Der Einfluss gemeinsamer Elemente auf Stahlguss

Das Hinzufügen von C zum Stahlgussverfahren ist eine gängige Methode, mit der wir gießen. Wenn der C-Gehalt weniger als 2% beträgt, spricht man von Gussstahl, wenn er höher als 2% ist, von C-Stahl. C selbst hat jedoch keine Festigkeit und Härte. Als Fe(3)C, das Eisenkarbid im Mischkristall, ist C jedoch das wichtigste Element, das für Festigkeit und Härte verantwortlich ist.

Die Hauptrolle von C:

Beim Gießen von rostfreiem Stahl erhöht sich mit zunehmendem C-Gehalt die Festigkeit, Härte und Härtbarkeit des Stahls. Er verringert jedoch die Plastizität, die Zähigkeit sowie die magnetischen und elektrischen Eigenschaften. Die Kombination von C und bestimmten Legierungselementen im Stahl bildet verschiedene Karbide, die unterschiedliche Auswirkungen auf die Eigenschaften des Stahls haben.
C-Gehalt in einigen Stahlgussbereichen: C-Stahl 0,03 ~ 1,04%, Schnellarbeitsstahl 0,75 ~ 1,60%, Warmarbeitsstahl 0,22 ~ 0,70%, Kaltarbeitsstahl 0,45 ~ 2,85%.

Bei der Desoxidation und Entsalzung ist Mn im geschmolzenen Stahl zu finden, aber zu diesem Zeitpunkt verbleibt es im Stahl in einer Menge von weniger als 1%. Wenn die Mn-Menge im Stahl 1% übersteigt, ist Mn ein absichtlich hinzugefügtes Legierungselement.

Die Hauptrolle von Mn:

Zur Verbesserung der Zugfestigkeit, Härtbarkeit, hohen Zähigkeit und der Verarbeitungseigenschaften von Stahlguss. In S-haltigen Stählen minimiert Mn die durch S verursachte Heiß- und Kaltversprödung. Stahl mit hohem Mn-Gehalt hat eine hohe Verschleißfestigkeit nach harter Arbeit oder Stößen. Es besteht jedoch die Tendenz, das Kornwachstum des Stahls zu fördern und die zweite Art der Anlaßsprödigkeit zu erhöhen. Das Element Mn wird in Baustahl, Bewehrungsstahl und Federstahl verwendet.
Mn in einigen Stahlguss in den Inhalt Bereich: C-Stahl 0,25 ~ 0,65%, Mn-Stahl 1,6 ~ 1,9%, kalter Werkzeugstahl 0,30 ~ 2,50%, echter Cr-Ni-Edelstahl 2,00 ~ 15,5%.

Si ist ein Ferrit-bildendes Element. Es erhöht die A(1)- und A(3)-Temperaturen. Da Si eine graphitbildende Wirkung hat, wird es im Allgemeinen mit Mn in Stahl als Stabilisator von Karbiden kombiniert. Es ist ein häufig verwendetes Desoxidationsmittel.

Die Hauptrolle von Si:

In Elektroblechen erhöht Si die Permeabilität und den spezifischen Widerstand und ermöglicht geringe Hystereseverluste. Si macht einige hochwarmfeste Stähle widerstandsfähig gegen Oxidation. Und Stahlguss verbessert durch die Kombination von Si und Mn die Härtbarkeit, Festigkeit und Kerbschlagzähigkeit. Besonders nach dem Vergüten kann es die Streckgrenze und die Elastizitätsgrenze des Stahls verbessern. Durch den hohen Si-Gehalt im Stahlguss werden die magnetischen Eigenschaften und die Widerstandsfähigkeit deutlich erhöht. Allerdings neigt Si dazu, die Graphitierung zu fördern, und wenn der Stahl einen hohen Anteil an C enthält, ist der Effekt noch größer.
Der Si-Gehalt in gewöhnlichem Stahl reicht von 0,17 bis 0,37%.

Die Hauptrolle von Cr:

Gussstücke aus nichtrostendem Stahl enthalten genügend C, wenn Cr die Härte des Stahls verbessert. Im Allgemeinen sind Stähle mit niedrigem Cr-Gehalt (1% C) sehr hart. Der Zusatz von Cr zu Stahl mit niedrigem C-Gehalt kann die Festigkeit verbessern, aber die Duktilität verringern. Cr verbessert die Hochtemperaturfestigkeit und Härtbarkeit von Stahl; bei Stahl mit hohem C-Gehalt die Verschleißfestigkeit.

