Mangan, Phosphor, Schwefel, Silizium und Vanadium: wie wirken sie sich jeweils auf die Stahl-Legierung aus? Gibt es Wechselwirkungen? Und wenn ja welche?
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Mangan
Mangan erhöht die Härtbarkeit und Zugfestigkeit von Stahl, jedoch in geringerem Maße als Kohlenstoff. Es ist auch in der Lage, die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit während des Härtens zu verringern, wodurch die Härtbarkeit des Stahls viel effizienter als bei allen anderen Legierungselementen erhöht wird. Mangan neigt auch dazu, die Rate der Kohlenstoffpenetration während des Aufkohlens zu erhöhen und wirkt als mildes Desoxidationsmittel. Wenn jedoch zu hoher Kohlenstoff- und zu hoher Mangangehalt mit einander einhergehen tritt Versprödung ein. Mangan ist in der Lage mit Schwefel Mangansulfid (MnS) zu bilden, was für die Bearbeitung vorteilhaft ist. Gleichzeitig wirkt es der Versprödung durch Schwefel entgegen und ist vorteilhaft für die Oberflächenbeschaffenheit von Kohlenstoffstahl.
Für Schweißzwecke sollte das Verhältnis von Mangan zu Schwefel mindestens 10 zu 1 betragen. Ein Mangan-Gehalt von weniger als 0,30 % kann die innere Porosität und Rissbildung in der Schweißraupe fördern, bei einem Gehalt von mehr als 0,80 % kann es auch zu Rissbildung kommen. Stahl mit niedrigem Mangansulfid-Gehalt kann Schwefel in Form von Eisensulfid (FeS) enthalten, was zu Rissbildung (ein „Heißriss“-Zustand) in der Schweißnaht führen kann.
Phosphor
Phosphor erhöht die Festigkeit und Härte, jedoch auf Kosten der Duktilität und des Einflusses auf die Zähigkeit, insbesondere bei Stählen mit höherem Kohlenstoffgehalt die vergütet werden. Daher ist sein Gehalt in den meisten Stählen auf maximal 0,05 % begrenzt. Phosphor verhindert das Zusammenkleben von leichtgewichtigen Blechen, wenn es als Legierung in Stahl verwendet wird. Es verfestigt kohlenstoffarmen Stahl bis zu einem gewissen Grad, erhöht die Korrosionsbeständigkeit und verbessert die Bearbeitbarkeit von Automatenstählen. In Bezug auf das Schweißen macht ein Phosphorgehalt von über 0,04% die Schweißnaht spröde und erhöht die Rissneigung. Die Oberflächenspannung des geschmolzenen Schweißguts wird herabgesetzt, wodurch sie schwer zu kontrollieren ist.
Schwefel
Schwefel verbessert die Zerspanbarkeit, senkt jedoch die Querduktilität und die Kerbschlagzähigkeit und hat nur geringe Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften in Längsrichtung. Sein Gehalt ist bei Stählen auf 0,05 % begrenzt, wird aber bei Automatenstählen in einer Menge von bis zu 0,35 % zugesetzt, wobei der Mangangehalt erhöht wird um etwaigen nachteiligen Auswirkungen entgegenzuwirken, da Schwefel für die Bearbeitung vorteilhaft ist. Beim Schweißen nimmt die Schweißbarkeit mit zunehmendem Schwefelgehalt ab. Schwefel wirkt sich nachteilig auf die Oberflächenqualität von kohlenstoff- und manganarmen Stählen aus und fördert die Warmbrüchigkeit beim Schweißen, wobei die Tendenz mit zunehmendem Schwefelgehalt zunimmt.
Silizium
Silizium erhöht Festigkeit und Härte, jedoch in geringerem Maße als Mangan. Es ist eines der wichtigsten Deoxidationsmittel, das bei der Herstellung von Stählen verwendet wird, um die Solidität zu verbessern, d.h. um frei von Defekten, Zerfall oder Beschädigungen zu sein. Silizium ist bis zu einem gewissen Grad in allen Stählen enthalten. Sein Gehalt kann bei Elektroblechen die in Wechselstrom-Magnetkreisen weit verbreitet sind bis zu 4% betragen.
Beim Schweißen wirkt sich Silizium nachteilig auf die Oberflächenqualität aus, insbesondere bei den kohlenstoffarmen, wiederaufgeschwefelten Sorten. Die Rissneigung wird verschlimmert wenn der Kohlenstoffgehalt relativ hoch ist. Für beste Schweißbedingungen sollte der Siliziumgehalt 0,10% nicht überschreiten. Mengen bis zu 0,30% sind jedoch nicht so schwerwiegend wie hohe Schwefel- oder Phosphorgehalte.
Für Verzinkungszwecke können Stähle, die mehr als 0,04% Silizium enthalten, die Dicke und das Aussehen der verzinkten Beschichtung stark beeinflussen. Dies führt zu dicken Beschichtungen, die hauptsächlich aus Zink-Eisen-Legierungen bestehen, und die Oberfläche hat eine dunkle und matte Oberfläche. Aber sie bietet genauso viel Korrosionsschutz wie eine glänzende galvanisierte Beschichtung, bei der die äußere Schicht aus reinem Zink besteht.
Vanadium
Vanadium wird zur Verfeinerung der Korngröße verwendet. Stähle, die Vanadium enthalten, haben ein viel feineres Korngefüge als Stähle mit ähnlicher Zusammensetzung ohne Vanadium. Es verringert die Geschwindigkeit des Kornwachstums während der Wärmebehandlungsprozesse und erhöht die Temperatur, bei der die Kornvergröberung einsetzt, wodurch die Festigkeit und Zähigkeit von gehärteten und angelassenen Stählen verbessert wird. Gehalte bis zu 0,05 % erhöhen die Härtbarkeit, während größere Mengen dazu neigen, die Härtbarkeit aufgrund der Bildung von Karbid zu verringern. Vanadium vermindert die Erweichung beim Anlassen und induziert eine Sekundärhärte bei Schnellarbeitsstählen.
Vanadium wird in Nitrier-, warmfesten, Werkzeug- und Federstählen zusammen mit anderen Legierungselementen verwendet. Es wird auch in Ferrit/Perlit-Mikrolegierungsstählen verwendet, um die Härte durch Karbonitrid-Ausscheidungsverfestigung der Matrix zu erhöhen.
Literaturhinweise
- Automotive Handbook, Bosch, 1st English Edition, 1978, p 154-158
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