Werkstoffkunde Metall/ Eisen und Stahl/ Normen und Legierungen

Es gibt eine fast unüberschaubare Anzahl von Stahl- und Eisensorten und -legierungen. Um den Überblick zu behalten, wurden Normen eingeführt. Doch es existieren viele Normen nebeneinander und kein Mensch kann sie alle kennen - aber dafür gibt es Bücher.

Vorwort zur Normung

Mit der Industrialisierung wurde eine Vereinheitlichung in der Technik notwendig, und die Ergebnisse wurden in Normen festgehalten. Die Daten reichen von Begriffsbestimmungen bis hin zu umfangreichen Datensätzen in Tabellenform. Sie basieren auf langer Erfahrung, komplizierten Berechnungen und manchmal auch auf Willkür. Normen stellen einen Konsens dar, den die unterschiedlichsten Interessensgruppen getroffen haben (Industrie, Handel, Forschung, Behörden und Verbraucher). Ihr Zweck ist Wirtschaftlichkeit, Rationalisierung und Verständigung, sowie die Regelung von Qualität, Sicherheit und Umweltschutz. Für die Erstellung und Pflege der Normen sind verschiedene Organisationen auf nationaler und internationaler Ebene zuständig.

• DIN steht für Deutsches Institut für Norm e.V. Der Verein ist für die Normung in Deutschland zuständig und beteiligt sich an der Entwicklung internationaler Normen.
  • Der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) hat ein Regelwerk von 1.700 gültigen Normen für den Maschinenbau erstellt.
  • Der Technische Überwachungsverein (TÜV) ist im Auftrag von Behörden damit beauftragt, die Einhaltung von Normen und gesetzlichen Vorschriften zu überprüfen.
• Als Europäische Norm (EN) werden Normen bezeichnet, die in Zusammenarbeit mehrerer europäischer Institute entstehen, bzw. durch Vereinheitlichung nationaler Normen.
• Die Internationale Organisation für Normung (ISO) übt diese Tätigkeit international für mehr als 100 Mitgliedsstaaten aus. Die Abkürzung der Organisation wäre wegen den Unterschieden in der Übersetzung nicht geeignet. ISO ist deshalb vom griechischen Wort isos abgeleitet und steht für gleich.
• Neben vielen anderen sind noch die amerikanische ANSI-Norm und die japanische JIS-Norm von Bedeutung.

Beispiele

• DIN-Normen werden mit DIN angegeben, gefolgt von der Nummer der Norm.
• Internationale Normen, die bei uns unmittelbar in Kraft treten, tragen das Kürzel ihrer Organisation.
• Die DIN übernimmt - wenn nötig - internationale Normen und arbeitet sie in ihr Regelwerk ein. Sie werden dann mit DIN EN, DIN ISO oder DIN EN ISO bezeichnet.

Stahl - Einteilung und Sorten

Begriffsbestimmung (nach DIN EN 10020)

In dieser Norm ist Stahl als Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem C-Gehalt von höchstens 2,06 %. Eisenwerkstoffe mit mehr als 2,06 % C gelten als Gusswerkstoffe. Stahl wird hier in drei Klassen eingeteilt:

Unlegierte Stähle Stähle bei denen keiner der unten stehenden Grenzwerte erreicht wird.

Nichtrostende Stähle Stähle mit Chrom ≥ 10,5 % Kohlenstoff ≤ 1,2 %

Andere legierte Stähle Stähle, bei denen min. einer der unten stehenden Grenzwerte erreicht ist, die jedoch nicht zu den nichtrostenden Stählen zählen

Al	B	Bi	Co	Cr	Cu	La	Mn	Mo	Nb	Ni	Pb	Se	Si	Te	Ti	V	W	Zr
0,3	0,0008	0,1	0,3	0,3	0,4	0,1	1,65	0,08	0,06	0,3	0,4	0,1	0,6	0,1	0,05	0,1	0,3	0,05	%

• Die Klasse der Grundstähle wurde mit der Neufassung der Norm im Juli 2000 abgeschafft.
  Das waren Stähle, die – abgesehen von ihrer relativ geringen Festigkeit – auf keine Anforderungen festgelegt waren.

