Leitfaden für gängige Metallarten und deren Verwendung

I. Unlegierter Stahl

Unlegierter Stahl bezieht sich auf eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit w_c <2.11%, mit geringen Mengen an Verunreinigungen wie Si, Mn, S, P, etc. Vor der Einführung der neuen Stahlklassifizierungsnormen wurde er als Kohlenstoffstahl bezeichnet (abgekürzt als Kohlenstoffstahl). Er ist ein in verschiedenen Industriezweigen häufig verwendetes Material.

1. Klassifizierung von unlegiertem Stahl

Es gibt drei Hauptmethoden zur Klassifizierung von unlegiertem Stahl:

(1) Basierend auf dem Kohlenstoffgehalt

Unterteilt in kohlenstoffarmen Stahl (w_c <0,25%), Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,25%≤w_c ≤0.60%), und Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (w_c >0.60%).

(2) Auf der Grundlage der wichtigsten Qualitätsstufen

Unterteilt in unlegierten Stahl normaler Qualität (w_s ≤0,040%, w_p≤0,040%), hochwertigem unlegiertem Stahl mit Ausnahme von unlegiertem Stahl gewöhnlicher Qualität und unlegiertem Stahl besonderer Qualität sowie unlegiertem Stahl besonderer Qualität (w_s ≤0,020%, w_p ≤0,020%).

(3) Auf der Grundlage der Verwendung von Stahl

Unterteilt in Kohlenstoffbaustahl, unlegierten Werkzeugstahl und Kohlenstoffstahlguss.

Je nach dem Grad der Desoxidation des geschmolzenen Stahls während des Schmelzvorgangs unterscheidet man außerdem zwischen beruhigtem Stahl, beruhigtem Stahl und speziell beruhigtem Stahl.

2. Güten, Eigenschaften und Hauptverwendungen von unlegiertem Stahl

(1) Unlegierter Baustahl Unlegierter mechanischer Baustahl

1) Gewöhnlicher Kohlenstoff-Baustahl

Die Güte von gewöhnlichem Kohlenstoffbaustahl wird durch "Q+Zahl+Güteklasse+Symbol für das Desoxidationsverfahren" dargestellt. "Q" ist der Anfangsbuchstabe des chinesischen Pinyin für "Streckgrenze", die "Zahl" gibt die Mindeststreckgrenze an, und die Güteklassen werden durch A, B, C, D dargestellt, wobei die Güteklasse A die niedrigste und die Güteklasse D die höchste ist.

Die Symbole für die Desoxidationsmethode sind F, Z und TZ für berippten Stahl, beruhigten Stahl bzw. besonders beruhigten Stahl. Normalerweise können die Symbole für beruhigten Stahl und besonders beruhigten Stahl (Z und TZ) weggelassen werden. Die Sorte Q235AF steht zum Beispiel für die Stahlsorte A mit einer Streckgrenze von ≥235MPa. Die Güten, Eigenschaften und Hauptverwendungen von gewöhnlichem Kohlenstoffbaustahl sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1 Güten, Haupteigenschaften und Verwendungen von gewöhnlichem Kohlenstoffbaustahl

2) Hochwertiger Kohlenstoffbaustahl

Die Güte von hochwertigem Kohlenstoffbaustahl wird im Allgemeinen durch zwei Ziffern dargestellt, die den durchschnittlichen Massenanteil von Kohlenstoff in Zehntausendsteln angeben. Stahl 35 steht beispielsweise für hochwertigen Kohlenstoffbaustahl mit einem durchschnittlichen Kohlenstoffmassenanteil von 0,35%.

Wenn der Massenanteil von Mangan im Stahl hoch ist (0,7%≤W_Mn ≤1.2%), wird das chemische Elementsymbol für Mangan (Mn) nach der Güteklasse hinzugefügt, z. B. 35Mn. Die Güten, Eigenschaften und wichtigsten Verwendungszwecke von hochwertigem Kohlenstoffbaustahl sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2 Güten, Eigenschaften und Hauptverwendungen von hochwertigem Kohlenstoffbaustahl

(2) Unlegierter Werkzeugstahl

Der Massenanteil von Kohlenstoff in Kohlenstoff-Werkzeugstahl liegt zwischen 0,65% und 1,35%, wobei es sich durchweg um hochwertigen oder hochqualitativen Kohlenstoffstahl handelt. Diese Art von Stahl hat eine hohe Härte und eine hohe Verschleißfestigkeit und wird hauptsächlich für die Herstellung von Werkzeugen, Messwerkzeugen und Formen verwendet, z. B. für die Herstellung von Handsägeblättern, Feilen, usw.

Die Güteklasse von unlegiertem Werkzeugstahl wird mit "T + Zahl" angegeben. Dabei ist "T" der Anfangsbuchstabe des chinesischen Pinyin für "Kohlenstoff", und die Zahl steht für das Tausendstel des durchschnittlichen Massenanteils von Kohlenstoff im Stahl. Handelt es sich um hochwertigen, unlegierten Werkzeugstahl, wird der Zahl das Symbol "A" angefügt.

T8 steht beispielsweise für hochwertigen unlegierten Werkzeugstahl mit einem durchschnittlichen Kohlenstoffmassenanteil von 0,8%, und T8A für hochwertigen unlegierten Werkzeugstahl mit einem durchschnittlichen Kohlenstoffmassenanteil von 0,8%. Die gängigen Güten, Eigenschaften und Hauptverwendungszwecke von unlegiertem Werkzeugstahl sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Tabelle 3 Gängige Güten, Eigenschaften und Hauptverwendungen von unlegiertem Werkzeugstahl

(3) Gegossener Kohlenstoffstahl

Die Güte von gegossenem Kohlenstoffstahl (als "Gussstahl" bezeichnet) wird mit "ZG + zwei Zahlengruppen" angegeben. "ZG" ist die Abkürzung des chinesischen Pinyin für "Stahlguss", die erste Zahlengruppe gibt den Mindestwert für die Streckgrenze an, die zweite Zahlengruppe den Mindestwert für die Zugfestigkeit. ZG230-450 steht beispielsweise für Kohlenstoffstahlguss mit einer Streckgrenze von mindestens 230 MPa und einer Zugfestigkeit von mindestens 450 MPa.

