Einteilung der Werkstoffe

Präsentation zum Thema: "Einteilung der Werkstoffe"—  Präsentation transkript:

1 Einteilung der Werkstoffe
Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

2 Einteilung der Stähle W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

3 nach chem. Zusammensetzung
Qualitätsstähle Edelstähle unlegiert (LE < 1%) Anforderungen z.B. an - Korngröße - Verformbarkeit - Zähigkeit Anforderungen z.B. an - Reinheit, - Korrosionsschutz - Magnetisierbarkeit niedrige Gehalte an P und S legiert niedrig (LE < 5%) Nicht rostende Stähle „Nirosta“ (> 10,5% Cr) hoch (LE > 5%) Anwendung Unlegierte Qualitäts- stähle werden als warmgewalzte Flach- und Langprodukte verwendet (Profile, Rohre) Legierte Edelstähle werden als Behälter für Lebensmittel, Leitungen für Chemikalien, Regale und Arbeitsflächen für die Küche oder als Werkzeuge eingesetzt. Einteilung nach chem. Zus.setzung W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

4 nach chem. Zusammensetzung
Qualitätsstähle Edelstähle unlegiert Wärme-Behandlung bei Bedarf werden vergütet oder Oberflächen gehärtet legiert keine Wärme-Behandlung Einteilung nach chem. Zus.setzung W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

5 Einteilung nach C-Gehalt
A = allgemeiner Baustahl (C < 0,5%) W = Werkzeugstahl (C > 0,5%) Einteilung nach Eutektoid Übereutektoide Stähle (C>08,%) erlangen durch das Härten und Vergüten eine hohe Festigkeit, sind jedoch ähnlich wie die Gusseisenwerkstoffe spröde und schlagempfindlich. Untereutektoide Stähle besitzen eine geringere Festigkeit, sind dafür aber besser verformbar. Einteilung nach C-Gehalt W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

6 Einteilung nach C-Gehalt
Allgemeiner Baustahl Baustähle sind Stähle für den Stahl- und den Maschinenbau, die nicht als Werkzeugstahl verwendet werden. Sie sind meist niedrig legiert und nur teilweise wärmebehandelt (wenn wärmebehandelt dann normalisiert, auch Normalglühen genannt). Daraus ergeben sich mäßige Eigenschaften (die aber für viele Anwendungen ausreichend sind) bei einem günstigen Preis. Aber auch legierte Edelstähle finden als Baustähle Verwendung. Im Allgemeinen zählen so gut wie alle kohlenstoffarmen Stähle zu den Baustählen. Bei den kohlenstoffreicheren Sorten sind die Grenzen fließend. Baustähle sind schweißbar und können spannungsarm geglüht werden. Einteilung nach C-Gehalt W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

7 Einteilung nach C-Gehalt
Allgemeiner Baustahl Erster Buchstabe des Kurznamens: S…… Stähle für Stahlbau P…… Stähle für Druckbehälter (Pressure=Druck) L…… Stähle für Leitungen E…….Stähle für Maschinen („Elektrisch“) B…….Stähle für den Betonbau Einteilung nach C-Gehalt Beispiel: S 235 JR S = Baustahl 235 = Mindeststreckgrenze (Re): 235 N/mm² J = Kerbschlagarbeit in Joule (J) wobei: J=27J, K=40J, L=60J R= Prüftemperatur wobei: R=Raumtemp., 0=0°C, 2= - 20°C, … W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

8 Allg. Baustahl: Einsatzstahl
Das Einsatzhärten wird immer angewandt, wenn - eine harte Oberfläche und - aber ein zäher, elastischer Kern verlangt wird, Beispiel Zahnräder: Zahnflanke sehr hart → verschleißfeste Oberfl. Zahnfuß zäh und elastisch → bricht nicht ab. Einsatzstähle weisen, gleichgültig ob legiert oder unlegiert, einen C-gehalt von 0,1 bis 0,2 % auf. Beispiele: C15E: unlegierter Stahl 0,15 % C; unlegiert 20MnCr5 17CrNiMo6 16MnCr5 15CrNi6 Einteilung nach Anwendung E Einsatz gehärtete Zahnräder legiert W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