Bei Zugabe großer Mengen, bis zu 25%, verbessert Cr die Korrosionsbeständigkeit, da es eine schützende Oxidschicht auf der Stahloberfläche bildet. In Kombination mit Elementen wie Ni verbessert es die Oxidationsbeständigkeit und die thermische Festigkeit des Stahls und verbessert die Korrosionsbeständigkeit weiter. Cr fördert das Kornwachstum, was zu einer erhöhten Sprödigkeit des Stahls führt. Cr ist ein weit verbreitetes Element in Bau-, Werkzeug-, Lager-, rostfreiem und hitzebeständigem Stahl.

W ist ein festes, karbidbildendes Element. Es bildet die sehr harten und stabilen Karbide W(2)C, WC und das komplexe Karbid Fe(4)W(2)C. Diese Karbide lösen sich nur sehr langsam und nur bei sehr hohen Temperaturen auf. W ist ein wichtiger Bestandteil von Werkzeugstählen, insbesondere von Schnellarbeitsstählen. In diesen Stählen erhöht W die Härte nach der Sekundärhärtung erheblich. Als ferritbildendes Element senkt W die A(4)-Temperatur und hebt die A(3)-Temperatur an.

Die Hauptrolle von W:

W hemmt das Kornwachstum und hat daher eine kornfeinende Wirkung. W verringert die Entkohlung bei der Warmumformung und Wärmebehandlung. Es erhöht die Hochtemperaturhärte von vergüteten Stählen. In einigen hochwarmfesten Legierungen erhöht W die Kriechfestigkeit. Wird ein Gussstück aus rostfreiem Stahl, das W enthält, auf 600 bis 700 °C erhitzt, scheidet sich das Karbid dennoch nicht aus, wodurch eine Erweichung des Stahls vermieden wird. Es ist eines der Elemente, die am häufigsten in Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl und legiertem Werkzeugstahl verwendet werden. Allerdings ist es nicht geeignet für Stahlguss Oxidationsbeständigkeit.
W in einigen Stahlgehaltsbereichen: W-Cr-Stahl 1.75%, Schnellarbeitsstahl 1.15 ~ 21.0%, Warmarbeitsstahl 0 ~ 19.0%, Kaltarbeitsstahl 0 ~ 2.0%, schlagfester Stahl 0 ~ 3.0%.

Mo ist ein robustes karbidbildendes Element. Es bildet das starre und stabile Karbid Mo(2)C sowie andere komplexe Karbide wie Fe(4)Mo(2)C und Fe(21)MoC(6).

Die Hauptrolle von Mo:

Eine kleine Menge kann die Umwandlungsrate wirksam verringern und die Hochtemperaturfestigkeit und Kriechfestigkeit von Stahlguss verbessern. Es kann auch die Korrosionsbeständigkeit von rostfreiem Stahl verbessern, insbesondere in Salzsäurelösungen. Eine ähnliche Rolle spielt W in Schnellarbeitsstählen, wobei häufig Mo anstelle von W verwendet wird. Dies verringert die Karbidbildung in W-haltigen Stählen und verbessert die mechanischen Eigenschaften. Mo ist einer der Hauptbestandteile von Mo-Stählen, die eine hohe Zugfestigkeit und gute Plastizität aufweisen. In Cr-Stählen wird Mo zugesetzt, um die Bearbeitbarkeit und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. In Ni-Mo-Stählen erhöht Mo die Oberflächenhärte von nichtrostendem Stahlguss.
Mo in einigen Stahlgehalt Bereich: Mo Stahl 0.15 ~ 0.60%, High-Speed-Werkzeugstahl 0 ~ 10.0%, Warmarbeit Werkzeugstahl 0 ~ 5.5%, Kaltarbeit Werkzeugstahl 0 ~ 1.8%, authentisch Cr - Ni Edelstahl 0.~ 4.0%, Martensit Cr Stahl 0 ~ 1.25%, Ferrochromstahl 0 ~ 1.25%.

V ist ein karbidbildendes festes Element. Es bildet Karbid VC. V ist in Stahlguss als feinkörnige und diffuse Karbide und Nitride vorhanden. Sie zersetzen sich bei durchschnittlichen Wärmebehandlungstemperaturen nicht und können das Kornwachstum hemmen. Eine ausreichende Menge an Kohlenstoff und löslichem V bei erhöhten Temperaturen verursacht den bedeutendsten sekundären Härtungseffekt, der beobachtet werden kann.

