Der Leitfaden für Ingenieure über Metalle: Auswahl und Anwendung

Kohlenstoffstahl und legierter Stahl

Kohlenstoffstahl

(1) Klassifizierung von Kohlenstoffstahl

1) Kohlenstoffstahl kann je nach Verwendungszweck in zwei Haupttypen eingeteilt werden: Kohlenstoffbaustahl und Kohlenstoffwerkzeugstahl.

Kohlenstoffbaustahl wird für die Herstellung verschiedener Konstruktionen und Maschinenteile verwendet. Bei dem für technische Konstruktionen verwendeten Kohlenstoffstahl handelt es sich in der Regel um einen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der sich hervorragend schweißen lässt und im Allgemeinen nicht wärmebehandelt wird, sondern in warmgewalztem Zustand verwendet wird.

Kohlenstoffstahl für Maschinenteile enthält in der Regel weniger als 0,6% Kohlenstoff nach Gewicht und hat gute mechanische Eigenschaften, die vor der Verwendung eine Wärmebehandlung erfordern.

Kohlenstoff-Werkzeugstahl wird für die Herstellung verschiedener Schneidwerkzeuge, Messwerkzeuge und Formen verwendet. Er hat einen höheren Kohlenstoffgehalt und weist nach entsprechender Wärmebehandlung eine hohe Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit auf.

2) Auf der Grundlage des Kohlenstoffgehalts kann Kohlenstoffstahl in drei Kategorien unterteilt werden:

• Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt: C<0.25%;
• Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt: C=0,25% bis 0,60%;
• Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt: C>0.60%.

3) Je nach den unterschiedlichen Qualitätsanteilen von Schwefel (S) und Phosphor (P) kann Kohlenstoffstahl in vier Güteklassen eingeteilt werden:

• Gewöhnlicher Stahl: S≤0.050%, P≤0.045%;
• Qualitätsstahl: S≤0.035%, P≤0.035%;
• Hochwertiger Qualitätsstahl: S≤0.020%, P≤0.030%;
• Hochwertiger Stahl: S≤0.015%, P≤0.025%.

4) Klassifizierung nach Schmelzverfahren.

Je nach Art des für die Verhüttung verwendeten Ofens kann Kohlenstoffstahl in Stahl mit offenem Feuer, Konverterstahl und Elektroofenstahl unterteilt werden. Basierend auf dem Desoxidationsprozess während der Verhüttung kann Kohlenstoffstahl auch in beruhigten Stahl, halbberuhigten Stahl, umrandeten Stahl und speziellen beruhigten Stahl eingeteilt werden.

Kohlenstoffstahlsorten, Eigenschaften und Anwendungen

1) Allgemeiner Kohlenstoff-Baustahl. Diese Stahlsorte setzt sich aus dem Buchstaben für die Streckgrenze (Q), dem numerischen Wert der Streckgrenze, den Qualitätssicherungssymbolen und den Symbolen für das Desoxidationsverfahren zusammen, und zwar in dieser Reihenfolge, wie z. B. Q235AF. Beispiele für die Güten, chemischen Zusammensetzungen, mechanischen Eigenschaften und Anwendungen von allgemeinem Kohlenstoffbaustahl sind in Tabelle 1-5 zu finden.

2) Qualitätskohlenstoffbaustahl. Die Güteklasse von Qualitätskohlenstoffbaustahl wird durch zwei Ziffern angegeben, die den durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt des Stahls in Zehntausendstelprozent darstellen.

Stahl 45 bezeichnet beispielsweise einen Qualitätskohlenstoffbaustahl mit einem durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt von 0,45%. Beispiele für die Güten, chemischen Zusammensetzungen, mechanischen Eigenschaften und Anwendungen von Qualitätskohlenstoffbaustahl finden Sie in Tabelle 1-6.

Tabelle 1-5: Güten, chemische Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften und Anwendungsbeispiele für allgemeine Kohlenstoffbaustähle

Anmerkung:

1. Symbole in der Tabelle: A, B, C, D stehen für Qualitätsstufen; F steht für kochenden Stahl; Z steht für beruhigten Stahl; TZ steht für besonders beruhigten Stahl.

2. δ₅ bedeutet, dass die Messlänge der Zugprobe das Fünffache ihres Durchmessers beträgt, d. h. L ₀ =5d₀ .

Tabelle 1-6: Güten, chemische Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften und Anwendungsbeispiele von hochwertigem Kohlenstoffbaustahl

3) Kohlenstoff-Werkzeugstähle.

Die Sorten von Kohlenstoff-Werkzeugstählen werden mit dem Buchstaben T, gefolgt von einer Zahl, bezeichnet. Der Buchstabe T steht für Kohlenstoff-Werkzeugstahl, während die Zahl den durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt im Stahl angibt, ausgedrückt in Tausendstel.