9 Allg. Baustahl: Einsatzstahl
Die Härtbarkeit eines Stahles ist in allererster Linie abhängig von seinem Kohlenstoffgehalt. Ohne Kohlenstoff ist ein Härten und eine Festigkeitssteigerung des Stahls durch Wärmebehandlung nicht möglich. Schon geringe Veränderungen im C-Gehalt verändern die Eigenschaften des Stahls. Je höher der C-Gehalt, desto größer die zu erreichende Härte. Einteilung nach Anwendung Beim Einsatzhärten wird den Stählen mit ausgehend tiefem C-Gehalt ( %) die Oberfläche in einem ersten Verfahrensschritt bis 1 mm Tiefe aufgekohlt, um einen C-Anteil (bis 0.8%) zu erzielen, welcher im anschliessenden Verfahrensprozess härtbar ist. W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

10 Allg. Baustahl: Vergütungsstahl
V = Vergütungsstahl (0,25 bis 0,5%C) gehört zu den Allgemeinen Baustählen ist legiert oder unlegiert ist wegen C-Gehalt zum Härten geeignet weist nach dem Anlassen gezielte mechanische Eigenschaften auf, z.B. hohe Zugfestigkeit bei guter Zähigkeit. Einteilung nach Anwendung Beispiele: C30E → Baustahl mit 0,3%C, unlegiert 25CrMo4 → legierter Baustahl mit 0,25% C V W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

11 Allg. Baustahl: Vergütungsstahl
Man verwendet Vergütungsstahl für Kurbelwellen (Abb. rot), Achsen, Wellen, Pleuelstangen, Bolzen, Schrauben und andere Konstruktionsteile höherer Festigkeit, wie zum Beispiel Flugzeugfahrwerke (Zugfestigkeiten bis zu MPa). Einteilung nach Anwendung Beispiel: Bei dem Stahl der Spezifikation C45E handelt es sich um einen Vergütungsstahl mit 0,45 % Kohlenstoff. Das E steht dabei für einen besonders kleinen Gehalt an Phosphor (≤0,025 %) und Schwefel (≤0,035 %). W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

12 Einteilung nach C-Gehalt
Werkzeugstahl Werkzeugstahl wird zur Fertigung von Werkzeugen und Formen verwendet. Legierte Werkzeugstähle werden in höher beanspruchten Werkzeugen eingesetzt und sind meistens durchhärtbar. Zudem verziehen sie sich beim Härten nicht so sehr, je nach dem welche Legierungselemente vorhanden sind. Einteilung nach C-Gehalt W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

13 Einteilung nach C-Gehalt
Werkzeugstahl W = Werkzeugstahl (0,5 bis 2,06%C) - unlegiert: Nach einer gezielten Wärmebehandlung können sie sich durch hohe Oberflächenhärte, hohe Verschleißfestigkeit und gute Schneidfähigkeit bei zähem Kern auszeichnen (reine Schalenhärter). werden bei über 200° wieder weich - legiert: Durch die LE werden die Stähle durchhärtbar und können bei über 200° eingesetzt werden. Je nach Arbeitstemperatur teilt man sie auf in - Kaltarbeits-St. (T bis 200°C) - Warmarbeits-St. (T bis 400°C) - Schnellarbeits-St. (T bis 600°C), = HHS (high speed steel) Einteilung nach C-Gehalt W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

14 Exkurs: „Durchhärtung“
Ab der Mindest-Abkühlgeschwindigkeit bildet sich ca. 50% Martensit für eine ausreichende Härtung. Das ist die kritische Abkühlgeschwindigkeit. Soll der ganze Querschnitt eines Werkstücks gehärtet werden, spricht man von Durchhärtung. Will man dickwandige Bauteile durchhärten, so muss man den Stahl legieren, damit er eine niedrigere kritische Abkühgeschwindigkeit hat. C muss zwangsgelöst bleiben, darf also nicht diffundieren, was er bei zu langsamer Abkühlung sofort macht. LE vermögen es, C zu binden – sie verhindern die Diffusion der C-Atome. Legierter Stahl kann somit langsamer abgeschreckt werden als unlegierter Stahl; es bildet sich immer noch ausreichend Martensit. Besonders wirksam sind die LE Mn, Cr, Ni und V. Einteilung nach C-Gehalt W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