• Sowohl unlegierte, als auch legierte Stähle (nicht rostfreie) werden in Qualitäts- und Edelstähle unterteilt:
  • Für Qualitätsstähle gelten festgelegte Anforderungen, wie Zähigkeit, Schweißeignung und Umformbarkeit.
    Sie sind aber nicht für eine gezielte Wärmebehandlung geeignet (Vergüten, Härten). Seine Qualität erhält der Stahl durch ein feinkörniges Gefüge und die geforderte Reinheit von max. 0,045 % Phosphor und Schwefel.
  • Bei Edelstählen sind die festgelegten Anforderungen höher als die bei Qualitätsstählen.
    Sie erreichen höhere Festigkeitswerte und sind für gezielte Wärmebehandlung (besonders Härten und Vergüten) geeignet. Die Qualität der nochmals verbesserten Reinheit wird durch besondere Herstellungsverfahren wie das Elektroschlacke-Umschmelzverfahren erreicht. Schlackeeinschlüsse werden weitgehend entfernt, der Gehalt an Schwefel und Phosphor darf höchstens 0,025 % betragen.
  • Legierte Stähle werden weiter in niedrig- und hochlegierte Stähle eingeteilt. Sobald der Gehalt eines Legierungselements über 5 % liegt ist der Stahl hochlegiert. Diese Grenze wurde relativ willkürlich festgelegt und dient „nur“ der guten Lesbarkeit in der Werkstoffbezeichnung.

• Rostfreie Stähle sind durch den hohen Chromgehalt passiviert – das heißt, besonders reaktionsträge und korrosionsbeständig.
  Je nach Legierungselementen weisen sie verschiede Gefügeformen auf:
  • Austenitische Stähle – Sie sind die mit Abstand am weitesten verbreiteten rostfreien Stähle.
    Der bekannteste Vertreter ist X5CrNi18-10, auch bekannt als V2A. Austenitische Stähle sind nicht magnetisch, schwer zu zerspanen aber gut umformbar und besitzen gute Schweißeignung. Sie sind sehr weich und nicht härtbar.
    (V2A wird unter der Bezeichnung 18/10 gerne für Kochtöpfe und Besteck verwendet, jedoch nie für Messer)
  • Ferritische Stähle – Sind magnetisierbar, schwer zerspanbar und schweißgeeignet. Von großer Bedeutung ist ihre Warmfestigkeit.
  • Martensitische Stähle – Sie weisen die höchste Festigkeit unter den rostfreien Stählen auf und können die größte Härte erreichen. Sie werden unter anderem für Messer und andere Schneidwerkzeuge in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Sie sind magnetisierbar und leicht zu zerspanen, aber können nur schlecht geschweißt werden.

Edelstahl ≠ Rostfrei
Umgangssprachlich wird der Begriff Edelstahl mit nichtrostendem Stahl gleichgesetzt, besonders mit den speziellen Legierungen V2A und V4A (Nirosta, Inox). Das Wort edel wird dabei mit der Unvergänglichkeit von Edelmetallen wie Gold und Platin verbunden.

Bei Stahl steht edel aber für besonders geringe Mengen bzw. Massenanteile an definierten Stahlverunreinigern. Ein unlegierter Edelstahl kann sehr wohl in kurzer Zeit durchrosten.

Einteilung nach Verwendungszweck

Konstruktionsstahl Konstruktionswerkstoffe für Stahl- und Maschinenbauteilen. Kohlenstoffgehalt: 0,05 - 0,6 % Allgemein stehen Zähigkeit und gute Bearbeitbarkeit im Vordergrund

Werkzeugstahl Werkstoffe zur Herstellung von Werkzeugen. Kohlenstoffgehalt: 0,6 – 1,7 % (max. 2,1%) Sie müssen in erster Linie verschleißfest sein, also hohe Härte und Festigkeit besitzen.

