WK1 L__C22 - Legierungs- und Begleitelemente in Stahl

Question 1

<div>Was ist der Unterschied zwischen Begleit- und Legierungselement?</div>

Answer 1

<div>- Begleitelement: Chemische Elemente, dieunabsichtlich in den Werkstoff gelangen (z.B. alsBegleitmineral vom Erz) und meist schon in geringen Mengen einen negativen Einfluss haben können</div>

<div>- Legierungselement: Chemische Elemente, diebewusst zur Steuerung von Werkstoffeigenschaftenhinzugefügt werden</div>

Question 2

<div>Welche Begleitelemente gehören zu denunerwünschten Begleitelementen von Stahl?</div>

Answer 2

<div>- Sauerstoff</div>

<div>- Schwefel</div>

<div>- Phosphor</div>

<div>- Stickstoff</div>

<div>- Wasserstoff</div>

Question 3

<div>Welche negativen Effekte haben Sauerstoff und Schwefel als Begleitelement?</div>

Answer 3

<div>- Bestimmen die Menge an nichtmetallischenEinschlüssen</div>

<div>- Sorgen für Verschlechterung der Zähigkeit</div>

<div>- An den Korngrenzen der Einschlüsse können sichniedrig schmelzende Phasen bilden, wodurch derWerkstoff bei der Warmumformung und dem Schweißenreißen kann (z.B. bildet Schwefel mit Kupfer Kupfersulfid, das sich auf den Korngrenzen abscheidet und es zum Aufreißen an diesen Stellen beim Warmumformen kommen kann)</div>

Question 4

Welchen Effekt hat Phosphor als Begleitelement?

Answer 4

<div>- Phosphor verteilt sich erst bei Glühungen über 1000 °gleichmäßig im Gefüge</div>

<div>- Über 400° scheidet er sich bevorzugt an denKorngrenzen ab</div>

<div>- Diese Ausscheidungen sorgen für perfektenKorngrenzenbruch bei anschließender Verformung</div>

<div>- Stähle mit hohem Phosphor-Gehalt, die bei ca. 800 -900° geglüht und abgeschreckt wurden sind glasspröde</div>

Question 5

<div>Was passiert mit einem Werkstoff, wenn Stickstoff als Begleitelement auftritt?</div>

Answer 5

<div>- Stickstoff is verantwortlich für die Bildung vonCottrell'schen Wolken</div>

<div>- Streckgrenze und Zugfestigkeit erhöhen sich</div>

<div>- Dadurch sinkt die Zähigkeit</div>

Question 6

Was bewirkt Wasserstoff als Begleitelement im Stahl?

Answer 6

<div>- Wird in der Stahlschmelze gelöst und beim Erstarreneingefroren</div>

<div>- Scheidet sich bei starker Abkühlung bevorzugt an denKorngrenzen ab und rekombiniert zu molekularen Wasserstoff</div>

<div>- Durch den Gasdruck kommt es lokal zu metallisch blanken und nicht oxidierten und bis mehrere Milimeter großenAnrissen, sog. <b>Flockenrissen</b></div>

<div>- Flockenrisse sorgen für eine hohe Kerbwirkung undsind meist auf großquerschnittige Werkstückebeschränkt</div>

Question 7

<div>Bei welcher Temperatur entstehen Flockenrisse und wie kann die Bildung verhindert werden?</div>

Answer 7

<div>- Entstehen zwischen 200 und 300 ° nach schnellerAbkühlung</div>

<div>- Schmelze kann vorher entgast werden</div>

<div>- Man glüht den Werkstoff unter der eutektoidenTemperatur um den Wasserstoff ausdiffundieren zulassen (teilweise dauert das mehrere Tage)</div>

Question 8

<div>Welches unangenehmene Legierungselement tritt durch die Wiederverwendung von Schrotten mittlerweile immer häufiger auf und welche Folgen hat es?</div>

Answer 8

<div>- Es kommt zur Ansammlung von Kupfer im Stahl</div>

<div>- Kupfer reagiert mit Schwefel zu Kupfersulfid</div>

<div>- Kupfersulfid hat einen sehr niedrigen Schmelzpunktund legt sich filmartig auf die Korngrenzen</div>

<div>- Bei der Warmumformung kann es deshalb an denKorngrenzen zum Aufreißen kommen</div>

<div>- Abhilfe bringt eine teure Entschwefelung</div>

Question 9

<div>Sind Silizium und Mangan Begleit- oder Legierungselemente?</div>

Answer 9

<div>- Gelten in geringen Mengen als Stahlbegleiter</div>

<div>- In höheren Gehalten als Legierungselemente, die aufgünstige Weise die Festigkeit erhöhen und dabei dieDehnung senken</div>

Question 10

Welcher Bereich des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms ist für die Betrachtung von Legierungselementen des Stahls interessant?

