Welche Rolle spielen die im Stahl vorhandenen chemischen Elemente?

Die Rolle chemischer Elemente in Stahl

Bei Stahl wird oft von reinem Eisen gesprochen, tatsächlich basiert Stahl jedoch auf Eisen und vereint verschiedene Elemente wie Kohlenstoff, Silizium, Mangan und Kupfer. Diese Elemente wirken wie Gewürze und verbessern die Leistung von Stahl in Bezug auf Zähigkeit, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Leistung. Im Folgenden stellen wir die Rolle der Grundelemente vor: Kohlenstoff, Silizium, Mangan und Kupfer.

• Mechanische Eigenschaften

Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement im Stahl und bestimmt die Eigenschaften des Stahls.

Zwischen Kohlenstoff- und Eisenatomen bildet sich eine Art interstitielles Karbid, das hilft, eine Verformung der Eisenatome zu verhindern. Gleichzeitig erhöht es die Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte des Stahls.

Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto mehr spröde Karbide sind im Stahl vorhanden. Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt neigt in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen zum Bruch, während Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt eine hohe Zähigkeit aufweist.

• Wärmebehandlungseigenschaften

Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto höher ist die Härte des Stahls beim Abschrecken, wodurch die Tiefe der gehärteten Schicht zunimmt. Wenn die Härte nach dem Abschrecken nicht hoch ist, deutet dies auf eine schlechte Härtbarkeit von kohlenstoffarmem Stahl hin. Stähle mit mittlerem- und hohem-Kohlenstoffgehalt erreichen eine bessere Härtbarkeit durch Abschrecken und anschließendes Anlassen.

• Verarbeitungsleistung

Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto wahrscheinlicher ist es, dass beim Schweißen Risse in der Wärmeeinflusszone entstehen. Normalerweise sollte der Kohlenstoffgehalt des zu schweißenden Stahls höchstens 20 % betragen. Ein moderater Kohlenstoffgehalt (0,3 % bis 0,5 %) kann die Härte und Plastizität des Stahls effektiv ausgleichen.

• Korrosionsbeständigkeit

Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto stärker erhöht sich die Heterogenität elektrischer und chemischer Phänomene im Stahl, was die Korrosion beschleunigt. Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ist im Vergleich zu Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt weniger anfällig für Rost.

Kohlenstoffelement

• Mechanische Eigenschaften

Wenn Eisenatome Silizium einbauen, kann der resultierende Mischkristallverfestigungseffekt die Streckgrenze und Zugfestigkeit des Stahls verbessern.

• Physikalische Eigenschaften

Silizium bildet auf der Stahloberfläche einen Schutzfilm, der das Eindringen von Sauerstoff bei hohen Temperaturen verhindern und die Oxidations- und Hitzebeständigkeit des Stahls verbessern kann.

• Verarbeitungsleistung

Ein Siliziumgehalt von mehr als 0,6 % erhöht das Risiko der Rissbildung beim Schweißen von Stahl. Daher beträgt der Siliziumgehalt in Schweißstahl normalerweise weniger als oder gleich 0,3 %.

Silizium

• Kernprozess

Mangan verbindet sich mit Sauerstoff in der Stahlschmelze, wodurch der Sauerstoffgehalt im Stahl verringert, Oxidverunreinigungen verringert und die Reinheit des Stahls verbessert werden können.

• Wärmebehandlungsprozess

Mangan kann die Härtbarkeit von Stahl wirksam verbessern, den Abschrecktemperaturbereich erweitern und das Risiko von Abschreckrissen verringern.

• Verarbeitungsleistung

Die Zugabe einer angemessenen Menge Mangan zu Stahl kann die Festigkeit und Zähigkeit des Schweißguts verbessern, sodass die Wahrscheinlichkeit, dass Stahl während der Verarbeitung Risse entwickelt, geringer ist.

 Mangan

Kupfer kann auf der Stahloberfläche eine Schutzschicht bilden und so Oxidation verhindern. Dadurch wird das Eindringen von Wasser und Sauerstoff effektiv kontrolliert und die Rostrate des Stahls verringert.

• Mechanische Eigenschaften

Kupfer kann sich gut mit Eisenatomen verbinden, wodurch zwischen beiden ein Mischkristalleffekt entsteht. Dadurch werden die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des Stahls effektiv erhöht, ohne seine Plastizität und Zähigkeit zu verringern.

• Verarbeitungsleistung

Eine kleine Menge Kupfer kann die Kaltumformung von Stahl reduzieren, hat nur geringe Auswirkungen auf die Kaltbiegeleistung und minimiert den Werkzeugverschleiß während des Stahlherstellungsprozesses.

Kupferelement