15 Fragen Welche beiden Stahlsorten gibt es, wenn man nach dem C-Gehalt einteilt? Allgemeine Baustähle und Werkzeugstähle Welche speziellen Stähle gehören zu den Allgemeinen Baustählen? Vergütungs- und Einsatzstähle. In welche Untergruppen kann man Werkzeugstähle einteilen? in Kaltarbeits-, Warmarbeits- und Schnellarbeitsstähle. Warum sind unlegierte Werkzeugstähle meist Kaltarbeitsstähle? Weil sie ab 200°C ihre Härte verlieren würden. Welche LE verhindern die vorzeitige Diffusion von C-Atomen beim langsamen Abschrecken? Mn, Cr, Ni und V („Man chrommt nicht vorbei“) Welcher Stahl wäre für den Bau einer Kurbelwelle geeignet? Arbeitstemp. < 200°C, möglichst preiswert → Ein Vergütunsstahl Einsatzstähle sind für das Einsatzhärten geeignet, weil ihr Kohlenstoffgehalt … … relativ gering ist. Er wird dann an der Oberfläche erhöht. Fragen W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

16 Benennung der Stähle In Europa und damit in Deutschland sind etwa Stahlsorten so gängig, dass sie in der Europäischen Stahlregistratur, die vom Verein Deutscher Eisenhüttenleute (VDEh) in Düsseldorf betreut wird, mit Werkstoffnummern versehen und registriert worden sind. Der «Stahlschlüssel», den der VDEh in Abständen herausgibt, ist das zusammen fassende Ergebnis dieser Registrierung. W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

17 Benennung der Stähle Werkstoffnummer: 1.0037 S235JR C15
Für Stähle gibt es zwei unterschiedliche Arten der Bezeichnung: 1) Bezeichnung nach Werkstoffnummern – DIN EN Gußeisen Stahl Schwermetalle Leichtmetalle 2) Bezeichnung nach Kurznamen – DIN EN Hauptgruppe 1: Aus der Bezeichnung der Stähle kann man mechanische Eigenschaften heraus lesen. Die Kurznamen für Stähle in der Hauptgruppe 2 geben Aufschluss über deren chemische Zusammensetzung. Unlegierte Stähle Legierte Stähle Hoch legierte Stähle Schnellarbeitsstähle Werkstoffnummer: entspricht S235JR S235JR C15 W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

18 Bezeichnung der Stähle
Werkstoffnummern Beispiele: Qualitäts-Stahl Edel-Stahl unlegiert 1.00xx – 1.09xx 1.1xxx – 1.89xx legiert Nirosta 1.40xx – 1.45xx W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

19 Bezeichnung der Stähle
Kurznamen, mechanisch W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

20 Bezeichnung der Stähle
Kurznamen, mechanisch W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

21 Bezeichnung der Stähle
Kurznamen, chemisch Beispiele: C10 → 0,10% C, Einsatzstahl, nicht härtbar. C35 → 0,35% C, Vergütungsstahl, härtbar. C110 → 1,1% C, Werkzeugstahl, härtbar. W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

22 Bezeichnung der Stähle
Kurznamen, chemisch Das „C“ entfällt Beispiele: 16MnCr5 → 0,16% C, Einsatzstahl, 5/4% Mn, Cr < 0,7%. 34CrAlMo5 → 0,34% C, Nitrierstahl, 5/4%Cr, Al und Mo jew. < 0,7%. 11MoCrV7-2-4 → 0,11% C, Schweißzusatz, warmfester Stahl, 7/10% Mo, 2/4%Cr, 4/10%V. W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

23 Bezeichnung der Stähle
Kurznamen, chemisch Das „C“ entfällt Merkhilfen: Man Sieht Nie 4 Weiße CroCodile „AlCuMoTaTiV“ Mit 100 PS nach Celle (bei Lüneburg) W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

24 Bezeichnung der Stähle
Kurznamen, chemisch Das „C“ entfällt Beispiele: X 20 Cr 13 → 0,2% C, Nirosta, vergütbar, 13% Cr . 6CrNiMo17-13 → 0,06% C, Hochwarmfester Stahl, 17% Cr, 13%, Mo < 0,7%. W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