Die Hauptrolle von V:

V ist ein wesentliches Element der Kornfeinung. Es hemmt das Austenitwachstum, und bereits 0,1% V hemmt das Kornwachstum während des Härtens wirksam. Das Kornwachstum setzt jedoch sofort ein, wenn Stahlguss auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das Kornwachstum die Auflösung von Karbid- und Nitridteilchen verhindert.
Eisen, Kohlenstoff-Gehalt-Verhältnis von mehr als 5,7 kann verhindern oder reduzieren die Medien auf dem rostfreien Säure Stahl interkristalline Korrosion. Und deutlich verbessern die gegossenen Edelstahl Widerstand gegen hohe Temperatur, hoher Druck und Wasserstoff Korrosion Fähigkeit. Kann das Korn zu verfeinern und verlangsamen die Übertragungsrate von Legierungselementen, aber die Gusseisen Stahl Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit ist nicht gut.
V in einigen Stahl-und Legierungsgehalt Bereich: Chrom - V-Stahl 0,10 ~ 0,20%, High-Speed-Werkzeugstahl 0,90 ~ 5,25%, heißer Werkzeugstahl 0 ~ 2,20%, kalt Werkzeugstahl 0 ~ 5,15%

Co ist ein karbidbildendes Element. Es hat eine etwas stärkere Tendenz zur Bildung von Karbiden als Eisen. Es verbessert die Hochtemperatureigenschaften von Stahl und seine Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit. Co ist ein wesentlicher Bestandteil einiger superharter Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstähle, einiger Dauermagnetlegierungen und Hochtemperaturlegierungen.

Die Hauptrolle der Co:

Co erhöht die Festigkeit und Zähigkeit erheblich, indem es den Ausscheidungshärtungsprozess fördert. Co löst sich in Ferrit oder Austinit auf und hemmt die Erweichung bei Temperaturerhöhung.
Der Bereich des Co-Gehalts in einigen Stählen und Legierungen: 0~13.0% für Schnellarbeitsstähle, 0~4.5% für Warmarbeitsstähle

Ti ist ein festes, karbidbildendes Element. Im Mischkristallzustand ist die zuverlässige Verstärkungswirkung der Lösung extrem stark, verringert aber gleichzeitig die Zähigkeit des Mischkristalls.

Die Hauptrolle von Ti:

In Stählen mit mittlerem Chromgehalt zieht Ti den Kohlenstoff aus dem Mischkristall zurück und verringert die Martensithärte und Härtbarkeit. In Stählen mit hohem Chromgehalt verhindert Ti die Bildung von Austenit. In austenitischen nichtrostenden Stählen zieht Ti bei hohen Temperaturen Kohlenstoff aus dem Mischkristall zurück und verhindert so die Bildung von Chromkarbiden an den Korngrenzen. In austenitischen hochwarmfesten Legierungen fördert Ti die Ausscheidungshärtung. In sedimentären hochfesten niedrig legierten Stählen verbessert Ti die Zähigkeit des Stahls. Ti kann das Korn verfeinern und den Kohlenstoff fixieren, was sich positiv auf die Schweißbarkeit von Gusseisenstahl auswirkt.
Der Ti-Gehalt in hochfestem, niedrig legiertem Stahl reicht von 0~0,10%

Blei ist in geschmolzenem Stahl nur begrenzt löslich. Da es eine viel höhere Dichte als Stahl hat, sinkt es im geschmolzenen Stahl und trennt sich vom Stahl. Es ist in Form von Einschlüssen im Stahl vorhanden. Diese Einschlüsse sind weich und wirken als interstitielles Schmiermittel. Sein Gehalt von etwa 0,20% und das Vorhandensein sehr kleiner Partikel können die Bearbeitbarkeit des Stahls verbessern, ohne andere Eigenschaften wesentlich zu beeinträchtigen.

Ni bildet keine Karbide. Das Vorhandensein von Ni in Gusseisenstahl destabilisiert die Karbide des Eisens und fördert daher die Graphitierung. Das Ni stärkt den Ferrit, indem es einfache Ersatz-Mischkristalle bildet. Als austenitbildendes Element stabilisiert Ni den Austenit, indem es die A(4)-Temperatur erhöht und die A(3)-Temperatur senkt. Wenn das reine Eisen mehr als 25% Ni enthält, ist die resultierende Legierung reiner Austenit, auch wenn sie langsam auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Die Hauptrolle von Ni:

