Die wichtigsten Stahlgruppen und der Einfluss verschiedener Legierungen

Stahl ist ein vielseitiges und wichtiges Material, das in vielen Bereichen der Technik und des alltäglichen Lebens eine zentrale Rolle spielt. Die Eigenschaften und die Anwendungsbereiche von Stahl werden maßgeblich durch seine Zusammensetzung und den verschiedenen Legierungselementen bestimmt.
In diesem Beitrag werden die wichtigsten Stahlgruppen und der Einfluss verschiedener Legierungen aufgezeigt.

Grundlegende Einteilung der Stahlgruppen

Hochwertiger Stahl lässt sich in unterschiedliche Gruppen einteilen, die auf ihrer chemischen Zusammensetzung und ihren mechanischen Eigenschaften basieren. Die grundlegenden Stahlgruppen können unterteilt werden in:

• Unlegierte Stähle: Diese Stähle enthalten neben Eisen und Kohlenstoff nur eine geringe Menge an anderen Elementen. Sie sind in der Regel kostengünstig und werden für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet, wie beispielsweise im Bauwesen und in der Automobilindustrie.
• Niedriglegierte Stähle: Diese Stahlgruppe beinhaltet geringe Mengen an Legierungselementen wie Chrom, Nickel oder Molybdän und stärken gleichzeitig diverse Eigenschaften wie die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
• Hochlegierte Stähle: Bei diesen Stählen liegt der Anteil an Legierungselemente deutlich höher und bieten besondere Eigenschaften wie zum Beispiel eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit oder Hitzebeständigkeit, welche in spezialisierten Anwendungen zum Einsatz kommen.

Einfluss von Legierungselementen

Die Zugabe von Legierungselementen zu Stahl verändert seine Eigenschaften in vielfältiger Weise:

• Aluminium (Al): Insbesondere Aluminium wirkt als Desoxidationsmittel bei, was zur Beruhigung beim Gießen von Stahl kommt. Durch Aluminium und Stickstoff entstehen Nitride, die die Zunderbeständigkeit sowie die Koerzitivkraft von Stahl erhöhen. Bei hochlegierten Stählen in Verbindung mit Aluminium, wirkt dieses ferritstabilisierend.
• Beryllium (Be): Beryllium schränkt in Eisenlegierungen den Austenitbereich ein und wirkt als starkes Desoxidationsmittel bei der Stahlherstellung. Es erhöht die Ausscheidungshärtung, kann aber die Zähigkeit des Eisens verringern.
• Bor (B): Als Legierungselement in Eisen dient Bor als starker Neutronenabsorber, weshalb Bor-haltige Stähle oft im Atomkraftwerksbau verwendet werden. Darüber hinaus wird mithilfe von Bor die Streckgrenze sowie Festigkeit von Stahl erhöht, was wiederum die Korrosionsbeständigkeit verringern und zu Versprödungen bei Gusseisen mit Kugelgraphit führen kann.
• Cerium (Ce): Wirkt in Eisen als Desoxidationsmittel. Dabei steigt nicht nur die Zunderbeständigkeit, sondern darüber hinaus wird auch Kugelgraphit gebildet. Eisenlegierungen, die einen hohen Anteil an Cerium aufweisen, sind pyrophor, was wiederum bedeutet, dass sie sich bei Luftkontakt leicht entzünden.
• Chrom (Cr): Wird häufig in rostfreien Stählen verwendet und zieht eine Erhöhung der Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit von Stahl mit sich.
• Kohlenstoff (C): Kohlenstoff ist ein wesentliches Legierungselement in Stahl, das dessen Härte und Festigkeit maßgeblich beeinflusst. Bei höherem Kohlenstoffgehalt reduzieren sich jedoch die Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit. Der Kohlenstoffgehalt wird je nach geplanter Verwendung des Stahls angepasst. In Kombination mit Elementen wie Chrom, Vanadium und Wolfram bildet Kohlenstoff Karbide, die die Verschleißfestigkeit erhöhen.
• Kupfer (Cu): Mit Hilfe von Kupfer wird Witterungsbeständigkeit und Festigkeit von Eisenlegierungen veredelt. Dies kann aber auch die Bruchdehnung verringern.
• Mangan (Mn): Verfeinert die Schmied- und Schweißbarkeit sowie die Festigkeit und den Verschleißwiderstand von Stahl. Es mindert die Rotbruch-Neigung und verschiebt bestimmte Punkte im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, was die Eigenschaften des Stahls beeinflusst. Betrachtet man Mangan in hochlegierten Stählen, so wirkt dieser ferritstabilisierend.
• Nickel (Ni): Mit Hilfe von Nickel wird nicht nur die Zähigkeit, sondern auch die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Nickelstähle werden häufig für hochwertige Edelstahlanwendungen verwendet.
• Molybdän (Mo): Erhöht die Festigkeit und Hitzebeständigkeit. Wird oft in Werkzeugstählen und Hochleistungslegierungen verwendet.
• Phosphor (P): Mit Hilfe von Phosphor werden die Zugfestigkeit sowie die Härte und Korrosionsbeständigkeit von Eisenlegierungen erhöht. Dies führt jedoch auch zu Versprödungen.
• Schwefel (S): Schwefel verfeinert die Zerspanbarkeit von Eisenlegierungen, verringert jedoch die Duktilität.
• Silizium (Si): Als Mischkristallhärter lässt Silizium nicht nur die Zunderbeständigkeit ansteigen, sondern schränkt die Bildung von Carbiden ein und lässt die Stahlschmelze dünnflüssiger werden. Es erhöht die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zunderbeständigkeit und verschiebt bestimmte Punkte im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.
• Titan (Ti): Titan in Eisenlegierungen verhindert die interkristalline Korrosion durch Bildung von Titan-Karbid (TiC).
• Vanadium (V): Als Legierungselement bildet im Zusammenspiel mit Kohlenstoff und Stahl Vanadiumcarbid, was zu einer Steigerung von Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit führt. Durch den Zusatz von Vanadium entstehen feine Körner im Stahlgefüge, was die Schweißbarkeit dieser Stahlsorten verbessert.
• Wolfram (W): Bei der Herstellung von Stahl bildet Wolfram in Reaktion mit Kohlenstoff Wolframcarbid, wodurch der Stahl eine hohe Härte und Zähigkeit erhält. Allerdings beeinträchtigt Wolfram die Zunderbeständigkeit des Stahls negativ.

Spezifische Anwendungen und Auswahl von Stahllegierungen

Die Auswahl der richtigen Stahllegierung hängt stark von der spezifischen Anwendung ab:

• Bauwesen und Infrastruktur: Hier werden häufig unlegierte oder niedriglegierte Stähle verwendet, da sie eine gute Kombination aus Festigkeit, Schweißbarkeit und Kosten bieten.
• Werkzeug- und Formenbau: Hochlegierte Werkzeugstähle, die Elemente wie Chrom, Molybdän und Vanadium enthalten, sind hier üblich. Sie bieten eine hohe Verschleißfestigkeit und können hohen Belastungen standhalten.
• Automobilindustrie: Die Automobilindustrie benötigt Stähle, die leicht und gleichzeitig hochfest sind, um die Sicherheit zu erhöhen und das Gewicht zu reduzieren. Hier kommen oft fortgeschrittene hochfeste Stähle zum Einsatz.
• Energieerzeugung und Petrochemie: In diesen Industrien werden oft hochlegierte Stähle verwendet, die gegen extreme Temperaturen und korrosive Umgebungen beständig sind.