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Stahl/Details: Unterschied zwischen den Versionen
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Nach DIN EN 10020 sind Stähle Werkstoffe, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im allgemeinen kleiner als 2 Gew.-% Kohlenstoff (C) sind. Manchnal werden auch 2,06% C genannt doch auch hier gibt es ausnahmen die Klatarbeitsstähle haben auch höhere Kohlenstoffanteile und werden noch als Stähle bezeichnet. | Nach DIN EN 10020 sind Stähle Werkstoffe, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im allgemeinen kleiner als 2 Gew.-% Kohlenstoff (C) sind. Manchnal werden auch 2,06% C genannt doch auch hier gibt es ausnahmen die Klatarbeitsstähle haben auch höhere Kohlenstoffanteile und werden noch als Stähle bezeichnet. | ||
== Herstellung bzw. Gewinnung == | == Herstellung bzw. Gewinnung == | ||
== Stahlsorten == | Da Eisen bzw. Stahl nicht in gediegener Form vorkommen muß man das Eisen aus Erzen gewinnen. Dabei gibt es zur Stahlherstellung zwei unterschiedliche hernagehensweisen: | ||
=== Hochofenroute === | |||
Beim Hochofenverfahren wird zuerst Roheisen aus Eisenerz und Koks hergestellt. Außerdem kann zusätzlich Schrott eingesetzt werden. Danach wird durch weitere Verfahren aus Roheisen Stahl hergestellt. Die Roheisenherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig üblicherweise mit einem Hochofen. Das Eisenerz wird zunächst gesintert, um eine geeignete Stückigkeit einzustellen. Der Sinter wird mit Kalkstein zu Möller vermischt und anschließend in den Hochofen gegeben. Durch Verbrennen des Koks entstehen die für die Reaktion nötige Wärme und Kohlenmonoxid, das das Eisenoxid reduziert. Als Ergebnis entstehen Roheisen und Schlacke. Da das Roheisen sehr viel Kohlenstoff enthält, muss es einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Um aus im Hochofen gewonnenem Roheisen Stahl zu erzeugen, müssen die enthaltenen Begleitelemente wie Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Phosphor und andere entfernt werden. Das geschieht durch das so genannte Frischen. Durch das Frischen, wird der Kohlenstoff im Roheisen oxidiert und es entsteht flüssiger Stahl. Man unterscheidet zwischen beruhigtem und unberuhigt vergossenen Stahl. Unter Beruhigen versteht man das Binden des in der Schmelze gelösten Sauerstoffs durch Zulegieren von Aluminium oder Silizium. Dies hat Einfluss auf im erkaltenden Stahl entstehende Seigerungen oder Lunker. | |||
=== Direktreduktion === | |||
Der Hochofenprozess hat einige Nachteile neben dem hohen CO2 Austoß ist die Vorbereitung von Eisenerz und Kos aufwendig. Deshalb gibt es Bestrebungen, die Hochofenroute abzulösen. Bisher hat sich aber kein Verfahren gegenüber dem Hochofen etablieren können. Ein Verfahren der Direktreduktion ist der Eisenschwamm. Die Reduktion des Eisenerzes mit den Gasen Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff ergibt ein schwammartiges Produkt mit großem Porenvolumen. Eisenschwamm wird im Elektrolichtbogenofen weiterverarbeitet. Aufgrund seiner Reinheit lassen sich qualitativ höchstwertige Stahlsorten herstellen. Wegen seiner großen Oberfläche ist Eisenschwamm sehr reaktiv. Um ihn vor Oxidation zu schützen, wird er häufig mit Kohlenstoffpartikeln bestäubt. Vor Erfindung des Hochofens konnte Eisen wegen der geringen Ofentemperaturen nur als Eisenschwamm hergestellt werden. Dieser enthielt zwar wenig Kohlenstoff, jedoch noch mindestens 3 % Schlacke und war daher extrem spröde. Um daraus einen verwertbaren Werkstoff zu erzeugen, musste der Eisenschwamm in einem aufwändigen Prozess oberhalb der Schmelztemperatur der Schlacke geschmiedet werden, um die flüssige Schlacke herauszupressen. | |||
