Die chemische Zusammensetzung eines Stahls ist sein grundlegendstes Merkmal. Jede Entscheidung, die im Anschluss an den Stahlherstellungsprozess getroffen wird – wie sich ein Werkstoff bei der Wärmebehandlung verhält, ob er ohne Vorwärmen geschweißt werden kann, ob er in einer bestimmten Umgebung korrosionsbeständig ist oder wie er sich bei niedrigen Temperaturen verhält – lässt sich auf die Zusammensetzung zurückführen. Für praktizierende Ingenieure ist das Lesen eines Zusammensetzungszertifikats Routine; erst das Verständnis, welche Funktion jedes Element erfüllt und warum es enthalten ist, macht das Lesen dieses Zertifikats sinnvoll.
Stahl ist eine Legierung auf Eisenbasis, in der Kohlenstoff das wichtigste Legierungselement ist. Kohlenstoff löst sich im Eisengitter auf und verteilt sich je nach thermischer Behandlung so, dass eine sehr große Bandbreite an Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften entsteht. Die obere Kohlenstoffgrenze für Stahl wird im Allgemeinen mit 2,1 Gew.-% angegeben; darüber hinaus erstarrt die Legierung mit Primärkarbiden und wird als Gusseisen klassifiziert, das grundlegend andere Verarbeitungseigenschaften aufweist.
Innerhalb des Stahlsortiments ist der Kohlenstoffgehalt die wichtigste Variable, die das Verhalten bei der Wärmebehandlung bestimmt. Kohlenstoffarme Stähle sind zäh und schweißbar, lassen sich jedoch nicht nennenswert härten. Kohlenstoffreiche Stähle erreichen nach dem Abschrecken eine hohe Härte und Festigkeit, lassen sich jedoch zunehmend schwerer schweißen und sind anfälliger für Sprödbrüche, wenn die thermischen Verfahren nicht sorgfältig kontrolliert werden.
Abgesehen von Kohlenstoff enthalten die meisten handelsüblichen Stähle zusätzliche Elemente, die gezielt beigemischt werden, um bestimmte metallurgische Eigenschaften zu erzielen. Die Auswahl und das Gleichgewicht dieser Elemente unterscheiden einen weichen Baustahl von einem Duplex-Edelstahl, einer kryogenen Stahlsorte oder einem kriechfesten Druckbehälterstahl.
Mangan ist in praktisch jeder handelsüblichen Stahlsorte enthalten. Es wirkt bei der Stahlherstellung als Desoxidationsmittel, verbessert die Härtbarkeit und verbindet sich mit Schwefel zu Mangansulfid, das die Eigenschaften deutlich weniger beeinträchtigt als Eisensulfid. Chrom bildet ab einem Gehalt von etwa 10,5 Gew.-% den passiven Oxidfilm, der rostfreien Stählen ihre Korrosionsbeständigkeit verleiht; in geringeren Konzentrationen trägt es zur Härtbarkeit und Verschleißfestigkeit bei. Nickel verbessert die Zähigkeit und Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen und unter dem Gefrierpunkt und ist damit der entscheidende Zusatz in Stählen für kryogene und arktische Anwendungen. Molybdän erhöht die Hochtemperaturfestigkeit und die Kriechfestigkeit und ist ein Standardzusatz in Stählen für Druckbehälter und Anlagen, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden. Vanadium und Niob, die bereits in sehr geringen Konzentrationen wirksam sind, dienen als Kornverfeinerer und Ausscheidungshärter; sie sind die charakteristischen Zusätze in modernen hochfesten niedriglegierten (HSLA) Stahlsorten, bei denen erhebliche Festigkeitssteigerungen ohne Erhöhung des Kohlenstoffgehalts erzielt werden. Silizium dient in erster Linie als Desoxidationsmittel, wird jedoch in höheren Mengen eingesetzt, um die magnetischen Eigenschaften von Elektrostählen gezielt zu beeinflussen.
Phosphor und Schwefel sind ebenfalls in allen Stählen enthalten, allerdings nicht als gezielte Zusätze, sondern als durch die Rohstoffe eingebrachte Verunreinigungen aus dem Herstellungsprozess. Beide beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften ab Konzentrationen über dem Spurenbereich und werden in allen technischen Stahlsorten auf festgelegte Höchstgrenzen begrenzt. Durch moderne Stahlherstellungsverfahren werden diese Elemente so gering gehalten, dass ihre Auswirkungen auf die Eigenschaften in den allermeisten Anwendungsbereichen vernachlässigbar sind.
