kupfer verbessert es die Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion in hochfesten, niedrig legierten Stählen, wenn auch auf Kosten der Kaltumformbarkeit. In Verbindung mit Schwefel und Mangan kann P die Zerspanbarkeit verbessern, während es die Anlasssprödigkeit und die Empfindlichkeit gegenüber Kaltversprödung verschlimmert.
Insbesondere verbessert P den elektrischen Widerstand und kann aufgrund seiner kornvergröbernden Wirkung die Koerzitivkraft und die Wirbelstromverluste verringern. In schwachen Magnetfeldern zeigen Stähle mit höherem P-Gehalt eine verbesserte magnetische Induktion.
Bei Siliziumstählen sollte der P-Gehalt auf ≤0,15% begrenzt werden (z. B. 0,07-0,10% bei kaltgewalztem Silizium-Elektrostahl). Während P die Warmumformung von Siliziumstahl nicht wesentlich behindert, kann es zu Sprödigkeit führen. Phosphor ist das stärkste ferritstabilisierende Element, dessen Einfluss auf die Rekristallisationstemperatur und das Kornwachstum in Siliziumstahl bei gleichen Konzentrationen 4-5 mal so groß ist wie der von Silizium.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass P zwar einige vorteilhafte Eigenschaften bietet, seine nachteiligen Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften und Verarbeitungsmerkmale von Stahl jedoch eine sorgfältige Kontrolle und Berücksichtigung bei der Legierungsentwicklung und den Herstellungsverfahren erfordern.
Schwefel wird während des Stahlherstellungsprozesses hauptsächlich aus Eisenerz und Koks in den Stahl eingebracht. Aufgrund seiner negativen Auswirkungen auf verschiedene Stahleigenschaften wird er allgemein als nachteiliges Element bei der Stahlerzeugung angesehen.
In Stahl kommt Schwefel überwiegend als Eisensulfid (FeS) vor. Das FeS-Fe-System bildet eine niedrigschmelzende eutektische Verbindung mit einem Schmelzpunkt von ca. 985°C (1805°F). Da die Warmumformungstemperatur von Stahl in der Regel 1150°C (2102°F) übersteigt, können FeS-Verbindungen bei der Warmumformung vorzeitig schmelzen. Dieses vorzeitige Schmelzen führt zu einem Phänomen, das als "Heißkurzheit" oder "Heißsprödigkeit" bekannt ist und die Duktilität und Zähigkeit des Stahls erheblich verringert, was häufig zu Rissen bei Schmiede- und Walzprozessen führt.
Darüber hinaus beeinträchtigt Schwefel die Schweißbarkeit von Stahl und vermindert seine Korrosionsbeständigkeit. Um diese negativen Auswirkungen abzumildern, wird der Schwefelgehalt im Stahl streng kontrolliert. Bei hochwertigen Stählen ist der Schwefelgehalt normalerweise auf weniger als 0,02% bis 0,03% begrenzt. Bei Qualitätsstählen liegt der zulässige Bereich etwas höher, nämlich bei 0,03% bis 0,045%, während gewöhnliche Baustähle bis zu 0,055% bis 0,07% Schwefel enthalten können.
Trotz seiner allgemein nachteiligen Auswirkungen kann Schwefel bei bestimmten Anwendungen von Vorteil sein. So wird bei der Herstellung von Automatenstählen, wie z. B. bestimmten Edelstahlsorten (z. B. AISI 303), absichtlich eine geringe Menge Schwefel (0,2% bis 0,4%) zugesetzt, um die Bearbeitbarkeit und die Oberflächengüte zu verbessern. Diese kontrollierte Zugabe von Schwefel erleichtert den Spanbruch und verringert den Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung. Auch einige Schnellarbeitsstähle und Werkzeugstähle verwenden Schwefel zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften und der Bearbeitbarkeit.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Schwefel bei der Stahlerzeugung im Allgemeinen als Verunreinigung angesehen wird, dass seine Auswirkungen aber je nach Anwendung und Stahlsorte sowohl nachteilig als auch vorteilhaft sein können. Eine sorgfältige Kontrolle des Schwefelgehalts ist entscheidend für das Erreichen der gewünschten mechanischen Eigenschaften und Leistungsmerkmale von Stahlprodukten.
K/Na können als leistungsfähige Modifizierungsmittel zur Sphäroidisierung von Karbiden in weißem Eisen eingesetzt werden, wodurch sich seine Zähigkeit um bis zu 200% erhöht, während seine charakteristische hohe Härte erhalten bleibt. Diese Umwandlung erfolgt durch die Förderung der Graphitknötchenbildung und die Verringerung der spröden Karbidnetzwerke.
Diese Alkalimetalle spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Verfeinerung der Mikrostruktur von Sphäroguss, indem sie die Bildung zahlreicher und gleichmäßig verteilter Graphitknollen fördern. Bei der Herstellung von Eisen mit Vermicularität (Kompaktgraphit) wirken K/Na als Stabilisatoren, die das Prozessfenster verkleinern und die Konsistenz der Graphitmorphologie verbessern.
Darüber hinaus sind K/Na äußerst wirksam bei der Förderung der Austenitisierung in Eisenlegierungen. Ein bemerkenswertes Beispiel sind ihre Auswirkungen auf austenitischen Manganstahl, wo sie das erforderliche Mangan-Kohlenstoff-Verhältnis von 10:1-13:1 auf ein wirtschaftlicheres Verhältnis von 4:1-5:1 drastisch reduzieren können. Diese Verringerung senkt nicht nur die Legierungskosten, sondern verbessert auch die Verschleißfestigkeit und die Kaltverfestigung des Stahls, was seine Einsatzmöglichkeiten in Umgebungen mit hoher Schlagbeanspruchung und Abrasivität erweitert.
Die Zugabe von Kalzium zu Stahl ist eine leistungsstarke metallurgische Technik, die zahlreiche Vorteile für verschiedene Stahleigenschaften und Verarbeitungsstufen bietet. Kalzium wirkt als wirksamer Kornfeiner, Teilentschwefeler und Modifikator von nichtmetallischen Einschlüssen, ähnlich wie Seltene Erden im Stahl.
Der Zusatz von Kalzium erhöht die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit des Stahls erheblich und verbessert gleichzeitig seine Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen. Er verbessert kritische mechanische Eigenschaften wie Schlagzähigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Plastizität. Darüber hinaus wirkt sich der Kalziumzusatz positiv auf die Schweißbarkeit des Stahls aus, so dass er für verschiedene Herstellungsverfahren besser geeignet ist.
Was die spezifischen Anwendungen betrifft, so weist kalziumbehandelter Stahl hervorragende Kaltstaucheigenschaften, erhöhte Stoßfestigkeit, größere Härte und verbesserte Kontaktfestigkeit auf. Diese Eigenschaften machen ihn besonders wertvoll für die Herstellung von Hochleistungsverbindungselementen, Lagern und anderen Komponenten, die starken Belastungen ausgesetzt sind.
