Fachwörter-Lexikon

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Stahl, Einteilung nach dem Verwendungszweck

Stähle können nach verschiedenen Gesichtspunkten eingeteilt werden. Die wichtigsten Einteilungsmöglichkeiten erfolgen nach den Hauptgüteklassen (DIN EN 10020) in unlegierte Stähle (unlegierte Qualitäts- und Edelstähle), nieder legierte Stähle (legierte Qualitäts- und Edelstähle) und hochlegierte Stähle (z. B. nichtrostende Stähle). In Bezug auf die Güteklassen Grund-, Qualitäts- und Edelstähle spielen die Anforderungen an ihre Gebrauchseigenschaften eine entscheidende Rolle.
Bei den Grund- oder Massenstähle können deren Festigkeitseigenschaften nicht durch eine Wärmebehandlung sichergestellt werden. Das Bezeichnungssystem nach DIN EN 10027-1 verwendet ein Hauptsymbol zur Bestimmung des Verwendungszwecks und die Angabe der Mindestfestigkeit (z. B. Streckgrenze).

Anodisation

Anodisation ist die Erzeugung von Oxidschichten mit Hilfe des elektrischen Stroms. Dabei wird das Metall, auf dem die Oxidschichten gebildet werden, als Pluspol (Anode) in einer elektrisch leitenden, wässrigen Lösung (Elektrolyt) geschaltet. In derselben Lösung befindet sich eine zweite Elektrode, die Kathode. Bei Anlegen einer Spannung fließt zwischen beiden Elektroden ein elektrischer Strom. Das anodisch kontaktierte Metall wird oxidiert und gibt Elektronen ab. Dabei entsteht an der Kathode Wasserstoff, der entweicht. Das verbleibende Hydroxidion reagiert an der Anode mit dem ionisierten Metall zu einem Oxidhydrat mit amorpher Stöchiometrie, entsprechende folgender Gesamtreaktion (vereinfacht):

Me + nH₂O → Me(OH)_n + n/2H₂

Anodisierbar sind die eine kompakte Sperrschicht bildenden Metalle Aluminium, Titan und Magnesium. Die Oxidschicht ist sehr stabil und schützt das darunter liegende Metall vor einem weiteren Angriff durch Oxidation oder Korrosion. Anodisierte Metalloberflächen zeigen sich deshalb im Gebrauch als sehr beständig. Sie behalten je nach Verfahren auch ihr metallisches Aussehen, da die Oxidschicht dünn und transparent ist.
Durch das Anodisieren in sauren wässrigen Lösungen kann die natürlich vorhandene Oxidschicht verstärkt werden. Dies wird in großem Umfang bei Aluminium und Aluminiumlegierungen durchgeführt. Speziell bei Aluminium wird Anodisieren auch als Eloxieren bezeichnet – Eloxieren ist eine Kurzfassung des Begriffes elektrolytisches Oxidieren. Die Dicke der Oxidschicht hängt unter anderem von der beim Anodisieren verwendeten elektrischen Spannung ab. Im Prinzip besteht das beim Anodisieren hergestellte Aluminiumoxid aus zwei Phasen: einer Sperrschicht von einigen Nanometern direkt an der Metallgrenze und einer deutlich dickeren, aus hexagonalen Röhren aufgebauten Oxidschicht. Die Poren mit Durchmessern von 20 nm bis 40 nm befinden sich im Zentrum von so genannten Zellen und stehen annähernd senkrecht auf dem Grundmaterial. Die Struktur der Zellen sowie der Aufbau der Oxidschicht hängen vom Anteil an Fremdstoffen im Aluminium ab.

Einfluss von Legierungselementen bei Stählen

Stahleigenschaften werden durch die Herstellungsverfahren und durch erwünschte unerwünschten Legierungselemente beziehungsweise Begleitelemente beeinflusst. Erwünschte Elemente verleihen dem Stahl bestimmte mechanische und chemische Eigenschaften wie beispielsweise hohe Festigkeit beziehungsweise Zähigkeit, gute Verformungs- und Zerspanungseigenschaften sowie Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Die Begleitelemente können jedoch diese Eigenschaften in unerwünschter Weise verschlechtern.