=== Thomas-Verfahren === | |||
Das Thomas-Verfahren war ein so genanntes Blas- oder Windfrischverfahren, bei dem durch Bodendüsen des Konverters Luft in das flüssige Roheisen geblasen wurde. Der Oxidationsprozess, der den Kohlenstoffanteil senkt (das „Frischen“), lieferte in diesem Verfahren genug Wärme, um den Stahl flüssig zu halten, eine externe Wärmezufuhr war in den Konvertern deshalb nicht notwendig. Die „Thomasbirne“ war mit einer basisch wirkenden Dolomitstein- oder Dolomit-Teer-Mischung ausgemauert und eignete sich vor allem für das Verarbeiten phosphorreichen Eisens. Der zu Phosphorpentoxid oxidierte Phosphor wurde mit dem als Zuschlag beigefügten Kalkstein verschlackt. | |||
=== Siemens-Martin-Verfahren === | |||
Das Siemens-Martin-Verfahren erzeuft bei Ofentemperaturen von 1800 °C flüssigen Stahl. Als Brennstoff dient Generatorgas oder Öl. Dabei werden die Begleitstoffe oxidiert und entweichen entweder gasförmig (z. B. CO2) oder schwimmen als Schlacke von festen Oxiden auf dem flüssigen Stahl. | |||
Beim Siemens-Martin-Verfahren wird der oxidative Effekt durch die Zugabe eines bestimmten Anteils an Schrott, Roheisenerzen oder Kalk erreicht, die Sauerstoff an die Schmelze abgeben. Üblicherweise wird der Herdofen meist mit der Siemensschen Regenerativfeuerung kombiniert, die in einer darunterliegenden Kammer untergebracht ist. Bei der Regenerativfeuerung werden in Regenerationskammern die gasförmigen Brennstoffe durch die Abgase aus dem Ofen vorgewärmt, um die nötige Temperatur von 1800 °C zu erreichen. Auch die heißen Flammgase haben oxidative Wirkung und werden direkt in die Schmelze geleitet. | |||
=== LD-Verfahren === | |||
Das LD-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren) ist ein Sauerstoffblasverfahren zum Frischen, also zur Stahlerzeugung durch Umwandlung von kohlenstoffreichem Roheisen in kohlenstoffarmen (Sauerstoffaufblas-)Stahl. | |||
Mit dem LD-Verfahren werden ca. 60 % der Weltrohstahlproduktion hergestellt. Beim LD-Verfahren wird ein Konverter, der so genannte LD-Konverter, mit flüssigem Roheisen und einem Kühlmittel (Schrott oder Eisenschwamm) beschickt. Danach wird Sauerstoff durch eine ausfahrbare wassergekühlte Sauerstofflanze auf die Eisenschmelze geblasen. Die heftig einsetzende Verbrennung (Oxidation) der Eisenbegleiter sorgt für eine Durchwirbelung der Schmelze. Zur besseren Durchmischung wird Argon durch Düsen über den Boden eingeblasen. Die Argonblasen nehmen den in der Schmelze gelösten Wasserstoff (Rucksackverfahren) auf, was die Bildung sogenannter Wasserstofffallen im späteren Werkstück verhindern soll. Während des Frischprozesses nehmen die Gehalte von Kohlenstoff, Silizium, Mangan und Phosphor stetig ab. Die Blasdauer beträgt zwischen 10 und 20 Minuten und wird so gewählt, dass die gewünschte Entkohlung und die Verbrennung der unerwünschten Beimengungen erreicht wird. Die verbrannten Eisenbegleiter entweichen als Gase oder werden durch jetzt zugesetzten Kalk in der flüssigen Schlacke gebunden. Je nach Art des zu erzeugenden Stahls können am Ende des Frischens auch Legierungsstoffe zugesetzt werden. Erst wird das Stahlbad mit einer Temperatur von mehr als 1.600 °C durch das Abstichloch in eine Pfanne abgestochen, danach wird die Schlacke über den Konverterrand abgegossen. | |||
=== Elektrostahlverfahren === | |||
