Elemente

Andere Begleitelemente können sich sowohl negativ als auch positiv auf eine Legierung auswirken. Ein Paradebeispiel dafür ist Stickstoff, der sich schädlich auf die Zähigkeit auswirkt, jedoch die Festigkeit in austenitischen Stählen verbessert und die Härte von Oberflächen durch Nitrieren erhöht.

Der prozentuale Masseanteil von Begleitelementen ist für jede Stahlsorte genormt.

Dieses Beispiel zeigt eindrucksvoll, wie komplex der Einfluss von Legierungselementen sein kann. Die Verbesserung einer Eigenschaft kann die Verschlechterung einer anderen Eigenschaft nach sich ziehen. Bei der Stahlherstellung werden die Elemente hinzulegiert, welche die Eigenschaften für die spätere Verwendung des Stahls verbessern. So gibt es verschleißfeste, salzwasser- und säurerestente Stähle und auch Stahlsorten, die radioaktiver Strahlung standhalten.

Durch das Hinzufügen der Legierungselemente wird nur die Voraussetzung für die Eigenschaftsveränderung geschaffen. Erst durch weitere Verarbeitungsschritte, wie z.B. eine Wärmebehandlung führt zu den gewünschten Veränderungen im Stahlgefüge und somit auch zum gewünschten Ergebnis.

Trotz dieser Eigenschaften sind Bleche aus Aluminium sehr steif und verleihen Konstruktionen hohe Stabilität. Bei Rime werden regelmäßig Aluminiumbleche verarbeitet.

Aluminium als Legierungselement

Aluminium wird auch als Legierungselement bei der Stahlherstellung eingesetzt. Aluminium und Stickstoff bilden Nitride, welche die Härte von Nitrierstählen erhöht. Es verbessert außerdem die Feinkornbildung.

Blei verbessert die Zerspanbarkeit und wird hauptsächlich bei Automatenstählen eingesetzt. Durch die Bleizugabe erhöht sich die Prozesssicherheit und es bilden sich kürzere Späne. Dadurch wird die Qualität der Schnittflächen verbessert. Trotz der niedrigen Mohshärte von 1,5 und des niedrigen Schmelzpunkts von rund 328°C beeinflusst Blei andere mechanische Eigenschaften von Stahl nicht.

Richtlinie zur verbotenen Verwendung von Blei, Quecksilber, Kadmium und sechswertigem Chrom

Im Jahr 2005 wurde aufgrund der gesundheitsgefährdenden Wirkung die Verwendung der oben genannten Elemente neu bewertet. Dabei wurde auch Blei als Legierungselement in der EU sehr stark eingeschränkt und auf 0,1 Gewichtsprozent limitiert. Es gibt nur wenige Ausnahmen, bei denen der Grenzwert überschritten werden darf.

Diese Werkstoffe sind vom Verbot ausgenommen, solange ein höherer Bleigehalt unvermeidbar ist. Durch intensive Materialforschung wurden mittlerweile Fortschritte in der Herstellung von bleifreien Stähle gemacht, die trotzdem ein sehr gutes Zerspanverhalten aufzeigen. In gelieferter Form stellt mit Blei legierter Stahl kein Gesundheitsrisiko dar, da das Element im Stahl fest gebunden ist und weder eingeatmet, verschluckt oder über die Haut aufgenommen werden kann. Bei der Verarbeitung sind geeignete Schutzmaßnahmen zu treffen, um Gesundheitsgefahren abzuwenden.

Durch Chrombeimischungen wird Stahl öl- bzw. lufthärtbar. Chrom ist in Legierungen ein Karbidbildner. Diese Karbide steigern Schnitthaltigkeit, Verschleißfestigkeit aber auch die Warmfestigkeit wesentlich. Zur Erreichung der Korrosionsbeständigkeit müssen mindestens 13% Chrom dem Stahl zugefügt werden.

Trivia

Der französische Chemiker und Apotheker Louis-Nicolas Vauquelin fand das Element bereits im Jahre 1798. Wegen der Vielfarbigkeit seiner Salze nannte man es Chrom. Auch in Edelsteinen wie Rubinen und Smaragden sind Spuren des Elements nachweisbar. Im 19. Jahrhundert wurde es hauptsächlich für Farbpigmente und in der Gerberei für die Lederherstellung genutzt. Eines der bekanntesten Pigmente ist das Chromgelb, in der Erkennungsfarbe der Deutsche Post.

Trivia

Cobalterze wurde im Mittelalter häufig mit Silbererzen verwechselt. Cobalterze enthalten jedoch meist auch Schwefel- und Arsenverbindungen, welche beim Verhütten schlechte Gerüche verursachten. Die Bergleute glaubten, dass Kobolte das wertvolle Silber aufgefressen hatten und dafür das geringwertige Cobalt zurückließen.

Der Chemiker Georg Brandt entdeckte das Metall im Jahr 1735 beim Experimentieren mit "Kobolderz". Inspiriert von dieser mittelalterlichen Geschichte erhielt das Metall von ihm den Namen Cobalt.

