Die Rolle von Stickstoff in Stahl: Was Sie wissen sollten

1. Auswirkung von Stickstoff auf das Gefüge und die Wärmebehandlung von Stahl

Stickstoff bildet in Eisen, ähnlich wie Kohlenstoff, einen interstitiellen Mischkristall, der oktaedrische Plätze im Kristallgitter einnimmt. Diese Auflösung beeinflusst die mechanischen Eigenschaften und das Gefüge des Stahls erheblich.

Stickstoff ist ein starker Austenitstabilisator, der das Austenitphasenfeld im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm erweitert. Seine austenitfördernde Wirkung ist etwa 20-30 Mal stärker als die von Nickel, was ihn zu einer wirtschaftlichen Alternative in austenitischen nichtrostenden Stählen macht. Diese Eigenschaft ermöglicht einen geringeren Nickelgehalt ohne Beeinträchtigung der Austenitstabilität, was zu kostengünstigen Legierungskonstruktionen führt.

Wenn Stickstoff in die Stahloberfläche diffundiert, kann er mit Legierungselementen wie Chrom, Aluminium, Vanadium und Titan hochstabile Nitride bilden. Diese Nitride, darunter CrN, AlN, VN und TiN, verbessern die Oberflächenhärte, die Verschleißfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit erheblich. Der Prozess der Nitridbildung, das so genannte Nitrieren, ist ein wichtiges Verfahren der Oberflächentechnik bei der Wärmebehandlung von Stählen.

④ In hochchromhaltigen und hochchromhaltigen Nickelstählen trägt Stickstoff zur Kornfeinung und Mischkristallverfestigung bei. Dies führt zu einem kompakteren und robusteren Mikrogefüge, das die Gesamtfestigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Stahls verbessert. Das feinkörnige Gefüge erhöht auch die Beständigkeit des Stahls gegen interkristalline Korrosion.

⑤ Während Stickstoff zahlreiche Vorteile bietet, kann ein zu hoher Reststickstoffgehalt im Stahl zu nachteiligen Auswirkungen führen. Hohe Stickstoffgehalte können während der Erstarrung zur Bildung von Gasporosität oder Lunkern führen und die strukturelle Integrität des Stahls beeinträchtigen. Dieses als Stickstoffporosität bekannte Phänomen ist besonders problematisch beim Schweißen von Stählen mit hohem Stickstoffgehalt und muss durch geeignete Schmelz- und Erstarrungsmethoden sorgfältig kontrolliert werden.

2. Einfluss von Stickstoff auf die mechanischen Eigenschaften von Stahl

Stickstoff hat eine starke festigkeitssteigernde Wirkung in Stahl und erhöht dessen Härtbarkeit erheblich. Dies ist auf die Fähigkeit der Stickstoffatome zurückzuführen, das Eisengitter zu verzerren, die Versetzungsbewegung zu behindern und dadurch die Festigkeit zu erhöhen.

In stickstoffhaltigen ferritischen Stählen kann ein komplexer Ausscheidungshärtungsmechanismus beobachtet werden. Beim Anlassen oder bei längerem Aufenthalt bei Raumtemperatur nach rascher Abkühlung scheiden sich ultrafeine Nitride (typischerweise Fe16N2 oder CrN) aus. Diese nanoskaligen Partikel wirken als Hindernisse für Versetzungsbewegungen und erhöhen die Festigkeit und Härte des Stahls weiter.

Die Anwesenheit von Stickstoff kann bei kohlenstoffarmen Stählen eine Reckalterung bewirken, ein Phänomen, das durch einen Anstieg der Streckgrenze und eine Abnahme der Duktilität im Laufe der Zeit gekennzeichnet ist. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,15%.

Da die Festigkeit und Härte von Stahl durch Stickstoffzusatz zunimmt, sinkt die Zähigkeit entsprechend und die Kerbempfindlichkeit steigt. Dieser Kompromiss ist entscheidend für technische Anwendungen, bei denen sowohl Festigkeit als auch Bruchfestigkeit erforderlich sind.

Die versprödende Wirkung von Stickstoff in Stahl ist mit der von Phosphor vergleichbar und in vielen Fällen sogar noch stärker. Die starken Auswirkungen von Stickstoff auf den Zusammenhalt der Korngrenzen und die Versetzungsdynamik tragen zu dieser ausgeprägten Versprödung bei.

Stickstoff spielt eine wichtige Rolle bei der Blausprödigkeit, einem Phänomen, das beobachtet wird, wenn Stahl auf 200-300°C (392-572°F) erhitzt wird. In diesem Temperaturbereich kann Stickstoff schnell zu den Versetzungen diffundieren, was zu Reckalterung und vorübergehender Versprödung führt.