Answer 10

”- Stahl hat per definitionem einen max. C-Gehalt von 2,06 %<div>- Interessant ist daher nur der linke Teil des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms (hier blau markiert)</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 11

Welche 3 Kategorien von Legierungselementen kann man grundsätzlich unterscheiden?

Answer 11

• Ferritbildner (α-Stabilisatoren)<div>- Austenitbildner (γ-Stabilisatoren)</div><div>- Karbidbildner (binäre Verbindungen aus einem Element (E) und Kohlenstoff (C) mit der Formel E_xC_y)</div>

Question 12

Wie verändert sich die Wärmebehandelbarkeit von Stählen aufgrund von Legierungselementen?

Answer 12

• Es kommt zu einer Verschiebung der Phasengrenzelinien<div> - Für die Wärmebehandelbarkeit ist vor allem die Lage des Austenitsfeldes entscheidend</div><div>- Es kommt zu Verschiebungen der Umwandlungsnasen im ZTU-Diagramm</div>

Question 13

Wodurch wird die Mischkristallbildung begünstigt?

Answer 13

<div>- Ähnliche Atomdurchmesser</div>

<div>- Geringe Neigung zur Bildung einer intermetallischenPhase</div>

Question 14

Wovon sind die Festigkeitszuwächse eines reinen Metalls durch Substitutionsatome vorwiegend abhängig?

Answer 14

• Der Atomradiendifferenz<div>- Der Veränderung des E- bzw. G-Moduls</div>

Question 15

Wie verändert sich der Gitterparameter und die Festigkeit von Eisen mit zunehmenden Legierungselementen?

Answer 15

”- Lediglich Si und das nicht dargestellte Phosphor verkleinern die Gitterkonstante<div>- Diese beide Elemente lassen die Härte (und damit auch die Festigkeit) am stärksten ansteigen</div><div>- Die Festigkeitszuwächse sind jedoch nur marginal und müssen mit sehr hohen Legierungsgehalten erkauft werden</div><div>- Martensitische Härtung ist daher oftmals einfacher und günstiger</div><div><div><br></br></div><div><img></img><img></img></div></div>”

Question 16

Welche Elemente sindγ-Stabilisatoren und wo kann die Neigung eines Elemenets zur Ausweitung bzw- Verkleinerung des Autenitgebietes abgelesen werden?

Answer 16

”- Nickel, Kobalt und Mangan sind besonders starke γ-Stabilisatoren (wie man sieht sind das auch die Elemente mit der geringsten Atomradiendiffernz)<div>- Nicht ausgefüllte Punkte bedeutenγ-Stabilisatoren, ausgefüllte α-Stabilisatoren</div><div>- Punkte mit einem Punkt sind nicht löslich</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 17

Wie sieht das Zustandsdiagramm von Eisen und demγ-Stabilisator Mangan aus?

Answer 17

”- Wie man sieht wird dieγ-Phase deutlich ausgeweitet und kann bei hohen Mn-Gehalten bis zu sehr niedrigen Temperaturen stabilisert werden<div>- Durch Zulegieren weiterer Elemente kann dieγ-Phase bis Raumtemperatur stabilisert werden<br></br><div><br></br></div><div><img></img></div></div>”

Question 18

Was für Eigenschaften weisen Mangan-Kohlenstoff-Stähle auf?

Answer 18

”- Mn ist ein starkerγ-Stabilisator, Kohlenstoff stabilisiert ebenfalls dieγ-Phase<div>- Für die Abkühlung auf Raumtemperatur gilt dann:<div><div>- Bei geringen Mn- und C-Gehalten wird Perlit gebildet</div><div>- Mit zunehmenden Gehalten kommt es zur Bildung der Phasen Martensit, Martensit-Perlit bzw. Perlit-Zementit</div><div> - Schließlich kommt es zur Stabilisierung von Austenit</div><div><br></br></div><div>- Mn-C-legierte Austenite sind bekannt als sog. <b>Manganhartstähle</b>mit ca. 12 % Mn und 1 % C</div><div>- Unter plastischer Veformung bei Raumtemperatur wird diffusionslos eine neue Phase gebildet, der sog.ε-Martensit</div><div>-ε-Martensit ist ein hex Kristall hoher Härte, der Werkstoffe sehr verschleißfest macht, aber schwierig zu bearbeiten ist</div><div><b><br></br></b></div><div><br></br></div><div><img></img></div></div></div>”

Question 19

Welches Element hat einen ähnlichen Einfluss wie Mangan?

