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Aluminium
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Al
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658°C
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Es ist das stärkste, sehr häufig angewandte
Desoxydation- und ausserdem Denitrierungsmittel; dadurch wirkt es auch stark
begünstigend auf die Alterungsunempfindlichkeit ein. In kleinen Zugaben
unterstützt es die Feinkornausbildung.
Da Aluminium mit Stickstoff Nitride mit
hoher Härte bildet, ist es meist Legierungselement in Nitrierstählen
Es erhöht die Zunderbeständigkeit und wird
deshalb häufig ferritischen hitzebeständigen Stählen zulegiert. Bei
unlegierten Kohlenstoffstählen kann man durch "Alitieren"
(einbringen von Aluminium in die Oberfläche) die Zundebeständigkeit fürdern.
Aluminium engt den Gamma-Bereich sehr stark ein.
Wegen der starken Erhöhung der
Koerzitivkraft ist Aluminium Legierungselement in
Eisen-Nickel-Kobalt-Aluminium-Dauermagnetlegierungen.
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Arsen
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As
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817°C unter Druck
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Schnürt ebenfalls das Gamma-Gebiet ab und
ist Stahlschädling, da es starke Seigerungsneigung zeigt, ähnlich wie
Phosphor. Die Beseitigung der Seigerungen durch Diffusions-Glühen ist jedoch
noch schwieriger als bei Phosphor. Weiterhin erhöht es die Anlassprüdigkeit,
setzt die Zähigkeit stark herab und beeinträchtigt die Schweissbarkeit
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Bor
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B
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2300°C
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Da Bor einen hohen Wirkungsquerschnitt für
Neutronen-Absorption aufweist, legiert man damit Stähle für Regler und
Abschirmungen von Atomkernenergie-Anlagen.
Austenitische 18/8 CrNi-Stähle künnen mit
Bor über Ausscheidungshärtungen auf hühere Streckgrenze und Festigkeit
gebracht werden, wobei aber die Korrosionsbeständigkeit gemindert wird. Durch
Bor hervorgerufene Ausscheidungen verbessern die Festigkeitseigenschaften
hochwarmfester Stahltypen im Bereich erhöhter Temperaturen.
In Baustählen verbessert dieses Element die
Durchhärtung und bewirkt damit in Einsatzstählen eine erhöhung der
Kernfestigkeit.
Mit einer Minderung der Schweissbarkeit in
Borlegierten Stählen muss gerechnet werden.
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Beryllium
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Be
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1280°C
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Aus Kupfer-Beryllium-Legierungen werden
Spiralfedern für Uhren hergestellt, die kaum magnetisierbar sind und eine
viel hühere Zahl von Lastwechseln aushalten als Stahlfedern.
Nickel-Beryllium-Legierungen sind sehr hart und korrosionsbeständig;
Verwendung in chirurgischen Instrumenten.
Sehr stark Abschnürung des Gamma-Gebietes.
Mit Beryllium künnen Ausscheidungshärtungen erziehlt werden, wobei aber die
Zähigkeit sinkt; stark desoxydierend, grosse Affinität zu Schwefel.
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Kohlenstoff
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C
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3540°C
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Kohlenstoff ist das wichtigste und
einflussreichste Legierungselement im Stahl. Neben Kohlenstoff enthält jeder
unlegierte Stahl Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel, welche bei der
Herstellung unbeabsichtigt hinzukommen. Der Zusatz weiterer
Legierungselementen zur Erzielung besonderer Wirkungen, sowie die bewusste
Erhöhung des Mangan- und Siliziumgehaltes führt zum legierten Stahl. Mit
zunehmendem Kohlenstoff-Gehalt steigen die Festigkeit und Härtbarkeit des
Stahles, wogegen seine Dehnung, Schmiedbarkeit, Schweissbarkeit und
Bearbeitbarkeit (durch spanabhebende Werkzeuge) verringert werden. Der
Korrosionswiderstand gegenüber Wasser, Säuren und heissen Gasen wird durch
den Kohlenstoff praktisch nicht beeinflusst.
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Kalzium
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Ca
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850°C
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Geimeisam mit Silizium in Form von
Silico-Kalzium zur Desoxydation eingesetzt. Kalzium erhöht die
Zunderbeständigkeit von Heizleiterwerkstoffen.