In legierten Stählen, die bis zu 5% Ni enthalten, verbessert Ni die Festigkeit und Zähigkeit. Ni ermöglicht die Bildung von Austenit mit einem hohen Chromgehalt, wodurch austenitische Chrom-Ni-Stähle entstehen. Es ist weit verbreitet, insbesondere in nichtrostenden und hitzebeständigen Stählen. Stähle mit hohem Ni-Gehalt und geringen Mengen an Kohlenstoff erhöhen die thermische Hysterese der isotropen heterokristallinen Umwandlung erheblich. Dies führt zur Beibehaltung von Martensit in martensitisch gealterten Stählen, wenn diese auf 600°C erhitzt werden. Ni verringert den Wärmeausdehnungskoeffizienten und erhöht bei Legierungen mit hohem Ni-Gehalt die Permeabilität. Wenn der Ni-Gehalt in Stahlguss hoch ist, kann die Kombination mit Chrom die Korrosions- und Hitzebeständigkeit des Stahls erheblich verbessern.

Nb erhöht die Festigkeit durch Ausscheidungshärtung und weitere Verfeinerung des Ferritkorns.

Die Hauptrolle von Nb:

Geringe Mengen an Nb (ca. 0,02%) können die Zug- und Streckgrenze von Kohlenstoffstahl wirksam erhöhen. Nb ist ein wesentlicher Bestandteil einiger hochfester niedrig legierter Stähle.
Wenn der Gehalt das 8-fache des Kohlenstoffgehalts übersteigt, kann er fast den gesamten Kohlenstoff im Stahlguss binden. Autentische Stähle verhindern die interkristalline Korrosion von Stahlguss durch oxidierende Medien. Aufgrund der Fixierung des Kohlenstoffs im Stahl und der Ausscheidungshärtung können sie die Hochtemperatureigenschaften von warmfesten Stählen, wie z. B. die Kriechfestigkeit, verbessern.

Kupfer ist ein Austinit-bildendes Element. Da Kupfer zur Graphitbildung neigt, wird es nur unlegiertem Stahl zugesetzt, und zwar in Mengen von höchstens 1,5%.
Die Hauptaufgabe von Kupfer besteht darin, die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern und die Zugfestigkeit der Legierung durch Ausscheidungshärtung zu erhöhen. Kupfer kann die Streckgrenze von Stählen, bei denen keine Ausscheidungshärtung stattfindet, leicht erhöhen. Allerdings werden die Plastizität und die Zähigkeit von nichtrostendem Stahlguss verringert. Kohlenstoffstahl erhöht die Härtbarkeit und verringert die Duktilität. Wenn der Kupfergehalt 0,4%-0,5% übersteigt, führt dies dazu, dass die Oberfläche von Stahlteilen bei der Warmumformung leicht Risse bekommt.

Al hat eine geringere Fähigkeit zur Karbidbildung als Eisen. Al fördert die Graphitierung beim Gießen von rostfreiem Stahl.

Die Hauptrolle von Al:

Al und Stickstoff oder O, um wirksame feine Dispersionen zu erzeugen, die das Kornwachstum hemmen. Es erzeugt durch die Diffusion von Stickstoff bei niedrigeren Temperaturen eine wirksame Oberflächenhärtungsschicht (Nitrieren). Und Al macht Stahl korrosionsbeständig, indem es eine feste Al-Oxidschicht auf der Oberfläche von Gusseisenstahl bildet. Al verfeinert die Körner von rostfreiem Gussstahl und erhöht dadurch die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls.
Der Al-Gehalt in einigen Stählen und Legierungen reicht von 0,01 bis 0,03% in normalem Stahl, 0 bis 0,30% in ferritischem Edelstahl und 0 bis 1,5% in ausscheidungshärtendem Edelstahl.

B ist ein sehr harter Feststoff, der bei 2300 °C schmilzt.

Die Hauptrolle von B:

Die Zugabe von Spuren von B (0,0005 bis 0,005%) in vollständig desoxidiertem rostfreien Stahlguss kann die Härtbarkeit des Stahls erheblich verbessern. Dies ist auf eine Verringerung der Phasenübergangsrate während der Abkühlung zurückzuführen, aber wenn der Kohlenstoffgehalt steigt, nimmt die Härtbarkeit ab. Daher hat die Zugabe von B zu Stahl mit niedrigem oder mittlerem Kohlenstoffgehalt (<0,6%) eine erhebliche Wirkung. Wenn man eine kleine Menge B hinzufügt, kann man die Menge anderer, teurerer Legierungselemente um die Hälfte reduzieren und trotzdem Stahl gießen, um die gleiche Umwandlungsrate zu erhalten. B verbessert die Duktilität und die mechanischen Eigenschaften von rostfreiem Stahlguss.

