Was macht Stahl stark und haltbar? Das Geheimnis liegt in seiner chemischen Zusammensetzung. Dieser Artikel befasst sich mit den Auswirkungen von 19 verschiedenen Elementen wie Kohlenstoff, Silizium und Mangan auf die Eigenschaften von Stahl. Von der Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit bis hin zur Beeinflussung der Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit erfahren Sie, wie jedes Element eine entscheidende Rolle spielt. Tauchen Sie ein, um zu verstehen, wie die richtige Mischung von Elementen Stahl für verschiedene Anwendungen maßschneidern kann, und erhalten Sie einen Einblick in die Werkstofftechnik.
Die Rolle des Kohlenstoffs im Stahl ist ein heikles Gleichgewicht. Auf der einen Seite, als die Kohlenstoffgehalt erhöht sich die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des Stahls, aber die Plastizität und die Schlagfestigkeit nehmen ab.
Daher muss der Kohlenstoffgehalt auf den Verwendungszweck des Stahls abgestimmt werden. Wenn der Kohlenstoffgehalt 0,23% übersteigt, verschlechtert sich die Schweißleistung erheblich, weshalb der Kohlenstoffgehalt von niedrig legiertem Baustahl, der zum Schweißen verwendet wird, 0,20% nicht übersteigen darf.
Darüber hinaus verringert ein zu hoher Kohlenstoffgehalt die Widerstandsfähigkeit des Stahls gegen atmosphärische Korrosion, so dass Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt im Freien korrosionsgefährdet ist.
Ein hoher Kohlenstoffgehalt ist jedoch nicht nur negativ, da er auch die Kaltbrüchigkeit und Alterungsempfindlichkeit des Stahls verbessern kann.
Silizium wird bei der Stahlherstellung als Reduktions- und Desoxidationsmittel zugesetzt, wodurch Stahl mit einem Siliziumgehalt von 0,15-0,30% entsteht. Wenn der Siliziumgehalt 0,50-0,60% übersteigt, wird es als Legierungselement betrachtet.
Silizium kann die Elastizitätsgrenze deutlich erhöhen, Streckgrenzeund die Zugfestigkeit von Stahl und wird daher häufig in Federstählen wie 65Mn und 82B verwendet, die 0,15-0,37% Silizium enthalten.
Hinzufügen von 1,0-1,2% Silizium zu abgeschreckt und vergütet Baustahl kann seine Festigkeit um 15-20% erhöhen.
Darüber hinaus verbessert Silizium in Verbindung mit Elementen wie Molybdän, Wolfram und Chrom die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit von Stahl und wird zur Herstellung hitzebeständiger Stähle verwendet.
Kohlenstoffarmer Stahl mit einem Siliziumgehalt von 1,0-4,0% hat eine extrem hohe magnetische Permeabilität und wird für die Herstellung von Silizium-Stahlbleche in der Elektroindustrie.
Silizium hat jedoch den Nachteil, dass es die Schweißleistung von Stahl verringert.
Während des Stahlherstellungsprozesses wirkt Mangan als gutes Desoxidationsmittel und Entschwefelungsmittel, und Stahl enthält in der Regel 0,30-0,50% Mangan.
Wird dem Kohlenstoffstahl mehr als 0,70% Mangan zugesetzt, wird er als Manganstahl" bezeichnet.
Diese Art von Stahl hat nicht nur eine ausreichende Zähigkeit, sondern auch eine höhere Festigkeit und Härte als normaler Stahl. Mangan verbessert die Härtbarkeit und Warmumformbarkeit von Stahl; so ist die Streckgrenze von 16Mn-Stahl 40% höher als die von A3-Stahl.
Stahl mit dem Mangangehalt 11-14% hat eine extrem hohe Verschleißfestigkeit und wird für Anwendungen wie Baggerschaufeln und Kugelmühlenauskleidungen verwendet. Ein hoher Mangangehalt hat jedoch auch Nachteile.
Bei einem hohen Mangangehalt ist der Stahl anfälliger für Anlaßsprödigkeit. Mangan fördert das Kornwachstum, was bei der Wärmebehandlung berücksichtigt werden muss. Wenn der Massenanteil von Mangan 1% überschreitet, nimmt die Schweißleistung des Stahls ab.
Schwefel ist ein schädliches Element im Stahl, das aus dem Stahlwerkserz und dem Brennstoff Koks stammt. Im Stahl kommt Schwefel in Form von FeS vor und bildet Verbindungen mit Fe, die einen niedrigen Schmelzpunkt (985 °C) haben, während die Warmarbeitstemperatur von Stahl in der Regel 1150-1200 °C beträgt.