So steht beispielsweise T10 für einen Kohlenstoff-Werkzeugstahl mit einem durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt von 1,0%. Hochwertige Premium-Kohlenstoff-Werkzeugstähle werden mit einem "A" nach der Sortennummer bezeichnet, z. B. T10A. Einzelheiten zu den Sorten, der chemischen Zusammensetzung, den mechanischen Eigenschaften und den Anwendungen von Kohlenstoff-Werkzeugstählen finden Sie in Tabelle 1-7.

Tabelle 1-7: Güten, chemische Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften und Anwendungen von Kohlenstoff-Werkzeugstählen

Legierter Stahl

Legierter Stahl, eine weiterentwickelte Form des Kohlenstoffstahls, wird durch die Zugabe bestimmter Legierungselemente verbessert, wodurch sich seine Nutzbarkeit und Verarbeitbarkeit erhöht.

Zu den üblicherweise zugesetzten Legierungselementen gehören Mangan, Silizium, Chrom, Nickel, Molybdän, Wolfram, Vanadium, Titan, Bor und Seltene Erden. Diese Elemente können die allgemeinen mechanischen Eigenschaften, die Härtbarkeit, die thermische Stabilität und die Korrosionsbeständigkeit des Stahls verbessern.

(1) Die Rolle von Legierungselementen in Stahl

1) Mischkristallverfestigung: Die meisten Legierungselemente können sich in unterschiedlichem Maße in Ferrit auflösen und dadurch die Festigkeit und Härte des Stahls erhöhen, während sie seine Plastizität und Zähigkeit verringern.

Einige Legierungselemente wie Mn, Cr und Ni können bei richtiger Dosierung nicht nur den Ferrit verstärken, sondern auch die Zähigkeit des Stahls erhöhen und ihm so insgesamt hervorragende mechanische Eigenschaften verleihen.

2) Verstärkung der sekundären Phase: Wenn die Affinität des Legierungselements zu Kohlenstoff größer ist als die von Eisen zu Kohlenstoff, kann es sich nicht nur in Ferrit auflösen, sondern auch Legierungskarbide und Karbide bilden. Diese Komponenten weisen alle eine hohe Festigkeit und Stabilität auf, wodurch die Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit des Stahls erhöht wird.

3) Verstärkung der Kornfeinung: Elemente wie V, Ti, Nb, Zr, die starke Karbide bilden, und Al, das starke Nitride bildet, können stabile Karbid- und Nitridteilchen erzeugen. Diese Partikel hemmen das Wachstum von Austenitkörnern und verfeinern Ferritkörner. Feinkörniger Stahl hat überlegene mechanische Eigenschaften, die insbesondere die Zähigkeit des Stahls deutlich erhöhen.

4) Erhöhung der Härtbarkeit von Stahl: Mit Ausnahme von Co können alle Legierungselemente, die sich in Austenit auflösen, die Stabilität von unterkühltem Austenit erhöhen, die isotherme Umwandlungskurve nach rechts verschieben und die kritische Abkühlgeschwindigkeit des Stahls verringern.

Daher kann eine größere Härteschichttiefe erreicht werden, wenn im gleichen Abschreckmedium abgekühlt wird, oder wenn die gleiche Härteschichttiefe gewünscht wird, kann ein Abschreckmedium mit geringerer Kühlleistung verwendet werden, um die Abschreckspannung im Werkstück zu verringern, wodurch Verformung und Rissbildung minimiert werden.

5) Verbesserung der Anlassbeständigkeit von Stahl: Legierungselemente haben einen erheblichen Einfluss auf den Anlassprozess von Stahl.

Im Allgemeinen machen Legierungselemente den Martensit weniger anfällig für die Zersetzung beim Anlassen, behindern das Karbidwachstum und erhöhen die Temperatur, bei der diese Umwandlungen stattfinden. Dies verlangsamt die Verringerung der Stahlhärte mit steigender Anlasstemperatur, wodurch sich die Anlassbeständigkeit erhöht.

6) Verleiht dem Stahl bestimmte besondere Eigenschaften: Wenn dem Stahl eine bestimmte Menge an spezifischen Legierungselementen hinzugefügt wird, verändern sich die Struktur und die Eigenschaften des Stahls auf einzigartige Weise, was zu legiertem Stahl mit besonderen Eigenschaften führt, wie z. B. rostfreiem Stahl, hitzebeständigem Stahl und verschleißfestem Stahl.

(2) Arten von legiertem Stahl

Legierter Stahl kann je nach Verwendungszweck in folgende Kategorien eingeteilt werden: legierter Baustahl, legierter Werkzeugstahl und Sonderleistungsstahl. Je nach dem Gehalt an Legierungselementen kann legierter Stahl in niedrig legierten Stahl (w_M<5%), mittellegierter Stahl (w_M=5%~10%), und hochlegierter Stahl (w_M>10%).