Bei Stahlgussanwendungen bietet der Zusatz von Kalzium mehrere Vorteile. Er erhöht die Fließfähigkeit der Stahlschmelze, was zu einer besseren Gießbarkeit und Oberflächengüte des Endprodukts führt. Insbesondere trägt es zur Beseitigung von Anisotropie im Gussgefüge bei, was zu einheitlicheren Eigenschaften im gesamten Gussstück führt. Diese Gleichmäßigkeit führt zu einer höheren thermischen Rissbeständigkeit, besseren mechanischen Eigenschaften und einer besseren Bearbeitbarkeit der Gussteile.
Darüber hinaus weist kalziumbehandelter Stahl eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen wasserstoffinduzierte Risse und Lamellenrisse auf, beides kritische Faktoren bei bestimmten hochbelasteten Anwendungen und geschweißten Strukturen. Diese verbesserte Leistung kann die Lebensdauer von Geräten und Werkzeugen, die aus mit Kalzium behandeltem Stahl hergestellt werden, erheblich verlängern.
Bei der Stahlherstellung wird Kalzium in der Regel als Teil einer Mutterlegierung zugegeben, die mehrere Funktionen erfüllt: als Desoxidationsmittel, um schädlichen Sauerstoff zu entfernen, als Impfmittel, um eine kontrollierte Erstarrung zu fördern, und als Mikrolegierungsmittel, um das Mikrogefüge und die Eigenschaften des Stahls fein abzustimmen. Die genaue Steuerung der Kalziumzugabe und ihrer Wechselwirkung mit anderen Legierungselementen ist entscheidend, um die gewünschte Ausgewogenheit der Eigenschaften des endgültigen Stahlprodukts zu erreichen.
Titan hat eine starke Affinität zu Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff und eine stärkere Affinität zu Schwefel als Eisen, was es zu einem wirksamen Element für die Desoxidation und für die Fixierung von Stickstoff und Kohlenstoff in Stahl macht.
Als starkes karbidbildendes Element verbindet sich Titan leicht mit Kohlenstoff und bildet Titancarbid (TiC). Diese Verbindung verfügt über eine starke Bindungskraft, hohe Stabilität und Zersetzungsbeständigkeit. Die Auflösung von TiC in Stahl erfolgt langsam, in der Regel bei Temperaturen von über 1000°C (1832°F).
Vor der Auflösung spielen Titankarbidpartikel eine entscheidende Rolle bei der Verhinderung des Kornwachstums und tragen so zur Verfeinerung des Stahlgefüges bei.
Die größere Affinität von Titan für Kohlenstoff im Vergleich zu Chrom macht es zu einem wertvollen Zusatz in nichtrostenden Stählen. Es bindet effektiv Kohlenstoff, mildert die Chromverarmung an den Korngrenzen und reduziert oder eliminiert folglich die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion.
Als stark ferritbildendes Element erhöht Titan die A1- (Eutektoid) und A3-Temperaturen (Umwandlung von Austenit in Ferrit) in Stahl erheblich und beeinflusst so das Phasenumwandlungsverhalten.
In niedrig legierten Stählen erhöht Titan sowohl die Festigkeit als auch die Duktilität. Dies wird durch seine Fähigkeit erreicht, Stickstoff und Schwefel zu binden, Titankarbide zu bilden und die Kornfeinung während Wärmebehandlungsprozessen wie dem Normalisieren zu fördern. Die ausgeschiedenen Karbide verbessern die Plastizität und Kerbschlagzähigkeit des Stahls erheblich.
Titanhaltige legierte Baustähle weisen hervorragende mechanische Eigenschaften und Verarbeitungsmerkmale auf. Ein bemerkenswerter Nachteil ist jedoch ihre geringere Härtbarkeit, die die Durchhärtung in größeren Querschnitten beeinträchtigen kann.
Bei hochchromhaltigen nichtrostenden Stählen wird Titan in der Regel in einem Verhältnis von 5:1 zum Kohlenstoffgehalt zugesetzt. Dieser Zusatz verbessert die Korrosionsbeständigkeit (insbesondere gegen interkristalline Korrosion), erhöht die Zähigkeit, fördert das kontrollierte Kornwachstum bei erhöhten Temperaturen und verbessert die Schweißbarkeit des Stahls.
Der strategische Einsatz von Titan in verschiedenen Stahlsorten zeigt seine Vielseitigkeit bei der Anpassung der mechanischen Eigenschaften, der Korrosionsbeständigkeit und der Verarbeitungseigenschaften an spezifische Anwendungsanforderungen in Branchen wie der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und der chemischen Verarbeitung.
Vanadium weist eine starke Affinität zu Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff auf und bildet stabile Verbindungen. In Stahl kommt es vorwiegend in Form von Karbiden vor.
Zu den Hauptfunktionen von Vanadium in Stahl gehören die Verfeinerung des Gefüges und der Korngröße sowie die Verbesserung der Härtbarkeit, wenn es bei erhöhten Temperaturen in der Austenitmatrix gelöst wird. Liegt es jedoch in Form von Karbiden vor, kann es dieser Wirkung entgegenwirken, indem es die Härtbarkeit verringert. Vanadium verbessert auch die Anlaßbeständigkeit von gehärtetem Stahl erheblich und führt zu einer Sekundärhärtung.
Der Vanadiumgehalt in Stahl ist in der Regel auf 0,5% begrenzt, mit Ausnahme von Schnellarbeitsstählen. In konventionellen kohlenstoffarmen legierten Stählen wirkt Vanadium als Kornfeinungsmittel, das die Festigkeit, Streckgrenze, Tieftemperaturzähigkeit und Schweißbarkeit erhöht. In legierten Baustählen kann Vanadium in Verbindung mit Mangan, Chrom, Molybdän und Wolfram die Härtbarkeit unter Standard-Wärmebehandlungsbedingungen verbessern.
Bei Feder- und Lagerstählen verbessern Vanadiumzusätze die Festigkeit und die Streckgrenze, insbesondere die Proportionalitätsgrenze und die Elastizitätsgrenze. Es mildert auch die Kohlenstoffempfindlichkeit während der Wärmebehandlung, was zu einer besseren Oberflächenqualität führt. Bei Werkzeugstählen verfeinert Vanadium das Korngefüge, verringert die Überhitzungsanfälligkeit, erhöht die Anlassstabilität und verbessert die Verschleißfestigkeit, wodurch die Lebensdauer der Werkzeuge verlängert wird.
In Aufkohlungsstählen ermöglicht Vanadium ein direktes Abschrecken nach der Aufkohlung, wodurch ein separater Abschreckschritt überflüssig wird. Lagerstähle, die Vanadium und Chrom enthalten, weisen eine verbesserte Karbiddispersion und hervorragende Leistungsmerkmale auf.
Der Einfluss von Vanadium auf die Stahleigenschaften hängt in hohem Maße von seiner Konzentration und der Wechselwirkung mit anderen Legierungselementen ab, was eine sorgfältige Kontrolle bei der Stahlkonstruktion und -verarbeitung erfordert, um die gewünschten Eigenschaften für bestimmte Anwendungen zu optimieren.