Die folgende Tabelle fasst diese Elemente, ihre Funktionen und die in der handelsüblichen Praxis üblichen Zusammensetzungsbereiche zusammen.
Tabelle 1. Hauptbestandteile der Stahlzusammensetzung, ihre Funktionen und indikative Gewichtsanteilsbereiche. Die Werte entsprechen der üblichen Handelspraxis; die Grenzwerte der Spezifikationen sind in der jeweiligen Produktnorm festgelegt.
Element
Rolle
Typischer Gehalt (Gew.-%)
Kohlenstoff (C)
Primäres Verstärkungselement; bestimmt die Härte und das Verhalten bei der Wärmebehandlung
Bis zu 2,1
Mangan (Mn)
Entsauerungsmittel; verbessert die Härtbarkeit und die Warmumformbarkeit
0,25 bis 1,65
Chrom (Cr)
Hohe Korrosionsbeständigkeit bei hohen Gehalten; Härtbarkeit bei niedrigeren Gehalten
0,5 bis 2,0 (legierte Stähle); 10,5+ (rostfrei)
Nickel (Ni)
Zähigkeit und Schlagfestigkeit, insbesondere bei niedrigen Temperaturen
0,5 bis 9,0
Molybdän (Mo)
Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und Kriechfestigkeit
0,15 bis 1,0
Vanadium (V)
Kornverfeinerung und Ausscheidungshärtung
0,03 bis 0,15
Niob (Nb)
Kornverfeinerung; verzögert die Austenit-Rekristallisation beim Walzen
0,02 bis 0,08
Silizium (Si)
Desoxidationsmittel; Festlösungsverstärkung
0,15 bis 0,35
Phosphor (P)
Verunreinigung: verringert die Duktilität über die gesamte Dicke bei Gehalten über Spurenkonzentrationen hinaus
Max. 0,040 (die meisten Güteklassen)
Schwefel (S)
Verunreinigung: beeinträchtigt die Ermüdungslebensdauer und die Eigenschaften über die gesamte Dicke
Die Stahlzusammensetzung wird in zwei Produktionsphasen ermittelt. Die Schmelzanalyse, auch als Pfannenanalyse bezeichnet, wird während oder unmittelbar nach dem Schmelzen aus dem geschmolzenen Stahl entnommen und gibt die Zusammensetzung der gesamten Schmelze wieder. Die Produktanalyse wird am fertigen Walz- oder Schmiedeprodukt durchgeführt. Da es während der Erstarrung zu einer Entmischung der Elemente kommen kann, kann die Produktanalyse geringfügig von der Schmelzanalyse abweichen; in den Produktnormen ist die zulässige Abweichung zwischen beiden festgelegt. Beide Analysen werden im Materialprüfzeugnis angegeben, das dem Produkt beiliegt.
Für Ingenieure, die eingehendes Material prüfen, ist das Zusammensetzungszertifikat das wichtigste Dokument. Der Abgleich mit der Zusammensetzungstabelle der geltenden Norm, Element für Element, ist ein einfacher, aber wichtiger Schritt bei der Werkstoffqualifizierung.
Da mehrere Legierungselemente das Verhalten von Stahl in einer Weise beeinflussen, die qualitativ mit der von Kohlenstoff vergleichbar ist, wird in der Schweißtechnik ein kombinierter Parameter, das sogenannte Kohlenstoffäquivalent (CE), verwendet, um die Vorwärmanforderungen und das Risiko von wasserstoffinduzierten Rissen zu bewerten. Die am häufigsten verwendete Variante kombiniert Kohlenstoff mit gewichteten Anteilen von Mangan, Chrom, Molybdän, Vanadium, Nickel und Kupfer. Das CE wird direkt aus dem Materialzeugnis berechnet und stellt eine der gängigsten praktischen Anwendungen von Materialzusammensetzungsdaten für Ingenieure dar, die in der Fertigung und der Qualifizierung von Schweißverfahren tätig sind.
Ein Stahl mit einem niedrigen CE-Wert kann bei moderaten Querschnittsgrößen in der Regel ohne Vorwärmung geschweißt werden. Mit steigendem CE-Wert wird eine Vorwärmung erforderlich, um die Abkühlgeschwindigkeit in der Wärmeeinflusszone zu verlangsamen und das Rissrisiko zu verringern. Die für einen bestimmten CE-Wert und eine bestimmte Querschnittsdicke erforderlichen Vorwärmtemperaturen sind in den Schweißnormen festgelegt und werden in den technischen Leitfäden von Total Materia behandelt, in denen die Schweißmetallurgie im praktischen Kontext der Werkstoffauswahl und Fertigungsplanung behandelt wird.