Der Massenanteil von Kohlenstoff in gegossenem Kohlenstoffstahl für allgemeine technische Zwecke liegt zwischen 0,15% und 0,60%. Kohlenstoffstahlguss wird hauptsächlich zur Herstellung von Stahlgussteilen verwendet, die eine hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern, komplexe Formen aufweisen und durch Druckverarbeitungsverfahren schwer zu formen sind. Die Güten, die chemische Zusammensetzung, die mechanischen Eigenschaften und die wichtigsten Verwendungszwecke von Stahlguss sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Tabelle 4: Güten, chemische Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften und Hauptverwendungszwecke von Kohlenstoffstahlguss

II. Niedriglegierter Stahl und legierter Stahl

Stahl, der durch absichtliche Zugabe einer bestimmten Menge von Legierungselementen zu Kohlenstoffstahl hergestellt wird, wird als niedrig legierter Stahl und legierter Stahl bezeichnet. Bei legiertem Stahl werden üblicherweise folgende Legierungselemente hinzugefügt: Mangan (w ≥1%), Silizium (w ≥0,5%), Chrom, Wolfram, Nickel, Molybdän, Vanadium, Aluminium, Kupfer, Titan, Niob und Seltene Erden.

Diese Elemente können die mechanischen Eigenschaften und die Härtbarkeit des Stahls verbessern, die Verarbeitungsleistung des Stahls erhöhen oder bestimmte besondere physikalische und chemische Eigenschaften erzielen, wodurch sich der Anwendungsbereich des Stahls erheblich erweitert. Legierter Stahl kann unterteilt werden in: legierter Baustahl, legierter Werkzeugstahl und Spezialstahl.

1. Niedrig legierter hochfester Baustahl

Es handelt sich um einen Stahl, der durch Zugabe einer geringen Menge (≤5%) von Legierungselementen auf der Grundlage von Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (w_c <0,2%), und seine Güte wird auch durch "Q+Zahl" dargestellt. Seine Bedeutung ist die gleiche wie die von gewöhnlichem Kohlenstoffbaustahl, z. B. Q345 bezeichnet niedrig legierten hochfesten Baustahl mit einer Mindeststreckgrenze von 345 MPa.

Wenn die Buchstaben A, B, C, D, E hinter der Güteklasse stehen, gibt dies auch die Güteklasse an, z. B. Q345B steht für niedrig legierten, hochfesten Baustahl der Güteklasse B mit einer Mindeststreckgrenze von 345 MPa.

Niedrig legierter Stahl wird in der Regel im Zustand des Warmwalzens und Glühens (oder Normalisierens) verwendet. Seine Festigkeit ist 10% bis 20% höher als die des gewöhnlichen kohlenstoffarmen Stahls, so dass er als niedrig legierter hochfester Stahl bezeichnet wird.

Es hat eine gute Plastizität, Zähigkeit, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Es wird derzeit häufig für Brücken, Fahrzeuge, Schiffe, Gebäude, Container usw. verwendet. Der Hauptzweck besteht darin, das Gewicht der Konstruktion selbst zu verringern und die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Nutzung zu gewährleisten. Die Güteklassen, die chemische Zusammensetzung, die mechanischen Eigenschaften und die Verwendungszwecke der üblicherweise verwendeten niedrig legierten hochfesten Baustähle sind in Tabelle 1-7 aufgeführt.

Tabelle 5 Gängige Sorten, chemische Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften und Hauptverwendungszwecke von niedrig legierten hochfesten Baustählen

2. Legierter Baustahl

Legierter Baustahl umfasst hauptsächlich legierten Aufkohlungsstahl, legierten Vergütungsstahl, legierten Federstahl, Wälzlagerstahl usw.

(1) Legierter aufkohlender Stahl

Legierter Aufkohlungsstahl wird durch Zugabe von Legierungselementen wie Chrom, Mangan, Nickel, Titan, Vanadium usw. zu Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt. Die Stahlsorte wird durch "zwei Ziffern + Symbol für das Legierungselement + Nummer" angegeben.

Die ersten beiden "Ziffern" geben das Zehntausendstel des durchschnittlichen Kohlenstoffmassenanteils im Stahl an, das Elementsymbol gibt die im Stahl enthaltenen Legierungselemente an, und die "Zahl" nach dem Elementsymbol gibt den durchschnittlichen prozentualen Anteil an. Wenn der durchschnittliche Gehalt an Legierungselementen <1,5% ist, wird nur das Elementsymbol und nicht die Zahl angegeben; wenn der durchschnittliche Massenanteil der Legierungselemente zwischen 1,5% und 2,5%, 2,5% und 3,5% usw. liegt, werden 2, 3 usw. entsprechend hinter dem Element angegeben.

Zum Beispiel bedeutet 20Mn2, dass der durchschnittliche Kohlenstoffmassenanteil 0,20% und der durchschnittliche Manganmassenanteil 2% in dem legierten Aufkohlungsstahl beträgt. Wenn es sich um einen hochwertigen legierten Baustahl handelt, wird das Symbol "A" am Ende der Sorte hinzugefügt, z. B. 18Cr2Ni4WA.

Legierter Aufkohlungsstahl wird normalerweise nach dem Aufkohlen, Abschrecken und Anlassen bei niedriger Temperatur verwendet. Er wird hauptsächlich für Teile verwendet, die eine hohe Oberflächenhärte, eine hohe Festigkeit, eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Zähigkeit im Kern erfordern und Stoßbelastungen standhalten können (z. B. Getriebezahnräder, Getriebewellen, Kolbenbolzen usw.). Die Güten, Zusammensetzungen, mechanischen Eigenschaften und Verwendungszwecke der üblicherweise verwendeten legierten Aufkohlungsstähle sind in GB/T3077-2015 (Legierter Baustahl) aufgeführt.

