Stahllexikon - Definitionen von stahlbezogenen Wörtern
Aluminium - Konstruktionswerkstoff
Wegen seiner geringen Dichte wird Aluminium gern dort verwendet, wo es auf geringe Masse ankommt, die zum Beispiel bei Transportmitteln zum geringeren Treibstoffverbrauch beiträgt, vor allem in der Luft- und Raumfahrt. Auch im Fahrzeugbau gewann es aus diesem Grund an Bedeutung; hier standen früher der hohe Materialpreis, die schlechtere Schweißbarkeit sowie die problematische Dauerbruchfestigkeit und die Verformungseigenschaften bei Unfällen (geringes Energieaufnahmevermögen in der sogenannten Knautschzone) im Wege. Schon in den 1930er Jahren verwendete ein amerikanisches Unternehmen Aluminium, um ein militärisches Amphibienfahrzeug leichter zu machen. In Legierungen mit Magnesium, Silicium und anderen Metallen werden Festigkeiten erreicht, die denen von Stahl nur wenig nachstehen. Daher ist die Verwendung von Aluminium zur Gewichtsreduzierung überall dort angebracht, wo Materialkosten eine untergeordnete Rolle spielen. Insbesondere im Flugzeugbau und in der Weltraumtechnik sind Aluminium und Duraluminium weit verbreitet. Der größte Teil der Struktur heutiger Verkehrsflugzeuge wird aus Aluminiumblechen verschiedener Stärken und Legierungen genietet. Bei den neusten Modellen (Boeing 787, Airbus A350) wird Aluminium größtenteils durch den noch leichteren kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) verdrängt. Aluminium lässt sich durch Strangpressen in komplizierte Profile formen, hierin liegt ein großer Vorteil bei der Fertigung von Hohlprofilen (Automatisierungstechnik, Messebau), Kühlkörperprofilen oder in der Antennentechnik. Aluminium-Gussteile können durch Druckguss in komplizierten Formen gefertigt werden; die spanende Nachbearbeitung ist gut möglich. Mit Aluminium werden Heizelemente von Bügeleisen und Kaffeemaschinen umpresst. Bevor es gelang, Zinkblech durch Titanzusatz als so genanntes Titanzink verarbeitbar zu machen, wurde Aluminiumblech für Fassaden- und Dachelemente (siehe Leichtdach) sowie Dachrinnen eingesetzt.
Beruhigter Verguss des Stahls:
In der Umformung von Roheisen zu Rohstahl durch das Linz-Donawitz-Verfahren wird entweder Silizium oder Aluminium (bei der einfachen Beruhigung) bzw. Silizium UND Aluminium (bei der doppelten Beruhigung) dem flüssigen Material hinzugefügt. Diese Elemente bewirken, dass der in der Schmelze vorhandene Sauerstoff an diese Elemente gebunden und verschlackt wird. Die Bezeichnung "Beruhigung" ist darauf zurückzuführen, dass beim Abkühlen die Löslichkeit von Sauerstoff im Eisen sinkt und daher die Stahlschmelze beim Abgießen Sauerstoff „ausscheidet“ und anfängt wie kochendes Wasser zu blubbern. Durch das Hinzufügen eines oder beider Elemente wird dieser Ausscheidungsprozess kurzfristig stärker, hört dann aber plötzlich auf, wenn der Sauerstoff abgebunden ist. Nur beruhigter Stahl ist im Stranggussverfahren überhaupt vergießfähig. Darüber hinaus besitzt der beruhigt vergossene Stahl wegen seiner geringen oder gar nicht vorhanden Lufteinschlüsse und der nicht vorhandenen, ausgeprägten Seigerungszone bessere mechanische Eigenschaften und bessere Schweißeignung.
Stahlsorten sind die verschiedenen Arten von Stählen. Andere Bezeichnungen sind Stahlmarke oder -qualität; diese Bezeichnungen sind aber veraltet. Die Stahlsorten unterscheiden sich durch ihre vom Hersteller garantierten Eigenschaften, die durch unterschiedliche Zusammensetzung und thermische Behandlung erreicht werden. Die Bezeichnung für Stähle in Europa ist in der EN 10027-1 und 10027-2 festgelegt. Neben der simplen, aber abstrakten Klassifizierung nach Nummern erhält jeder Stahl noch einen Kurznamen, der sich hauptsächlich nach seiner Einsatzbestimmung richtet. Außerdem ist es üblich, Stahl nach seiner chemischen Zusammensetzung zu klassifizieren.