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Cer
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Ce
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775°C
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Wirkt reinigend, da es stark desoxydiert und
die Entschwefelung fürdert; es kommt gewühnlich gemeinsam mit Lanthan,
Neodym, Praseodym und anderen seltenen Edelmetallen als
"Mischmetall" zum Einsatz.
Begünstigt in hochlegierten Stählen z.T. die
Warmverformbarkeit und verbessert in hitzebeständigen Stählen die
Zunderbeständigkeit.
Eisen-Cer-Legierungen mit ungefähr 70% Cer
sind pyrophor (Zündsteine)
Zusatz in kugelgraphitischem Gusseisen
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Kobalt
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Co
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1492°C
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Kobalt bildet keine Karbide; es hemmt das
Kornwachstum bei hüheren Temperaturen und verbessert die Anlassprüdigkeit und
die Warmfestigkeit stark; deshalb oft Legierungselement in Schnellstählen,
Warmarbeitsstählen, warmfesten und hochwarmfesten Werkstoffen. Begünstigt die
Graphitausbildung. Es erhöht in grossen Anteilen die Remanenz, Koerzitivkraft
und Wärmeleitfähigkeit; deshalb Legierungsbasis für hüchstwertige
Dauermagnetstähle und -legierungen.
Unter Neutronenbestrahlung bildet sich das
stark radioaktive Isotop 60Co, weshalb Kobalt in Stählen für Atomreaktoren
unerwünscht ist.
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Chrom
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Cr
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1920°C
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Chrom macht Stahl ül- bzw. lufthärtbar.
Durch Herabsetzung der für die Martensitbildung erforderlichen kritischen
Abkühlgeschwindigkeit erhöht es die Härtbarkeit und verbessert damit die
Vergütbarkeit. Die Kerbschlagzähigkeit wird jedoch verringert, setzt die
Dehnung aber nur sehr wenig herab. Die Schweissbarkeit nimmt bei reinen
Chromstählen mit zunehmendem Chrom-Gehalt ab. Die Zugfestigkeit des Stahls
steigt um die 80-100 N/mm2 je 1% Chrom.
Chrom ist Karbidbildner. Seine Karbide
steigern Schnitthaltigkeit und Verschleissfestigkeit. Warmfestigkeit und
Druckwasserstoff-Beständigkeit werden durch Chrom begünstigt. Während
steigende Chrom-Gehalte die Zunderbeständigkeit erhöhen, ist für die
Korrosionsbeständigkeit von Stählen ein Mindestgehalt von etwa 13% Chrom erforderlich,
welches in der Grundmasse gelüst sein muss.
Das Element schnürt das Gamma-Gebiet ab und
erweitert dadurch den Ferritbereich; stabilisiert jedoch den Austenit in
austenitischen Chrom-Mangan- bzw. Chrom-Nickel-Stählen.
Wärmeleitfähigkeit und elektrische
Leitfähigkeit werden verringert. Die Wärmeausdehnung wird gesenkt
(Legierungen für Glaseinschmelzung).
Bei gleichzeitig hüherem Kohlenstoffanteil
erhöhen Chrom Gehalte bis 3% Remanenz und Koerzitivfeldstärke.
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Kupfer
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Cu
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1084°C
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Kupfer wird nur bei wenigen Stahlsorten
zulegiert, da es sich unter der Zunderschicht anreichert und durch Eindringen
in die Korngrenze eine grosse Oberflächenempfindlichkeit bei
Wafmverformungsprozessen verursacht, weshalb es z.T. als Stahlschädling
betrachtet wird.
Die Streckgrenze und das
Streckgrenzen-Festigkeitsverhältniss werden erhöht. Gehalte über 0.30% künnen
Aushärtungen bewirken. Die Härtbarkeit wird verbessert. Die Schweissbarkeit
wird durch Kupfer nicht beeinflusst.
In unlegierten und schwachlegierten Stählen
wird durch Kupfer eine bedeutende Verbesserung der Witterungsbeständigkeit
erreicht.
In säurefesten hochlegierten Stählen
erbringt ein Kupfer-Gehalt über 1% verbesserte Beständigkeit gegen Salzsäure
und Schwefelsäure.