(2) Legierter, vergüteter Stahl

Legierter Vergütungsstahl bezieht sich in der Regel auf legierten Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, der nach einer Vergütungsbehandlung verwendet wird und einen Kohlenstoffmassenanteil zwischen 0,25% und 0,50% aufweist. Die Methode zur Darstellung der Güteklasse von legiertem Vergütungsstahl ist die gleiche wie die von legiertem Aufkohlungsstahl, ebenfalls unter Verwendung von "zwei Ziffern + Symbol für das Legierungselement + Nummer".

Legierter Vergütungsstahl wird hauptsächlich für wichtige Teile verwendet, die eine hohe Härte, gute Plastizität und Zähigkeit erfordern, wie z. B. Hauptwellen, Kurbelwellen, Pleuelstangenbolzen, wichtige Zahnräder usw. Wenn einige Teile auch eine hohe Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit erfordern, können sie nach der Vergütungsbehandlung einer Oberflächeninduktionserwärmung und einem Niedrigtemperaturanlassen unterzogen werden.

Die Güten, Zusammensetzungen, Wärmebehandlungen und Eigenschaften der üblicherweise verwendeten legierten Vergütungsstähle sind in GB/T3077-2015 (Alloy Structural Steel) aufgeführt. Zu den weit verbreiteten legierten Vergütungsstählen gehören 40Cr, 40MnVB, 30CrMnSi, 20MnVB, 12CrNi3, etc.

(3) Legierter Federstahl

Legierter Stahl, der zur Herstellung verschiedener Federn oder elastischer Teile verwendet wird, wird als legierter Federstahl bezeichnet, dessen Kohlenstoffmassenanteil im Allgemeinen zwischen 0,45% und 0,70% liegt. Die Methode zur Darstellung der Güte von legiertem Federstahl ist die gleiche wie die von legiertem Aufkohlungsstahl, ebenfalls unter Verwendung von "zwei Ziffern + Elementsymbol + Nummer".

Die Güten, Zusammensetzungen, Wärmebehandlungen, Eigenschaften und Verwendungszwecke der üblicherweise verwendeten legierten Federstähle sind in GB/T1222-2007 (Federstahl) aufgeführt. Am weitesten verbreitet ist siliziummanganlegierter Federstahl, wie z. B. 60Si2Mn, der für die Herstellung von Schraubenfedern und Blattfedern für Autos, Traktoren, Lokomotiven und andere wichtige Federn, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, verwendet wird.

(4) Wälzlagerstahl

Legierter Stahl, der für die Herstellung von Wälzkörpern (Kugeln, Rollen, Nadeln) und Ringen in Wälzlagern verwendet wird, wird als Wälzlagerstahl bezeichnet. Der Massenanteil an Kohlenstoff liegt im Allgemeinen zwischen 0,95% und 1,15%, um nach dem Abschrecken kohlenstoffreichen Martensit zu erhalten, der dem Wälzlagerstahl eine hohe Härte und Festigkeit verleiht.

Die Güteklasse von Wälzlagerstahl wird durch "G + Cr + Zahl" dargestellt. "G" ist der erste Buchstabe des chinesischen Pinyin für "Walzen", "Cr" ist das Elementsymbol für Chrom, und die "Zahl" gibt das Tausendstel des durchschnittlichen Chrommassenanteils im Stahl an. GCr15 bedeutet zum Beispiel, dass der durchschnittliche Chrommassenanteil im Wälzlagerstahl 1,5% beträgt.

Der Massenanteil von Chrom in Wälzlagerstahl liegt im Allgemeinen zwischen 0,40% und 1,65%. Seine Funktion besteht darin, die Härtbarkeit des Stahls zu verbessern und dispergierte Karbide zu bilden, wodurch die Verschleißfestigkeit und die Kontaktermüdungsfestigkeit des Stahls verbessert werden. Bei großen Lagern werden auch Elemente wie Mangan und Silizium hinzugefügt, um die Härtbarkeit des Stahls weiter zu verbessern.

Die derzeit in China am häufigsten verwendeten Wälzlagerstähle sind GCr15 (hauptsächlich für die Herstellung kleiner und mittlerer Lager) und GCr15SiMn (hauptsächlich für die Herstellung größerer Lager).

Wälzlagerstahl kann auch zur Herstellung von Teilen mit hoher Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit verwendet werden, z. B. für Schleifspindeln, Kaltstanzwerkzeuge, Gewindespindeln, Präzisionsmesswerkzeuge usw. Die Güten, Zusammensetzungen, Wärmebehandlungen und Eigenschaften der üblicherweise verwendeten Wälzlagerstähle sind in GB/T 18254-2016 (High Carbon Chromium Bearing Steel) zu finden.

3. Legierter Werkzeugstahl

Legierter Stahl, der zur Herstellung verschiedener Werkzeuge verwendet wird, wird als legierter Werkzeugstahl bezeichnet. Es handelt sich um Stahl, der durch Hinzufügen einer angemessenen Menge von Legierungselementen zu unlegiertem Werkzeugstahl hergestellt wird. Diese Art von Stahl hat eine höhere Härte, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit als unlegierter Werkzeugstahl, insbesondere eine bessere Härtbarkeit, Härtbarkeit, Warmhärte und Anlaßbeständigkeit. Daher kann er für die Herstellung von Werkzeugen mit großen Querschnitten, komplexen Formen und hohen Anforderungen verwendet werden.

