Werkstofftechnik - Stähle

Werkstoffe lassen sich nach ihrer Zusammensetzung sowie gemeinsamen Eigenschaften in drei Hauptgruppen aufteilen:
 
  • Metalle,
  • Nichtmetalle und
  • Verbundwerkstoffe.
Diese Hauptgruppen werden weiter in Untergruppen unterteilt. So besteht beispielweise die Untergruppe Metalle aus Eisen- und Nichteisen-Werkstoffe. Abhängig von der Höhe des Kohlenstoffgehalts unterteilt man die Eisenwerkstoffe in Stähle (<2%) und Gusseisenwerkstoffe (>2,6%).

Stähle zeichnen sich durch hohe Festigkeit und sehr gute Verarbeitungsfähigkeit aus und werden deshalb u.a. in der Metall- und Blechbearbeitung eingesetzt.

Einteilung der Stähle laut DIN EN 10020 (Entwurf vom 1997): DIN EN 10020 Begriffsbestimmung für die Einteilung der Stähle

Unlegierte Stähle, bei denen die Konzentration bestimmter Elemente einen vorgegebenen Gehalt nicht überschreitet (Al<0,3%, Bi<0,1%, Co<0,3%, Cu<0,4, Mn<1,65%, Mo<0,08%, Nb<0,06%, Ni<0,3%, Pb<0,4%, Se<0,1%, Si<0,6%, Te<0,1%, Ti<0,05%, V<0,1%, W<0,3%, Zr<0,05%).
Nichtrostende Stähle enthalten einen Chromgehalt von mindestens 10,5% und einen Kohlenstoffgehalt von maximal 1,2%.
Andere legierte Stähle sind Stahlsorten, welche nicht zu den zwei ersten Gruppen gehören.

Einteilung der Stähle nach Güteklassen

Die Stahleigenschaften werden nicht nur durch die Zusammensetzung der enthaltenen Elemente sondern auch durch den Herstellungsprozess beeinflusst. So untergliedert man Stähle nach ihrem Reinheitsgrad an nichtmetallischen Einschlüssen in zwei Güteklassen: Qualitäts- und Edelstähle.
Durch sorgfältige Herstellung und einen hohen Reinheitsgrad zeichnen sich Edelstähle mit gewährleisteten Eigenschaften aus.
Einteilung der Stähle nach Güteklassen
Einteilung der Stähle nach Güteklassen

Verwendung von Baustählen

Werkzeugstähle und Baustähle bilden zwei Hauptverwendungsgruppen von Stählen. Baustähle verwendet man im Metall-, Behälter-, Schiffbau sowie im Maschinen- und Fahrzeugbau. Sie weisen gute Umformbarkeit sowie Zerspanbarkeit auf und eignen sich zum Schweißen. Halbzeuge aus Baustählen sind als Profile, Rohre, Bleche oder Stangen erhältlich.

Flacherzeugnisse (Bleche)

Abhängig von der Stahlsorte sowie der Dicke werden Bleche für unterschiedliche Anwendungen im Metall-, Karosserie- oder Anlagenbau verwendet. Für Druckbehälter werden beispielsweise dickere (6 bis 200mm) schweißbare Bleche eigesetzt. Bleche aus Edelstahl werden aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit und Säurebeständigkeit sowie hygienischen und dekorativen Aspekten in diversen Bereichen der Pharma- und Lebensmittelindustrie, in der Architektur sowie im Maschinenbau Anwendung finden. Aufgrund der hohen Kosten von Edelstahlblechen wird alternativ in vielen Bereichen, in welchen Korrosionsschutz eine wichtige Rolle spielt, verzinktes Blech eingesetzt. In diesen Fällen wird die Korrosionsbeständigkeit nicht mit dem Zusatz von weiteren Elementen (Legierung) während der Herstellung sondern durch die Beschichtung der Oberfläche verbessert. Eine gängige Methode ist die Feuerverzinkung (Galvanisierung). Im Gegensatz zum Edelstahlblech nimmt die Korrosionsbeständigkeit vom verzinkten Blech im Laufe der Zeit ab. Ein weiterer Nachteil der Verzinkung ist die Qualität der Oberfläche. Bei hohen hygienischen und dekorativen Anforderungen ist deshalb das Edelstahlblech die bessere Wahl.

Fertigungstechnische Eigenschaften

Lagerraum für Baustahlbleche
Lagerraum für Baustahlbleche
Die fertigungstechnischen Eigenschaften eines Werkstoffs bestimmen mit welchen Fertigungsverfahren sich ein Metall sinnvoll bearbeiten lässt. Zu den wichtigsten fertigungstechnischen Eigenschaften zählen die Gießbarkeit, die Härtbarkeit, die Umformbarkeit, die Zerspanbarkeit und die Schweißbarkeit.

Gießbarkeit ist die Eignung eines Metalls oder einer Legierung, während des Gießvorgangs in Formen eine vorgegebene Gestalt anzunehmen und damit zur Herstellung von Gusserzeugnissen. Der Ablauf des Gießvorgangs sowie die Qualität des Gusserzeugnisses sind vor allem vom Fließ- und Formfüllungsvermögen des verwendeten Werkstoffes abhängig.

Die Fähigkeit eines Werkstoffs bei einer Wärmebehandlung deutlich erhöhte Härte anzunehmen ist als Härtbarkeit bezeichnet. Unter erhöhter Härtbarkeit eines Stahles ist eine einfachere Bildung von Martensit und damit eine Zunahme der Einhärtungstiefe zu verstehen. Dadurch erhöht sich die mechanische Widerstandsfähigkeit des Werkstoffs. In dem Härtungsverfahren wird dem behandelten Werkstück Wärme zugeführt und es anschließend schnell abgekühlt.
Die Umformbarkeit ist die Fähigkeit, einen Werkstoff durch plastische Verformung zu einem Werkstück zu ändern. In diversen Umformverfahren werden Werkstücke durch äußere Krafteinwirkung dauerhaft verformt. Abhängig davon, ob der Werkstoff im erhitzten Zustand oder ohne Wärmebehandlung umgeformt wird, unterscheidet man zwischen der Warm- und Kaltumformbarkeit.
Die DIN 6583 beschreibt die Zerspanbarkeit als die Fähigkeit, wie gut sich ein Werkstoff unter gegebenen Bedingungen spanend bearbeiten lässt. Mit spanenden Fertigungsverfahren wie Drehen oder Fräsen werden Werkstücke in die gewünschte Form gebracht. Die Zerspanbarkeit eines Werkstoffs hängt vor allem von der Festigkeit und Zähigkeit ab. Die häufigsten Sorten von unlegierten und niedrig legierten Stählen sowie Aluminium gelten als gut zerspanbar.

Der Begriff Schweißbarkeit beschreibt wie gut sich ein Werkstoff schweißen lässt. Die Schweißbarkeit eines Werkstücks hängt von der Schmelztemperatur und Schweißeignung des verwendeten Stahles. Kohlenstoff hat den größten Einfluss auf die Schweißbarkeit. Unlegierte oder sehr niedrig legierte Stähle mit einem geringen Kohlenstoffgehalt lassen sich gut schweißen. Austenitischen Edelstähle wie 1.4301, 1.4307 oder 1.4404 sind auch gut schweißbar. Ferritsche und martensitische Edelstähle sind nur bedingt für das Schweißen geeignet.

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