Chrom spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Eigenschaften von verschiedenen Stählen und Legierungen. Es erhöht die Härtbarkeit von Stahl erheblich und trägt zur Sekundärhärtung bei, wodurch die Härte und Verschleißfestigkeit von Kohlenstoffstahl verbessert wird, ohne die Duktilität zu beeinträchtigen.
Wenn der Chromgehalt 12% übersteigt, verleiht er dem Stahl eine ausgezeichnete Hochtemperaturoxidations- und Korrosionsbeständigkeit und erhöht gleichzeitig seine Warmfestigkeit. Dies macht Chrom zum wichtigsten Legierungselement in rostfreiem Stahl, säurebeständigem Stahl und hitzebeständigem Stahl.
In Kohlenstoffstahl verbessert Chrom die Festigkeit und Härte unter Walzbedingungen und verringert gleichzeitig die Dehnung und die Querschnittsschrumpfung. Wenn der Chromgehalt jedoch 15% übersteigt, tritt ein umgekehrter Effekt auf: Festigkeit und Härte nehmen ab, während Dehnung und Querschnittsschwindung zunehmen. Insbesondere können Chromstahlkomponenten durch Schleifprozesse eine hohe Oberflächenqualität erreichen.
Beim Anlassen besteht die Hauptfunktion von Chrom darin, die Härtbarkeit zu verbessern, was zu hervorragenden mechanischen Eigenschaften nach dem Vergüten führt. In aufkohlenden Stählen bildet es Chromkarbide, die die Verschleißfestigkeit der Oberfläche erheblich verbessern. Chromhaltige Federstähle weisen eine hohe Beständigkeit gegen Entkohlung während der Wärmebehandlung auf, eine wertvolle Eigenschaft für die Beibehaltung der gewünschten Eigenschaften.
Bei Werkzeugstählen verbessert Chrom die Verschleißfestigkeit, die Härte und die Warmhärte und erhöht gleichzeitig die Anlassbeständigkeit. Diese Kombination von Eigenschaften macht chromlegierte Werkzeugstähle ideal für Hochtemperaturanwendungen.
In elektrothermischen Legierungen dient Chrom zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit, des elektrischen Widerstands und der Gesamtfestigkeit. Diese Eigenschaften sind entscheidend für Anwendungen in Heizelementen und anderen elektrischen Hochtemperaturkomponenten.
Die Vielseitigkeit von Chrom als Legierungselement unterstreicht seine Bedeutung in der modernen Metallurgie und Werkstoffkunde und ermöglicht die Entwicklung von Stählen und Legierungen mit maßgeschneiderten Eigenschaften für spezifische industrielle Anwendungen.
Mangan (Mn) spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Stahleigenschaften, vor allem aufgrund seiner Kosteneffizienz und Kompatibilität mit Eisen (Fe). Es verbessert die Festigkeit des Stahls erheblich, während es die Plastizität nur minimal beeinträchtigt, was es zu einem weit verbreiteten Legierungselement in der Stahlindustrie macht.
Die Allgegenwärtigkeit von Mn in der Stahlproduktion ist bei verschiedenen Stahlsorten offensichtlich. Von kohlenstoffarmen Stanzstählen bis hin zu modernen hochfesten Stählen (AHSS) wie Dualphasenstählen (DP), Stählen mit transformationsinduzierter Plastizität (TRIP) und martensitischen Stählen (MS) ist Mn ein wichtiger Bestandteil. Sein Gehalt variiert je nach den gewünschten mechanischen Eigenschaften und Anwendungen.
Bei kohlenstoffarmen Stählen liegt der Mn-Gehalt normalerweise unter 0,5%. Mit zunehmenden Festigkeitsanforderungen steigt jedoch auch der Mn-Gehalt. Bei ultrahochfesten martensitischen Stählen beispielsweise kann der Mn-Gehalt bis zu 3% betragen, was erheblich zu ihrem außergewöhnlichen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht beiträgt.
Der Einfluss von Mn geht über die Erhöhung der Festigkeit hinaus. Es verbessert die Härtbarkeit des Stahls und damit seine Reaktion auf Wärmebehandlungsprozesse. Dieser Effekt wird durch den Vergleich zwischen 40Mn- und AISI 1040-Stählen veranschaulicht, wobei der erstere aufgrund seines höheren Mn-Gehalts eine bessere Härtbarkeit aufweist.
Eine weitere wichtige Funktion von Mn ist seine Fähigkeit, die nachteiligen Auswirkungen von Schwefel (S) im Stahl abzuschwächen. Während des Stahlherstellungsprozesses bildet Mn hochschmelzende Mangansulfid-Einschlüsse (MnS), die die negativen Auswirkungen von Schwefel auf die Stahleigenschaften, insbesondere die Warmumformbarkeit und Duktilität, wirksam neutralisieren.
Der Zusatz von Mn muss jedoch sorgfältig abgewogen werden. Während ein höherer Mn-Gehalt zu einer höheren Festigkeit führen kann, können zu hohe Mengen die Plastizität und Schweißbarkeit des Stahls beeinträchtigen. Dieser Kompromiss erfordert eine genaue Steuerung des Mn-Gehalts auf der Grundlage der beabsichtigten Anwendung und des erforderlichen Eigenschaftsprofils des Stahls.
Bei der modernen Stahlerzeugung ist die Optimierung des Mn-Gehalts, oft in Verbindung mit anderen Legierungselementen, von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Stählen mit maßgeschneiderten Eigenschaftskombinationen, um den spezifischen Anforderungen der Industrie gerecht zu werden - vom Leichtbau in der Automobilindustrie bis hin zu Hochleistungs-Strukturanwendungen.
Kobalt (Co) spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Eigenschaften von Spezialstählen und -legierungen. In Schnellarbeitsstählen verleiht Co eine außergewöhnliche Warmhärte und erhält die Leistung der Schneidwerkzeuge bei hohen Temperaturen während der Bearbeitung.
Wenn Co in martensitaushärtenden Stählen mit Molybdän legiert wird, verbessert es die Härte und die allgemeinen mechanischen Eigenschaften erheblich. Dieser Synergieeffekt führt zu ultrahochfesten Stählen mit hervorragender Zähigkeit, die in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich weit verbreitet sind.
Co ist ein wesentliches Legierungselement in hitzebeständigen Stählen und Magnetwerkstoffen. In letzteren trägt es zu einer hohen magnetischen Sättigung und verbesserten Curie-Temperaturen bei, die für Hochleistungs-Dauermagnete und Elektrostähle entscheidend sind.
Die Auswirkungen von Co auf die Stahleigenschaften sind jedoch komplex. In Kohlenstoffstählen kann es die Härtbarkeit verringern, was die umfassenden mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen kann. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei Stählen mit mittlerem bis hohem Kohlenstoffgehalt, bei denen die Härtbarkeit für die Erzielung der gewünschten Mikrostrukturen und Eigenschaften entscheidend ist.