Legierter Werkzeugstahl wird je nach Verwendungszweck in Messwerkzeugstahl, schlagfesten Werkzeugstahl, Warmarbeitsstahl, Kaltarbeitsstahl, Kunststoffformenstahl usw. unterteilt. Die Methode zur Darstellung der Güteklasse ist ähnlich wie die des legierten Baustahls, nur die Methode zur Darstellung des Kohlenstoffgehalts ist anders. Wenn w _c ≥1%, ist der Kohlenstoffgehalt nicht gekennzeichnet; wenn w_c <1%, eine einzelne Ziffer wird verwendet, um das Tausendstel des durchschnittlichen Kohlenstoffgehalts im Stahl anzugeben.

Cr12MoV zeigt zum Beispiel an, dass w_c ≥1%, w_Cr =12%, und w _Mo , w_v <1,5% in legiertem Werkzeugstahl. Ein weiteres Beispiel ist 9SiCr, das darauf hinweist, dass w_c =0,9%, und w_Si , w_Cr <1.5% bei legiertem Werkzeugstahl. Legierte Werkzeugstähle sind allesamt hochwertige Stähle, weshalb das Symbol "A" nicht am Ende der Güteklasse steht.

(1) Kaltarbeitsmatrizenstahl

Bezieht sich auf den Stahl, der zur Herstellung von Formen für das Kaltstempeln, Kaltfließpressen und Kaltziehen von Metall unter kalten Bedingungen verwendet wird. Er hat eine hohe Härte, eine hohe Verschleißfestigkeit, eine ausreichende Festigkeit und Zähigkeit und erfordert eine gute Härtbarkeit und eine geringe Abschreckverformung. Diese Stahlsorte wird nach dem Abschrecken und Anlassen verwendet. Die Güten, Wärmebehandlungen, Eigenschaften und Verwendungszwecke der gebräuchlichen Kaltarbeitsstähle sind in Tabelle 6 aufgeführt.

Tabelle 6 Häufig verwendete Kaltarbeitsstähle, Wärmebehandlungen, Eigenschaften und Verwendungen

(2) Warmarbeitsstahl

Warmarbeitsstahl bezieht sich auf den Stahl, der für die Herstellung von Warmschmiedegesenken, Warm Strangpresswerkzeugeund Druckgussformen, die Roheisen oder Legierungen unter Druck umformen. Warmarbeitsstahl arbeitet bei hohen Temperaturen (400～600℃) und ist während des Betriebs nicht nur großen Stoßbelastungen ausgesetzt, sondern auch erheblichen Druck-, Zug- und Biegespannungen sowie intensiver Reibung, die durch das Fließen des heißen Metalls im Formhohlraum verursacht werden.

Daher muss Warmarbeitsstahl eine ausreichende Härte, Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen. Außerdem wird diese Art von Stahl während des Betriebs wiederholt durch heißes Metall erwärmt und durch Kühlmedien (Wasser, Öl, Luft) abgekühlt, was zu Volumenänderungen führt und ihn anfällig für thermische Ermüdung macht.

Der Massenanteil an Kohlenstoff in Warmarbeitsstahl liegt im Allgemeinen zwischen 0,3% und 0,6%, was ihn zu einem legierten Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt macht. Zu den gängigen Sorten von Warmarbeitsstahl gehören 5CrMnMo und 5CrNiMo. Letzterer hat eine bessere Härtbarkeit als ersterer, bei ähnlichen anderen Eigenschaften. 5CrMnMo eignet sich für die Herstellung kleiner bis mittelgroßer Warm Gesenkformenwährend 5CrNiMo für die Herstellung von mittelgroßen bis großen Warmschmiedegesenken geeignet ist. Gängige Stahlsorten für Druckgussformen sind 3Cr2W8V, etc.

(3) Kunststoffformenstahl

Kunststoffformenstahl bezieht sich auf den Stahl, der für die Herstellung von Formen verwendet wird, die feines Pulver oder Kunststoffgranulat unter Niedrigtemperatur-Erwärmungsbedingungen, die 200℃ nicht überschreiten, in Form pressen. Je nach Formgebungsverfahren für Kunststofferzeugnisse können Kunststoffformen in Druckgussformen, Extrusionsformen, Spritzgussformen, Formgebungsformen, Blasformwerkzeuge usw. unterteilt werden.

Während des Betriebs wird die Form ständig erhitzt, gepresst und ist einem gewissen Grad an Reibung und Korrosion durch schädliche Gase ausgesetzt. Daher muss Kunststoffformenstahl eine ausreichende Festigkeit und Zähigkeit bei 200 °C, eine hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie eine gute Bearbeitbarkeit, Polierbarkeit, Schweißbarkeit und Wärmebehandlungsleistung aufweisen. Gegenwärtig werden üblicherweise Kunststoffformenstähle wie 3Cr2Mo, 3Cr2MnNiMo verwendet.

(4) Stahl für Messwerkzeuge und Schneidwerkzeuge

Messwerkzeuge sind Messgeräte, die im Maschinenbau zur Kontrolle der Bearbeitungsgenauigkeit eingesetzt werden, wie z. B. Bügelmessschrauben, Endmaße, Lehrdorne, Messschieber usw. Da Messwerkzeuge bei ihrer Verwendung häufig mit den zu messenden Teilen in Berührung kommen, sind sie Verschleiß und Stößen ausgesetzt. Daher müssen die Arbeitsteile von Messwerkzeugen eine hohe Härte (62~65HRC), eine hohe Verschleißfestigkeit, eine hohe Maßhaltigkeit und eine ausreichende Zähigkeit aufweisen.

9SiCr und andere Stähle werden häufig zur Herstellung von Präzisionsmesswerkzeugen mit hoher Genauigkeit und komplexen Formen verwendet, z. B. für Endmaße und Lehrdorne. Darüber hinaus kann legierter Aufkohlungsstahl oder Lagerstahl (GCr15) zur Herstellung von Messwerkzeugen verwendet werden, die keine hohe Präzision erfordern, aber nach dem Aufkohlen und Abschrecken schlagfest sein müssen; manchmal wird auch Kaltarbeitsstahl (CrWMn) zur Herstellung von Präzisionsmesswerkzeugen verwendet.