Allgemeiner Baustahl mit einem C-Gehalt von 0,15 - 0,5 %. Für Bauteile mit normaler Temperaturbeanspruchung. Günstiger Werkstoff für allgemeine Konstruktionen. Schweißgeeigneter Feinkorn-Baustahl Wie allg. Baustahl, jedoch mit Zusätzen zur Verfeinerung des Korns. Verbesserte Zähigkeit und Festigkeit. Einsatzstahl 0,05 - 0,2 %-C; teilweise legiert mit Cr, Mn, Mg, Ni. An sich nicht härtbar. Beim Einsatzhärten wird die Oberfläche gezielt mit Kohlenstoff angereichert und gehärtet, der Kern bleibt zäh. Verwendung für Wellen, Zahnräder, Nocken, Kettenglieder Vergütungsstahl 0,22 - 0,6 %-C, teilweise legiert mit Cr, Ni, Mo, V. Werkstoffe, die zum Vergüten vorgesehen sind. Dabei wird der Stahl gehärtet und angelassen – das heißt, die Spannungen im Stahl werden teilweise wieder abgebaut. Sehr hohe Festigkeit bei guter Zähigkeit. Ein besonderes Merkmal ist die Vergütungstiefe, also wie weit die Vergütung unter die Oberflache reicht. Antriebs- und Getriebewellen, Bolzen, Radreifen (Bahn) Nitrierstahl 0,31 - 0,41 %-C, legiert mit den Nitridbildnern Al, Cr, Ti. Beim Nitrieren wird die Oberfläche mit Stickstoff behandelt, es bilden sich extrem harte Nitride, welche die Oberfläche verschleißfest machen. Für Zahnräder, Nocken, Ventile (Motorkopf) Automatenstahl durch Zulegieren von Blei oder Schwefel wird der Stahl für die Bearbeitung auf Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren optimiert. Werkzeugverschleiß und Zerspanungskräfte werden reduziert, Späne in kurzen Abständen gebrochen. Die Bildung langer Fließspäne, welche die Maschinen „verstopfen“, wird verhindert. Für Zerspanungsteile in Massenfertigung. Rostfreie Stähle siehe oben Blankstahl keine eigene Klasse nach der Zusammensetzung. Blankgezogene Teil weisen durch Kaltverformung erhöhte Festigkeit auf und habe glatte Oberflächen mit hoher Maßgenauigkeit Kostenreduzierte Fertigung von Maschinenteilen, ohne weitere Oberflächenbearbeitung.

Unlegierte Werkzeugstähle Härtbarkeit und Festigkeit werden im Wesentlichen durch den Kohlenstoffgehalt bestimmt. Die Einhärtetiefe ist nur gering und bei Temperatur ab 200 °C tritt ein deutlicher Härteabfall ein. Verwendung für Stempel und Schneidplatten von Stanzen (nicht zu verwechseln mit Wendeschneidplatten für Drehmaschinen), sowie für Biege- und Ziehwerkzeuge. Legierte Kaltarbeitsstähle Durch Legierungszusätze wie Cr, V, W und Si werden Zähigkeit, Druckfestigkeit und der Verschleißwiderstand erhöht. Außerdem wird der Härteverzug reduziert. Die Arbeitstemperatur ist auch hier auf max. 200 °C beschränkt. Verwendung für Zangen, Maulschlüssel, Stempel und andere Handwerkzeuge. Legierte Warmarbeitsstähle Zusätzlich mit Co, Mo und Ni legiert wird die Arbeitstemperatur auf max. 400 °C gesteigert. Einsatz für Schmiede-Gesenkformen und Spritzgussformen Schnellarbeitsstahl Der Name HSS leitet sich vom englischen „High Speed Steel“ ab, was häufig mit Hochleistung-Schnellschnittstahl übersetzt wird. Sie sind äußerst verschleißfest und widerstandsfähig, auch im Einsatz bei hohen Temperaturen. Zusätzlich sind sie unempfindlicher gegen Temperaturwechsel. Sie werden für Bohrer, Fräser und Drehmeißel in der Zerspanung eingesetzt. Eine deutliche Verbesserung von Schnittleistung und Standfestigkeit des Werkszeugs wird durch eine Beschichtung mit Hartmetall erreicht. Besonders häufig wird dazu Titannitrit (TiN, zu erkennen an der goldene Färbung) oder Titancarbid (TiC) verwendet. Andere Schneidstoffe Außer HSS kennt die Fertigungstechnik viele weitere Schneidstoffe, die verschleißfester sind und höhere Schnittgeschwindigkeiten erlauben. Die Zähigkeit von HSS können sie aber nicht übertreffen. Zum Beispiel erreicht Schneidkeramik sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten, bricht jedoch wegen ihrer Sprödigkeit sehr schnell bei rauen Bedingungen (z. B. unterbrochener Schnitt). Den „idealen“ Schneidstoff, sowohl standfest als auch zäh, gibt es (noch) nicht.