Co stärkt Ferrit durch Mischkristallhärtung. Wenn es Kohlenstoffstählen bei Wärmebehandlungen wie Glühen oder Normalisieren zugesetzt wird, erhöht es die Härte, Streckgrenze und Zugfestigkeit. Dies geschieht jedoch um den Preis einer geringeren Duktilität, die sich in einer geringeren Dehnung und einer Verringerung der Fläche äußert.
Eine Erhöhung des Co-Gehalts in Stählen führt im Allgemeinen zu einer Verringerung der Kerbschlagzähigkeit. Dieser Kompromiss zwischen Festigkeit und Zähigkeit muss bei der Legierungsentwicklung für bestimmte Anwendungen sorgfältig abgewogen werden.
Die ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit von Co macht es zu einem unschätzbaren Wert in hitzebeständigen Stählen und Superlegierungen. Superlegierungen auf Co-Basis weisen insbesondere bei Gasturbinenanwendungen eine überragende Hochtemperaturfestigkeit, Kriechbeständigkeit und Heißkorrosionsbeständigkeit auf, was höhere Betriebstemperaturen und eine verbesserte Motoreffizienz ermöglicht.
Die vorteilhaften Auswirkungen von Nickel in Stahllegierungen sind beträchtlich und umfassen verbesserte mechanische Eigenschaften, verbesserte mikrostrukturelle Merkmale und hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Diese Eigenschaften machen nickelhaltige Stähle für ein breites Spektrum industrieller Anwendungen äußerst wünschenswert.
Nickel verbessert das Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit des Stahls erheblich, ein kritischer Faktor in vielen technischen Konstruktionen. Es senkt die Übergangstemperatur von duktil zu spröde drastisch, wobei die Werte bei einem Ni-Gehalt von 0,3% unter -100°C liegen und bei einer Kombination mit 4-5% Kobalt auf -180°C sinken. Diese bemerkenswerte Tieftemperaturzähigkeit erweitert den Einsatzbereich von nickelhaltigen Stählen in kryogenen Anwendungen.
Der Einfluss des Nickels auf die Härtbarkeit von Stahl ist konzentrationsabhängig. Während ein Ni-Gehalt von 3,5% für die Abschreckhärtung nicht ausreicht, erleichtert eine Erhöhung des Nickelgehalts auf 8% in Chromstählen die martensitische Umwandlung selbst bei sehr niedrigen Abkühlungsraten. Diese Eigenschaft ist besonders wertvoll bei der Herstellung von großen, dickwandigen Bauteilen, bei denen die Durchhärtung eine Herausforderung darstellt.
Die atomare Struktur von Nickel mit einer dem Austenit (γ-Fe) ähnlichen Gitterkonstante fördert die Bildung eines kontinuierlichen Mischkristalls. Diese metallurgische Kompatibilität verbessert die Härtbarkeit des Stahls und trägt zu einem gleichmäßigeren Gefüge bei. Außerdem senkt Nickel die kritischen Umwandlungstemperaturen und stabilisiert den Austenit, was niedrigere Abschrecktemperaturen und eine bessere Abschreckbarkeit ermöglicht.
Bemerkenswert sind die Synergieeffekte von Nickel mit anderen Legierungselementen. Nickel-Chrom-, Nickel-Wolfram- und Nickel-Chrom-Molybdän-Kombinationen verbessern die Härtbarkeit erheblich. Nickel-Molybdän-Stähle weisen eine außergewöhnliche Ermüdungsbeständigkeit auf, während Nickelstähle im Allgemeinen bessere thermische Ermüdungseigenschaften aufweisen, so dass sie für Bauteile geeignet sind, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.
In nichtrostenden Stählen spielt Nickel eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung der austenitischen Phase und verbessert dadurch die Korrosionsbeständigkeit in einem breiten Spektrum von Umgebungen. Dies macht nickelhaltige nichtrostende Stähle unverzichtbar für die chemische Verarbeitung, die Lebensmittelproduktion und die Schifffahrt.
Ein oft übersehener Vorteil von Nickel in Stahl ist seine Fähigkeit, das Kornwachstum bei erhöhten Temperaturen zu hemmen. Diese Eigenschaft trägt dazu bei, ein feinkörniges Gefüge zu erhalten, das für den Erhalt der mechanischen Eigenschaften und die Verhinderung von Versprödung bei Hochtemperaturanwendungen oder Wärmebehandlungsprozessen unerlässlich ist.
Kupfer (Cu) spielt eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Stahleigenschaften, insbesondere bei der Verbesserung der atmosphärischen Korrosionsbeständigkeit. Durch die Legierung mit kohlenstoffarmem Stahl bildet Cu eine schützende Patina auf der Oberfläche, die die Lebensdauer des Materials in korrosiven Umgebungen erheblich verlängert. Der Synergieeffekt von Cu und Phosphor (P) verbessert nicht nur die Korrosionsbeständigkeit, sondern erhöht auch die Festigkeit und Streckgrenze des Stahls, ohne seine Schweißbarkeit zu beeinträchtigen.
Stahlschienen mit einem Cu-Gehalt von 0,20% bis 0,50% (allgemein als U-Cu-Stahl bezeichnet) weisen eine bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit auf, die 2 bis 5 Mal höher ist als die von normalem Kohlenstoffstahl. Dies macht sie besonders wertvoll für Anwendungen, die rauen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, wie z. B. Küsteninfrastruktur oder chemische Verarbeitungsanlagen.
Bei höheren Konzentrationen, insbesondere wenn der Cu-Gehalt 0,75% übersteigt, kann der Stahl nach der Mischkristallbehandlung und der anschließenden Alterung eine Aushärtung erfahren. Dieses Phänomen kann genutzt werden, um die Festigkeit und Härte des Werkstoffs durch kontrollierte Wärmebehandlungsverfahren weiter zu erhöhen.
In niedrigeren Konzentrationen ist der Einfluss von Cu auf die Stahleigenschaften mit dem von Nickel vergleichbar, wenn auch weniger ausgeprägt. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass ein zu hoher Cu-Gehalt (typischerweise über 1%) zu Problemen bei der Warmumformung führen kann. Dies ist auf die Bildung einer niedrigschmelzenden Cu-reichen Phase an den Korngrenzen zurückzuführen, die zu Heißkurzheit oder Kupferversprödung führen kann.
Die Vorteile von Kupfer gehen über Kohlenstoffstähle hinaus. In austenitischen nichtrostenden Stählen erhöht der Zusatz von 2-3% Cu die Beständigkeit gegen korrosive Medien wie Schwefelsäure, Phosphorsäure und Salzsäure erheblich. Darüber hinaus verbessert es die Beständigkeit der Legierung gegen Spannungsrisskorrosion, ein kritischer Faktor bei anspruchsvollen Anwendungen wie chemischen Verarbeitungsanlagen oder in der Meeresumwelt.