4. Güten, Eigenschaften und Verwendung von Sonderleistungsstählen

Spezialstahl ist ein legierter Stahl mit besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie mit bestimmten mechanischen Eigenschaften. Dazu gehören u. a. rostfreier Stahl, hitzebeständiger Stahl und verschleißfester Stahl.

(1) Rostfreier Stahl

Nichtrostender Stahl ist eine Stahllegierung, die gegen atmosphärische Korrosion, Säure- und Alkalikorrosion oder andere Korrosionsmedien beständig ist. Die wichtigsten Merkmale von rostfreiem Stahl sind seine Rost- und Korrosionsbeständigkeit mit einem Chromgehalt von mindestens 10,5% und einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 1,2%.

Nichtrostender Stahl wird aufgrund seiner metallografischen Struktur in verschiedene Arten eingeteilt: ferritischer nichtrostender Stahl, martensitischer nichtrostender Stahl, austenitischer nichtrostender Stahl, austenitisch-ferritischer nichtrostender Stahl und ausscheidungshärtender nichtrostender Stahl. Die Güten, Zusammensetzungen, Wärmebehandlungen und Eigenschaften der gebräuchlichsten nichtrostenden Stähle sind in GB/T1220-2007 (Stainless Steel Bars) aufgeführt. Zu den am häufigsten verwendeten Arten und Güten von nichtrostendem Stahl gehören die folgenden:

1) Ferritischer rostfreier Stahl

Ferritischer rostfreier Stahl wird in drei Typen unterteilt:

• Cr12 und Cr13, wie z. B. 06Cr13Al, 022Cr12 usw., werden üblicherweise als hitzebeständiger Stahl verwendet, z. B. für Auspuffventile von Kraftfahrzeugen.
• Cr17-Typen, wie z. B. 10Cr17, 10Cr17Mo usw., werden hauptsächlich für Behälter und Rohrleitungen in chemischen Anlagen verwendet.
• Cr27~30, wie 008Cr27Mo, 008Cr30Mo2 usw., sind Stähle, die gegen starke Säurekorrosion beständig sind.

2) Martensitischer rostfreier Stahl

Die wichtigsten martensitischen Edelstahlsorten sind 12Cr13, 20Cr13 (mit geringerem Kohlenstoffgehalt), die hauptsächlich für Teile verwendet werden, die hohe mechanische Eigenschaften und geringe Korrosionsbeständigkeit erfordern, wie Turbinenschaufeln und medizinische Instrumente; 30Cr13, 40Cr13 (mit höherem Kohlenstoffgehalt) werden hauptsächlich für hydraulische Druckventile und harte, verschleißfeste medizinische chirurgische Werkzeuge, Messwerkzeuge, Lager und Federn aus Edelstahl verwendet.

3) Austenitischer rostfreier Stahl

Austenitischer rostfreier Stahl umfasst 06Cr19Ni10, 12Cr18Ni9 und wird hauptsächlich für die Herstellung von Teilen verwendet, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit erfordern, sowie für leicht belastete Teile, die nach der Kaltverformung geschweißt werden müssen, wie z.B. in chemischen Anlagen und Rohrleitungen. Er kann auch für die Herstellung von nichtmagnetischen, korrosionsbeständigen Teilen in der Instrumenten- und Energieerzeugungsindustrie verwendet werden. Diese Stahlsorte erhöht ihre Festigkeit hauptsächlich durch Kaltverformung und kann nicht durch Wärmebehandlung verstärkt werden.

(2) Hitzebeständiger Stahl

Hitzebeständiger Stahl ist ein Spezialstahl mit guter chemischer Beständigkeit oder hoher Festigkeit bei hohen Temperaturen. Gängige Sorten hitzebeständiger Stähle sind: 10Cr17, der für die Herstellung von Teilen verwendet werden kann, die bei Temperaturen unter 900 °C oxidationsbeständig sind, z. B. Heizkörper, Ofenteile und Öldüsen. 42Cr9Si2 und 40Cr10Si2Mo werden häufig für die Herstellung von Auspuffventilen und anderen Teilen verwendet, die der Korrosion durch Abgase bei hohen Temperaturen sowie Stößen und Verschleiß ausgesetzt sind (daher auch Ventilstahl genannt).

06Cr19Ni10 und 45Cr14Ni14W2Mo sind aufgrund ihres hohen Chrom- und Nickelgehalts weit verbreitete hitzebeständige Stähle, die häufig in Teilen von Kesseln, Turbinen, Verbrennungsmotoren und Wärmebehandlungsöfen verwendet werden.

(3) Verschleißfester Stahl

Verschleißfester Stahl ist ein Stahl mit hoher Verschleißfestigkeit. Beispielsweise hat hochmanganhaltiger Stahl, der nur unter starker Schlagbelastung härtet, im Allgemeinen einen Kohlenstoffgehalt von 1,0% bis 1,3% und einen Mangangehalt von 11% bis 14%.

Wenn hochmanganhaltiger Stahl auf 1000~1100°C erhitzt und einer Lösungsbehandlung unterzogen wird, kann eine einphasige Austenitstruktur erhalten werden. Zu diesem Zeitpunkt ist die Härte nicht hoch (etwa 180~220HBW). Bei starker Reibung oder Schlagbeanspruchung unter hohem Druck wird der Austenit auf der Oberfläche des Werkstücks schnell plastisch verformt, was zu einer Kaltverfestigung und martensitischen Umwandlung führt, wodurch die Oberflächenhärte (ca. 550 HBW oder höher) deutlich erhöht und die Verschleißfestigkeit verbessert wird.

Wenn sich die oberflächengehärtete Schicht abnutzt, wird die neu freigelegte Oberfläche die gleiche Umwandlung durchlaufen und an Verschleißfestigkeit gewinnen. Die Druckverarbeitung und die spanabhebende Bearbeitung von hochmanganhaltigem Stahl sind sehr schwierig, daher wird er im Allgemeinen direkt in Teile gegossen und nach der Lösungsbehandlung verwendet.