Einsatzstähle und Vergütungsstähle C
Die Eigenschaften von Einsatzstahl und Vergütungsstahl werden maßgeblich von ihrem Kohlenstoffgehalt geprägt, und diesem Umstand ordnet sich auch ihre Nomenklatur unter. Bezeichnung: Cx Dabei steht x wiederum für den Kohlenstoffgehalt in Masseprozent mal 100. (Bei einem Kohlenstoffgehalt < 0,25 % ist der Stahl einsatzhärtbar, darüber vergütbar.)
Die Europäische Norm EN 10204 legt in ihrer Ausgabe von 2004 wie ihre Vorgängernorm EN 10204:1995 die verschiedenen Arten von Prüfbescheinigungen fest, die dem Besteller in Übereinstimmung mit den Vereinbarungen bei der Bestellung für die Lieferung von metallischen Erzeugnissen zur Verfügung gestellt werden können. Mit Datum vom Januar 2005 wurde die deutsche Version der Norm, die DIN EN 10204, Metallische Erzeugnisse – Arten von Prüfbescheinigungen (2004), veröffentlicht.
Nachweispflicht
Kristalline Oberfläche eines noch wenig oxidierten feuerverzinkten Eisengeländers im Straßenverkehr Unter Feuerverzinken versteht man das Überziehen von Stahl mit einem metallischen Überzug durch Eintauchen des Stahls in eine Schmelze aus flüssigem Zink, deren Temperatur bei ca. 450 °C liegt. Hierbei ist zwischen dem Stückverzinken, bei dem zumeist vorgefertigte Stahlteile wie beispielsweise Treppenelemente oder Geländer verzinkt werden und dem kontinuierlichem Feuerverzinken, auch Bandverzinken oder Sendzimir-Verzinken genannt, zu unterscheiden, bei dem Halbzeuge wie Bleche in einem Endlos-Verfahren verzinkt werden. Die beiden Verfahren unterscheiden sich auch hinsichtlich der Zinkschichtdicken, die beim Stückverzinken in der Regel zwischen 50 und 150 Mikrometer liegen und beim Bandverzinken 5 bis 40 Mikrometer betragen. Bedingt durch größere Zinkschichtdicken ist die Schutzdauer von stückverzinkten Bauteilen höher. So erreichen stückverzinkte Bauteile laut der vom deutschen Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung herausgegebenen Tabelle "Nutzungsdauern von Bauteilen zur Lebenzyklusanalyse des Bewertungssystems Nachhaltiges Bauen (BNB)" eine Nutzungsdauer von zumeist mehr als 50 Jahren.
Die Werkstücke werden nicht in eine Zinkschmelze, sondern in einen Zinkelektrolyten eingetaucht, dabei wird das zu verzinkende Werkstück als Kathode in die Lösung gehängt. Als Anode benutzt man eine Elektrode aus möglichst reinem Zink. Beim galvanischen Verzinken ist der Zinkauftrag proportional zu der Stärke und Zeitdauer des Stromflusses, wobei – abhängig von der Werkstückgeometrie – eine Schichtdickenverteilung über das gesamte Werkstück entsteht.[3] Siehe: Galvanotechnik. Galvanisch verzinkte Bleche eignen sich besonders für die Pulverbeschichtung, da die Oberfläche so gut wie keine Oberflächenstruktur enthält (Blumen).