Gallium (Ga), ein Post-Übergangsmetall, befindet sich im p-Block des Periodensystems und weist einzigartige Eigenschaften in der Stahlmetallurgie auf. Im Eisen-Kohlenstoff-System ist Mikrogallium in der Ferritphase (α-Fe) löslich und bildet einen Substitutionsmischkristall. Im Gegensatz zu vielen Legierungselementen bildet Gallium im Stahl keine Karbide, Oxide, Nitride oder Sulfide, was sein Verhalten bei der Wärmebehandlung und im Betrieb beeinflusst.
Im Zweiphasenbereich Austenit (γ) + Ferrit (α) diffundiert Mikrogallium aufgrund seiner höheren Löslichkeit in der kubisch-raumzentrierten (BCC) Struktur des Ferrits im Vergleich zur kubisch-flächenzentrierten (FCC) Struktur des Austenits bevorzugt von Austenit zu Ferrit. Dieses Diffusionsverhalten führt zu einer erhöhten Galliumkonzentration in der Ferritphase, was sich möglicherweise auf die Phasenumwandlungskinetik und das endgültige Gefüge des Stahls auswirkt.
Der wichtigste Mechanismus, durch den Gallium die mechanischen Eigenschaften von Stahl beeinflusst, ist die Festigkeitssteigerung in fester Lösung. Als Substitutionsatom im Eisengitter erzeugen Galliumatome lokale Verzerrungen, die die Versetzungsbewegung behindern und dadurch die Festigkeit und Härte des Stahls erhöhen. Das Ausmaß dieser Verstärkungswirkung ist jedoch im Allgemeinen weniger ausgeprägt als bei traditionellen Legierungselementen wie Mangan oder Molybdän.
Was die Korrosionsbeständigkeit betrifft, so hat Gallium nur minimale Auswirkungen auf das allgemeine Korrosionsverhalten von Stahl. Im Gegensatz zu Elementen wie Chrom oder Nickel, die die Korrosionsbeständigkeit durch passive Filmbildung deutlich erhöhen können, verändert Gallium die elektrochemischen Eigenschaften der Stahloberfläche nicht wesentlich. Seine begrenzte Wirkung auf die Korrosionsbeständigkeit ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass es in Stahlmatrizen keine Oxide bildet.
Arsen (As) im Erz stellt bei der Eisen- und Stahlproduktion eine Herausforderung dar, da es durch herkömmliches Sintern nur begrenzt entfernt werden kann. Das chloridierende Rösten bietet jedoch eine effektivere Methode zur As-Eliminierung. Bei der Hochofenverhüttung wird das restliche As in das Roheisen integriert, was ein sorgfältiges Management erfordert.
Wenn der As-Gehalt im Stahl 0,1% übersteigt, hat dies erhebliche Auswirkungen auf die Materialeigenschaften, erhöht die Sprödigkeit und beeinträchtigt die Schweißbarkeit. Um diese nachteiligen Auswirkungen abzumildern, ist eine strenge Kontrolle des As-Gehalts im Erz von entscheidender Bedeutung, wobei ein Höchstwert von 0,07% empfohlen wird.
Das Vorhandensein von As in Stahl hat einen komplexen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Bei kohlenstoffarmen Rundstählen erhöht es tendenziell sowohl die Streckgrenze (σs) als auch die Zugfestigkeit (σb). Dies geschieht jedoch um den Preis einer geringeren Duktilität, die sich in einer geringeren Dehnung zeigt. Darüber hinaus hat As einen ausgeprägten negativen Einfluss auf die Kerbschlagzähigkeit (Akv) von Kohlenstoff-Rundstahl bei Raumtemperatur, die für viele Anwendungen entscheidend ist.
Diese metallurgischen Überlegungen unterstreichen die Bedeutung eines präzisen As-Managements während des gesamten Eisen- und Stahlerzeugungsprozesses, bei dem potenzielle Vorteile gegen nachteilige Auswirkungen abgewogen werden, um eine optimale Stahlqualität und Leistung zu gewährleisten.
Selen (Se) spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Bearbeitbarkeit verschiedener Metalle, darunter Kohlenstoffstahl, rostfreier Stahl und Kupfer. Seine Beimischung führt zu einer verbesserten Oberflächenbeschaffenheit, wobei die Teile ein glänzendes und sauberes Aussehen aufweisen. Diese Verbesserung ist in erster Linie auf die Fähigkeit von Selen zurückzuführen, leicht abscherbare Einschlüsse zu bilden, die den Spanbruch erleichtern und den Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung verringern.
Auf dem Spezialgebiet des hochmagnetischen induktionsorientierten Siliziumstahls wird Mangandiselenid (MnSe2) häufig als Inhibitor eingesetzt. MnSe2 weist im Vergleich zu Mangansulfid (MnS) überlegene Einschlusseigenschaften auf, insbesondere hinsichtlich seiner Fähigkeit, das Wachstum der ersten Rekristallisationskörner zu kontrollieren. Diese verstärkte Inhibierung ist entscheidend für die Förderung des selektiven Wachstums der sekundären Rekristallisationskörner. Das Ergebnis ist eine hochgradig orientierte (110)[001]-Textur, die für die Erzielung optimaler magnetischer Eigenschaften in Elektrostählen, die in Transformatorenkernen und anderen elektrischen Anwendungen mit hohem Wirkungsgrad verwendet werden, entscheidend ist. Diese Texturoptimierung führt zu geringeren Kernverlusten und einem verbesserten Gesamtwirkungsgrad des Transformators.
Zirkonium (Zr) ist ein starkes karbidbildendes Element, das ähnliche Eigenschaften wie Niob, Tantal und Vanadium in Stahllegierungen aufweist. Seine einzigartigen Eigenschaften machen es zu einem wertvollen Zusatzstoff in verschiedenen metallurgischen Hochleistungsanwendungen.
Die Beimischung kleiner Mengen Zr hat zahlreiche positive Auswirkungen auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften von Stahl:
Diese Effekte tragen synergetisch zu einer verbesserten Tieftemperaturzähigkeit und zu einer hervorragenden Umformbarkeit bei, was insbesondere für die Verbesserung der Stanzleistung von Stahlblechen von Vorteil ist.
Zr findet breite Anwendung bei der Herstellung von:
Die genaue Kontrolle des Zr-Gehalts, der in der Regel im Bereich von 0,05-0,15% liegt, ist entscheidend, um die Vorteile zu optimieren und gleichzeitig mögliche Probleme wie übermäßige Karbidbildung oder Versprödung zu vermeiden.
Niob (Nb) und Tantal sind eng verwandte Elemente, die in der Natur häufig zusammen vorkommen und in der Stahlmetallurgie eine ähnliche Rolle spielen. Beide Elemente können sich in fester Lösung teilweise auflösen und tragen so zur Verstärkung der Stahlmatrix bei.