Kurznamen (nach DIN EN 10027-1)

Bezeichnung nach Verwendungszweck und Streckgrenze

Die Bezeichnung besteht aus folgenden Abschnitten:

• Anwendungsbereich (Tabelle 1)
• Mindeststreckgrenze Re
• Kerbschlagzähigkeit (Tabelle 2)
• nach einem Plus-Zeichen ggf. diverse Zusatzeigenschaften (Tabellen 3, 4)

Beispiel S235JR+C

• S = Stähle für Stahlbau
• 235 = Mindeststreckgrenze 235 N/mm²
• JR = 27J Kerbschlagzähigkeit +20°
• +C = kaltumformbar

(Tabelle1)

Kennziffer	Anwendungsbereich
D	kaltumformbare Stähle
E	Maschinenbaustähle
H	Hochfeste Flacherzeugnisse
L	Stähle für Leitungsrohre und sonstige Rohrarten
P	Stähle für Druckbehälter
R	Schienenstähle
S	Stähle für Stahlbau

(Tabelle2)

+20	0	-20	-30	-40	-50	-60
JR	J0	J2	J3	J4	J5	J6	27 J
KR	K0	K2	K3	K4	K5	K6	40 J
LR	L0	L2	L3	L4	L5	L6	60 J

(Tabelle3)

M	thermomechanischgewalzt
N	normalgeglüht
Q	vergütet
G	andere Merkmale mit 1 oder mehreren Ziffern

(Tabelle4)

C	kaltumformbar
L	für tiefe Temperaturen
H	für höhere Temperaturen
W	Wetterfest

Unlegierte Stähle

Die normgerechte Bezeichnung beginnt mit C (chemisches Zeichen für Kohlenstoff), dann folgt eine Zahl die den Kohlenstoffgehalt angibt und dann kommen die Sonderzeichen (siehe Tabelle).

Außerdem hat jeder unlegierte Stahl nach dieser Norm einen Mangangehalt < 1% (ausgenommen Automatenstähle).

Zusatzsymbol	Bedeutung
E	Maximaler Schwefelgehalt
R	Bereich des Schwefelgehalts
C	Gut zum Kaltumformen NMBV
G	Besondere Merkmale
S	für Federn
U	für Werkzeuge
W	für Schweißdraht
D	zum Drahtziehen

Beispiel

C80U

C80 = Kohlenstoffgehalt von 0,8 %
U = Für Werkzeuge

Niedriglegierte Stähle

Niedriglegierte Stähle erkennt man daran, dass sie mit der Angabe des Kohlenstoffgehalts als zweistelliger Zahl beginnen. (z.B. 17Cr3 = 0,17 % Kohlenstoff). Danach kommen die Legierungselemente (Siehe Bsp. unten). Deren Anteil wird durch einen Faktor dividiert, der aus der Tabelle zu entnehmen ist. Ohne Angabe ist der Anteil geringfügig, aber dennoch wichtig für die Eigenschaften der Legierung.