(3) Bezeichnungen, mechanische Eigenschaften und Anwendungen von legiertem Baustahl

Legierter Baustahl umfasst Stahl für technische Konstruktionen und den Maschinenbau. Die Bezeichnungen für legierten Baustahl setzen sich in der Regel aus dem durchschnittlichen Kohlenstoffmassenanteil (ausgedrückt in Zehntausendsteln) + Symbol des Legierungselements + Massenanteil des Legierungselements (ausgedrückt in Prozent) zusammen, es gibt jedoch auch Ausnahmen.

Beispiele für häufig verwendete Bezeichnungen für legierte Baustähle, ihre mechanischen Eigenschaften und Anwendungen sind in Tabelle 1-8 zu finden.

Tabelle 1-8: Beispiele für Bezeichnungen, mechanische Eigenschaften und Anwendungen von üblicherweise verwendeten legierten Baustählen

1) Niedrig legierter hochfester Baustahl. Diese Stahlsorte wird aus kohlenstoffarmem Stahl mit einem geringen Anteil an Legierungselementen (wM <5%) hergestellt. Er wird in der Regel für Konstruktionen verwendet und weist eine relativ geringe Festigkeit auf, besitzt aber eine hervorragende Plastizität, Zähigkeit und Schweißbarkeit. Er ist erschwinglich und wird in der Regel in warmgewalztem Zustand verwendet, wird aber bei Bedarf einer Normalisierungsbehandlung unterzogen, um seine Festigkeit zu erhöhen.

Niedriglegierter hochfester Baustahl wird vor allem für die Herstellung von Brücken, Schiffen, Kesseln, Hochdruckbehältern, Ölpipelines und großen Stahlkonstruktionen verwendet.

2) Legierter, aufgekohlter Stahl. Legierter aufgekohlter Stahl bezieht sich auf legierten Stahl, der nach einer Aufkohlungsbehandlung verwendet wird. Diese Art von Stahl hat einen geringeren Massenanteil an Kohlenstoff (0,15%~0,25%), um sicherzustellen, dass der Kern des Werkstücks eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aufweist, während die Oberfläche nach dem Aufkohlen und Anlassen bei niedriger Temperatur eine hohe Härte (58~64HRC) und Abriebfestigkeit aufweist.

Legierter, aufgekohlter Stahl wird hauptsächlich für die Herstellung von Teilen verwendet, die eine hohe Verschleißfestigkeit und dynamische Belastbarkeit erfordern, wie z. B. Zahnräder in Auto- und Traktorgetrieben, Nockenwellen in Verbrennungsmotoren usw. Zu den häufig verwendeten legierten aufgekohlten Stählen gehören 15Cr, 20Cr, 20CrMnTi und andere.

3) Legierter Vergütungsstahl. Diese Stahlsorte hat im Allgemeinen einen Kohlenstoffgehalt von 0,25%~0,45%. Nach dem Abschrecken und Anlassen bei hoher Temperatur (Anlassen) entwickelt er eine gehärtete Sorbitstruktur, die dem Stahl eine gute Kombination aus hoher Festigkeit und Zähigkeit verleiht.

Er wird in erster Linie für die Herstellung von Teilen verwendet, die erheblichen Wechselbelastungen und verschiedenen komplexen Beanspruchungen ausgesetzt sind, z. B. Pleuelstangen, Getriebewellen, Werkzeugmaschinenspindeln, Zahnräder, Nocken usw. in Autos und Traktoren. Zu den häufig verwendeten legierten Vergütungsstählen gehören 40Cr, 35CrMo, 40CrNiMo und andere.

4) Legierter Federstahl. Legierter Federstahl bezieht sich auf die Art von legiertem Stahl, der bei der Herstellung verschiedener Federn und elastischer Komponenten verwendet wird. Diese Art von Stahl hat im Allgemeinen einen Kohlenstoffmassenanteil von 0,50%-0,65% und enthält Legierungselemente wie Mn, Si, Cr und V.

Nach dem Abschrecken und Anlassen bei mittlerer Temperatur entwickelt er ein angelassenes Troostitgefüge, das eine hohe Elastizitätsgrenze und Streckgrenze aufweist. Zu den häufig verwendeten legierten Federstählen gehören u. a. 65Mn und 50CrV.

(4) Güten, mechanische Eigenschaften und Anwendungen von legiertem Werkzeugstahl

Legierter Werkzeugstahl, zu dem Schneidwerkzeugstahl, Matrizenstahl und Messwerkzeugstahl gehören, wird durch Hinzufügen von Legierungselementen zu Kohlenstoffwerkzeugstahl hergestellt. Die Sorten von legiertem Werkzeugstahl setzen sich im Allgemeinen aus dem durchschnittlichen Massenanteil von Kohlenstoff im Stahl (ausgedrückt in Promille) + dem Symbol des Legierungselements + dem Gehalt des Legierungselements zusammen.