Als hochlegiert bezeichnet man Stähle, bei denen mindestens ein Legierungselement einen mittleren Gehalt von 5 Massenprozent überschreitet. Bezeichnung:
- Hochlegierte Stähle werden vorne durch ein X gekennzeichnet, dann folgt der mit dem Faktor 100 multiplizierte Kohlenstoffgehalt, gefolgt von den chemischen Elementsymbole der Legierungselemente in der Reihenfolge sinkender Massenanteile, und am Ende in der gleichen Reihenfolge, getrennt durch Bindestriche die Massenanteile der zuvor aufgeführten Legierungselemente in Massenprozent (allerdings ohne Multiplikatoren!). Beispiel: X12CrNi18-8 ist ein Stahl mit 0,12 % Kohlenstoff, 18 % Chrom (Cr) und 8 % Nickel (Ni).
Kupfer ist als relativ weiches Metall gut formbar und zäh. Als hervorragender Wärme- und Stromleiter findet es vielseitige Verwendung. Die Zeit seines weiträumigen Gebrauchs vom 5. Jahrtausend v. Chr. bis zum 3. Jahrtausend v. Chr. wird je nach Region auch Kupferzeit genannt. Später wurde es mit Zinn und Bleianteilen zu Bronze legiert. Diese härtere und technisch widerstandsfähigere Legierung wurde zum Namensgeber der Bronzezeit. Im Kunsthandwerk wird Kupferblech getrieben, das heißt durch Hämmern verformt, was aufgrund seiner Weichheit leicht möglich ist. Auch Dächer werden mit Kupferblech gedeckt, worauf sich dann eine beständige grünliche Patina bildet, die aus verschiedenen basischen Kupferhydroxiden bzw. Kupfercarbonaten besteht. Diese oft fälschlich auch als „Grünspan" (siehe Kupferacetat) bezeichnete Patina schützt das darunterliegende Metall gut vor weiterer Korrosion, so dass Kupferdächer eine Lebensdauer von mehreren Jahrhunderten haben können. Sollte der Durchbruch für die Elektromobilität kommen, so ist für die dazu notwendige Erzeugung von Fahrzeug-Akkumulatoren mit einer erhöhten Nachfrage nach Kupfer zu rechnen.
Messing ist eine Kupfer-Zink-Legierung und etwas härter als reines Kupfer, jedoch nicht so hart wie Bronze. Der Schmelzpunkt liegt niedriger als der von Bronzen und verringert sich mit steigendem Zinkanteil. Messing ist amagnetisch, wird also im Allgemeinen durch magnetische Felder nicht beeinflusst und schlägt keine Funken. Daher wird es für spezielle Werkzeuge verwendet. Im Gegensatz zu Stahl- und Aluminiumlegierungen ist Messing durch Wärmebehandlung nicht aushärtbar. Die erzielbaren Festigkeitswerte werden von der Legierungszusammensetzung bestimmt. Bei Zinkgehalten bis max. 37 % sind die Legierungen kalt verformbar (Knetlegierungen). Mit zunehmendem Zinkanteil tritt die Beta-Phase auf, und es ist nur Warmverformung bei > 600 °C möglich.
Als mikrolegiert bezeichnet man Stähle, denen man 0,01 bis 0,1 Massenprozent an Aluminium, Niob, Vanadium und/oder Titan zulegiert, um zum Beispiel über Bildung von Karbiden und Nitriden und Kornfeinung eine hohe Festigkeit zu erzielen. Ihre Kurznamen setzen sich wie bei Baustählen aus der Mindeststreckgrenze zusammen: Beispiel für Stahl mit der Werkstoffnummer 1.0545:
- neue Bezeichnung nach EN 10113: SxN, Beispiel: S355N
- alte Bezeichnung nach DIN 17102: StE x mit x = der Mindestelastizitätsgrenze in N/mm², Beispiel: StE 355
Nachbehandlung von verzinkten Oberflächen
Verzinkte Stahlteile sind durch die Zinkschicht sehr gut vor Korrosion (Rotrost) geschützt. Die Zinkschicht selbst ist aber den Korrosionsbelastungen ausgesetzt und besonders bei Seeklima kann es relativ schnell zur Zinkkorrosion (Weißrost) kommen. Durch geeignete Nachbehandlungen kann das Auftreten von Zinkkorrosion stark verzögert und verlangsamt werden, wodurch der gesamte Korrosionsschutz bis zum Auftreten von Grundmetallkorrosion nochmals verlängert wird. Solche Nachbehandlungen zählen zu den Passivierungsverfahren und können sowohl für galvanisch verzinkte Teile wie auch für feuerverzinkte Teile angewendet werden. Speziell für galvanisch verzinkte Teile wurden verschiedene Chromatierungsverfahren entwickelt, die sich im Grad des Korrosionsschutzes und in der Farbe unterscheiden. Einige dieser Chromatierungsschichten enthalten giftiges Chrom(VI). In letzter Zeit wurden neue Chrom(VI)-freie Verfahren entwickelt.