Beim Elektrostahlverfahren wird aus Stahlschrott und weiteren Einsatzstoffen (wie Eisenschwamm) in einem Lichtbogenofen Stahl erschmolzen. Neben dem flüssigen Rohstahl bildet sich aus den nichtmetallischen Einsatzstoffen und Oxiden der Legierungsstoffe eine Schlackenschicht auf der Schmelze. Diese hat die Aufgabe, unerwünschte Bestandteile zu binden und das Stahlbad zu schützen. Trotz hoher Energiekosten für Strom sowie für Erdgas und Sauerstoff ist dieses Verfahren sehr flexibel hinsichtlich der Menge der zu erzeugenden Stahlsorten und der verschiedenen Stahlqualitäten. Der Lichtbogenofen wird zur Herstellung von Baustählen, Qualitätsstählen und Rostfreistählen genutzt. | |||
== Gefüge == | |||
Eisen kann mit Kohlenstoff unterschiedliche Mischkristalle und Gefüge bilden. Diese Mischrkristalle sind bei unterschiedlichen Temperaturen stabil. Doch durch Zulegieren lassen sich auch Hochtemperaturmodifikationen wie der Austenit bei Raumtemperatur stabilisieren. Es gibt auch metastabile Mischkristalle die nicht im Gleichgewicht stehen (Martensit). Die Vielzahl an einstellbaten gefühen ist bei dem Eisen-kohlenstoff einzigarting und ermöglicht damit in einen weiten bereich die eigenschaften zu variieren. Bis auf Austenit und Ferrit Sind Modifikationen des Eisens die restlichen Gefüge bis auf den Zementit sind mehrphasig. | |||
=== Ferrit === | |||
Als Ferrit werden die kubisch-raumzentriertes Modifikationen des Eisens Bezeichnet. Reineisen liegt bei Temperaturen unter 911 °C als sog. α-Ferrit, zwischen 1.392 °C und dem Schmelzpunkt bei 1536 °C als sog. Δ-Ferrit vor. Die dazwischen liegenden γ-Phase wird als Autenit bezeicnet un hat ein anderes Kristallgitter. Bis zu seiner Curie-Temperatur von 769 °C ist Ferrit ferromagnetisch, darüber paramagnetisch. Ferritische Stähle sind relativ weich und korrosionsanfällig, aber dennoch sehr weit verbreitet. Nicht zuletzt weil sie preislich günstig und in ihrer Verarbeitung und ihren Eigenschaften sind. | |||
=== Austenit === | |||
Als Austenit werden die γ-Mischkristalle des Eisens bezeichnet, er ist der Hauptgefügebestandteil vieler nichtrostender Stähle. Austenit ist kubisch-flächenzentriert und im gegensatz zum Ferrit nicht ferromagnetisch. | |||
Die maximale Kohlenstofflöslichkeit, von ca. 2,06 %, lieg über der von Ferrit, so daß beim Abkühlen der Ferrit an Kohlenstoff übersättigen würde. | |||
Austenit kommt bei Raumtemperatur nur in Legierungen vor, in unlegierten und niedriglegierten Stählen wird bei 723 °C der gesamte Austenit zu Perlit, sofern sich ausreichend langsam abgekühlt wird, sonst können auch andere Gefüge entstehen. Austenit hat eine geringe Härte. Seine Festigkeit kann durch Kaltverformung enorm gesteigert werden, deshalb ist er nicht gut zerspanbar. | |||
Elemente wie Nickel (Ni), Kobalt (Co) und Mangan (Mn), begünstigen die Bildung von Austenit und können bei ausreichender menge das Austenitische fefüge auch auf Raumtemperatur stabilisieren. | |||
=== Zementit === | |||
Zementit ist eine Verbindung von Eisen und Kohlenstoff der Zusammensetzung Fe3C (ein Eisencarbid). Sie Tritt im Stahl in Zeilen oder Kugelförmig auf. | |||
=== Perlit === | |||
Perlit ist ein eutektoides (Der eutektoide Punkt liegt bei 723 °C und 0,80 % C) Gefüge des Stahls. Es ist ein lamellar angeordnetes gemsich aus Ferrit und Zementit. Bis 4,3 % C liegt der Perlit als eigene Phase vor oberhalb ist er Bestandteil des Ledeburits. Als Gleichgewichtsgefüge ist die Bildung von Perlit diffusionsgesteuert. Bei der Bildung verarmt das Gefüge Lokal an Kohlenstoff, während dieser sich in den Nachbarbereichen anreichert, daduch entsteht die typische Lamellenstruktur. | |||