Das Vorhandensein von Nb verbessert die Abschreckreaktion von Stahl erheblich, wenn es in der austenitischen Phase gelöst ist. Liegt es jedoch in Form von Karbiden oder Oxidpartikeln vor, wirkt Nb als Kornfeiner und verringert die Härtbarkeit des Stahls. Es erhöht auch die Anlaßstabilität und führt zu einem sekundären Härtungseffekt, der für das Erreichen bestimmter mechanischer Eigenschaften von Vorteil ist.
Die Mikrolegierung mit Niob bietet einen einzigartigen Vorteil: Sie verbessert die Festigkeit des Stahls, ohne die Plastizität oder Zähigkeit zu beeinträchtigen. Diese Eigenschaft ist besonders wertvoll bei modernen hochfesten niedrig legierten Stählen (HSLA). Nb verfeinert das Korngefüge, erhöht die Kerbschlagzähigkeit und senkt die Übergangstemperatur von duktil zu spröde. Wenn der Nb-Gehalt das 8-fache des Kohlenstoffs übersteigt, kann er fast den gesamten Kohlenstoff im Stahl binden, was zu einer hervorragenden Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung führt.
In austenitischen nichtrostenden Stählen wirkt Nb als stabilisierendes Element und verhindert Sensibilisierung und interkristalline Korrosion in oxidierenden Umgebungen. Dies wird durch die Bildung von stabilen Niobkarbiden erreicht, die die Ausscheidung von Chromkarbiden an den Korngrenzen verhindern. Darüber hinaus verbessert Nb die Hochtemperatureigenschaften von Stählen, insbesondere die Kriechfestigkeit, durch seine Fähigkeit, Kohlenstoff zu binden, und seine ausscheidungshärtende Wirkung.
Bei herkömmlichen niedrig legierten Stählen führt der Nb-Zusatz zu einer Verbesserung der Streckgrenze und der Kerbschlagzähigkeit bei gleichzeitiger Senkung der Übergangstemperatur von duktil zu spröde. Diese Kombination von Eigenschaften ist besonders vorteilhaft für geschweißte Strukturen. Bei aufkohlenden und vergüteten legierten Baustählen erhöht Nb die Härtbarkeit bei gleichzeitiger Verbesserung der Zähigkeit und der Tieftemperaturleistung. In martensitischen, nichtrostenden Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt verringert Nb die Tendenz zur Lufthärtung, mildert die Anlassversprödung und erhöht die Kriechfestigkeit, was es zu einem vielseitigen Legierungselement für verschiedene Stahlsorten und Anwendungen macht.
Molybdän (Mo) verbessert die Eigenschaften von Stahl erheblich, indem es seine Härtbarkeit, Hitzebeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Anlassversprödung erhöht. Außerdem erhöht es den Restmagnetismus, die Koerzitivfeldstärke und die Korrosionsbeständigkeit in bestimmten Umgebungen.
In vergüteten Stählen verbessert Mo die Härtbarkeit und ermöglicht eine effektive Wärmebehandlung von Teilen mit großem Querschnitt. Es verbessert die Vergütungsstabilität und erhöht die Beständigkeit des Stahls gegen Erweichung bei erhöhten Temperaturen. Diese Eigenschaft ermöglicht einen effizienteren Spannungsabbau und eine verbesserte Duktilität unter Hochtemperaturbedingungen ohne Beeinträchtigung der Festigkeit.
Bei aufkohlenden Stählen vermindert Mo die Bildung kontinuierlicher Karbidnetzwerke an den Korngrenzen in der aufgekohlten Schicht. Dadurch wird der Restaustenitgehalt verringert und die Verschleißfestigkeit der Oberfläche verbessert. Das verfeinerte Gefüge führt zu einer verbesserten Ermüdungsfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit.
Mo ist für das Schmieden von Gesenkstählen von entscheidender Bedeutung, da es eine gleichbleibende Härte bei hohen Temperaturen gewährleistet und die Beständigkeit gegen plastische Verformung, thermische Ermüdungsrisse und abrasiven Verschleiß erhöht. Dies führt zu einer verlängerten Lebensdauer des Gesenks und einer verbesserten Teilequalität beim Warmschmieden.
In nichtrostenden und säurebeständigen Stählen erhöht Mo die Korrosionsbeständigkeit erheblich, insbesondere gegenüber organischen Säuren (z. B. Ameisensäure, Essigsäure, Oxalsäure), Oxidationsmitteln (Wasserstoffperoxid) und verschiedenen Industriechemikalien (Schwefelsäure, schweflige Säure, Sulfate, saure Farbstoffe, Bleichmittel). Insbesondere bekämpft der Mo-Zusatz wirksam die durch Chloridionen hervorgerufene Loch- und Spaltkorrosion, ein häufiges Problem in der Schifffahrt und der chemischen Verarbeitung.
Der Schnellarbeitsstahl W12Cr4V4Mo mit einem Mo-Gehalt von ca. 1% weist eine außergewöhnliche Verschleißfestigkeit, Anlaßstabilität und Warmhärte auf. Diese Zusammensetzung optimiert das Gleichgewicht zwischen den Karbidbildnern (W, Cr, V, Mo) und der Matrix, was zu einer überragenden Zerspanungsleistung und Werkzeugstandzeit bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung führt.
Zinn (Sn) spielt in der Stahlmetallurgie eine komplexe Rolle, wobei seine Auswirkungen je nach spezifischer Anwendung und Legierungszusammensetzung erheblich variieren. In der allgemeinen Stahlproduktion wird Zinn oft als schädliche Verunreinigung angesehen, da es zu Heißsprödigkeit, Anlassversprödung und Rissbildung führen kann. Es kann die Schweißbarkeit beeinträchtigen und wird neben Elementen wie Kupfer, Arsen, Antimon und Phosphor als eines der "Begleitelemente" in Stahl eingestuft.
In speziellen Stahlanwendungen weist Sn jedoch vorteilhafte Eigenschaften auf. In Elektrostahl, insbesondere in kornorientiertem Siliziumstahl, trägt Sn zu verbesserten magnetischen Eigenschaften bei. Dies wird durch die Beeinflussung der Kornstruktur und der Texturentwicklung erreicht. Sn neigt dazu, sich an den Korngrenzen abzuscheiden und hemmt so das Kornwachstum während der Verarbeitung. Dieser Effekt der Kornfeinung ist konzentrationsabhängig; ein höherer Sn-Gehalt führt zu einer effektiveren Kontrolle der Korngröße. Das daraus resultierende feinere Korngefüge trägt zu geringeren Kernverlusten in Elektrostählen bei.
Darüber hinaus fördert Sn die Bildung der vorteilhaften {100} Goss-Textur in kornorientiertem Siliziumstahl. Diese Texturverbesserung führt zu erhöhter magnetischer Permeabilität und geringerer Magnetostriktion, beides wünschenswerte Eigenschaften für Transformatorkernmaterialien. Die Intensität der magnetischen Induktion kann durch kontrollierte Sn-Zugaben deutlich verbessert werden.
