Metallkunde: Eigenschaften, Herstellung und Phasen von Stahl

Metallstruktur und ihre Bedeutung

Die Größe und Anordnung der Körner, aus denen die Metallstruktur (Granulat) besteht, ist sehr wichtig, da die Eigenschaften eines Metalls davon abhängen.

Arten von HSS-Stahl

• Mikrolegierter Stahl
• Dual-Phase-Stähle
• Rephosphorisierte Stähle
• Bake-Hardening-Stähle
• IF-Stähle
• TRIP-Stähle

Aktive Materialien

Die bemerkenswerte Eigenschaft dieser Materialien liegt in der Veränderung, die sie als Reaktion auf bestimmte Reize erfahren. Diese Materialien ändern ihre Eigenschaften automatisch.

Physikalische Eigenschaften

• Schmelzbarkeit: Die Eigenschaft, dass Metalle unter der Einwirkung von Wärme verflüssigt werden können.
• Spezifische Wärme: Die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur einer Masseeinheit eines Körpers von 0 °C auf 1 °C zu erhöhen.
• Dilatibilität: Die Eigenschaft, dass Materialien ihr Volumen durch Wärme erhöhen können.
• Schmelzpunkt: Die Temperatur, bei der ein Metall seinen Aggregatzustand durch Wärme ändert.
• Wärmeleitfähigkeit: Die Eigenschaft, Wärme durch seine Masse zu übertragen.
• Elektrische Leitfähigkeit: Die Leichtigkeit, mit der Metalle elektrischen Strom durch ihre Masse leiten können.

Chemische Eigenschaften

• Oxidation: Eine chemische Verbindung von Sauerstoff mit Metallelementen, die zu Korrosion und dem Abbau des Metalls führt.
• Korrosion: Die langsame Zersetzung eines Metalls durch äußere Einflüsse.

Mechanische Eigenschaften

• Zähigkeit: Die Eigenschaft, die es Metallen ermöglicht, Belastungen zu widerstehen, ohne zu brechen oder sich zu verformen.
• Elastizität: Die Eigenschaft, die es Metallen ermöglicht, nach einer Verformung in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren.
• Plastizität: Die Fähigkeit von Materialien, eine bleibende Verformung anzunehmen.
• Formbarkeit: Die Eigenschaft einiger Metalle, sich unter Druckspannung zu Platten formen zu lassen.
• Duktilität: Die Eigenschaft einiger Metalle, sich unter Zugspannung zu dehnen.
• Ermüdung: Die Eigenschaft von Metallen, bei wiederholter Belastung unterschiedlicher Größenordnung zu versagen.
• Bruchfestigkeit: Die maximale Belastung, die ein Metall aushalten kann, ohne zu brechen.
• Einschnürung: Die Eigenschaft, dass Metalle bei Zugbelastung eine Querschnittsverringerung erfahren, bevor sie brechen.
• Härte: Der Widerstand von Metallen gegen Eindringen.
• Sprödigkeit: Die Eigenschaft von Metallen, leicht zu brechen, wenn sie einer Belastung ausgesetzt sind.

Herstellung von Stahl

1. Rohstoffe
2. Erze
3. Flussmittel
4. Koks (Kohle)
5. Hochofen
6. Roheisen
7. Konverter
8. Stahl
9. Strangguss
10. Konventionelles Gießen
11. Formgebung
12. Walzen
13. Schmieden
14. Walzprodukte
15. Stäbe
16. Bleche
17. Coils
18. Nahtlose Rohre
19. Zuschnitte
20. Gewalzte Produkte
21. Schmiede- und Stanzteile
22. Gussteile

Prozessbeschreibung der Stahlherstellung

In den Hochofen werden Eisenerz, Flussmittel und Brennstoffe gegeben. Der Ofen wird mit Eisenerz, Koks, Kalkstein und heißer Luft geladen. Im Hochofen wird aus dem Eisenerz durch die Hitze des Kokses das Erz geschmolzen. Kohlenmonoxid entzieht dem Eisenoxid den Sauerstoff. Kalkstein bindet Schwefel und Siliziumdioxid, um das Eisen zu reinigen, und heiße Luft liefert den für die Verbrennung des Kokses benötigten Sauerstoff.

Daraus entsteht Roheisen, das zum Konverter transportiert wird, um flüssigen Stahl zu gewinnen. Der flüssige Stahl wird anschließend im Stranggussverfahren oder durch konventionelles Gießen zu Halbfertigprodukten oder Stahlguss verarbeitet. Die Halbfertigprodukte werden durch Formgebungsprozesse wie Walzen und Warmumformung zu kommerziellen Produkten weiterverarbeitet.

Allotrope Formen von Eisen

Alpha-Eisen (α-Eisen)

Existiert unter 911 °C. Es ist bis 768 °C magnetisch.

Gamma-Eisen (γ-Eisen)

Existiert zwischen 911 °C und 1400 °C. Es ist nicht magnetisch, dichter und dehnbarer als Alpha-Eisen und kann mehr Kohlenstoff lösen.

Delta-Eisen (δ-Eisen)

Allotrope Form, die zwischen 1400 °C und dem Schmelzpunkt von 1539 °C existiert. Es ist schwach magnetisch und löst nur einen geringen Kohlenstoffgehalt.

Phasen im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

1. Geschmolzenes Metall (Flüssigkeit)
2. Austenit
3. Ferrit + Austenit
4. Perlit + Ferrit
5. Perlit
6. Austenit + Flüssigkeit
7. Austenit + Zementit
8. Perlit + Zementit
9. Metallische Phase
10. Ledeburit + Austenit + Zementit
11. Perlit + Zementit
12. Zementit + Flüssigkeit
13. Ledeburit
14. Perlit + Zementit

Eisen-Kohlenstoff-Legierungen

In diesen Legierungen kann Kohlenstoff in Form von Zementit (Eisenkarbid) vorliegen, gelöst sein (z.B. in Ferrit, Austenit und Martensit) oder als freier Graphit auftreten.

Bestandteile von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen

Ferrit

Ferrit ist weich, hat eine geringe Festigkeit, ist zäh und magnetisch.

Zementit

Zementit ist ein härterer und spröderer Bestandteil und ist bis 210 °C magnetisch.

Perlit

Perlit ist widerstandsfähiger und härter als Ferrit, aber weicher und formbarer als Zementit.

Austenit

Austenit ist dicht und nicht-magnetisch. Es lässt sich dank seiner Plastizität gut bearbeiten.

Martensit

Martensit wird durch die sehr schnelle Umwandlung von Austenit (durch Abschrecken) gewonnen. Es besitzt eine hohe Härte und Festigkeit, ist jedoch wenig dehnbar und verformbar.