Wenn der Massenanteil an Kohlenstoff 1,0% übersteigt, wird er nicht in der Güteklasse angegeben. In Tabelle 1-9 finden Sie Beispiele für die Güteklassen, den Wärmebehandlungsstatus und die Anwendungen von häufig verwendeten legierten Werkzeugstählen.

1) Legierter Schneidwerkzeugstahl. Legierter Werkzeugstahl wird für die Herstellung verschiedener Schneidwerkzeuge verwendet, z. B. für Drehbänke, Fräser, Bohrer, Gewindebohrer, Matrizen usw. Zu den üblicherweise verwendeten legierten Schneidwerkzeugstählen gehören niedrig legierter Schneidwerkzeugstahl und Schnellarbeitsstahl.

Niedrig legierter Schneidwerkzeugstahl hat in der Regel einen Kohlenstoffmassenanteil (w_C) von 0,75% bis 1,45%. Das Wärmebehandlungsverfahren umfasst das Abschrecken und das Anlassen bei niedriger Temperatur. Die maximale Arbeitstemperatur dieser Stahlsorte beträgt nicht mehr als 300 °C.

Er wird nur für die Herstellung von Schneidwerkzeugen mit niedriger Drehzahl oder Werkzeugen mit hohen Anforderungen an die Verschleißfestigkeit verwendet, wie z. B. Hobel, Gewindebohrer, Matrizen, Bohrer usw. Gängige Sorten von niedrig legiertem Schneidwerkzeugstahl sind 9SiCr, CrWMn und andere.

Schnellarbeitsstahl ist eine Art hochkohlenstoffhaltiger, hochlegierter Stahl mit einem Massenanteil an Kohlenstoff (w_C) von 0,7% bis 1,6% und enthält eine große Menge an W, Cr, Mo, V und anderen Legierungselementen. Die Wärmebehandlung von Schnellarbeitsstahl umfasst das Abschrecken, gefolgt von mehrfachem Anlassen bei hohen Temperaturen, was zu einer angelassenen Martensit- und Karbidstruktur führt.

Nach dem normalen Anlassen beträgt die Härte im Allgemeinen 63~66HRC und zeigt eine gute Hitzebeständigkeit. Die aus Schnellarbeitsstahl hergestellten Werkzeuge behalten auch bei einer Schneidtemperatur von 600°C eine hohe Härte von ca. 60HRC und sind daher für das Hochgeschwindigkeitsschneiden geeignet. Zu den gängigen Sorten gehören W18Cr4V, W6Cr5Mo4V2 und andere.

Tabelle 1-9: Beispiele für gängige legierte Werkzeugstahlsorten, Wärmebehandlungsbedingungen und Anwendungen

2) Legierter Matrizenstahl. Legierter Matrizenstahl wird in Warmarbeitsmatrizenstahl und Kaltarbeitsmatrizenstahl unterteilt.

Warmarbeitsmatrizenstahl wird zur Herstellung verschiedener Warmschmiedematrizen, Warmfließpressmatrizen und Druckgussmatrizen usw. verwendet, wobei die Oberflächentemperatur des Hohlraums während des Betriebs über 600℃ liegt; Kaltarbeitsmatrizenstahl wird zur Herstellung verschiedener Kaltstanzmatrizen, Kaltstauchmatrizen, Kaltfließpressmatrizen und Drahtziehmatrizen usw. verwendet, wobei die Arbeitstemperatur 300℃ nicht übersteigt.

Kaltumformbarer Gesenkstahl hat einen Kohlenstoffmassenanteil w_c ≥1,0% und die hinzugefügten Legierungselemente können die Matrix stärken, Karbide bilden und die Härte und Verschleißfestigkeit des Stahls verbessern. Nach dem Abschrecken und Anlassen bei niedriger Temperatur erhält der Kaltarbeitsstahl eine angelassenen Martensit und eine körnige Karbidstruktur. Zu den üblicherweise verwendeten Kaltarbeitsstählen gehören Cr12, Cr12MoV, usw.

Der Kohlenstoffmassenanteil von Warmarbeitsstahl beträgt im Allgemeinen 0,3%~0,6%, und die hinzugefügten Legierungselemente können die Härtbarkeit, die Hitzebeständigkeit und die Ermüdungsbeständigkeit des Stahls verbessern.

Nach dem Abschrecken und Anlassen bei hoher oder mittlerer Temperatur erhält der Warmarbeitsstahl eine vergütete Sorbit- oder Troostitstruktur. Zu den häufig verwendeten Warmarbeitsstählen gehören 5CrNiMo, 3Cr2W8V, usw.

(5) Sonderleistungsstähle

Unter Spezialstählen versteht man Stähle mit besonderen Gebrauchseigenschaften. Es gibt viele Arten von Sonderleistungsstählen, aber in diesem Abschnitt werden nur die in der Maschinenbauindustrie häufig verwendeten vorgestellt: nichtrostender Stahl, hitzebeständiger Stahl und verschleißfester Stahl.