Answer 19

”- Nickel, allerdings braucht es höhere Ni-Gehalte im Vergleich zu Mn<div>- Es wird allerdings kein Zementit oder Mischgebiet gebildet</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 20

Was ist ein Schaeffler Diagramm?

Answer 20

”- Die ferritstabilisierenden Elemente werden zu einem <b>Chromäquivalent</b>zusammengefasst<div>- Die austenitstabilisierenden Elemente werden zu einem <b>Nickeläquivalent</b> zusammengefasst</div><div><img></img></div><div>- Man erhält dann eine Übersicht über die jeweils bei Raumtemperatur vorliegende stabile Phase</div><div>- Stabiler Austenit bei ungefähr 18 % Cr und 11 % Ni</div><div><img></img></div>”

Question 21

Welche Eigenschaften weisen austenitische Cr-Ni-Stähle auf und wofür werden sie verwendet?

Answer 21

”- Chemisch sehr beständig<div>- Sehr viel kriechfester als Ferrit-Stähle</div><div>- Einsatz bei korrosiv belasteten Umgebungen und auch teilweise für kryogene Temperature, da das kfzγ-Gitter nicht schlagspröde wird, siehe Kapitel zum Kerbschlagbiegeversuch</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 22

Welche Eigenschaften weisen austenitische Stähle auf und wie können diese verändert werden?

Answer 22

• Durchlaufen keine eutektoide Umwandlung, daher nicht härtbar<div>- Festigkeitssteigerung nur durch Kaltverformung möglich</div><div>- Keine magnetische Umwandlung, daher nicht magnetisierbar</div><div><br></br></div><div>- Je nach chem. Zusammensetzung des Cr-Ni-Stahls kann bei ca. - 100° die Martensitstarttemperatur unterschritten werden</div><div> - Martensit bildet sich, der Stahl wird spröde, fest und magnetisierbar</div><div>- Diese Umwandlung kann auch bei Raumtemperatur durch große plastische Verformung ausgelöst werden, dann entsteht sog. <b>Verformungsmartensit</b></div>

Question 23

Welchen Einfluss haben die meisten Legierungselemente auf Stahl?

Answer 23

”- Cr, Mo, W, B, Al, Si, P, S, V, Nb, Ti, Ta u.a. wirken ferritstabilisierend<div>- Wie man am Diagramm unten sieht, wird dasγ-Feld durch das Silizium stark unterdrückt</div><div>- Zwischen 2 und 5 % liegt zwischen Soliduslinie und Raumtemperatur durchgehend derα-Mk vor</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 24

Wodurch werden die Grenzkonzentrationen für die maximale Ausdehunng des Austenitfeldes stark beeinflusst?

Answer 24

”- Vor allem durch dritte Elemente wie z.B. Kohlenstoff<div>- C wirkt alsγ-Stabilistor, wodurch sich die Abschnürung desγ-Feldes zu höheren Konzentrationen anα-Stabilisatoren verschiebt</div><div>- Wie man sieht benötigt es über 19 % Chrom um das Austenitfeld verschwinden zu lassen</div><div><img></img></div>”

Question 25

Was ist die Konsequenz eines Stahls, der sich nicht austentisieren lässt?

Answer 25

• Er kann nicht martensitisch gehärtet werden<div>- Es entstehen umwandlungsfreie homogene kzr-Stähle</div>

Question 26

Welche Elemente können Carbide bilden?

Answer 26

• Allen voran Cr, Mo und W, sowie die Monocarbidbildner V, Nb, Ti<div>- Sie können Carbide im Stahl bilden und das Eisenkarbid Fe₃C legieren<div>- Legierte Karbide sind intermediäre Phasen (z.B. Zementit) mit Löslichkeiten für Metallatome (z.B. Vanadium) auf den Gitterplätzen des metallbildenden Karbids (also hier Eisen)</div></div>

Question 27

Was sind die stabilsten und härtesten Karbide und welche Karbide sind am weichsten?