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Wasserstoff
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H
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-262°C
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Dieses Element ist ein Stahlschädling, weil
er Versprödung durch Abfall von Dehnung und Einschnürung ohne Erhöhung von
Streckgrenze und Zugfestigkeit hervorruft. Wasserstoff bildet die Ursache für
die gefürchtete Flockenbildung und begünstigt die Schattenstreifenentstehung.
Beim Beizen entstehender atomarer Wasserstoff dringt unter Blasenbildung in
den Stahl ein. Feuchter Wasserstoff entkohlt bei hüheren Temperaturen.
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Magnesium
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Mg
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657°C
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Dieses Element wird als Desoxydations- und
Entschwefelungsmittel hinzulegiert. In Gusseisen erzeugt Magnesium
Kugelgraphit.
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Mangan
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Mn
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1221°C
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Mangan desoxydiert. Es bindet Schwefel als
Mangan-Sulfide und verringert dadurch den ungünstigen Einfluss des
Eisen-Sulfides. Besondere Bedeutung hat dies bei Automatenstahl; die
Rotbruchgefahr wird verringert.
Mangan setzt die kritische
Abkühlungsgeschwindigkeit sehr stark herab und erhöht damit die Härtbarkeit.
Streckgrenze sowie Festigkeit werden durch Mangan-Zusatz erhöht, ferner wirkt
Mangan sich günstig auf die Schmiedbarkeit und Schweissbarkeit aus und
vergrüssert stark die Einhärttiefe.
Gehalte über 4% führen auch bei langsamer
Abkühlung zur Ausbildung von sprüden martensitischem Gefüge, so dass der
Legierungsbereich kaum genützt wird.
Stähle mit Mangan-Gehalten über 12% sind bei
gleichzeitigem hohen Kohlenstoff-Anteil austenitisch, weil Mangan den
Gamma-Bereich erheblich ausweitet. Solche Stähle erhalten unter schlagender
Beanspruchung der Oberfläche eine sehr hohe Kaltverfestigung, während der
Kern zäh bleibt; sie sind deshalb bei Schlageinwirkung hochverschleissfest.
Stähle mit Mangan-Gehalten von 18% aufwärts
bleiben auch nach verhältnismässig starker Kaltverformung nicht
magnetisierbar und werden als Sonderstähle und auch als kaltzähe Stähle bei
Tieftemperatur-Beanspruchung verwendet.
Durch Mangan erhöht sich der
Wärmeausdehnungs-Koeffizient, während Wärmeleitfähigkeit und elektrische
Leitfähigkeit sinken.
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Molybdän
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Mo
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2622°C
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Molybdän legiert man meist zusammen mit
anderen Elementen. Durch Herabsetzung der kritischen
Abkühlungsgeschwindigkeit wird die Härtbarkeit verbessert. Molybdän
verringert weitgehend die Anlassprüdigkeit, beispielsweise bei Chrom-,
Nickel- und bei Mangan-Stählen, fürdert die Feinkornbildung und wirkt sich
auch günstig auf die Schweissbarkeit aus. Erhöhung von Streckgrenze und
Festigkeit. Bei hüherem Molybdän-Gehalt wird wird die Schneidbarkeit
erschwert. Starker Karbidbildner; die Schneideigenschaften bei
Schnellarbeitsstählen werden dadurch verbessert.
Es gehürt zu jeden Elementen, welche die
Korrosionsbeständigkeit erhöhen und wird deshalb bei hochlegierten
Chrom-Stählen un bei austenitischen Chrom-Nickel-Stählen häufig eingesetzt;
hohe Molybdän Gehalte senken die Lochfrassanfälligkeit. Sehr starke Einengung
des Gamma-Bereichs; Erhöhung der Warmfestigkeit, die Zunderbeständigkeit wird
vermindert.
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Stickstoff
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N
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-210°C
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Dieses Element kann sowohl als
Stahlschädling wie auch als Legierungsbestandteil in Erscheinung treten.