Alle Legierungselemente werden in ihren chemischen Zeichen angegeben

Legierungselement	Divisionsfaktor
Cr,Co,Mn,Ni,Si,W	4
Al,Cu,Mo,V,Pb,Nb,Ti,Ta,Zr,Be	10
C,Ce,N,P,S	100
B	1000

Beispiel:

32CrMoV5-3

32/100 % C = 0,32 % Kohlenstoff

5/4 % Cr = 1,25 % Chrom

3/10 % Mo = 0,3 % Molybdän

V = geringer Anteil an Vanadium (weniger als 1 %)

wichtiger Hinweis: Bei hochlegierten Stählen wird der Anteil der Legierungselemente direkt in % angegeben.

Hochlegierte Stähle

Einen hochlegierten Stahl erkennt man daran, dass sein erstes Zeichen ein X ist. Im Ausland wird es auch häufig mit einem Y gekennzeichnet. Der Anteil der Legierungselemente wird ohne Faktor angegeben. Ausnahme ist der Kohlenstoffgehalt: Sein Anteil in Prozent wird mit dem Faktor 100 angegeben.

Beispiel:

X38CrMoV5-3

X = Hochlegierter Stahl

38/100 % C = 0,38 % Kohlenstoff

5 Cr = 5 % Chrom

3 Mo = 3 % Molybdän

V = geringer Anteil Vanadium (weniger als 1%)

Schnellarbeitsstähle

Die normgerechte Bezeichnung beginnt mit den Buchstaben HS dahinter werden in einer bestimmten Reihenfolge ( W, Mo, V, Co ) die Legierungsmetalle in Prozent angegeben

Beispiel

HS 10-4-3-10

HS = Schnellarbeitsstahl

10 = 10 % Wolfram

4 = 4 % Molybdän

3 = 3 % Vanadium

10 = 10 % Kobalt

11 Hydrobelaxid

Eisen-Gusswerkstoffe

EN-GJS-350-22

EN = Europäische norm
G = Guss…
J = …Eisen
S = Kugelig
(Struktur

EN-GJL=gusseisen mit lamellengrafit | M ||Temperkohle

L	Lamellar
S	Kugelig
A	Austenit
F	Ferrit
P	Perlit
W	entkohlend geglüht

)

350 = Mindestzugfestigkeit (Rm in N/mm²) oder Chemische Zusammensetzung
22 = Bruchdehnung A in % ( S getrennt gegossen C am Werkstück entnommen )

Zusatz Anforderung(immer angefügt)

H = Wärmebehandelt
W = für Schweißen geeignet

Werkstoffnummern

Die Werkstoffnummern sind ein System, mithilfe dessen sich alle Werkstoffe - gleich ob metallisch oder nicht - ordnen lassen. Die siebenstellige Werkstoffnummer ist auch für die elektronische Datenverarbeitung geeignet. Sie setzt sich zusammen aus der Werkstoff-Hauptgruppe (Stelle 1), der Sortennummer (Stellen 2 bis 5) sowie der 1.Anhängezahl und der 2.Anhängezahl (Stellen 6 und 7). Die Sortennummer wird unterteilt in die Sortenklasse (Stellen 2 und 3) und die Zählnummer (Stellen 4 und 5)

Kennzahlen der Hauptgruppen

• 0: Roheisen, Ferrolegierungen, Gußeisen
• 1: Stahl, Stahlguß
• 2: Schwermetalle außer Fe (Eisen)
• 3: Leichtmetalle
• 4 bis 8: Nichtmetallische Werkstoffe
• 9: Nicht vergeben, somit frei für interne Nutzung

Systematik der Hauptgruppe 1: Stahl

Die Werkstoffnummer eines Stahles sieht so aus: 1.SSZZ.AA. Die erste Anhängezahl (6.Stelle) gibt das Stahlgewinnungsverfahren an. Die zweite Anhängezahl (7.Stelle) den Behandlungszustand.