Als Nichteisenmetall werden alle Metalle außer Eisen bezeichnet, sowie Metall-Legierungen, in denen Eisen nicht als Hauptelement enthalten ist bzw. der Anteil an Reineisen (Fe) 50 % nicht übersteigt. Beispiele hierfür sind Kupfer, Aluminium, Zink, Bronze, Messing. Meist wird dafür die Abkürzung „NE-Metall“ verwendet. Wegen ihrer oft auffälligen Farbe werden sie auch als Buntmetall bezeichnet, allerdings zählen die Weißmetalle ebenso zu den Nichteisenmetallen. Weitere Einteilungen Technisch verwendete NE-Metalle werden folgendermaßen unterteilt:
- Reinmetalle - Edelmetalle - Schwermetalle (meist ρ ≥ 4,5 bis 5 g/cm3) - Leichtmetalle (meist ρ < 4,5 bis 5 g/cm3)
- NE-Legierungen - Knetlegierungen - Gusslegierungen
- als Gussteile (Sand-, Kokillen- oder Druckguss) (Zink, Aluminium, Magnesium, Blei)
- als Konstruktionswerkstoff für Flugzeuge und den Leichtbau (Aluminium, Magnesium, Titan)
- als elektrische Leiter (Kabel, Stromschienen, Kontakte)
- als Lagerwerkstoffe für Fahrzeugmotoren (Kurbelwellenlager, Pleuellager), Elektromotoren, Schiffsantriebe, als Getriebelager allgemein
- als Beschichtungswerkstoff zum Korrosionsschutz (Verzinken, Verzinnen)
- zur Stromspeicherung (Akkumulatoren, Auto-Batterien)
- als Werkstoff zum Bedachen (Blei-, Zink- und Kupferdächer)
- als Fertigteile beim Hausbau (Dachrinnen, Fallrohre)
- für Behälter jeder Größe im Zusammenhang mit Lebens- und Genussmitteln (Trinkbecher aus Zinn, kupferne Braukessel u.v.a.)
- als Schmuck- und Münzwerkstoff
- als Sinterteile
Als niedriglegiert bezeichnet man Stähle, bei denen kein Legierungselement einen mittleren Gehalt von 5 Massenprozent überschreitet. Bezeichnung:
- Ganz vorne der Kohlenstoffgehalt in Massenprozent mal 100, gefolgt von den chemischen Elementsymbolen der Legierungselemente in der Reihenfolge sinkender Massenanteile, und am Ende in der gleichen Reihenfolge, getrennt durch Bindestriche die Massenanteile der zuvor aufgeführten Legierungselemente, die mit folgenden Faktoren multipliziert wurden, um auf größere ganze Zahlen zu kommen:
Hauptnachweis: www.wikipedia.de Dort angegebene Quellennachweise: Grundlagen der Werkstofftechnik: Manfred Riehle, Elke Simmchen, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, ISBN 3-342-00690-0 Inhaltsverzeichnis der DIN EN 10204:2005-01 beim Beuth-Verlag Brockhaus ABC Chemie, VEB F. A. Brockhaus Verlag Leipzig 1965, S. 1484. "http://www.nachhaltigesbauen.de/fileadmin/pdf/baustoff_gebauededaten/BNB_Nutzungsdauern_von_Bauteilen__2011-11-03.pdf Gerhard Jokisch, Bruno Schütze, Werner Städtler in: Autorenkollektiv: Das Grundwissen des