Hochmanganstahl wird hauptsächlich für Teile verwendet, die starker Reibung und starken Stößen ausgesetzt sind, z. B. Ketten für Panzer und Traktoren, Baggerschaufelzähne, Bulldozer-Schaufeln, Eisenbahnweichen und Brecherbacken. Seine Güten sind in GB/T 5680-2010 Austenitischer Manganstahlguss" spezifiziert, wie z. B. ZG100Mn13.

III. Gusseisen

Gusseisen ist eine Gruppe von Eisen-Kohlenstoff-Silizium-Legierungen mit hohem Kohlenstoff- und Siliziumgehalt, die auch eine beträchtliche Menge an Verunreinigungen wie Mangan, Schwefel und Phosphor enthält. In Gusseisen liegt der Kohlenstoff hauptsächlich in Form von Graphit vor. Der Vorgang, bei dem sich der Kohlenstoff in Form von Graphit abscheidet, wird als Graphitisierung bezeichnet und üblicherweise durch das Symbol G dargestellt. Unterschiedliche Grade der Graphitisierung führen zu unterschiedlichen Arten, Strukturen und Eigenschaften von Gusseisen.

Die mechanischen Eigenschaften von Gusseisen sind schlechter als die von Stahl, aber Gusseisen mit einer Zusammensetzung nahe dem Eutektikum hat einen niedrigen Schmelzpunkt und eine gute Fließfähigkeit, so dass es hervorragende Gießeigenschaften, eine gute Verschleißfestigkeit, Schwingungsdämpfung und Bearbeitbarkeit aufweist. Außerdem sind das Herstellungsverfahren und die Ausrüstung einfach und die Kosten niedrig, was Gusseisen zu einem der am häufigsten verwendeten Metallwerkstoffe macht.

1. Klassifizierung von Gusseisen

Entsprechend den verschiedenen Formen von Kohlenstoff in Gusseisen kann Gusseisen in die folgenden drei Kategorien unterteilt werden:

(1) Grauguss

Der Kohlenstoff liegt ganz oder überwiegend in Form von Graphit vor, ohne Ledeburitstruktur, und seine Bruchfläche ist dunkelgrau. Der größte Teil des in der Industrie verwendeten Gusseisens ist diese Art von Gusseisen.

(2) Weißes Gusseisen

Der Graphitierungsprozess ist bei dieser Art von Gusseisen vollständig unterdrückt. Abgesehen von einer geringen Menge an in Ferrit gelöstem Kohlenstoff liegt der gesamte Kohlenstoff in Form von Fe₃C vor. Seine Bruchfläche ist silbrig-weiß, hart und spröde und daher schwer zu bearbeiten. Daher wird es in der Industrie nur selten direkt verwendet. Derzeit wird weißes Gusseisen hauptsächlich als Rohstoff für die Stahlerzeugung und zur Herstellung von Rohlingen aus Temperguss verwendet.

(3) Gesprenkeltes Gusseisen

Der Graphitierungsprozess dieser Art von Gusseisen ist nur teilweise realisiert. Ein Teil des Kohlenstoffs liegt in Form von Graphit vor, der andere Teil in Form von Fe₃C. Seine Bruchfläche ist schwarz-weiß gesprenkelt, außerdem ist es sehr hart und spröde und daher schwer zu bearbeiten. Daher wird es in der Industrie nur selten verwendet.

Grauguss wird in der Industrie häufig verwendet. Seine Leistungsfähigkeit hängt nicht nur von seiner Zusammensetzung und Matrixstruktur ab, sondern auch von der Form und Größe des Graphits. Je nach den verschiedenen Formen des Graphits in Gusseisen kann Gusseisen in die folgenden vier Typen unterteilt werden:

1) Graues Gusseisen

Der Graphit ist schuppenförmig und hat schlechte mechanische Eigenschaften, aber das Herstellungsverfahren ist einfach, die Kosten sind niedrig und die Gussleistung ist hervorragend, so dass er in der Industrie weit verbreitet ist.

2) Verformbares Gusseisen

Sein Graphit liegt in Form von Clustern vor und hat bessere mechanische Eigenschaften als Grauguss, aber der Produktionszyklus ist lang und die Kosten sind hoch. Es wird im Allgemeinen für die Herstellung einiger wichtiger kleiner Gussteile verwendet.

3) Duktiles Gusseisen

Sein Graphit ist kugelförmig, hat die besten mechanischen Eigenschaften und seine Festigkeit kommt der von unlegiertem Stahl nahe. Das Herstellungsverfahren ist einfacher als das des Tempergusses. Duktiles Gusseisen kann einige unlegierte und legierte Stähle bei der Herstellung bestimmter wichtiger Teile ersetzen.

4) Vermiculares Gusseisen

Sein Graphit ist vermikular und seine mechanischen Eigenschaften liegen zwischen Grauguss und duktilem Gusseisen. Es handelt sich um eine neue Art von Gusseisen mit einer relativ kurzen Entwicklungsgeschichte.

2. Graues Gusseisen

(1) Struktur und Eigenschaften von Grauguss

Das Mikrogefüge von Grauguss ist durch Flockengraphit gekennzeichnet, der auf verschiedenen Matrixstrukturen verteilt ist. Je nach den verschiedenen Matrixstrukturen wird es unterteilt in:

• Ferritisches Grauguss (Flockengraphit verteilt auf einer ferritischen Matrix).
• Ferritisches + perlitisches Grauguss (Flockengraphit verteilt auf einer ferritischen und perlitischen Matrix).
• Perlitisches Grauguss (Flockengraphit verteilt auf einer perlitischen Matrix).

Die Struktur von Grauguss entspricht der von Graphitflocken, die auf einer Stahlmatrix verteilt sind. Da die Festigkeit, Plastizität und Zähigkeit von Graphit extrem gering sind, wirkt er wie Risse und Hohlräume im Gusseisen, die die Kontinuität des Grundmetalls zerstören und eine Spannungskonzentration an den Spitzen des Flockengraphits verursachen.