Schädlich wegen der Verminderung der
Zähigkeit durch Ausscheidungsvorgänge, der Hervorrufung von Alterungsempfindlichkeit
und Blausprödigkeit (Verformung in Gebieten der Blauwärme 300-350°C) sowie
wegen der Möglichkeit der Auslösung von interkristaliner
Spannungsrisskorrosion in unlegierten und nidriglegierten Stählen.
Als Legierungselement erweitert Stickstoff
das Gamma-Gebiet und stabilisiert das austenitische Gefüge; erhöht in
austhenitischen Stählen die Festigkeit und vor allem die Streckgrenze sowie
die mechanischen Eigenschaften in der Wärme.
Stickstoff lässt durch Nitridbildung beim
Nitrieren hohe Oberflächengüte erreichen.
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Niob
Columbium
Tantal
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Nb
Cb
Ta
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Nb 2468°C
Ta 3030°C
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Diese Elemente kommen fast nur gemeinsam vor
und sind sehr schwer voneinander zu trennen, so dass sie üblicherweise
zusammen verwendet werden. Sehr starke Karbidbildner, deshalb besonders als
Sabilisatoren chemisch beständigen Stählen zulegiert. Beide Elemente sind
Ferritbildner und verringern damit den Gamma-Bereich.
Infolge der Erhöhung der Warmfestigkeit und
Zeitstandfestigkeit durch Niob wird es zu hochwarmfestem austenitischen Kesselstählen
oft zulegiert.
Tantal hat einen hohen
Absorptions-Querschnitt für Neutronen; für Atomreaktorstähle kommt nur
Tantal-armes Niob in Betracht.
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Nickel
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Ni
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1453°C
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Bewirkt bei Baustählen bedeutende Erhöhung
der Kerbschlagzähigkeit, auch im Tieftemperaturbereich und wird deshalb zur
Erhöhung der Zähigkeit in Einsatz-, Vergütungs-, und kaltzähen Stählen
zulegiert.
Alle Umwandlungspunkte (A1-A4) werden durch Ni gesenkt; es ist kein
Karbidbildner.
Durch starke Ausweitung des Gamma-Gebietes
verleiht Ni in Gehalten von mehr als 7% hoch-Cr-haltigen chemisch beständigen
Stählen Austenit-Struktur bis weit unter Raumtemperatur.
Ni allein macht den Stahl auch in hohen
Prozentsätzen nur rostträge, ergibt jedoch in austenitischen Cr-Ni-Stählen
Beständigkeit gegen den Einfluß reduzierender Chemikalien; die Beständigkeit
dieser Stähle in oxydierenden Substanzen wird durch Cr erreicht.
Austenitische Stähle haben bei Temperaturen
oberhalb 600°C eine höhere Wärmefestigkeit, da ihre
Rekrstallisationstemperatur hoch liegt; sie sind praktisch nicht
magnetisierbar. Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit werden stark
vermindert.
Hohe Ni-Gehalte in genau begrenzten
Legierungsbereichen führen zu physikalischen Stählen mit bestimmten
physikalischen Eigenschaften, z.B. geringe Temperaturausdehnung (Invartypen).
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Sauerstoff
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O
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-218.7°C
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Dieses Element ist ein Stahlschädling.
Sauerstoff verschlechtert die technologischen Eigenschaften Kerbzähigkeit und
Alterung. Zudem erzeugt das Element Rotbruch und begünstigt Holzfaserbruch
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Phosphor
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P
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44°C
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Phosphor wird meist als Stahlschädling
betrachtet, da dieser starke Primärseigerungen bei der Erstarrung der
Schmelze und die Möglichkeit zu Sekundärseigerungen im festen Zustand durch
dir starke Abschnürung des Gamma-Gebietes ergiebt. Infolge der
verhältnismässig geringen Diffusionsgeschwindigkeit, sowohl im Alpha- als
auch im Gamma-MIschkristall können gegebene Seigerungen nur schwierig
ausgeglichen werden. Da es kaum möglich ist, eine homogene Verteilung des
Phosphors zu erzielen, versucht man, den P-Gehalt sehr niedrig zu halten und
dementsprechend bei hochwertigen Stählen eine obere Grenze von 0.03%-0.05%
anzustreben. Das Ausmass der Seigerungen kann nicht mit Sicherheit bestimmt
werden
Phosphor erhöht schon in geringsten Gehalten
die Empfindlichkeit gegen Anlassversprödung. Die P-Versprödung steigt mit der
Zunahme des C-Gehaltes, mit steigender Härtetemperatur, mit der Korngrösse
und mit der Verminderung des Verschmiedungsgrades. Die Versprödung tritt als
Kaltbrüchigkeit und Empfindlichkeit gegenüber Schlagbeanspruchung in
Erscheinung.