25 Bezeichnung der Stähle
Kurznamen, chemisch Der Kurzname beginnt mit HS. Es folgen, stets in der Reihenfolge W, Mo, V, Co „wenig Motor – viel CO“ die Massengehalte in gerundeten Zahlen. Beispiel: HS → Schnellarbeitsstahl (hochlegierter Stahl für Werkzeuge) 10%W, 4%Mo, 3%V, 10%Co. W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

26 Bezeichnung der Stähle
HS → Schnellarbeitsstahl 10%W, 4%Mo, 3%V, 10%Co. S235JR G 2M → Baustahl, Re = 235 N/mm², Kerbschlagarbeit 27J. Was bedeutet der Buchstabe B als erster Buchstabe im Kurznamen? → Betonstahl C35 → Unlegierter Qualitäts-Stahl mit 0,35% Kohlenstoff 10CrMo 9-10 → 0,1% Kohlenstoff, 9/4% Chrom (Man Sieht Nie 4 weiße CroCodile), 10/10=1% Mo. Alle LE < 5% , daher niedrig legierter Stahl. X5CrNi 18-8 → 0,05% Kohlenstoff, 18% Cr, 8% Ni. Vorsicht, bei Edelstahl nicht dividieren! Fragen W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

27 Korrosionsbeständige Stähle
Mit LE kann man die Gitterstruktur des Stahls beeinflussen, z.B. bei Raumtemperatur einen austenitischen Stahl erzeugen. LE, die das Phasengebiet für Austenit bzw. für das Ferrit erweitern, nennt man Austenitbildner bzw. Ferritbildner. Austenitische und ferritische Stähle haben auf Grund ihres hohen Chrom-Gehalts einen hohen Korrosions-Widerstand. Außerdem gibt es folgende korrosionsresistente Stähle: martensitische St. aust.-ferrit. Stähle Änderung des Fe-C-Diagramms (Mitte) durch Ferritbildner (links) bzw. durch Austenitbildner (rechts). W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

28 Korrosionsbeständige Stähle
Vorteile des ferritischen ggü. dem austenitischen Stahl: Ferritischer Stahl ist beständig gegen Spannungsrisskorrosion durch Chlor → Einsatz im Schwimmbad und entsprechender chem. Anlangen. Da ferritische Stähle kein Nickel enthalten, sind ihre Preise niedriger und stabiler als die der austenitischen. Nachteile des ferritischen Stahls sind seine Kerbschlag-Empfindlichkeit sein geringerer Korrosionswiderstand. Im Unterschied zum austenitischen Stahl ist ferritischer Stahl magnetisch. → Kochgeschirr für Induktionsherde Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven nach R. Oppenheim W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

29 Korrosionsbeständige Stähle
Ferritische Stähle mit max. (nur) 12% Cr. haben einen begrenzten Korrosionswiderstand → sie sind „korrosionsträge“ Ferr. Stähle mit bis zu 17% Cr sind „korrosionsbeständig“. Mit einem Zusatz von 1% Mo → „sehr korrosionsbeständig“ Titan oder Niob bilden Carbide (TiC, NiC) → C wird abgebunden → beständig gegen interkristalline Korrosion. Ferritische Stähle W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

30 Korrosionsbeständige Stähle
Ferritbildner sind die LE: V, Cr, Nb, Si, Mo, Ti Ferritische Stähle Merkhilfe: Verchromte Nobel-Fähren (→ Ferrit) Sinken Montags Tief W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

31 Korrosionsbeständige Stähle
Nachteile austenitischer Stähle: Nicht härtbar nicht vergütbar Zugfestigkeit ist nur halb so hoch wie bei ferritischen Stählen teurer als ferritische Stähle Vorteile: doppelt so hohe Bruchdehnung → Sicherheit gegen Bruch gut schweißbar gut umformbar sehr korrosionsbeständig Austenitische Stähle W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

32 Korrosionsbeständige Stähle
Austenitbildner sind die LE: Mn, N, Ni, C Austenitische Stähle Merkhilfe: Man erStickt Austern (→ Austenit) Nie in Kohle (→ C) W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello