Einfluss chemischer Elemente auf die Eigenschaften von Stahlblech
Eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 2,11 % wird als Stahl bezeichnet. Neben chemischen Bestandteilen wie Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C) enthält Stahl auch geringe Mengen an Silicium (Si), Mangan (Mn), Phosphor (P), Schwefel (S), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Niob (Nb) und Titan (Ti). Der Einfluss gängiger chemischer Elemente auf die Stahleigenschaften ist wie folgt:
1. Kohlenstoff (C): Mit steigendem Kohlenstoffgehalt im Stahl erhöhen sich Streckgrenze und Zugfestigkeit, während Plastizität und Schlagzähigkeit abnehmen. Übersteigt der Kohlenstoffgehalt jedoch 0,23 %, verschlechtert sich die Schweißbarkeit des Stahls. Daher liegt der Kohlenstoffgehalt von niedriglegiertem Baustahl für Schweißzwecke üblicherweise unter 0,20 %. Ein erhöhter Kohlenstoffgehalt verringert zudem die Witterungsbeständigkeit des Stahls, und hochkohlenstoffhaltiger Stahl korrodiert leicht an der Luft. Darüber hinaus kann Kohlenstoff die Kaltversprödung und die Alterungsempfindlichkeit des Stahls erhöhen.
2. Silizium (Si): Silizium ist ein starkes Desoxidationsmittel im Stahlherstellungsprozess. Der Siliziumgehalt in beruhigtem Stahl liegt üblicherweise zwischen 0,12 % und 0,37 %. Übersteigt der Siliziumgehalt 0,50 %, wird Silizium als Legierungselement bezeichnet. Silizium kann die Elastizitätsgrenze, die Streckgrenze und die Zugfestigkeit von Stahl deutlich verbessern und wird daher häufig als Federstahl eingesetzt. Die Zugabe von 1,0–1,2 % Silizium zu vergütetem Baustahl kann die Festigkeit um 15–20 % erhöhen. In Kombination mit Silizium, Molybdän, Wolfram und Chrom verbessert es die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit und kann zur Herstellung von hitzebeständigem Stahl verwendet werden. Kohlenstoffarmer Stahl mit einem Siliziumgehalt von 1,0–4,0 % und extrem hoher magnetischer Permeabilität wird in der Elektroindustrie als Elektrostahl eingesetzt. Ein erhöhter Siliziumgehalt verringert die Schweißbarkeit des Stahls.
3. Mangan (Mn): Mangan ist ein gutes Desoxidations- und Entschwefelungsmittel. Stahl enthält üblicherweise 0,30–0,50 % Mangan. Bei einem Mangangehalt von über 0,70 % spricht man von Manganstahl. Im Vergleich zu normalem Stahl weist er nicht nur eine ausreichende Zähigkeit, sondern auch eine höhere Festigkeit und Härte auf, was die Härtbarkeit und Warmumformbarkeit verbessert. Stahl mit einem Mangangehalt von 11–14 % besitzt eine extrem hohe Verschleißfestigkeit und wird häufig für Baggerlöffel, Kugelmühlenauskleidungen usw. verwendet. Mit steigendem Mangangehalt nimmt die Korrosionsbeständigkeit des Stahls ab und die Schweißbarkeit verschlechtert sich.
4. Phosphor (P): Phosphor ist im Allgemeinen ein schädliches Element in Stahl. Er erhöht zwar die Festigkeit, verringert aber die Plastizität und Zähigkeit, erhöht die Kaltversprödung und verschlechtert die Schweiß- und Kaltbiegeeigenschaften. Daher wird üblicherweise ein Phosphorgehalt von unter 0,045 % gefordert, wobei die Anforderungen an hochwertigen Stahl geringer sind.
5. Schwefel (S): Schwefel ist unter normalen Umständen ebenfalls ein schädliches Element. Er macht Stahl warmversprödet, verringert seine Duktilität und Zähigkeit und verursacht Risse beim Schmieden und Walzen. Schwefel beeinträchtigt zudem die Schweißbarkeit und reduziert die Korrosionsbeständigkeit. Daher liegt der Schwefelgehalt üblicherweise unter 0,055 %, bei hochwertigem Stahl sogar unter 0,040 %. Die Zugabe von 0,08–0,20 % Schwefel zu Stahl kann die Zerspanbarkeit verbessern; man spricht dann von Automatenstahl.
6. Aluminium (Al): Aluminium wird häufig als Desoxidationsmittel in Stahl verwendet. Die Zugabe geringer Mengen Aluminium zu Stahl kann das Korngefüge verfeinern und die Schlagzähigkeit verbessern. Aluminium ist zudem oxidations- und korrosionsbeständig. Die Kombination von Aluminium mit Chrom und Silizium kann die Schälfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Stahl bei hohen Temperaturen deutlich verbessern. Der Nachteil von Aluminium besteht darin, dass es die Warmumformbarkeit, die Schweißbarkeit und die Schneidleistung von Stahl beeinträchtigt.
7. Sauerstoff (O) und Stickstoff (N): Sauerstoff und Stickstoff sind schädliche Elemente, die beim Schmelzen des Metalls aus dem Ofengas in den Stahl gelangen können. Sauerstoff kann Stahl warmverspröden, und seine Wirkung ist stärker als die von Schwefel. Stickstoff kann die Kaltversprödung von Stahl ähnlich der von Phosphor beeinflussen. Die Alterungswirkung von Stickstoff kann die Härte und Festigkeit von Stahl erhöhen, aber die Duktilität und Zähigkeit verringern, insbesondere bei Verformungsalterung.
8. Niob (Nb), Vanadium (V) und Titan (Ti): Niob, Vanadium und Titan sind allesamt kornfeinende Elemente. Durch die gezielte Zugabe dieser Elemente lässt sich das Stahlgefüge verbessern, das Korn verfeinern und die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls deutlich steigern.