Daher sind die mechanischen Eigenschaften von Grauguss deutlich geringer als die von unlegiertem Stahl. Es ist ein sprödes Material, das sich nicht zum Schmieden und Stanzen eignet und schlecht schweißbar ist. Die Druckfestigkeit von Grauguss wird jedoch weniger durch Graphit beeinträchtigt, und seine Druckfestigkeit liegt nahe an der von Stahl, so dass es sich für die Herstellung von Druckteilen, nicht aber von Zugteilen eignet.

Das Vorhandensein von Graphit verleiht Grauguss eine bessere Gießbarkeit, Verschleißfestigkeit, Schwingungsdämpfung und Bearbeitbarkeit als unlegierter Stahl, bei geringerer Kerbempfindlichkeit, wodurch es in der Industrie weit verbreitet ist.

(2) Sorten und Verwendungen von Grauguss

Die Güteklasse von Grauguss setzt sich aus "HT + Zahl" zusammen. "HT" ist die Abkürzung für "Grauguss" in chinesischem Pinyin, und die Zahl steht für den Mindestwert der Zugfestigkeit (MPa) eines einzelnen gegossenen Probestabs mit einem Durchmesser von Φ30 mm. Die gängigen Sorten, mechanischen Eigenschaften und Verwendungen von Grauguss sind in Tabelle 7 aufgeführt.

Tabelle 7 Güten, mechanische Eigenschaften und Verwendungen von Grauguss (aus GB/T 9439-2010)

(3) Inokulationsbehandlung von Grauguss

Die Impfbehandlung bezieht sich auf das Verfahren, bei dem dem geschmolzenen Eisen während des Gießens eine kleine Menge eines Impfmittels (wie Ferrosilizium, Kalzium-Silizium-Legierung usw.) zugesetzt wird, um die Kristallisationsbedingungen des geschmolzenen Eisens zu verändern, so dass feiner, gleichmäßig verteilter Flockengraphit und eine feine perlitische Struktur entstehen.

Die Impfbehandlung macht die Struktur und die Leistung jedes Abschnitts des Gussstücks einheitlich und konsistent, verbessert die Festigkeit, die Plastizität und die Zähigkeit des Gusseisens und verringert auch die Empfindlichkeit des Graugusses. Gusseisen nach einer Impfbehandlung wird als geimpftes Gusseisen bezeichnet, und HT300 und HT350 in Tabelle 7 gehören zu geimpftem Gusseisen.

(4) Wärmebehandlung von Grauguss

Da die Wärmebehandlung nur die Matrixstruktur des Graugusses verändern kann, nicht aber die Form und Verteilung des Graphits, hat sie wenig Einfluss auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Grauguss.

Daher wird die Wärmebehandlung von Grauguss hauptsächlich eingesetzt, um innere Spannungen in den Gussstücken zu beseitigen, ihre Bearbeitbarkeit zu verbessern und die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit der Gussstücke zu erhöhen. Zu den gängigen Wärmebehandlungsverfahren gehören das Spannungsarmglühen (Alterungsbehandlung), das Erweichungsglühen (Graphitierungsglühen) und das Oberflächenabschrecken.

3. Sphäroguss

Sphäroguss ist eine Art von Gusseisen, bei dem vor dem Gießen des geschmolzenen Eisens ein Sphärogussmittel und ein Impfmittel zugesetzt werden, wodurch der Graphit im Gusseisen ganz oder größtenteils kugelförmig verteilt wird.

(1) Struktur und Eigenschaften von duktilem Eisen

Je nach chemischer Zusammensetzung, Abkühlungsgeschwindigkeit und Wärmebehandlungsverfahren kann duktiles Eisen unterschiedliche Mikrostrukturen aufweisen, vor allem Ferrit-, Ferrit + Perlit- und Perlit-Matrixstrukturen. Ferritisches duktiles Eisen hat eine gute Plastizität und Zähigkeit, während perlitisches duktiles Eisen eine hohe Zugfestigkeit und Härte aufweist (mehr als 50% höher als ferritisches duktiles Eisen). Die Eigenschaften von duktilem Eisen mit einer Ferrit-Perlit-Matrix liegen zwischen diesen beiden Eigenschaften.

Der Ersatz von unlegiertem Stahl durch duktiles Gusseisen für statisch beanspruchte Teile ist sicher und zuverlässig. Derzeit wird duktiles Gusseisen in der industriellen und landwirtschaftlichen Produktion immer häufiger eingesetzt.

(2) Güten und Verwendungen von duktilem Eisen

Die Güteklasse von duktilem Eisen setzt sich aus "QT + Zahlen - Zahlen" zusammen. "QT" ist die Abkürzung für "duktiles Eisen" in chinesischem Pinyin, die erste Zahlenreihe steht für den Wert der Zugfestigkeit (MPa) und die zweite Zahlenreihe für den Dehnungswert nach dem Bruch. Gängige Sorten, mechanische Eigenschaften und Verwendungen von duktilem Eisen sind in Tabelle 8 aufgeführt.

Tabelle 8 Güten, mechanische Eigenschaften und Verwendungen von duktilem Eisen (aus GB/T 1348-2009)

(3) Wärmebehandlung von duktilem Eisen

Da der Kugelgraphit eine geringe Spaltwirkung auf die Matrix hat, hängen die mechanischen Eigenschaften von duktilem Eisen hauptsächlich von der Matrixstruktur ab. Daher kann eine Verbesserung der Matrixstruktur durch Wärmebehandlung die mechanischen Eigenschaften von duktilem Gusseisen erheblich verbessern. Die Wärmebehandlungsmethoden sind im Wesentlichen die gleichen wie bei Stahl, einschließlich Glühen, Normalisieren, Vergüten und isothermes Abschrecken.