In schwachlegierten Baustählen mit
C-Gehalten von etwa 0.1% erhöht P die Festigkeit un die
Korrisionsbeständigkeit gegen atmosphärischen Einflüsse; Cu unterstützt die
Verbesserung der Korrisionsbeständigkeit (rostträge Stähle).
Phosphor-Zusätze können in austenitischen
Crom-Nickel-Stählen Streckgrenzerhöhungen bedingen und Ausscheidungseffekte
erzielen.
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Blei
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Pb
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327.4°C
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Wird in Automatenstählen in Gehalten von
etwa 0,2-0,5% zulegiert, da dadurch seine äußerst feine suspensionsartige
Verteilung die Bildung kurzer Späne und sauberer Schnittflächen erziehlt wird
und damit bessere Bearbeitbarkeit gegeben ist. Die angegebenen Bleigehalte
beeinflussen die mechanischen Eigenschaften der Stähle praktisch nicht.
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Schwefel
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S
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118°C
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Ergibt von allen Stahlbegleitern die
stärksten Seigerungen. Eisen-Sulfid führt zu Rotbruch bzw. Heißbruch, da die
niedrigschmelzenden Sulfid-Eutektika die Körner netzartig umfassen, so daß
nur ein geringer Zusammenhalt der letzteren gegeben ist und bei der
Warmverformung bevorzugt die Korngrenzen aufbrechen; dies wird durch
Sauerstoffeinwirkung noch verstärkt. Da Schwefel zu Mangan eine besonders
große Affinität hat, bindet man ihn als Nm-Sulfid ab, da dieses von allen
gewöhnlich vorhandenen Einschlüssen am ungefährlichsten ist, im Stahl
punktförmig verteilt vorliegt und einen hohen Schmelzpunkt hat. Die Zähigkeit
in Querrichtung wird durch S deutlich verringert. S wird Stählen für
Automatenbearbeitung absichtlich bis zu 0,4 % zugegeben, da die durch die
Schmierwirkung auf die Werkzeugschneide verminderte Reibung zwischen
Werkstück und Werkzeug erhöhte Standzeiten erzielen lässt. Außerdem treten
bei Automatenstählen bei der spanabhebenden Bearbeitung kurze Späne auf.
Schwefel verstärkt die Schweißrissanfälligkeit.
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Antimon
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Sb
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630°C
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Dieses Element ist ein Stahlschädling, es
erniedrigt die Zähigkeit des Stahls; es wird das Gamma-Gebiet abgeschnürt.
Allgemein sind wenig Informationen zu diesem Legierungselement erhältlich.
Weitere interesannte Informationen an meine EMail Adresse.
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Selen
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Se
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217°C
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Verwendung in Automatenstählen ähnlich wie
bei S, wobei es die Bearbeitbarkeit noch wirksamer verbessern soll; in
korrosionsbeständigen Stählen vermindert es die Beständigkeit geringer als S.
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Silizium
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Si
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1414°C
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Si ist gleich dem Mangan in jedem Stahl
enthalten, da schon die Eisenerze je nach ihrer Zusammensetzung eine
entsprechende Menge davon mitbringen. Auch bei der Stahlherstellung selbst
wird von den feuerfesten Ofenauskleidungen her Silizium in die Schmelze
aufgenommen. Aber erst solche Stähle werden Siliziumstähle genannt, die einen
Si-Gehalt von mehr als 0,40% besitzen. Si ist kein Metall, sondern ein sog.
Metalloid, wie es z.B. auch Phosphor und Schwefel sind.
Si desoxydiert. Es begünstigt die
Graphitausscheidung und verengt den Gamma-Bereich stark, erhöht Festigkeit
und verschleißfestigkeit (Si-Mn-Vergütungsstähle); starke Erhöhung der
Elastizitätsgrenze, deshalb als Legierungselement in Federstählen zweckmäßig.