Infolgedessen schmilzt die FeS-Verbindung bei der Warmumformung vorzeitig und verursacht Risse im Werkstück, ein Phänomen, das als "Heißsprödigkeit" bekannt ist. Je höher der Schwefelgehalt ist, desto stärker ist die Heißsprödigkeit, so dass der Schwefelgehalt kontrolliert werden muss.
Bei hochwertigem Stahl beträgt der Schwefelgehalt weniger als 0,02-0,03%, bei Qualitätsstahl weniger als 0,03-0,045% und bei gewöhnlichem Stahl weniger als 0,055-0,07%. In einigen Fällen wird dem Stahl Schwefel zugesetzt.
Zum Beispiel kann die Zugabe von 0,08-0,20% Schwefel zu Stahl seine Schneidbarkeit verbessern, was zu einer so genannten freien Verformung führt.Schneidestahl.
Schwefel hat jedoch auch negative Auswirkungen auf die Schweißleistung und kann die Korrosionsbeständigkeit verringern.
Phosphor wird über das Erz in den Stahl eingebracht. Im Allgemeinen ist Phosphor ein schädliches Element im Stahl. Es kann zwar die Festigkeit und Härte des Stahlswird die Plastizität und Schlagzähigkeit des Materials stark reduziert.
Bei niedrigen Temperaturen macht Phosphor den Stahl deutlich spröde, ein Phänomen, das als "Kaltsprödigkeit" bezeichnet wird und die Kaltverformbarkeit und die Lebensdauer des Stahls beeinträchtigt. Schweißbarkeit.
Je höher der Phosphorgehalt ist, desto stärker ist die Kaltbrüchigkeit, so dass der Phosphorgehalt im Stahl streng kontrolliert werden muss.
Hochwertiger Stahl hat einen Phosphorgehalt von weniger als 0,025%, Qualitätsstahl hat einen Phosphorgehalt von weniger als 0,04%, und gewöhnlicher Stahl hat einen Phosphorgehalt von weniger als 0,085%.
Sauerstoff ist ein schädliches Element im Stahl, das auf natürliche Weise in den Stahlherstellungsprozess gelangt. Trotz der Zugabe von Mangan, Silizium, Eisen und Aluminium zur Desoxidation am Ende der Stahlherstellung ist es nicht möglich, den gesamten Sauerstoff zu entfernen.
Sauerstoff tritt im Stahl in Form von FeO, MnO, SiO2, Al2O3 und anderen Einschlüssen auf, die die Festigkeit und Plastizität des Stahls verringern. Insbesondere hat er einen erheblichen Einfluss auf Ermüdungsfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit.
Ferrit hat eine geringe Fähigkeit, Stickstoff zu lösen. Wenn Stickstoff im Stahl übersättigt ist, scheidet er sich nach langer Zeit oder nach Erhitzen auf 200-300 °C in Form von Nitriden aus, wodurch die Härte und Festigkeit des Stahls zunimmt, seine Plastizität jedoch abnimmt und seine Alterung verursacht wird.
Um die Alterungstendenz zu beseitigen, kann dem geschmolzenen Stahl zur Stickstofffixierung Al, Ti oder V zugesetzt werden, wodurch Stickstoff in Form von AlN, TiN oder VN fixiert wird.
Chrom erhöht die Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit von Bau- und Werkzeugstahl erheblich und verleiht dem Stahl eine gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit.
Daher ist Chrom ein wichtiges Legierungselement für nichtrostende und hitzebeständige Stähle. Chrom verbessert auch die Härtbarkeit von Stahl und ist ein wichtiges Legierungselement.
Chrom erhöht jedoch auch die Versprödungstemperatur des Stahls, steigert seine Anlaßsprödigkeit und kann zu Schwierigkeiten bei der Verarbeitung führen.
Nickel erhöht die Festigkeit von Stahl und bewahrt gleichzeitig seine gute Plastizität und Zähigkeit. Es hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Säuren und Laugen und ist rost- und hitzebeständig bei hohen Temperaturen. Da Nickel jedoch eine knappe Ressource ist, werden häufig andere Legierungselemente anstelle von Nickel-Chromstahl verwendet.
Molybdän verfeinert das Korngefüge des Stahls, verbessert die Härtbarkeit und Warmfestigkeit und sorgt für eine ausreichende Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen (bei Verformung unter Langzeitbelastung bei hohen Temperaturen).
