In diesem Werkstofftechnik-Skript wird der Einfluss von unterschiedlichen Legierungselementen auf Stahl beschrieben. Dabei sei angemerkt, dass auch sogenannter unlegierter Stahl immer neben Eisen (Fe) die Elemente Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Phosphor (P) und Schwefel (S) enthält. Legierungselemente können einen sehr unterschiedlichen Einfluss auf die die Eigenschaften des Stahls haben.
Legierungselement Aluminium
Aluminium wirkt in Eisen als starkes Desoxidationsmittel zur Stahlberuhigung (beim Gießprozess). Aluminium bildet außerdem mit Stickstoff Nitride (=> Nitrierstahl), es erhöht die Zunderbeständigkeit und erhöht die Koerzitivkraft. Außerdem wirkt Aluminium in hoch legierten Stählen ferritstabilisierend.
Legierungselement Beryllium
Durch die Wirkung von Beryllium als Legierungselement in Eisen wird das γ-Gebiet (Austenit) abgeschnürt. Beryllium wirkt als starkes Desoxidationsmittel bei der Stahlherstellung und es erhöht die Ausscheidungshärtung.
Als negative Wirkung senkt Beryllium als Legierungselement in Eisen die Zähigkeit.
Legierungselement Bor
Bor wirkt als Legierungselement in Eisen als starker Neutronen-Absorber. Diese Arte der Legierung findet daher in Stählen für den Atomkraftwerksbau Verwendung. Ferner erhöht Bor die Streckgrenze und Festigkeit des Stahls.
Ein negativer Effekt von Bor als Legierungspartner ist, dass es die Korrosionsbeständigkeit verringert und bei Gusseisen mit Kugelgraphit zur Versprödung führt.
Legierungselement Cerium
Cerium wirkt in Eisen als Desoxidationsmittel und es erhöht die Zunderbeständigkeit. Es fördert bei Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG) die Bildung von Kugelgraphit. Außerdem sind Eisen-Legierungen mit bis zu 30% Eisen pyrophor (wird in Feuerzeugen als Feuerstein verwendet).
Legierungselement Chrom
Chrom senkt als Legierungselement in Eisen die kritische Abkühlgeschwindigkeit, steigert Verschleißfestigkeit, Warmfestigkeit Zunderbeständigkeit. Es erhöht die Zugfestigkeit, da es als Carbidbilder wirkt. Da es ab einem Massegehalt von 12,2% die Korrosionsbeständigkeit steigert, wird es zu Herstellung von Edelstahl verwendet (V2A, V4A). Außerdem wirkt es ferritstabilisierend und schnürt das γ-Gebiet ein.
Chrom hat eine nachteilige Wirkung, indem es die Kerbschlagarbeit und Schweißeignung verringert. Es senkt die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit.
Chrom verschiebt den Punkt S (Eutektoid) im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm weiter nach oben in den Bereich höherer Temperatur und den Punkt E nach oben links in den Bereich höherer Temperatur und geringeren Kohlenstoffgehalts.
Legierungselement Kohlenstoff
Die Wirkung von Kohlenstoff ist für die Werkstofftechnik von sehr hoher Bedeutung. Zum einen senkt Kohlenstoff als Legierungselement in Eisen den Schmelzpunkt, während er durch Fe3C-Bildung die Härte und Zugfestigkeit erhöht. Eine Eisenlegierung wird außerdem als Stahl bezeichnet, wenn der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,002 % und 2,06 % liegt. Stahl lässt sich jedoch erst ab einem Kohlenstoffgehalt von 0,3% härten.
Wenn Kohlenstoff in der Legierung in größeren Mengen vorhanden ist, erhöht es die Sprödigkeit und senkt damit Schmiedbarkeit, Schweißeignung, Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit.
Legierungselement Kupfer
Kupfer erhöht als Legierungselement in Eisen die Witterungsbeständigkeit und Festigkeit, während es die Bruchdehnung deutlich verringert.
Legierungselement Mangan
Wird Mangan in Stahl zulegiert verbessert es die Schmiedbarkeit, die Schweißbarkeit, die Festigkeit und den Verschleißwiderstand. Außerdem hat Mangan in Eisen die positive Wirkung die Rotbruch-Neigung zu mindern.
Mangan verschiebt den Punkt S (Eutektoid) im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm weiter nach oben in den Bereich höherer Temperatur und den Punkt E nach oben links in den Bereich höherer Temperatur und geringeren Kohlenstoffgehalts. Außerdem wirkt Mangan in hoch legierten Stählen ferritstabilisierend.
Legierungselement Molybdän
Molybdän verbessert in Eisen-Legierung die Härtbarkeit, Zugfestigkeit und Schweißbarkeit.
Negativ ist, dass der Haltepunkt A1 leicht nach oben verschoben wird. Außerdem senkt Molybdän die Schmiedbarkeit und Dehnbarkeit.
Molybdän verschiebt den Punkt S (Eutektoid) im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm weiter nach oben in den Bereich höherer Temperatur und den Punkt E nach oben links in den Bereich höherer Temperatur und geringeren Kohlenstoffgehalts.
Legierungselement Nickel
Nickel erhöht in Stahl die die Zugfestigkeit und die Streckgrenze. Ab einem Anteil von 8% macht Nickel einen Stahl korrosionsbeständig.
Ein nachteiliger Einfluss von Nickel auf Stahl ist, dass es den Haltepunkt A1 um 10 K je 1% Ni nach unten verschiebt. Außerdem wirkt Nickel in hoch legierten Stählen ferritstabilisierend.
Legierungselement Phosphor
Phosphor erhöht in Eisen-Legierungen die Zugfestigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit.
Es hebt jedoch den Haltepunkt A1 leicht an und führt zu Versprödung.
Legierungselement Schwefel
Schwefel als Legierungselement von Eisen erhöht die Zerspanbarkeit, mindert jedoch die Duktilität.
Legierungselement Silizium
Silizium erhöht in Eisen-Legierungen die Zunderbeständigkeit, es ist ein Mischkristallhärter und behindert die Bildung von Carbiden. Bei der Stahlherstellung hat es die positive Wirkung die Schmelze dünnflüssiger zu machen und dient als Desoxidationsmittel. Ein weiterer positiver Einfluss von Silizium auf Stahl ist, dass es die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zunderbeständigkeit erhöht.
Darüber hinaus verschiebt Silizium den Haltepunkt A1 nach oben (um 20 - 30 K je 1% Si, jedoch nur bis 3%). Es verschiebt den Punkt S (Eutektoid) im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm weiter nach oben in den Bereich höherer Temperatur und den Punkt E nach oben links in den Bereich höherer Temperatur und geringeren Kohlenstoffgehalts. Außerdem wirkt Silizium in hoch legierten Stählen ferritstabilisierend.
Legierungselement Titan
Titan verhindert als Legierungselement in Eisen-Legierungen die interkristalline Korrosion durch Bildung von TiC.
Legierungselement Vanadium
Vanadium erhöht in Eisen-Legierungen die Zugfestigkeit.
Es verschiebt jedoch den Haltepunkt A1 leicht nach oben
Legierungselement Wolfram
Wolfram wirkt als Carbidbildner und erhöht somit die Zugfestigkeit deutlich.
Es verschiebt jedoch den Haltepunkt A1 schwach nach oben.
Verschiebt den Punkt S (Eutektoid) im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm weiter nach oben in den Bereich höherer Temperatur und den Punkt E nach oben links in den Bereich höherer Temperatur und geringeren Kohlenstoffgehalts.