Bei Stählen mit hohem Chrom- und Chrom-Nickel-Gehalt können kontrollierte Stickstoffzusätze sowohl die Festigkeit als auch die Kerbschlagzähigkeit ohne nennenswerten Verlust der Plastizität verbessern. Dies wird durch die Bildung von feinen, stabilen Chromnitriden und die austenitstabilisierende Wirkung von Stickstoff erreicht.

Stickstoff verbessert die Kriechfestigkeit und die Hochtemperaturbruchfestigkeit von Stahl durch die Bildung thermisch stabiler Nitride und die Festigkeitssteigerung der Matrix in fester Lösung. Dieser Effekt ist besonders vorteilhaft bei austenitischen nichtrostenden Stählen und hitzebeständigen Legierungen, die bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden.

3. Auswirkungen von Stickstoff auf die physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften von Stahl

① Die Anwesenheit von Stickstoff wirkt sich erheblich auf die Korrosionsbeständigkeit von nichtrostendem Stahl aus. Entgegen der ursprünglichen Aussage verbessert Stickstoff im Allgemeinen die Lochfraß- und Spaltkorrosionsbeständigkeit, insbesondere bei austenitischen und Duplexstählen. Diese Verbesserung wird auf die Fähigkeit des Stickstoffs zurückgeführt, den Passivfilm zu stabilisieren und das Lochfraßpotenzial zu erhöhen.

② Wenn der Stickstoffgehalt in austenitischen nichtrostenden Stählen etwa 0,2% nach Masse überschreitet, kann die Beständigkeit des Stahls gegen Hochtemperaturoxidation abnehmen. Der genaue Grenzwert hängt jedoch von der spezifischen Legierungszusammensetzung und der vorgesehenen Anwendung ab. In einigen Fällen kann eine kontrollierte Zugabe von Stickstoff bis zu 0,5% die Oxidationsbeständigkeit bei moderaten Temperaturen erhöhen.

Stickstoffhaltiger Stahl weist bei der Kaltverformung eine höhere Kaltverfestigungsrate auf. Dieses Phänomen, das als Stickstoffverfestigungseffekt bekannt ist, resultiert aus der Wechselwirkung zwischen Stickstoffatomen und Versetzungen und führt zu einer höheren Festigkeit und Härte. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen, die eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit erfordern.

④ Stickstoff reduziert wirksam die Tendenz zum Kornwachstum in ferritischen, nichtrostenden Stählen mit hohem Chromgehalt und verbessert dadurch deren Schweißeigenschaften. Er wirkt als Austenitstabilisator und fördert die Bildung feinkörniger Strukturen während der thermischen Schweißzyklen. Diese Kornfeinung verbessert sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die Korrosionsbeständigkeit der Schweißzone und des wärmebeeinflussten Bereichs.

Darüber hinaus verbessert Stickstoff die Streckgrenze und die Zugfestigkeit von nichtrostenden Stählen, ohne die Duktilität wesentlich zu verringern. Er erhöht auch die Beständigkeit des Stahls gegen Spannungsrisskorrosion in chloridhaltigen Umgebungen, wodurch sich stickstofflegierte nichtrostende Stähle besonders für Anwendungen in der Schifffahrt und der chemischen Verarbeitung eignen.

4. Anwendung von Stickstoff in Stahl

Stickstoff ist ein entscheidendes Legierungselement in Stahl. Sein Gehalt reicht in den meisten Anwendungen von Spuren bis zu 0,3% (nach Masse) und erreicht bei speziellen Stählen mit hohem Stickstoffgehalt einen Höchstwert von 0,6%. Diese präzise Steuerung des Stickstoffgehalts ermöglicht maßgeschneiderte mechanische Eigenschaften und Gefügemerkmale.

② Das Legieren mit Stickstoff findet in verschiedenen Stahlsorten breite Anwendung, unter anderem:

• Nitrierte Vergütungsstähle: Verbesserung der Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit durch die Bildung von Nitriden.
• Gewöhnliche niedrig legierte Stähle: Verbesserung von Festigkeit und Zähigkeit ohne signifikante Kostensteigerung.
• Austenitische nichtrostende Stähle: Stabilisierung der Austenitphase und Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in saurem Milieu.
• Hitzebeständige, nicht abblätternde Stähle: Hervorragende Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit, die für Komponenten in Dampfturbinen, Gasturbinen und anderen Hochtemperaturanwendungen entscheidend sind.

Der Zusatz von Stickstoff bietet einzigartige Vorteile wie Mischkristallverfestigung, Kornverfeinerung und verbesserte Lochkorrosionsbeständigkeit, was ihn zu einem unschätzbaren Legierungselement in der modernen Stahlmetallurgie macht.