Answer 27

• Stabilste Karbide: Monocarbide, also ein Metallatom und ein Kohlenstoffatom (vorwiegend V, Nb, Ti und W)<div>- Weichste Karbide: Legiertes Zementit</div>

Question 28

Welchen Einfluss haben Karbide?

Answer 28

• Karbide sind sehr harte Einschlüsse<div>- Erhöhen die Festigkeit und Härte bei sinkender Zähigkeit und Bearbeitbarkeit</div>

Question 29

Welchen Einfluss haben Carbidbildner wie Nb, Ti und V auf die martensitische Härtbarkeit von Stahl?

Answer 29

• Im Austenit muss ausreichend Kohlenstoff vorliegen, so dass es bei der Abkühlung zur tetragonalen Verzerrung kommen kann<div>- Im Normalfall löst sich der Zementit im Austenit auf und stellt genügend Kohlenstoff zur Verfügung</div><div>- Die Verteilung des Kohlenstoffs erfolgt nach dem Bindungsbedarf</div><div>- Starke Karbidbildner wie Nb, Ti und V bilden bereits in der Schmelze Karbide und verarmen dadurch die Schmelze und das Zementit an Kohlenstoff</div><div>- Die Austenitisierungstemperatur zur Auflösung der Karbide muss daher deutlich höher liegen</div>

Question 30

Wie sieht das typische Karbidauflösungs-Diagramm für Schnellarbeitsstähle aus?

Answer 30

”- Bei 900° sind fast 25 % Karbide<div>- Bei 1230° hat sich der Gehalt auf etwa 8 % gesenkt, wobei sich die Monocarbide fast nicht aufgelöst haben</div><div><div><br></br></div><div><img></img></div></div>”

Question 31

Was passiert mit den Karbiden bei der Karbidauflösung und wie viel Kohlenstoff muss für die Höchsthärte mindestens im Austenit vorhanden sein?

Answer 31

• Der Kohlenstoff und die Karbid-Legierungselemente verteilen sich gleichmäßig im Austenit<div>- Zur Erreichung der Höchsthärte sollten 0,5 bis 0,6 ^m/_oKohlenstoff im Austenit gelöst sein</div>

Question 32

Was sind die zwei wichtigsten Legierungselemente von Stahl?

Answer 32

“<span> </span>Kohlenstoff und Chrom”

Question 33

Welchen drei Vorteile bietet Chrom als Legierungselement?

Answer 33

”- Vorteil 1: Chrom verschiebt den Beginn der Bainitstufe zu langen Zeiten<div> - Werkstoffe können daher einfacher martensitisch umgewandelt werden</div><div> - Gerade bei Wärmebehandlungen großer Querschnitte ist es daher unverzichtbar</div><div><br></br></div><div><img></img></div><div><br></br></div><div>- Vorteil 2: Chrom bildet eine dichte Oxidschicht, die bei chemischen Angriffen als Diffusionsbarriere und Korrosionsschutz wirkt</div><div><br></br></div><div>- Vorteil 3: Eine Kombination aus etwa 1,5 % und 12 % Cr führt zu hohen ledeburitischen Anteilen</div><div> - Dieses Ledeburit ist im Gegensatz zu Fe-C-Ledeburit warmumformbar</div><div> - Dabei wird das Chromkarbid zertrümmert und in Umformrichtung gestreckt, die Karbiddispersion ergibt eine hohe Verschleißfestigkeit</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 34

Welche Elemente können zur Kornverfeinerung beigesetzt werden?

Answer 34

• Monokarbidbildner, vorwiegend V und Nb in kleinen Gehalten unter 0,2 %<div>- Kleine Karbide scheiden sich auf den wachsenden Korngrenzen ab und behindern sie dadurch am wandern</div>

Question 35

Welche Eigenschaften haben W und Mo als Legierungselement?

Answer 35

• Beide wirken als Karbidbildner in Werkzeugstählen, wobei Mo billiger als W ist<div>- Positive Effekte auf die Korrosionsfähigkeit</div>

Question 36

Welchen Einfluss hat Vanadium auf Stähle?

Answer 36

<div>- Verwendung in Warm- und Schnellarbeitsstählen</div>

• Hohe Warmhärte bis etwa 550°<div>- Vanadiumkarbide werden versetzungsbehindernd ausgeschieden, daher ergibt sich die hohe Warmhärte</div>

Question 37

Welche Eigenschaftsänderungen ruft Silizium als Legierungselement hervor?