Einfluss der Legierungselemente auf die mechanischen Eigenschaften

Tabelle: Beeinflussung der Stähle durch Legierungs- und Begleitelemente

Legierungselement	Auswirkung
Aluminium – Al	– wirkt stark desoxidierend und denitrierend – Aluminiumnitriden (hoher Härte) vermindert die Alterungsanfälligkeit erheblich – Verbesserung der Zunderbeständigkeit und Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber interkristalliner Korrosion bei ferritischen Chromstählen
Chrom – Cr	– Erhöhung der Zugfestigkeit, Härte Verschleißfestigkeit durch Mischkristallbildung – Erhöhung der Warmfestigkeit durch Sondercarbidbildung, – Erhöhung der Einhärtetiefe und der  Zunderbeständigkeit – Verringerung der kritische Abkühlgeschwindigkeit – Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit (ab 12 % Cr) durch die Bildung einer resistenten Chromoxidschicht
Kobalt – Co	– Verbesserung der Anlassbeständigkeit – Erhöhung der Härte und Schneidhaltigkeit – Erhöhung der Warmfestigkeit – Verringerung des Kornwachstums bei höheren Temperaturen
Kohlenstoff – C	– Erhöhung der Härte und Festigkeit – Verbesserung der Härtbarkeit (erst ab 0,3 % C möglich) – zu hoher Kohlenstoffgehalt setzt die Kaltformbarkeit stark herab – Verringert die Schweiß- und Schmiedbarkeit
Mangan – Mn	– Erhöhung der Festigkeit und Zähigkeit – Erhöhung die Durchhärtbarkeit – Verringert die Zerspanbarkeit und Kaltumformbarkeit – Setzt die Graphitausscheidung bei Grauguss herab – bindet Schwefel als Mangansulfid und reduziert bei größeren Konzentrationen die Verformungsfähigkeit senkrecht zur Walzrichtung
Molybdän – Mo	– Erhöhung der Warmfestigkeit (gefügestabilisierende Wirkung) – Erhöhung der Zugfestigkeit – Erhöhung die Durchhärtbarkeit (schon bei 0,2 % Mo) und Behinderung der Anlassversprödung – Verringerung der Schmiedbarkeit (bei hohem Mo-Anteil)
Nickel – Ni	– Austenitbildner: bei nichtrostenden austenitischen Stählen hervorragenden Zähigkeitseigenschaften (Umformbarkeit) bis zu extrem niedrigen Temperaturen – Erhöhung der Festigkeit und Zähigkeit (besonders geeignet für die Vergütung großer Querschnitte) – Erhöhung die Durchhärtbarkeit – Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit – Verringerung der Wärmedehnung – Erhöhung der Anlassversprödung (daher Nickel meist in Verbindung mit Molybdän anwenden)
Phosphor – P	unerwünschtes Begleitelement – Erhöhung der Zug- und Warmfestigkeit – Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit – Verringerung der Kerbschlagzähigkeit (P-Gehalt muss minimiert werden, sonst Kaltsprödigkeit und die Empfindlichkeit gegen Schlagbeanspruchung) – Verringerung der Schweißbarkeit – macht die Schmelze von Stahlguss und Gusseisen dünnflüssiger
Schwefel – S	unerwünschtes Begleitelement – Verringerung der Rot- und Heißbruchgefahr bei ausreichendem Mangananteil (binden den Schwefel zu Mangansulfid, welches einen relativ hohen Schmelzpunkt hat) – Verbesserung der Zerspanbarkeit (bei Automatenstählen für kurzbrüchige Späne) – Verringerung der Kerbschlagzähigkeit – Verringerung der Schweißbarkeit
Silizium – Si	– Erhöhung der Zugfestigkeit und Dehngrenze – Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit (z.B. Gusshaut bei Grauguss) – Verbesserung der Zunderbeständigkeit bei hitzebeständigen Stählen – Verringert die Zerspanbarkeit und Bruchdehnung – Verringerung der Schweißbarkeit – Einsatz zur Stahlberuhigung (Stahlherstellung), für die Zähigkeit und Alterungsbeständigkeit von Baustählen von Bedeutung
Stickstoff – N	– wirkt stabilisierend auf das Austenitgefüge bei austenitischen Stählen – Erhöhung der Festigkeit (feindispersive Nitridausscheidungen) – Erhöhung der Versprödung – Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei erhöhter Temperatur – Verringert die Tiefziehfähigkeit – Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber interkristalliner Korrosion (besonders bei unlegierter und niedriglegierten Stählen)
Titan – Ti	– wirkt denitrierend, desoxidierend und schwefelbindend – Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit (verringerte Anfälligkeit gegenüber interkristalliner Korrosion) durch feinverteilte Karbide
Vanadium – V	– Erhöhung der Dauerfestigkeit und Härte – Erhöhung der Warmfestigkeit – Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften durch feinverteilte Karbide (schon bei 0,1 % V) und Behinderung der Anlassversprödung – Verringerung der Empfindlichkeit gegen Überhitzung
Wasserstoff – H	– Erhöhung der Zugfestigkeit – Erhöhung der Alterung durch Versprödung – Verringerung der Kerbschlagzähigkeit – wird in atomarer Form in das Gefüge aufgenommen (z.B. bei der Oberflächenbehandlung) und dort an den Gitterstörstellen zu molekularem Wasserstoff rekombiniert und eingelagert. Die inneren Spannungen im Gefüge werden erhöht und führt zu einer Versprödung des Stahls ohne zusätzliche Festigkeitssteigerung. Die Versprödung führt unweigerlich zur Bildung von Rissen, die sich innen nach außen ausbreiten
Wolfram – W	– Erhöhung der Dauerfestigkeit und Härte – Erhöhung der Warmfestigkeit – Verbesserung der Schneidhaltigkeit – Verringerung der Zerspanbarkeit

 

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