Ingenieurs, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1968, S. 991−1163, dort S. 1048. Alfred Böge: Das Techniker Handbuch, Vieweg Verlag, ISBN 3-528-14053-4 Aluminium. In: Baustoffsammlung der Fakultät für Architektur der TU München. Nicht-Eisen-Metalle. (PDF) Eintrag aus der CLP-Verordnung zu CAS-Nr. 7429-90-5 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich) Datenblatt Aluminium bei AlfaAesar, abgerufen am 13. März 2011 (JavaScript erforderlich). Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse. Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente. Wiley-VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth–Heinemann. S. 217. ISBN 0080379419. Mineral Species containing Aluminum (Al) auf Webmineral (englisch). Aluminium. In: John W. Anthony u. a.: Handbook of Mineralogy. Mineralogical Society of America, 2010 (englisch, PDF, 56,9 kB). Aluminium bei mindat.org (englisch) Eutektikum Aluminiumoxid/Kryolith Aluminium und Silizium: von der Lagerstätte bis zur Verwendung. S. 10 (PDF, Seminararbeit; 527 kB). Matthias Dienhart: Ganzheitliche Bilanzierung der Energiebereitstellung für die Aluminiumherstellung. (PDF; 1,3 MB) Dissertation an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, Juni 2003, S. 7. World Mine Production, Reserves, and Reserve Base In: U.S. Geological Survey. (englisch, PDF; 87 kB). Der Technologie-Leitfaden von ELB. In: Eloxalwerk Ludwigsburg. Primary Aluminium. In: London Metal Exchange. Gesamtverband der Aluminiumindustrie e. V.: Meerwasserbeständigkeit von Aluminiumknetlegierungen.
Schnellarbeitsstähle (Kurzzeichen HS (früher HSS Hochleistungsschnellstahl)) zeichnen sich durch hohe Verschleißbeständigkeit, Anlassbeständigkeit und Warmhärte bis 600 °C aus. Sie werden z. B. als Räumnadeln, Spiralbohrer, Fräser, Drehmeißel und Wendeschneidplatten verwendet. Der Kohlenstoffgehalt ist meist < 0,8 % Bezeichnung nach EN ISO 4957 (Werkzeugstähle): Kennbuchstaben HS und nachfolgend Zahlen, die in der Reihenfolge W, Mo, V und Co die Massenanteile in ganzen gerundeten Zahlen angeben. Bsp.: HS2-10-1-8
- HS: Schnellarbeitsstahl
- 2: 2 % W (Wolfram)
- 10: 10 % Mo (Molybdän)
- 1: 1 % V (Vanadium)
- 8: 8 % Co (Kobalt)
Als Stahlguss bezeichnet man Stahlsorten, die direkt zum Abgießen in ihre endgültige Form ohne größeres Umformen vorgesehen sind. Bezeichnung: Wie bei den niedriglegierten Stählen, jedoch mit vorgesetztem G:
- G2: Unberuhigter Stahl ist nicht zulässig, Stahl nicht normalisiert
- G3: Vollberuhigter Stahl, normalisiert
- G4: Der Wärmebehandlungszustand des Produktes bleibt dem Hersteller überlassen.