1) Rostfreier Stahl.

Nichtrostender Stahl ist ein Stahl, der gegen atmosphärische oder korrosive Medien beständig ist. Zu den gebräuchlichen Arten gehören martensitischer Edelstahl 12Cr13, ferritischer Edelstahl 10Cr17 und austenitischer Edelstahl 18-8 Chrom-Nickel.

Martensitischer rostfreier Stahl wird häufig für Produkte verwendet, die hohe mechanische Eigenschaften und relativ geringe Korrosionsbeständigkeit erfordern; ferritischer rostfreier Stahl wird häufig in der Salpetersäure-, Stickstoffdünger- und Phosphorsäureindustrie sowie als oxidationsbeständiges Material bei hohen Temperaturen verwendet; austenitischer rostfreier Stahl ist die am häufigsten verwendete Art von rostfreiem Stahl in der Industrie, aber interkristalline Korrosion muss verhindert werden.

2) Hitzebeständiger Stahl.

Hitzebeständiger Stahl ist ein Stahl, der bei hohen Temperaturen eine hohe chemische Stabilität und thermische Festigkeit aufweist. Die chemische Stabilität bezieht sich auf die Fähigkeit des Stahls, verschiedenen chemischen Korrosionen bei hohen Temperaturen zu widerstehen, während sich die thermische Festigkeit auf die Festigkeitsleistung des Stahls bei hohen Temperaturen bezieht.

Zu den häufig verwendeten hitzebeständigen Stählen gehören perlitische hitzebeständige Stähle, martensitische hitzebeständige Stähle und austenitische hitzebeständige Stähle.

Perlitischer hitzebeständiger Stahl arbeitet bei Temperaturen von 450-550°C und wird hauptsächlich für die Herstellung von Teilen mit geringer Belastung in Energieanlagen, wie z.B. Kesselrohre, verwendet; martensitischer hitzebeständiger Stahl arbeitet bei Temperaturen von 550-600°C und wird hauptsächlich für die Herstellung von Turbinenschaufeln, Auspuffventilen von Dieselmotoren usw. verwendet; austenitischer hitzebeständiger Stahl arbeitet bei Temperaturen von 600-700°C und kann bis zu 850°C erreichen und wird hauptsächlich für die Herstellung von Strahltriebwerksturbinen und Auspuffrohren verwendet. Zu den gängigen hitzebeständigen Stählen gehören 12Cr1MoV, 42Cr9Si2 und 4Cr13Ni8Mn8MoVNb.

3) Verschleißfester Stahl.

Bei verschleißfestem Stahl handelt es sich im Allgemeinen um hochmanganhaltigen Stahl, der unter Schlagbeanspruchung eine Kerbschlagzähigkeit erfährt. Seine Hauptbestandteile sind: w _c =1,0%-1,3%, w _Mn =11%-14%. Es wird in Form gegossen und erhält nach der Wärmebehandlung ein vollständig austenitisches Gefüge, das eine gute Zähigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist.

Zu den gängigen hochmanganhaltigen Stählen gehören ZGMn13, ZGMn13Cr2 usw. Hochmanganhaltiger Stahl wird häufig für die Herstellung von Teilen verwendet, die großen Stößen oder Drücken ausgesetzt sind, wie z. B. Baggerschaufeln, Tankketten usw. Außerdem ist hochmanganhaltiger Stahl in kaltem Klima nicht spröde, so dass er sich für den Einsatz in kalten Regionen eignet.

Nichteisen-Metalle und -Legierungen

Aluminium und Aluminium-Legierungen

Reines Aluminium hat eine silberweiße Farbe, eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur und keine allotrope Umwandlung. Es zeichnet sich durch einen niedrigen Schmelzpunkt (660℃), eine geringe Dichte (2,7g/cm³), geringe Festigkeit (σ_b=80MPa), hohe Plastizität (ψ=80%) und ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit.

Reines Aluminium ist daher nicht für tragende Konstruktionen geeignet. Es wird hauptsächlich für die Herstellung von Drähten, Kabeln, Gebrauchsgegenständen mit geringen Festigkeitsanforderungen und verschiedenen Aluminiumlegierungen verwendet. Reines Aluminium ist chemisch aktiv und neigt zur Bildung einer stabilen und dichten Oxidschicht auf seiner Oberfläche, die ihm eine gute Korrosionsbeständigkeit in Luft und Süßwasser verleiht.

Aluminiumlegierungen lassen sich aufgrund ihrer Verarbeitungseigenschaften in verformte Aluminiumlegierungen und Aluminiumgusslegierungen unterteilen. Abbildung 1-41 zeigt ein Klassifizierungsdiagramm von Aluminiumlegierungen. Die Legierungen links von Punkt D liegen nach dem Erhitzen als einphasige Mischkristalle mit guter Plastizität vor, die sich für die Druckverarbeitung eignen.