Die Zusammensetzung bestimmt das Potenzial eines Stahls; die thermische und mechanische Verarbeitung legt fest, wo innerhalb dieses Potenzials das Endprodukt angesiedelt ist. Die Zusammensetzung ist zudem die wichtigste Grundlage für die Beurteilung, ob zwei Güteklassen aus unterschiedlichen nationalen Normen tatsächlich gleichwertig sind. Eine Übereinstimmung der Bezeichnungen zwischen einer ASTM- und einer EN-Güte ist kein verlässlicher Indikator für echte Gleichwertigkeit; ein direkter Vergleich der Grenzwerte für die Zusammensetzung und der Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften ist es hingegen.
Dieser Artikel befasst sich mit den chemischen Elementen, die einen Stahl definieren, sowie damit, wie die Zusammensetzung festgelegt und angegeben wird. Die zugehörigen Leitfäden der Reihe „Stahl“ bauen darauf auf. „Stahleigenschaften“ erläutert das mechanische und physikalische Verhalten, das sich aus der Zusammensetzung und der Verarbeitung ergibt, während „Stahlsorten“ zeigt, wie die Zusammensetzungen in die von Ihnen spezifizierten und gekauften Familien gegliedert sind. „Stahlspezifikationen“ und „Stahlnormen“ befassen sich mit den Dokumenten und Rahmenwerken, die Grenzwerte für Zusammensetzung und Eigenschaften festlegen, und „Stahlegleichwertigkeiten“ erläutert, wie anhand der Zusammensetzung beurteilt wird, ob Stahlsorten aus unterschiedlichen Systemen tatsächlich austauschbar sind. Zusammen verknüpfen sie die Zusammensetzung mit den davon abhängigen Eigenschaften, Stahlsorten, Spezifikationen, Normen und Äquivalenzen.
Die Stahlzusammensetzung ist die Angabe aller in einer Stahllegierung enthaltenen Elemente, ausgedrückt in Gewichtsprozent. Eisen ist das Grundmetall und Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement, das bis zu 2,1 Gew.-% ausmacht. Weitere Elemente wie Mangan, Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium und Niob werden gezielt zugesetzt, während Phosphor und Schwefel als kontrollierte Verunreinigungen vorhanden sind.
Kohlenstoff hat einen größeren Einfluss auf das Verhalten von Stahl als jedes andere einzelne Element. Er bestimmt die Härte, die Zugfestigkeit, das Verhalten bei der Wärmebehandlung und die Schweißbarkeit. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt die Festigkeit zu, während die Duktilität und die Schweißbarkeit abnehmen.
Der Kohlenstoffäquivalentwert ist ein berechneter Wert, der den Kohlenstoffgehalt mit den gewichteten Anteilen anderer Legierungselemente kombiniert. Er wird von Schweißingenieuren zur Beurteilung der Vorwärmanforderungen und des Risikos von wasserstoffinduzierten Rissen herangezogen und lässt sich direkt aus dem Zusammensetzungszertifikat ableiten. Ausführliche Anleitungen finden Sie in den technischen Leitfäden von Total Materia.
Die Schmelzanalyse wird aus der Stahlschmelze entnommen und gibt die Zusammensetzung der gesamten Schmelze wieder. Die Produktanalyse wird aus dem fertigen Produkt entnommen und kann aufgrund von Entmischungen beim Erstarren geringfügig abweichen. Beide werden im Materialprüfzeugnis ausgewiesen und mit den in der geltenden Stahlnorm festgelegten Grenzwerten verglichen.
Dem Stahl werden Legierungselemente beigemischt, um bestimmte mechanische, physikalische und korrosionsbeständige Eigenschaften zu erzielen. Kohlenstoff erhöht die Härte und Festigkeit, Mangan verbessert die Härtbarkeit, Chrom erhöht die Korrosions- und Verschleißfestigkeit, Nickel verbessert die Zähigkeit, Molybdän erhöht die Hochtemperaturfestigkeit, und Vanadium sowie Niob verfeinern das Korn und erhöhen die Festigkeit. Die Kombination und das Gleichgewicht dieser Elemente bestimmen die endgültigen Eigenschaften einer Stahlsorte.