Answer 37

• Si senkt die Stabilität des Zementits, bei hohen Si-Gehalten zerfällt Zementit vollständig<div>- Si senkt Oberflächenspannung und Viskosität, das Formfüllungsvermögen (also die Fähigkeit sich in die Gussform einzupassen) ist bei Stählen mit hohem Si-Gehalt stark erhöht</div><div>- Si-Gehalte von 1 bis 3 % und C-Gehalte um den eutektischen Punkt ergeben hervorragend gießbare Werkstoffe</div>

Question 38

Was versteht man unter weißem Gusseisen und wofür wird es verwendet?

Answer 38

• Werkstoffe mit ca. 1 % Si und 3 % C<div>- Zementit wird nicht vollständig zerlegt, sondern bildet große Zementitmengen</div><div>- Sehr verschleißfest und häufig eingesetzt für verschleißbeanspruchte Teile wie Nockenwellen oder Kipphebel</div>

Question 39

Was passiert mit weißem Gusseisen wenn es in entkohlender Atmosphäre geglüht wird?

Answer 39

• Es kommt zu einer oberflächlichen Entkohlung<div>- Es entsteht eine ferritische oder ferritisch-perlitische Außenhaut</div><div>- Bis 5 mm Querschnitt kann das Werkstück vollständig entkohlt werden, darüber behält das Werkstück einen perlitischen, wärmebehandelbaren Kern</div>

Question 40

Was passiert bei der Glühung in kohlungsneutraler Atmosphäre mit weißem Gusseisen?

Answer 40

• Das Zementit zerlegt sich in Ferrit und Graphit, sog. <b>Temperkohle</b><div>- Das Graphit bildet Nester, die geringe innere Kerbwirkung verursachen</div>

Question 41

Was ist der Unterschied zwischen weißem und schwarzen Temperguss?

Answer 41

• Weiß: Glühung in entkohlender Atmosphäre, daher weißes Aussehen bei Bruch<div>- Schwarz: Glühung in kohlungsneutraler Atmosphäre, Graphitausscheidungen sehen beim Bruch schwarz aus</div>

Question 42

Wo wird Temperguss verwendet und warum?

Answer 42

• Häufige Verwendung in der Automobilindustrie<div>- Hervorragende Formgebungseigenschaften, geringe Materialkosten und gute Festigkeitseigenschaften</div>

Question 43

Wie verhält sich Gusseisen mit ca. 2 % Si-Gehalt?

Answer 43

• Beim Erstarren wird der Kohlenstoffgehalt vorwiegend als lamellarer Graphit ausgeschieden<div>- Es ensteht eine Art perlitisches Gefüge mit Lamellengraphit</div><div>- Einfach spanend zu bearbeiten, allerdings hohe Kerbwirkung durch die Graphitlamellen, dadurch geringe Zähigkeit und Festigkeit</div>

Question 44

Was ist vermikulares Gusseisen?

Answer 44

• Gusseisen mit ca. 2 % Si-Gehalt undgeringen Mengen Cer<div>- Durch das Ce sind die Graphitlamellen nicht mehr so scharfkantig und lang</div><div>- Zugfestigkeit steigt um bis zu 60%</div>

Question 45

Was ist Kugelgraphitguss?

Answer 45

• Gusseisen mit ca. 2 % Si<div>- Hinzugabe von Magnesium, Mangan, Phosphor und Schwefel</div><div>- Graphit fällt nicht mehr lamellar, sondern kugelförmig aus</div><div>- Ähnelt in seinen Eigenschaften (bis auf die Zähigkeit) Stahl, kann allerdings in viel kompliziertere Formen gegossen werden</div>

Question 46

Was sind Automatenstähle und wieso heißen sie so?

Answer 46

• Schwefel und Mangan im Stahl bilden <b>Mangansulfide</b>, die bei Warumumformung fädenartige Einschlüsse bilden<div>- Die Zähigkeit quer zu den Fäden sinkt dadurch stark, dies kann i.d.R. jedoch vernachlässigt werden</div><div>- Bei Zerspanung kommt es zu kurzen Spänen und geringem Werkzeugverschleiß</div><div>- Stähle mit ca 0,25 % Schwefel und 1 % Mangan werden daher besonders häufig in Drehautomaten verarbeitet</div>