=== Ledeburit === | |||
Ledeburit sind eutektische Gefüge der Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. und treten bei Kohlenstoffgehalten zwischen 2,06 % und 6,67 % . Der eutektische Punkt liegt bei 4,3 % C und 1.147 °C. Folglich ist dieses Gefüge im Stahl selten bis garnicht zu finden. | |||
=== Martensit === | |||
=== Bainit === | |||
== Benennung von Stählen == | == Benennung von Stählen == | ||
Da Stahl ein weit verbreiteter Werkstoff mit vielen verschiendenen Anwendungen ist gibt es eine Ganze reihe von Konventionen zu benennung von Stählen. Dabei gibt es in Europa zwei Typen, die einen nutzten die Anwendung un die mechanischen Eigenschaften zur Benennung und andere die chemische Zusammensetzung. Außerdem gibt es noch alte (z.B. ST-52), internationale bzw amerikanische Normen (z.B. 4130) sowie hersteller eigene Namen (z.B. V2A). Es folgen die | Da Stahl ein weit verbreiteter Werkstoff mit vielen verschiendenen Anwendungen ist gibt es eine Ganze reihe von Konventionen zu benennung von Stählen. Dabei gibt es in Europa zwei Typen, die einen nutzten die Anwendung un die mechanischen Eigenschaften zur Benennung und andere die chemische Zusammensetzung. Außerdem gibt es noch alte (z.B. ST-52), internationale bzw amerikanische Normen (z.B. 4130) sowie hersteller eigene Namen (z.B. V2A). Es folgen die Europäischen Standards: | ||
=== Werkstoffnummern === | === Werkstoffnummern === | ||
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'''Yy''' hinter der Zahl hat folgende Bedeutung : | '''Yy''' hinter der Zahl hat folgende Bedeutung : | ||
1. Stelle ('''Y'''): | |||
J Mindest Kerbschlagarbeit von 27 J | J Mindest Kerbschlagarbeit von 27 J | ||
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L Mindest Kerbschlagarbeit von 60 J | L Mindest Kerbschlagarbeit von 60 J | ||
2. Stelle ('''y'''): | |||
R Prüftemperatur für die Kerbschlagerprobung +20° C | R Prüftemperatur für die Kerbschlagerprobung +20° C | ||
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==== Druckbehälterbau ==== | ==== Druckbehälterbau ==== | ||
==== | '''PxxxYZ''' | ||
'''P''' steht für Stahl für den Druckbehälterbau | |||
'''xxx''' kennzeichnet die Mindeststreckgrenze in N/mm² | |||
Die Codierung hinter der Zahl hat folgende Bedeutung : | |||
'''Y''' (1. Stelle) : | |||
M Thermomechanisch gewalzt | |||
N Normalgeglüht oder normalisierend gewalzt | |||
Q Vergütet | |||
B Gasflaschen | |||
S Einfache Druckbehälter | |||
T Rohre | |||
G Andere Merkmale (ev. mit 1 oder 2 nachfolgenden Ziffern) | |||
'''Z''' (2. Stelle) : | |||
H Hochtemperatur | |||
L Tieftemperatur | |||
R Raumtemperatur | |||
X Hoch- und Niedrigtemperatur | |||
'''Beispiel :''' P295GH | |||
Stahl mit Streckgrenze von 295 N/mm² und für hohe Temperaturen | |||
==== Maschinenbau ==== | |||
'''ExxxYZ''' | |||
'''E''' steht für Stahl für den Maschinenbau | |||
'''xxx''' kennzeichnet die Mindeststreckgrenze in N/mm² | |||
Die Codierung hinter der Zahl hat folgende Bedeutung : | |||
'''Y''' (1. Stelle) : | |||
G Andere Merkmale (ev. mit 1 oder 2 nachfolgenden Ziffern) | |||
'''Z''' (2. Stelle) : | |||
C Geeignet zum Kaltziehen | |||
'''Beispiel :''' E360 | |||
Stahl mit Streckgrenze von 360 N/mm² | |||
== | == Stahlrohre im Fahrradbau == | ||
=== Columbus === | === Columbus === | ||
| Zeile 548: | Zeile 664: | ||
=== Schweißen === | === Schweißen === | ||
==Quelle== | |||
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[[Kategorie:In Arbeit]] | |||