Diese werden als deformierte Aluminiumlegierungen bezeichnet. Legierungen rechts von Punkt D, die einen größeren Massenanteil an Legierungselementen enthalten und eutektische Strukturen aufweisen, zeichnen sich durch niedrigere Schmelztemperaturen und gutes Fließverhalten aus und eignen sich daher zum Gießen. Sie werden bezeichnet als Aluminiumguss Legierungen.

Verformte Aluminiumlegierungen werden in der Regel zu verschiedenen Halbfertigprodukten wie Blechen, Stangen, Rohren, Drähten, Profilen und Schmiedestücken verarbeitet. Unter den verformten Aluminiumlegierungen haben die Legierungen der Al-Mg- und Al-Mn-Reihe meist eine einphasige Struktur und können nicht durch Wärmebehandlung verfestigt werden. Sie zeichnen sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit und Verformbarkeit sowie ein ausgezeichnetes Tieftemperaturverhalten aus.

Diese Eigenschaften machen sie vielversprechend für Bereiche wie die Luft- und Raumfahrt. Die Legierungen der Al-Cu-Mg- und Al-Cu-Mn-Reihe sind stark aushärtbar und haben eine hohe Festigkeit, aber ihre Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit ist geringer. Sie werden hauptsächlich als Strukturbauteile verwendet. Al-Mg-Cu-Zn-Legierungen weisen die höchste Raumtemperaturfestigkeit unter den Aluminiumlegierungen auf, werden aber bei hohen Temperaturen schnell weich und haben eine schlechte Korrosionsbeständigkeit.

Sie werden in erster Linie für wichtige Strukturen und stark belastete Teile verwendet. Die Legierungen der Serien Al-Mg-Si-Cu und Al-Cu-Mg-Fe-Ni haben eine gute Thermoplastizität, Gießbarkeit und relativ hohe mechanische Eigenschaften. Sie werden hauptsächlich für komplexe Teile in der Luft- und Raumfahrt und für Instrumente verwendet und können auch als hitzebeständige Legierungen eingesetzt werden.

Die Aluminiumlegierungen der Serien Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Mg-Cu-Zn, Al-Mg-Si-Cu und Al-Cu-Mg-Fe-Ni können alle durch Wärmebehandlung verfestigt werden. Beispiele für häufig verwendete verformte Aluminiumlegierungen, ihre chemische Zusammensetzung, mechanischen Eigenschaften und Verwendungen sind in Tabelle 1-10 aufgeführt.

Tabelle 1-10: Beispiele für häufig verwendete verformte Aluminiumlegierungen, einschließlich ihrer Bezeichnungen, chemischen Zusammensetzungen, mechanischen Eigenschaften und Anwendungen

Anmerkung: M-Glühen; CZ-Quenching + natürliche Alterung; CS-Quenching + künstliche Alterung.

Kupfer und Kupferlegierungen

Reines Kupfer hat eine Dichte von 8,94 g/cm³ und einen Schmelzpunkt von 1083℃. Es hat eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur und keine Allotropie. Reines Kupfer weist eine gute elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Während reines Kupfer eine gute Duktilität aufweist, sind seine Festigkeit und Härte gering, so dass es für die direkte Verwendung als Konstruktionsmaterial ungeeignet ist.

Es wird häufig zur Herstellung von leitenden und wärmeleitenden Materialien und korrosionsbeständigen Geräten verwendet und kann auch als Rohstoff für die Herstellung von Kupferlegierungen dienen. Reines Kupfer kann nicht durch Wärmebehandlung verfestigt werden. Je nach der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung lassen sich Kupferlegierungen in drei Kategorien einteilen: Messing, Bronze und Weißkupfer.

(1) Messing

Kupferlegierungen mit Zink als Hauptlegierungselement werden als Messing bezeichnet. Je nach chemischer Zusammensetzung kann Messing in einfaches Messing und Sondermessing unterteilt werden. Einfaches Messing ist eine binäre Legierung aus Kupfer und Zink. Wenn der Massenanteil von Zink zwischen 30% und 32% liegt, ist die Struktur ein kubisch-flächenzentrierter α-Mischkristall, der als einphasiges Messing bekannt ist.

Diese Art von Messing hat eine ausgezeichnete Schmiedbarkeit, Schweißbarkeit und eine gute Verzinnbarkeit. Wenn der Massenanteil von Zink 32% (aber nicht mehr als 45%) übersteigt, ist seine Struktur eine α+β-Zweiphasenstruktur, bekannt als zweiphasiges Messing.

Dieses Messing hat eine gute Hochtemperaturduktilität und eignet sich für die Warmverarbeitung. Die Bezeichnung von gewöhnlichem Messing besteht aus "H+Zahl", wobei H für Messing steht und die Zahl den Massenanteil von Kupfer angibt. Zum Beispiel ist H80 gewöhnliches Messing, das 80% Kupfer und 20% Zink enthält.