- normalgeglüht
- thermomechanisch gewalzt
- vergütet (wasser, luft- oder ölvergütet sowie eine Kombination dieser Verfahren)
- FU: unberuhigt vergossen (d. h. mit viel Restsauerstoff und ausgeprägten Seigerungszonen)
- FN: einfach beruhigt vergossen (d. h. mit weniger Restsauerstoff)
- FF: doppelt beruhigt (oder vollberuhigt genannt) vergossen (d. h. praktisch der gesamte Sauerstoff verschlackt)
Unlegierte Edelstähle haben, insbesondere bezüglich nichtmetallischer Einschlüsse, einen höheren Reinheitsgrad als Qualitätsstähle. Dabei entsprechen Edelstähle nicht unbedingt dem umgangssprachlichen Begriff des Edelstahls als rostfreiem Stahl, sondern unlegierte Edelstähle sind definiert in EN 10020 als Stahlsorten, die einer oder mehrerer der nachfolgenden Anforderungen entsprechen: Bezeichnung wie bei unlegierten Qualitätsstählen, jedoch mit angehängtem Buchstaben E: CxE (mit Cx Kohlenstoffgehalt in Massenprozent multipliziert mit 100)
- festgelegter Mindestwert der Kerbschlagarbeit (siehe Zähigkeit),
- festgelegter Einhärtungstiefe oder Oberflächenhärte,
- besonders niedrige Gehalte an nichtmetallischen Einschlüssen,
- nochmals verringerter Gehalt an Phosphor und Schwefel gegenüber Qualitätsstählen (<0,025 %)
- elektrische Leitfähigkeit über 9 S*m/mm²
- mikrolegierte Stähle mit Niob, Vanadium und/oder Titan unterhalb der jeweiligen Legierungsgrenze
- Spannbetonstähle
- Kernreaktorstähle mit begrenzten Gehalten von Kupfer (≤0,1 %), Cobalt (≤0,05 %) und Vanadium (≤0,05 %)
Unlegierte Qualitätsstähle sind Stahlsorten, für die im allgemeinen festgelegte Anforderungen wie z. B. an die Zähigkeit, Korngröße und/oder Umformbarkeit bestehen. Der Kohlenstoffgehalt beträgt 0,2 bis 0,65 %
- Bezeichnung: Cx mit x = Kohlenstoffgehalt in Massenprozent multipliziert mit 100 Beispiel: C60 ist ein Qualitätsstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,60 Massenprozent.
- verringerter Gehalt an Phosphor und Schwefel gegenüber Massenstählen (unter 0,045 Massenprozent)
- meist keine Wärmebehandlung vorgesehen
Durch Verzinken wird Stahl mit einer dünnen Schicht Zink versehen, um ihn vor Korrosion zu schützen.
Um ein Bauteil aus Stahl mit einer Zink- oder Zinklegierungsschicht zu überziehen, gibt es eine Reihe von verschiedenen Verfahren, die gängigsten Verfahren werden hier kurz vorgestellt:
- Feuerverzinkung (Schmelztauchverzinkung)
- galvanische (elektrolytische Verzinkung)
Allgemein ist zu sagen, dass die Bezeichnung der Stähle gegenwärtig zwar eindeutig definiert ist, diese sich aber in den letzten Jahren mehrfach geändert hat. Weiterhin gibt es Markennamen und historisch gewachsene Bezeichnungen (z. B.: St52, V2A, Invar, Nirosta, …) für bestimmte Stähle, so dass die Benennung der Stähle im Allgemeinen etwas verwirrend erscheint.
Werkstoffkurznamen Baustähle (unlegierte Stähle):
Massenstähle/Stähle für Stahlbau, Beispiele:
- EN 10025 (aktuell) - S235JR+AR beruhigter Stahl, Streckgrenze von 235 N/mm² bei kleinster Erzeugnisdicke, Güteklasse 2 (voll beruhigt, veraltete Bezeichnung, s. u.) und nicht normalisiert.
- EN 10025 (alt) - S235JRG2 beruhigter Stahl, Streckgrenze von 235 N/mm² bei kleinster Erzeugnisdicke, Güteklasse 2 (voll beruhigt, veraltete Bezeichnung, s. u.) und nicht normalisiert.
- DIN 17100 (alt, national) - RSt 37-2 beruhigter Stahl, Streckgrenze von 235 N/mm² bei kleinster Erzeugnisdicke, Güteklasse 2 (voll beruhigt, veraltete Bezeichnung, s. u.) und nicht normalisiert.
- EN 10025 (aktuell) - S335J2+N beruhigter Stahl, Streckgrenze von 355 N/mm² bei kleinster Erzeugnisdicke, Gütegruppe J2 und normalisiert.
- EN 10025 (alt) - S335J2G3 beruhigter Stahl, Streckgrenze von 355 N/mm² bei kleinster Erzeugnisdicke, Gütegruppe J2 und normalisiert.
- DIN 17100 (alt, national) - St 52-3 N beruhigter Stahl, Streckgrenze von 355 N/mm² bei kleinster Erzeugnisdicke, Gütegruppe J2 und normalisiert.
- K: kaltverformt
- A: angelassen
- N: normalgeglüht
- V: vergütet