Bedeutung der Sortennummern (Stellen 2 und 3)

• Massen- und Qualitätsstähle
  • 00 : Handels- und Grundgüten
  • 01...02: allgemeine Baustähle, unlegiert
  • 03...07: Qualitätsstähle, unlegiert
  • 08...09: Qualitätsstähle, legiert
  • 90 : Sondersorten, Handels- und Grundgüten
  • 91...99: andere Sondersorten

• Unlegierte Edelstähle
  • 10 : Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften
  • 11...12: Baustähle
  • 15...18: Werkzeugstähle

• Legierte Edelstähle
  • 20...28: Werkzeugstähle
  • 32...33: Schnellarbeitsstähle
  • 34 : verschleißfeste Stähle
  • 35 : Wälzlagerstähle
  • 36...39: Eisenwerkstoffe mit besonderen physikalischen Eigenschaften
  • 40...45: Nichtrostende Stähle
  • 47...48: Hitzebeständige Stähle
  • 49 : Hochtemperaturwerkstoffe
  • 50...84: Baustähle
  • 85 : Nitrierstähle
  • 88 : Hartlegierungen

Bedeutungen der 1.Anhängezahl (6.Stelle)

Stahlgewinnungsverfahren

• 0: unbestimmt oder ohne Bedeutung
• 1: unberuhigter Thomasstahl
• 2: beruhigter Thomasstahl
• 3: sonstige Erschmelzungsart, unberuhigt
• 4: sonstige Erschmelzungsart, beruhigt
• 5: unberuhigter Siemens-Martin-Stahl
• 6: beruhigter Siemens-Martin-Stahl
• 7: unberuhigter Sauerstoffausblas-Stahl
• 8: beruhigter Sauerstoffaufblas-Stahl
• 9: Elektrostahl

Bedeutung der 2.Anhängezahl (7.Stelle)

Behandlungszustand

• 0: keine oder beliebige Behandlung
• 1: normalgeglüht
• 2: weichgeglüht
• 3: wärmebehandelt auf gute Zerspanbarkeit
• 4: zähvergütet
• 5: vergütet
• 6: hartvergütet
• 7: kaltverformt
• 8: federhart kaltverformt
• 9: behandelt nach besonderen Angaben

Einfluss der Legierungselemente

Molybdän :

verbessert die Verschleißfestigkeit des Stahles, wird also gern in Wellen und Zahnrädern mit hoher Beanspruchung eingesetzt.

Blei:

Wird fast nur bei Automatenstählen eingesetzt, die zum Drehen geeignet sind, um eine bessere Oberfläche zu erhalten.

Schwefel:

Wird gern wegen seinen kurz brechenden Spänen in Automatenstählen eingesetzt. Allerdings führt Schwefel zu einer schlechteren Umformbarkeit.

Chrom :

Wird oft bei hochbeanspruchten Teilen benutzt aber auch als verbesserter Korrosionsschutz und Wärmefestigkeit.

Mangan :

Erhöht die Zugfestigkeit und somit auch die Belastbarkeit. Es wird gern bei Automatenstählen und bei Kunststoffpressen eingesetzt.

Wolfram:

Sehr hitzebeständig (Schmelzpunkt bei 3422 °C ), meist in Werkzeugstählen, oft Warmarbeitstählen (hohe Dichte 19,25 kg/dm3 )

Nickel:

Hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit, wird gern in hoch beanspruchtem Stahl benutzt. Aber auch in Chemie-Tanks findet es Verwendung.

Vanadium:

Sehr hart, sehr hitzebeständig. Wird meistens in Werkzeugstählen eingesetzt.

Besonders interessante Legierungen

Kohlenstoffreiche Legierungen, die den Grenzwert von 2,06 % überschreiten, können dennoch als Stähle gelten. (sie werden oft bei schlagartiger Druckbelastung genutzt z.b. Stanz- und Presswerkzeuge)

• X210CrW12
• X210Cr12

Der Grund liegt im hohen Chromgehalt: Chrom bindet viel Kohlenstoff in Chromcarbid, einer äußerst harten und widerstandsfähigen Verbindung. Dieser Kohlenstoff steht nicht mehr zur Bildung von Eisencarbid (Fe₃C) zur Verfügung. So wird die Bildung von  Ledeburit verhindert, dem Gefügebestandteil, das Gusseisen ausmacht.