Die Beeinflussung des Kohlenstoffgehaltes gehört zu den wichtigsten Prozessen bei der Herstellung von Stahl. Bei Stählen mit geringem Kohlenstoffgehalt kann dem Material durch Aufkohlen mit Kohlenstoff angereichert werden. Ist zu viel Kohlenstoff enthalten, kann dieser durch Frischen aus der Legierung entfernt werden.

Im Allgemeinen hat Kohlenstoff je nach Konzentration einen direkten Einfluss auf die Härte und die Festigkeit. Mit steigendem Gehalt nehmen aber die Zerspanbarkeit, Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit ab. Der Kohlenstoffgehalt muss beim Herstellungsprozess auf die spätere Verwendung abgestimmt werden.

Kohlenstoff kann mit anderen Legierungselementen, wie z.B. Chrom, Vanadium und Wolfram reagieren und im Stahlgefüge Karbide bilden. Die Karbide steigern die Härte und Verschleißfestigkeit des Stahls.

Trivia

Der französische Chemiker Lavoisier (1743-1794) entzündete einen Diamant mit Hilfe von Brenngläsern und konnte durch die Verbrennung nachweisen, dass es sich bei dem Mineral um kristallinen Kohlenstoff handelt.

Mangan geht sehr starke Verbindungen mit Sauerstoff ein. Im Stahlgefüge wird so der schädliche Sauerstoff gebunden. Außerdem hat Mangan eine entschwefelnde Wirkung. Dadurch wird die Bildung von Sulfiden verhindert. Mangan fördert die Bildung von Austenit, da Mangan die Lösbarkeit von Stickstoff verbessert. Diese Eigenschaften sind für viele rostfreie Stahlsorten von großer Wichtigkeit.

Trivia

Das englische Forschungsschiff „Challenger“ erkundete 1873 den Pazifik. In Schleppnetzen fanden die Forscher viele kartoffelförmige Steine, bei denen es sich um Mangan handelte. Beim Aufbrechen dieser Knollen wurden Haifischzähne gefunden. Berechnungen ergaben, dass sich in etwa 1000 Jahren eine Schicht von nur 1,5 mm bildet. Diese Haie starben also bereits vor über 1,5 Millionen Jahren.

Bei der Stahlherstellung wird Molybdän in der Regel mit anderen Elementen wie Nickel, Chrom und Mangan hinzulegiert. Als Legierungselement ist es für die Stahlherstellung sehr wichtig, da es seine Eigenschaften gut an die Erzeugnisse weitergibt. Man erhält hochfeste, korrosions- und hitzebeständige Stähle, aber auch säurefeste Edelstähle.

Trivia

Molybdän ist ein lebensnotwendiges Spurenelement für alle Organismen, da es zur Enzymbildung benötigt wird. Auch für Pflanzen ist es sehr wichtig, da es zur Bindung des Stickstoffs und zur Verminderung des Nitrats im Wurzelbereich dient.

Nickel wird hauptsächlich als Legierungselement für nichtrostende Stähle eingesetzt. Es wird auch in Einsatz-, Vergütungs- und kaltzähen Stählen zur wesentlichen Erhöhung der Zähigkeit zugesetzt. Es dient aber auch als Überzugsmetall zur Veredlung von Metallgegenständen.

Trivia

Der Schüler des großen schwedischen Chemikers Brandt, Axel Frederic Cronstedt, erhielt bei einem Versuch Kupfer aus einem Erz herauszulösen, ein silberweißes Metall. Er nannte es Nickel nach dem Berggeist Kupfernickel. Im Mittelalter betrachteten Bergleute dieses Erz als verhext, da es aussah wie Kupfererz aber kein Kupfer abgab.

Niob kommt fast immer zusammen mit Tantal vor und aufgrund ihrer chemischen Ähnlichkeit sind beide Elemente kaum voneinander zu trennen. Aus diesem Grund werden Niob und Tantal zusammen verwendet. Beide Elemente bilden im Stahlgefüge Carbid, was die Stahlsorten chemisch beständig macht und die Warmfestigkeit erhöht.

Niob dient als Legierungszusatz für rostfreie Stähle und Sonderedelstähle, wie im Rohrleitungsbau der Salzsäureherstellung, aber auch in Nichteisenmetallen. Diese Legierungen verfügen auch schon bei kleinen Mengen über erhöhte Festigkeit und Zähigkeit. Niob bildet starke Carbide und kann damit in Schweißzusatzwerkstoffen zur Abbindung des Kohlenstoffs genutzt werden.

Es wird auch auf dem Gebiet der Supraleitung, als Katalysator in der Chemieindustrie, bei der Herstellung von Natriumdampf-Hochdruckleuchten zur Außenbeschichtung der Glaskolben und als Elektrodenmaterial eingesetzt.

Als Legierungselement entfaltet Phosphor seine Wirkung nur in schwach legiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,1%. Dann erhöht Phosphor die Festigkeit und verbessert auch die Korrosionsbeständigkeit. In austenitischen Chrom-Nickel-Stählen kann Phosphor die Streckgrenze erhöhen.