Si erhöht maßgeblich die Zunderbeständigkeit,
so dass die hitzebeständigen Stähle damit legiert werden. Wegen der
Beeinträchtigung von Warm- und Kaltformbarkeit sind aber die möglichen
Gehalte begrenzt.
Bei 12% Si wird weitgehend
Säurebeständigkeit erreicht, doch sind derartige Qualitäten nur als sehr
harter und spröder Stahlformguß herstellbar, der nur durch Schleifen
bearbeitet werden kann.
Infolge starker Herabsetzung von elektrische
Leitfähigkeit, Koeritivfeldstärke und Wattverlusten wird Si in Stählen für
Elektrobleche verwendet.
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Zinn
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Sn
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231,8°C
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Stahlschädling, da es sich ähnlich wie Cu
unter der Zunderschicht anreichert, entlang der Korngrenzen eindringt und
Risse sowie Lotbrüchigkeit hervorruft. Sn neigt zu starken Seigerungen und
schnürt das Gamma-Gebiet ab.
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Titan
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Ti
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1727°C
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Ti wirkt wegen seiner hohen Affinität zu
Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Kohlenstoff stark desoxydierend, stark
denitrierend, schwefelbindend und stark karbidbildend. Weitgehend in
korrosionsbeständigen Stählen als Karbidbildner zur Stabilisierung gegenüber
interkristalliner Korrosion eingesetzt; hat außerdem kornverfeinernde
Eigenschaften. Ti engt das Gamma-Gebiet sehr stark ein. Es fürht in höheren
Gehalten zu Ausschidungsvorgängen und wird wegen der Erreichung hoher
Koerzitivfeldstärke Dauermagnetlegierungen beigegeben.k Ti steigert die
Zeitstandfestigkeit durch Bildung von Sondernitriden. Allerdings neigt Ti
stark zu Seigerungen und zur Zeilenbildung.
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Vanadium
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V
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1726°C
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V verfeinert das Primärkorn und damit die
Gußstruktur; starker Karbidbildner, wodurch Erhöhung von
Verschleißwiderstand, Schneidhaltigkeit und Warmfestigkeit gegeben ist;
Einsatz deshalb bevorzugt als zusätzlicher Legierungsbestandteil in Schnell-,
Warmarbeits- und warmfesten Stählen. Wesentliche Verbesserung der
Anlaßbeständigkeit, Verminderung der berhitzungsempfindlichkeit. Da V das
Korn verfeinert und infolge der Karbidbildung Erhöhung der Beständigkeit
gegenüber Druckwasserstoff. V engt den Gamma-Bereich ein und verschiebt den
Curie-Punkt zu höheren Temperaturen.
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Wolfram
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W
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3380ÎC
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Wolfram ist ein sehr starker Karbidbildner
(seine Karbide sind sehr hart) und egnt das Gamma-Gebiet ein, es verbessert
die Zähigkeit und behindert das Kornwachstum. W erhöht Warmfestigkeit und
Anlaßbeständigkeit sowie die Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen
(Rotglut) und damit die Schneidfähigkeit. Es wird deshalb überwiegend zu
Schnell- und Warmarbeitsstählen sowie warmfesten Stahltypen und zu Stählen
höchster Härte zulegiert. Beträchtliche Steigerung der Koerzitivfeldstärke,
deshalb Legierungsbestandteil von Dauermagnetlegierungen. W beeinträchtigt
die Zunderbeständigkeit. Sein hohes spezifisches Gewicht macht sich besonders
in höheren W-legierten Schnell- und Warmarbeitsstählen bemerkbar.
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Zirkon
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Zr
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1860ÎC
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Zr ist ein Karbidbildner; metallurgischer
Einsatz als Zusatzelement zur Desoxydation, Denitrierung und Entschwefelung,
da es wenig Desoxydationsprodukte hinterlässt. Zr-Zusätze zu völlig
beruhigten schwefelhaltigen Automatenstählen üben einen günstigen Einfluss
auf die Sulfidbildung und somit Vermeidung von Rotbruch aus. Es erhöht die
Lebensdauer von Heizleiterwerkstoffen und bewirkt Einengung des Gamma-Gebietes.
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