Bei der Herstellung von Gusseisen können geringe Mengen Sn (typischerweise <0,1 wt%) von Vorteil sein. Es erhöht die Verschleißfestigkeit und beeinflusst die Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls, was für Gießverfahren entscheidend ist. Bei perlitischem Temperguss, der hohe Festigkeit mit guter Verschleißbeständigkeit verbindet, wird Sn während des Schmelzens zugesetzt, um die Perlitbildung zu fördern. Eine genaue Kontrolle des Sn-Gehalts ist jedoch von entscheidender Bedeutung, da übermäßige Mengen die Graphitkugelbildung in duktilem Gusseisen beeinträchtigen können.
Sn wird auch in Automatenstählen verwendet, wo es die Bearbeitbarkeit verbessert. In diesen Legierungen neigt Sn dazu, um Einschlüsse und an Korngrenzen zu segregieren. Während es die Morphologie von Sulfideinschlüssen (ein Schlüsselfaktor bei Automatenstählen) nicht wesentlich verändert, verbessert das Segregationsverhalten von Sn die Spanbildung und den Bruch während der Bearbeitung. Optimale Verbesserungen der Zerspanbarkeit werden in der Regel bei einem Sn-Gehalt von mehr als 0,05 wt% beobachtet, wobei die genaue Menge von der jeweiligen Stahlsorte und anderen vorhandenen Legierungselementen abhängt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Zinn in der Massenstahlproduktion im Allgemeinen unerwünscht ist, sein gezielter Einsatz in speziellen Stahlsorten jedoch erhebliche Leistungsvorteile bringen kann. Der Schlüssel liegt in der präzisen Kontrolle der Zusammensetzung und dem Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen Zinn und anderen Legierungselementen im Stahlgefüge.
Nachdem Antimon (Sb) in Siliziumstahl mit hoher magnetischer Orientierung eingearbeitet wurde, verfeinert es die Korngröße sowohl während der primären als auch der sekundären Rekristallisationsprozesse. Diese Verfeinerung führt zu einer vollständigeren sekundären Rekristallisation, was zu verbesserten magnetischen Eigenschaften führt.
Nach dem Kaltwalzen und Entkohlen von Sb-haltigem Stahl werden die Texturkomponenten {110} und {110} verstärkt. Diese Ausrichtungen sind günstig für die Förderung der sekundären Rekristallisation und erhöhen folglich die Anzahl der sekundären Rekristallisationskeime. Diese mikrostrukturelle Veränderung trägt zur Verbesserung der magnetischen Leistung und der allgemeinen Materialqualität bei.
In Sb-haltigen Baustählen, die für Schweißanwendungen konzipiert sind, zeigt Sb bei Austenitisierungstemperaturen ein einzigartiges Ausscheidungsverhalten. Es scheidet sich bevorzugt um Mangansulfid (MnS)-Einschlüsse und entlang früherer Austenit-Korngrenzen aus. Diese Sb-Anreicherung um MnS-Einschlüsse dient einem doppelten Zweck: Sie verfeinert das Gefüge des Stahls und erhöht seine Zähigkeit. Das verfeinerte Gefüge trägt zu verbesserten mechanischen Eigenschaften bei, während die erhöhte Zähigkeit insbesondere für geschweißte Strukturen von Vorteil ist, da sie das Risiko eines Sprödbruchs in der Wärmeeinflusszone verringern kann.
Wolfram (W) in Stahl weist eine doppelte Funktionalität auf: Es löst sich teilweise in Eisen und bildet eine feste Lösung, während es gleichzeitig Karbide bildet. Seine Auswirkungen sind mit denen von Molybdän (Mo) vergleichbar, wenn auch im Allgemeinen weniger ausgeprägt, wenn man sie auf Gewichtsbasis vergleicht.
Zu den wichtigsten Beiträgen von W zu den Stahleigenschaften gehören eine verbesserte Anlaßstabilität, eine verbesserte Warmhärte, eine erhöhte Wärmebeständigkeit und eine bessere Verschleißfestigkeit, die hauptsächlich auf die Bildung von Wolframkarbiden zurückzuführen ist. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich W-legierte Stähle besonders für Werkzeuganwendungen, wie Schnellarbeitsstähle und Warmschmiedestähle.
In hochwertigen Federstählen wirkt W als hitzebeständiger Karbidbildner, der die Vergröberung von Karbiden verhindert und die Hochtemperaturfestigkeit bei erhöhten Temperaturen erhält. Außerdem verringert W die Empfindlichkeit des Stahls gegenüber Überhitzung, verbessert die Härtbarkeit und erhöht die Gesamthärte.
So erreicht der Federstahl 65SiMnWA auch nach Warmwalzen und Luftabkühlung eine hohe Härte. W-haltige Federstähle mit einem Querschnitt von bis zu 50 mm² können in Öl gehärtet werden, um eine hohe Härte zu erreichen und große Lasten zu tragen, wobei die Wärmebeständigkeit bis zu 350 °C erhalten bleibt.
Der hochfeste, hitzebeständige Federstahl 30W4Cr2VA ist ein Beispiel für die Vorteile des W-Zusatzes. Diese Sorte weist eine ausgezeichnete Härtbarkeit auf und kann nach dem Abschrecken bei 1050-1100°C und dem Anlassen bei 550-650°C eine Zugfestigkeit von 1470-1666 MPa erreichen. Seine Hauptanwendung ist die Herstellung von Federn, die für Hochtemperaturumgebungen bis zu 500°C ausgelegt sind.
W erhöht die Abriebfestigkeit und Schneidleistung von Stählen erheblich und ist daher ein wichtiges Legierungselement in Werkzeugstählen. Die Bildung harter, stabiler Wolframkarbide trägt zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit und Kantenstabilität bei Schneidwerkzeugen bei, insbesondere bei solchen, die bei hohen Temperaturen oder unter schwierigen Bedingungen arbeiten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Zusatz von Wolfram zum Stahl eine Kombination aus Hochtemperaturfestigkeit, Verschleißfestigkeit und verbesserten Schneideigenschaften bewirkt, die W-legierte Stähle für verschiedene Hochleistungsanwendungen unverzichtbar macht, insbesondere im Werkzeug- und Federstahlsektor.
Blei (Pb) verbessert die Bearbeitbarkeit von Stahl, indem es bei Zerspanungsvorgängen als inneres Schmiermittel wirkt. Stahl, der kontrollierte Mengen an Blei enthält, weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf und ist für Wärmebehandlungsverfahren gut geeignet. Aufgrund von Umweltbedenken und der nachteiligen Auswirkungen auf den Recyclingprozess von Stahlschrott wurde die Verwendung von Blei als Legierungselement jedoch schrittweise zugunsten umweltfreundlicherer Alternativen eingestellt.