Wenn Molybdän dem Baustahl zugesetzt wird, verbessert es dessen mechanische Eigenschaften und verringert die Sprödigkeit von legierter Stahl durch Feuer. Darüber hinaus verbessert Molybdän, wenn es dem Werkzeugstahl zugesetzt wird, dessen Warmhärte.
Titan ist ein starkes Desoxidationsmittel in Stahl. Es macht das innere Gefüge des Stahls dichter, verfeinert seine Kornstruktur, verringert die Alterungsempfindlichkeit und die Kaltsprödigkeit und verbessert die Schweißleistung. Die Zugabe einer angemessenen Menge Titan zu austenitischem rostfreiem Cr18Ni9-Stahl kann Folgendes verhindern interkristalline Korrosion.
Vanadium ist ein ausgezeichnetes Desoxidationsmittel in Stahl. Durch die Zugabe von 0,5% Vanadium zu Stahl wird das Korngefüge verfeinert und die Festigkeit und Zähigkeit werden verbessert. Die durch die Kombination von Vanadium und Kohlenstoff gebildeten Karbide verbessern die Beständigkeit gegen Wasserstoffkorrosion bei hohen Temperaturen und hohem Druck.
Wolfram hat einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe Dichte, was es zu einem wichtigen Legierungselement macht. Die aus Wolfram und Kohlenstoff gebildeten Karbide haben eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit. Durch die Zugabe von Wolfram zu Werkzeugstahl wird dessen Warmhärte und Warmfestigkeit erheblich verbessert, so dass er sich für Schneidwerkzeuge und Gesenkformen.
Niob verfeinert das Korngefüge des Stahls und verringert seine Anfälligkeit für Überhitzung und Versprödung.
Die Beimischung von Niob zu gewöhnlichem niedrig legiertem Stahl erhöht die Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion und gegen Wasserstoff-, Stickstoff- und Ammoniakkorrosion bei hohen Temperaturen. Niob verbessert auch die Schweißleistung. Wird Niob austenitischem rostfreiem Stahl zugesetzt, verhindert es interkristalline Korrosion.
Kobalt ist ein seltenes und wertvolles Metall, das hauptsächlich in Spezialstählen und -legierungen wie hitzebeständigem Stahl und magnetischen Materialien verwendet wird.
WISCO-Stahl, der aus Daye-Erz hergestellt wird, enthält häufig Kupfer. Kupfer verbessert die Festigkeit und die Zähigkeit, insbesondere die Korrosionsbeständigkeit gegen Witterungseinflüsse. Der Nachteil ist, dass bei der Warmverarbeitung eher Sprödigkeit auftritt. Wenn der Kupfergehalt 0,5% übersteigt, wird die Plastizität stark verringert, aber wenn der Kupfergehalt unter 0,50% liegt, hat er keinen Einfluss auf die Schweißbarkeit.
Aluminium ist ein gängiges Desoxidationsmittel in Stahl. Durch die Zugabe einer geringen Menge Aluminium zu Stahl wird die Kornstruktur verfeinert und die Schlagzähigkeit verbessert, wie bei 08Al-Stahl, der für Tiefziehbleche verwendet wird. Aluminium ist außerdem oxidations- und korrosionsbeständig.
In Kombination mit Chrom und Silizium verbessert Aluminium die Hochtemperaturfestigkeit und die Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion erheblich. Aluminium wirkt sich jedoch negativ auf die Warmumformbarkeit, die Schweißleistung und die Schneidleistung von Stahl aus.
Durch die Zugabe einer geringen Menge Bor zum Stahl werden die Kompaktheit und die Warmwalzeigenschaften des Stahls verbessert und seine Festigkeit erhöht.
Als Seltene Erden bezeichnet man die 15 Lanthanide mit den Ordnungszahlen 57-71 im Periodensystem. Diese Elemente sind alle Metalle, aber ihre Oxide ähneln der "Erde", weshalb sie allgemein als Seltene Erden bezeichnet werden. Die Zugabe von Seltenen Erden zu Stahl verändert die Zusammensetzung, Form, Verteilung und Eigenschaften der Einschlüsse im Stahl, wodurch verschiedene Eigenschaften wie Zähigkeit, Schweißbarkeit und Kaltverformbarkeit verbessert werden. Die Zugabe von Seltenen Erden zu Pflugschar-Eisen verbessert die Verschleißfestigkeit.
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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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