S ist das Element, das für Stahlguss am schädlichsten ist. Es hat die schädlichste Wirkung auf Stahl, indem es das spröde Sulfid FeS bildet. Sulfid ist in Stahl in Mengen von nur 0,01% vorhanden und kann auch Sulfidausscheidungen entlang der Korngrenzen hervorrufen.

Die Hauptrolle von S:

Wenn dem Stahlguss eine ausreichende Menge Mangan zugesetzt wird, bildet S MnS, das bei Warmarbeitstemperaturen plastisch ist. S kann die nichtmetallischen Einschlüsse im Stahl erhöhen, so dass die Festigkeit des Stahls verringert wird und die Schweißeigenschaften des Stahls deutlich abnehmen. Bei der Warmumformung kann leicht Sprödigkeit entstehen (Heißsprödigkeit), aber ein etwas höherer S-Gehalt kann die Bearbeitbarkeit von kohlenstoffarmem Stahl verbessern.
Der S-Gehalt in normalem Stahl ist ≤ 0,045%.

S ist das Element, das für Stahlguss am schädlichsten ist. S hat die schädlichste Wirkung auf Stahl, indem es das spröde Sulfid FeS bildet. Sulfid ist in Stahl in Mengen von nur 0,01% vorhanden und kann auch Sulfidausscheidungen entlang der Korngrenzen hervorrufen.

Die Hauptrolle von S:

Wenn dem Stahlguss eine ausreichende Menge Mangan zugesetzt wird, bildet S MnS, das bei Warmarbeitstemperaturen plastisch ist. S kann die nichtmetallischen Einschlüsse im Stahl erhöhen, so dass die Festigkeit des Stahls verringert wird und die Schweißeigenschaften des Stahls deutlich abnehmen. Bei der Warmumformung kann leicht Sprödigkeit entstehen (Heißsprödigkeit), aber ein etwas höherer S-Gehalt kann die Bearbeitbarkeit von kohlenstoffarmem Stahl verbessern.
Der S-Gehalt in normalem Stahl ist ≤ 0,045%.

N im Stahl kann sowohl Nitride bilden als auch sich nach der Erstarrung in den Zwischenräumen auflösen. In beiden Fällen versprödet N den Stahl und macht ihn für die Kaltumformung ungeeignet. Daher muss der N-Gehalt so niedrig wie 0,002% sein, um weiche Stähle mit hoher Plastizität herzustellen. Eine Reduzierung des N-Gehalts verringert auch die Abschreckalterung. In warmgewalzten oder geschmiedeten Stählen bildet Phosphor sogenannte "anomale Zonen", die zu Schwachstellen im Stahl werden.

Wasserstoff kann bei Raumtemperatur aus Stahl diffundieren. Diese Diffusion ist bei einem langsamen Temperaturanstieg effektiver. Ein Wasserstoffgehalt von mehr als etwa 0,0005% führt zu einer Verringerung der Duktilität des Stahls. Ein Wasserstoffgehalt über 0,0005% kann zu einem inneren Bruch des Stahls führen. Dies geschieht im Allgemeinen beim Abkühlen des Metalls nach dem Walzen oder Schmieden.
Sie macht den Stahl anfällig für unzulässige Fehler wie weiße Flecken, die zu Wasserstoffversprödung führen können, und ist auch ein wesentlicher Faktor, der zu Kaltrissen (verzögerter Rissbildung) in der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht führt.

Während des Blasprozesses bei der Stahlherstellung wird eine große Menge an O in das Schmelzbad geblasen. Am Ende des Blasvorgangs enthält der Stahl überschüssiges O. Wenn es nicht desoxidiert wird, beeinträchtigt es den nachfolgenden Gießvorgang. Bei der Erstarrung des Stahls liegt O in Form von Oxidausscheidungen in großen Mengen vor. Beim Gießen von nichtrostendem Stahl entstehen auch nichtmetallische Oxideinschlüsse, die die Plastizität und Schlagzähigkeit des Stahls verringern und ihn spröde machen.

Da der Gehalt 0,20% nicht übersteigt, sind die allgemeinen mechanischen Eigenschaften von gegossenem rostfreiem Stahl nicht signifikant, aber sie erhöhen die Empfindlichkeit der Anlaßsprödigkeit.

Eine geringe Menge an Zr hat die Rolle des Korns entgast, gereinigt und verfeinert. Die Tieftemperaturzähigkeit von Stahl ist von Vorteil. Es kann auch die Alterung Phänomen zu beseitigen und verbessern die Stahl Stanzen Eigenschaften.