Sondermessing wird durch Hinzufügen anderer Legierungselemente zur Kupfer-Zink-Legierung hergestellt. Zu den üblichen Legierungselementen gehören neben Zink auch Blei, Aluminium, Mangan, Zinn, Eisen, Nickel, Silizium usw. Die Zugabe dieser Legierungselemente verbessert die Festigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit des Messings.

Je nach den zugesetzten Primärlegierungselementen kann Sondermessing in Bleimessing, Aluminiummessing, Manganmessing usw. unterteilt werden. Die Bezeichnung von Sondermessing setzt sich zusammen aus "H+ Symbol des primären Legierungselements + Massenanteil von Kupfer + Massenanteil des primären Legierungselements".

HPb59-1 steht beispielsweise für Sondermessing mit einem Massenanteil von 59% Kupfer und 1% Blei, der Rest ist Zink. Die Bezeichnungen, chemischen Zusammensetzungen, mechanischen Eigenschaften und Anwendungsbeispiele von häufig verwendetem Messing sind in Tabelle 1-11 aufgeführt.

(2) Bronze

Bronze bezieht sich auf Kupferlegierungen mit anderen Hauptlegierungselementen als Zn und Ni. Die Bezeichnung setzt sich zusammen aus "Q + Symbol des Hauptlegierungselements + Massenanteil des Hauptlegierungselements". Wenn es sich um Gussbronze handelt, wird der Bezeichnung ein "Z" vorangestellt. Bronze kann in normale Bronze und Spezialbronze unterteilt werden.

Tabelle 1-11: Repräsentative Bezeichnungen, chemische Zusammensetzungen, mechanische Eigenschaften und Anwendungsbeispiele für häufig verwendete verformte Aluminiumlegierungen

Gewöhnliche Bronze bezieht sich auf Zinnbronze mit Zinn (Sn) als primärem Legierungselement. Der Massenanteil von Sn ist entscheidend für die Leistung von Zinnbronze. Zinnbronze mit einem Sn-Massenanteil von 5% bis 7% hat die beste Plastizität und eignet sich für die Kalt- und Warmverformung. Zinnbronze mit einem Sn-Massenanteil von mehr als 10% hat eine hohe Festigkeit, aber eine schlechte Plastizität und eignet sich nur zum Gießen.

Zinnbronze weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in der Atmosphäre, im Meerwasser und in anorganischen Salzlösungen auf, zeigt jedoch eine geringere Korrosionsbeständigkeit in Ammoniak, Salzsäure und Schwefelsäure.

Spezialbronze ist eine Bronze, die kein Sn enthält. Je nach dem primären Legierungselement kann sie in Aluminiumbronze, Berylliumbronze, Siliziumbronze usw. unterteilt werden. Aluminiumbronze hat einen Aluminium-Massenanteil von 5% bis 10%, hohe chemische Stabilität, gute Korrosions- und Verschleißfestigkeit, höhere Festigkeit und Plastizität sowie gute Verarbeitbarkeit.

Sie wird hauptsächlich für hochfeste, verschleißfeste Teile verwendet, die in Meerwasser oder bei hohen Temperaturen arbeiten. Berylliumbronze hat einen Beryllium-Massenanteil von 1,7% bis 2,5%. Sie kann durch Lösungsglühen und Aushärtung verfestigt werden und besitzt eine hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit.

Sie hat auch besondere Eigenschaften wie Antimagnetismus und keine Funkenbildung beim Aufprall und wird hauptsächlich für elastische Elemente in Präzisionsinstrumenten und explosionsgeschützte Teile in Motoren verwendet. Siliziumbronze hat einen Siliziummassenanteil von 3% bis 4,6%, mit höheren mechanischen Eigenschaften als Zinnbronze und guten Guss- und Kalt-/Warmverarbeitungseigenschaften.

Durch die Zugabe von Nickel zu Siliziumbronze kann die Festigkeit und Verschleißfestigkeit erheblich verbessert werden. Diese Bronze wird hauptsächlich in der Luftfahrtindustrie und für Fernsprechüberlandleitungen, Stromleitungen usw. verwendet. Die Markennummer, die chemische Zusammensetzung, die mechanischen Eigenschaften und Anwendungsbeispiele für häufig verwendete Bronzen sind in Tabelle 1-12 aufgeführt.

(3) Neusilber

Neusilber, auch als Weißkupfer bekannt, bezeichnet eine Kategorie von Kupferlegierungen, die hauptsächlich aus Nickel bestehen. Es wird in zwei Arten unterteilt: gewöhnliches Neusilber und spezielles Neusilber.