Die begrenzte Löslichkeit von Blei in Eisen (Fe) verhindert die Bildung von festen Lösungen oder intermetallischen Verbindungen. Stattdessen segregiert das Blei an den Korngrenzen und nimmt eine kugelförmige Morphologie an. Diese Seigerung kann im kritischen Temperaturbereich von 200-480°C (392-896°F) zur Anlassversprödung von Stahl führen. Darüber hinaus kann das Vorhandensein von Blei an den Korngrenzen die Schweißbarkeit erheblich beeinträchtigen und zur Bildung von Rissen bei Schweißprozessen führen. Diese metallurgischen Phänomene erfordern eine sorgfältige Berücksichtigung bei der Legierungsentwicklung und den Verarbeitungsparametern für bleihaltige Stähle, insbesondere bei Anwendungen mit erhöhten Temperaturen oder Schweißvorgängen.
Die Zerspanungsleistung von Stahl kann durch die Beimischung von 0,1-0,4% Wismut (Bi) in Automatenstahlzusammensetzungen erheblich verbessert werden. Wenn Bi-Partikel gleichmäßig in der Stahlmatrix verteilt sind, schmelzen sie bei Kontakt mit dem Schneidwerkzeug und wirken als wirksames Schmiermittel. Dieser Mechanismus verhindert eine Überhitzung des Werkzeugs, ermöglicht höhere Schnittgeschwindigkeiten und verbessert die allgemeine Bearbeitbarkeit.
In jüngster Zeit wurde verschiedenen nichtrostenden Stahlsorten Bi zugesetzt, um ihre Bearbeitungseigenschaften zu verbessern. In Automatenstählen kann Bi in drei verschiedenen Formen vorkommen: als unabhängige Partikel in der Stahlmatrix, eingekapselt in Sulfideinschlüssen oder an der Grenzfläche zwischen der Stahlmatrix und den Sulfidphasen.
Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass eine Erhöhung des Bi-Gehalts in S-Bi-Freischneidblöcken zu einer Verringerung der Verformungsrate von Mangansulfid-Einschlüssen (MnS) führt. Das Vorhandensein von Bi-Metall im Stahl hemmt wirksam die Sulfidverformung während des Schmiedeprozesses von Stahlblöcken und trägt zu einer verbesserten Kontrolle des Mikrogefüges bei.
Bei Gusseisenanwendungen hat der Zusatz von 0,002-0,005% Bi mehrere Vorteile gezeigt. Es verbessert die Gießleistung von Temperguss, erhöht die Weißbruchneigung, reduziert die Glühzeit und optimiert die Duktilität der Endkomponenten. Darüber hinaus führt die Zugabe von 0,005% Bi zu Gusseisen mit Kugelgraphit zu einer verbesserten seismischen Widerstandsfähigkeit und einer erhöhten Zugfestigkeit.
Die Einarbeitung von Bi in Stahl stellt jedoch eine technische Herausforderung dar, da es bei den typischen Stahlherstellungstemperaturen (ca. 1500 °C) sehr flüchtig ist, was eine gleichmäßige Verteilung erschwert. Um dieses Problem zu lösen, haben internationale Hersteller innovative Ansätze entwickelt, wie z. B. die Verwendung von Blechen aus Bi-Mn-Legierungen mit einem niedrigeren Schmelzpunkt von 1050 °C als Zusatzstoffe. Trotz dieser Fortschritte bleibt die Nutzungsrate von Bi mit etwa 20% relativ niedrig.
Im Bereich der Elektrostähle haben große Stahlhersteller wie Nippon Steel & Sumitomo Metal, POSCO und andere berichtet, dass Bi-Zusätze die magnetischen Eigenschaften von kornorientiertem Siliziumstahl erheblich verbessern können, insbesondere den B8-Wert (magnetische Induktion bei 800 A/m). Insbesondere Nippon Steel & Sumitomo Metal und JFE haben über hundert Patente für hochmagnetischen kornorientierten Siliziumstahl mit Bi-Zusätzen angemeldet. Diese Innovationen haben zu magnetischen Induktionswerten von bis zu 1,90T geführt, wobei in einigen Ausnahmefällen bis zu 1,99T erreicht wurden, was eine erhebliche Verbesserung der Leistung von Elektrostahl darstellt.
Die Seltenen Erden (REEs) umfassen die Lanthanidenreihe (Ordnungszahlen 57-71) sowie Scandium (21) und Yttrium (39), insgesamt 17 Elemente. Diese Elemente weisen ähnliche chemische Eigenschaften auf, was ihre Trennung schwierig macht. Gemischte Seltene Erden, die kostengünstiger sind, beziehen sich auf ungetrennte REE-Kombinationen.
In der Stahlproduktion erfüllen die REEs mehrere Funktionen:
REEs sind zusammen mit Ca, Ti, Zr, Mg und Be sehr wirksam bei der Modifizierung von Sulfideinschlüssen. Wenn sie in geeigneten Mengen zugesetzt werden, verwandeln sie Oxid- und Sulfideinschlüsse in kleine, dispergierte, kugelförmige Partikel. Diese Umwandlung mildert die nachteiligen Auswirkungen von Mangansulfid (MnS) und anderen Einschlüssen auf die Stahleigenschaften.
In der typischen Stahlproduktion kommt Schwefel hauptsächlich als Eisensulfid (FeS) und Mangansulfid (MnS) vor. Ein hoher Mangangehalt fördert die Bildung von MnS, das sich trotz seines hohen Schmelzpunkts und seiner Fähigkeit, Heißkurzschlüsse zu verhindern, bei der Verformung ausdehnen kann. Diese langgestreckten MnS-Einschlüsse verringern die Plastizität, Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit des Stahls erheblich. REE-Zusätze sind von entscheidender Bedeutung, um diese Einschlüsse für eine verbesserte Verformungsverarbeitung zu modifizieren.
REEs verbessern auch die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit von Stahl und übertreffen die Wirkung von Silizium, Aluminium und Titan. Sie verbessern die Fließfähigkeit des Stahls, reduzieren nichtmetallische Einschlüsse und fördern ein dichtes, reines Gefüge. Die Hauptaufgaben von REEs in Stahl sind Reinigung, Modifizierung von Einschlüssen und Legierung.
Mit der verbesserten Kontrolle des Sauerstoff- und Schwefelgehalts in der Stahlproduktion werden die traditionellen Reinigungs- und Einschlussmodifizierungsverfahren immer weniger wichtig. Neuartige Reinigungstechnologien und Legierungseffekte unter Verwendung von REEs gewinnen jedoch zunehmend an Bedeutung. REEs erhöhen beispielsweise die Oxidationsbeständigkeit von Ferrochrom-Aluminium-Legierungen und erhalten die Feinkornstruktur bei hohen Temperaturen. Dies führt zu einer verbesserten Hochtemperaturfestigkeit und einer deutlich verlängerten Lebensdauer von elektrothermischen Legierungen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Seltene Erden in der modernen Stahlproduktion eine vielseitige Rolle spielen und einzigartige Vorteile in Bezug auf die Kontrolle der Mikrostruktur, die Modifizierung von Einschlüssen und die Verbesserung der Eigenschaften bieten. Ihre Anwendung entwickelt sich mit dem Fortschritt der Stahlproduktionstechniken weiter und eröffnet neue Wege für die Entwicklung von Hochleistungsstahl.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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