Trivia

Der deutsche Apotheker Henning Brand entdeckte zufällig im Jahre 1675 Phosphor. Er war der Meinung, dass menschlicher Urin wegen seiner gelben Farbe zur Goldherstellung geeignet sei. Er kochte etwa 50 Eimer Urin solange, bis er eine wachsähnliche Masse erhielt.

Gold gewann er damit nicht, aber nach einiger Zeit begann die Masse zu leuchten. Teile, die an die frische Luft gebracht wurden, fingen Feuer. Da die Herstellung zu teuer war, konnte kein Nutzen daraus gezogen werden. Erst der deutsch-schwedische Apotheker Scheele konnte 1774 Phosphor aus Knochen herstellen.

Schwefel ist ein Legierungselement, welches wie Blei für die Herstellung von Automatenstählen verwendet wird. Schwefel bildet im Metallgefüge Einschlüsse aus Mangansulfid, welche den Spanbruch erhöhen. Dadurch können schwefellegierte Stähle sehr gut durch Drehen, Fräsen und Bohren bearbeitet werden.

Schwefel hat einen negativen Einfluss auf die Rostbeständigkeit von Stählen. Durch den Einfluss von Feuchtigkeit können Schwefeldioxid und Schwefelsäure entstehen, wodurch die Legierung angegriffen wird und korrodiert. Aus diesem Grund muss geprüft werden, wo Stahlsorten mit Schwefelzusatz verwendet werden.

Trivia

Schwefel war bereits 5.000 Jahre vor der Zeitrechnung in China und Ägypten als Bleichmittel für Textilien, Desinfektionsmittel und als Arznei bekannt. Die alten Griechen verwendeten es zur Konservierung des Weins. In der antiken Kriegsführung wurde es als Brandwaffe eingesetzt. Der deutsche Mönch Berthold Schwarz entdeckte das Schwarzpulver wieder, welches 1044 schon bei den Chinesen verwendet wurde. Es war sehr lange Zeit der einzig bekannte Spreng- und Explosivstoff.

Den Namen kommt von dem lateinischen Wort „Silex“ für Kiesel- oder Feuerstein. Es wird bei der Stahlherstellung eingesetzt, um dünnflüssige Schmelzen zu erzeugen, die Streckgrenze, die Zugfähigkeit und die Zunderbeständigkeit des Stahles zu erhöhen. Außerdem behindert es die Carbidbildung.

Trivia

Auf dem Mond befindet sich eine Scheibe aus Silizium, auf der Botschaften von über 70 Staatsoberhäuptern eingraviert wurden. Diese Scheibe wurde von Neil Armstrong und Buzz Aldrin während der Apollo 11 – Mission auf den Mond gebracht. Im Gegensatz zu anderen Materialien kann Silizium den gewaltigen Temperaturschwankungen auf dem Erdtrabanten standhalten.

Schon durch das Hinzulegieren kleinster Mengen Titan, kann bei der Herstellung von Stahl eine signifikante Steigerung der Zähigkeit und Festigkeit erreicht werden. Außerdem sind Werkstücke aus titanlegierten Stählen besser formbar und weisen eine stärker Widerstandskraft gegen interkristalline Korrosion auf.

Einsatzmöglichkeiten von Titanstahl

• Anlagen in der Offshoreindustrie
• Bauteile für Schiffe
• Chemieanlagen
• Luft- und Raumfahrt
• Turbinen und Kessel
• Sportartikel
• Medizinische Implantate

Vanadium als Legierungselement

Im Stahlgefüge bildet Vanadium zusammen mit Kohlenstoff Vanadiumcarbid, was die Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit erhöht. Die Zugabe von Vanadium fördert die Bildung von kleinen Körnern im Gefüge, wodurch diese Stähle sehr gut schweißbar sind.

Trivia

Vanadium wurde zweimal entdeckt. Zuerst entdeckte es der spanische Mineraloge Andrés Manuel del Rio im Jahr 1801 in Mexiko. Er nannte das neue Element "Panchrom" und später Erythronium. Seine Entdeckung geriet leider in Vergessenheit, da er von einem Chemiker überzeugt wurde, dass es sich bei seiner Entdeckung nur um verunreinigtes Chrom handeln würde.

30 Jahre später wurde Vanadium von Nils Gabriel Selfstöm wiederentdeckt, der das Element aufgrund der Farbenvielfalt nach der nordischen Göttin der Schönheit "Freyja" nannte. In alten Überlieferungen aus Island trägt Freyja den Beinamen Vanadis.

Am bekanntesten ist die Verwendung von Wolfram in Glühbirnen. Es wird in vielen Industriezweigen verwendet, da dieses Metall einen enorm hohen Schmelzpunkt aufweist und sehr hart ist. In der Metallurgie ist Wolfram ein wichtiges Legierungselement, kann aber die Eigenschaften von Stahl sowohl positiv als auch negativ beeinflussen.

Wolfram reagiert bei der Stahlerzeugung mit Kohlenstoff zu Wolframcarbid, was diesen Stahl sehr hart und zäh macht. Wolfram wirkt sich negativ auf Zunderbeständigkeit aus.