Tabelle 1-12: Beispiele für gängige Bronzesorten, chemische Zusammensetzungen, mechanische Eigenschaften und Verwendungen

Gewöhnliches Neusilber, das nur Kupfer und Nickel enthält, besitzt eine gute Festigkeit und ausgezeichnete Plastizität. Es kann sowohl kalt als auch heiß unter Druck verarbeitet werden. Seine Korrosionsbeständigkeit ist ausgezeichnet, und es hat einen hohen elektrischen Widerstand mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten des Widerstands.

Es wird in erster Linie für die Herstellung von Schiffsinstrumenten, chemischen Maschinenteilen, medizinischen Geräten und anderen verwendet. Der Grad des Neusilbers setzt sich aus "B + durchschnittlicher Massenanteil von Ni" zusammen. Zum Beispiel steht B19 für gewöhnliches Neusilber mit einem Nickelgehalt von 19%.

Spezielles Neusilber wird durch Zugabe anderer Legierungselemente zu Neusilber hergestellt. Die Eigenschaften und Verwendungszwecke von Neusilber hängen von der Art des zugesetzten Legierungselements ab. Manganhaltiges Neusilber mit einem hohen Massenanteil an Mangan kann beispielsweise zur Herstellung von Thermoelementdrähten, Messgeräten usw. verwendet werden. BZn15-20 zum Beispiel ist ein spezielles Neusilber mit einem Siliziumgehalt von 15% und einem Zinkgehalt von 20%.

Titan und Titanlegierungen

Reines Titan hat eine Dichte von 4,5 g/cm³ und einen Schmelzpunkt von 1667 °C und unterliegt der Allotropie. Unterhalb von 882,5 °C weist Reintitan eine dicht gepackte hexagonale Kristallstruktur auf, die als α-Ti bekannt ist. Oberhalb von 882,5 °C weist es eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur auf, die als β-Ti bezeichnet wird.

Reines Titan (α-Ti) hat einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul, eine gute Schlagzähigkeit, eine hohe spezifische Festigkeit und eine ausgezeichnete Plastizität, aber seine mechanischen Eigenschaften sind extrem empfindlich gegenüber Verunreinigungen.

Die wichtigsten Eigenschaften von Titanlegierungen sind hohe Festigkeit, geringe Dichte, gute Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Sie lassen sich jedoch schlecht bearbeiten, sind verschleißempfindlich und relativ teuer. Titanlegierungen werden auf der Grundlage ihrer geglühten Strukturen in α-Typ (TA), β-Typ (TB) und α+β-Typ (TC) eingeteilt.

Beispiele für Güten, chemische Zusammensetzungen, mechanische Eigenschaften und Verwendungszwecke von häufig verwendeten Titanlegierungen sind in Tabelle 1-13 aufgeführt.

(1) α-Typ Titan-Legierungen

Das geglühte Gefüge von Titanlegierungen des α-Typs ist ein einphasiger α-Mischkristall, der durch Wärmebehandlung nicht verfestigt werden kann. Diese Legierungen haben ein stabiles Gefüge, eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, eine gute Plastizität und Verformbarkeit. Außerdem weisen sie eine ausgezeichnete Schweißleistung und Tieftemperatureigenschaften auf.

Sie werden häufig zur Herstellung von Flugzeughäuten, Rahmen, Triebwerkskompressorscheiben und -schaufeln, Turbinengehäusen und Ultra-Tieftemperaturbehältern verwendet.

Tabelle 1-13: Beispiele für häufig verwendete Titanlegierungen, ihre chemischen Zusammensetzungen, mechanischen Eigenschaften und Anwendungen

^{①持久强度表示材料在给定温度下经过100h后，试样发生断裂时的应力值。}

(2) Beta-Titan-Legierungen

Beta-Titanlegierungen haben eine Beta-Phasen-Glühstruktur. Durch Abschrecken können metastabile Beta-Phasen-Titanlegierungen erhalten werden. Diese Legierungen können wärmebehandelt werden, um ihre Festigkeit zu erhöhen, und haben eine hohe Festigkeit bei Raumtemperatur sowie gute Kaltverformungseigenschaften. Allerdings haben diese Legierungen eine hohe Dichte, ihr Gefüge ist nicht stabil genug, und sie haben eine schlechte Wärmebeständigkeit. Beta-Titanlegierungen werden hauptsächlich zur Herstellung von Flugzeugteilen verwendet, die keine hohen Temperaturen, aber eine hohe Festigkeit erfordern, wie z. B. Federn, Befestigungselemente und dickwandige Teile.

(3) Alpha + Beta Titan-Legierungen

Die geglühte Struktur von Alpha + Beta-Titanlegierungen ist die (Alpha + Beta)-Phase, die die Eigenschaften von Alpha- und Beta-Titanlegierungen vereint. Sie haben hervorragende umfassende mechanische Eigenschaften und sind die am häufigsten verwendeten Titanlegierungen. So wird beispielsweise TC4 (Ti-6Al-4V) in der Luft- und Raumfahrt und in anderen Industriezweigen häufig verwendet.