4. Verformbares Gusseisen

Verformbares Gusseisen ist Gusseisen mit flockigem Graphit, das durch Graphitierungsglühen von weißem Gusseisen gewonnen wird. Bei der Herstellung wird zunächst weißes Gusseisen gegossen und dann der Zementit durch Hochtemperatur-Graphitisierungsglühen (auch Temperglühen genannt) zersetzt, um flockigen Graphit zu erhalten.

(1) Struktur und Eigenschaften von verformbarem Gusseisen

Temperguss wird auf der Grundlage der nach dem Glühen erhaltenen Matrixstruktur in schwarzes Tempergussmaterial (auch ferritisches Tempergussmaterial genannt), perlitisches Tempergussmaterial und weißes Tempergussmaterial unterteilt.

Der Graphit in Temperguß ist flockig. Im Vergleich zu Grauguss hat Temperguss eine bessere Festigkeit und Plastizität, insbesondere eine bessere Kerbschlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen. Im Vergleich zu duktilem Gusseisen hat es die Vorteile niedrigerer Kosten, stabiler Qualität, einfacher Behandlung des geschmolzenen Eisens und der Eignung für eine organisierte Produktion.

Die Verschleißfestigkeit und die Schwingungsdämpfung von Temperguss sind besser als die von gewöhnlichem unlegiertem Stahl, und seine Bearbeitbarkeit ist ähnlich gut wie die von Grauguss. Es eignet sich für die Herstellung komplex geformter, dünnwandiger kleiner und mittelgroßer Teile sowie für Teile, die aufgrund von Vibrationen während des Betriebs eine hohe Zähigkeit erfordern. Temperguss wird wegen seiner hohen Festigkeit, Plastizität und Kerbschlagzähigkeit genannt, kann aber nicht geschmiedet werden.

(2) Güten und Anwendungen von Temperguß

Die gebräuchlichen Temperguss-Sorten setzen sich aus "KTH+Zahl-Zahl", "KTZ+Zahl-Zahl" oder "KTB+Zahl-Zahl" zusammen. "KT" ist die Abkürzung des chinesischen Pinyin für "Temperguss". "KTH" steht für Temperguss mit schwarzem Kern, KTZ" für perlitisches Temperguss und KTB" für Temperguss mit weißem Kern. Die erste Zahlenreihe nach dem Symbol gibt den Wert der Zugfestigkeit (MPa) an, die zweite Zahlenreihe den Dehnungswert nach dem Bruch. Die Güten, mechanischen Eigenschaften und Anwendungen von üblicherweise verwendetem Temperguss sind in Tabelle 9 aufgeführt.

Tabelle 9: Güten, mechanische Eigenschaften und Anwendungen von Temperguss (Auszug aus GB/T 9440-2010)

5. Verdichtetes Graphiteisen

Gusseisen mit verdichtetem Graphit ist Gusseisen mit wurmförmigem Graphit, das durch Zugabe einer angemessenen Menge von Vermicularisierungsmittel und Impfmittel zu geschmolzenem Eisen einer bestimmten Zusammensetzung hergestellt wird. Die Herstellungsmethode und das Verfahren sind im Wesentlichen die gleichen wie bei duktilem Eisen.

(1) Güteklassen, Eigenschaften und Anwendungen von verdichtetem Graphiteisen

Da der größte Teil des Graphits in Gusseisen mit Kugelgraphit wurmförmig ist, liegen seine Struktur und seine Eigenschaften zwischen denen von Sphäroguss und Grauguss mit derselben Matrixstruktur. Seine Festigkeit, Zähigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Verschleißfestigkeit und thermische Ermüdungsfestigkeit sind höher als die von Grauguss, und seine Querschnittsempfindlichkeit ist ebenfalls gering. Seine Plastizität und Zähigkeit sind jedoch geringer als die von duktilem Gusseisen. Die Gießbarkeit, die Schwingungsdämpfung, die Wärmeleitfähigkeit und die Bearbeitbarkeit von Gusseisen mit Kugelgraphit sind besser als die von Gusseisen mit Kugelgraphit, und seine Zugfestigkeit kommt der von Gusseisen mit Kugelgraphit nahe.

Die Sorten von Gusseisen mit Kugelgraphit setzen sich aus "RuT+Zahl" zusammen, wobei "RuT" die Abkürzung des chinesischen Pinyin für "Gusseisen mit Kugelgraphit" ist und die Zahl den Wert der Zugfestigkeit (MPa) angibt. Die Sorten, mechanischen Eigenschaften und Anwendungen von Gusseisen mit Lamellengraphit sind in Tabelle 10 aufgeführt.

Tabelle 10 Güten, mechanische Eigenschaften und Anwendungen von Gusseisen mit Vermiculargraphit (Auszug aus GB/T 26655-2011)

(2) Wärmebehandlung von Gusseisen mit Vermiculargraphit

Die Wärmebehandlung von Gusseisen mit Vermiculargraphit dient in erster Linie dazu, die Matrixstruktur so anzupassen, dass verschiedene Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften erfüllt werden. Zu den üblichen Wärmebehandlungsverfahren gehören Normalisieren und Glühen. Der Zweck des Normalisierens besteht darin, die Perlitmenge zu erhöhen und dadurch die Festigkeit und Verschleißfestigkeit zu verbessern; das Glühen dient dazu, eine Matrix mit mehr als 85% Ferrit zu erhalten oder freien Zementit in dünnwandigen Bereichen zu beseitigen.

6. Legiertes Gusseisen

Legiertes Gusseisen ist Gusseisen, dem beim Schmelzen absichtlich einige Legierungselemente zugesetzt werden, um seine physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften zu verbessern oder um bestimmte besondere Eigenschaften zu erzielen, wie z. B. verschleißfestes Gusseisen, hitzebeständiges Gusseisen und korrosionsbeständiges Gusseisen.

(1) Verschleißfestes Gusseisen

Verschleißfestes Gusseisen kann grob in reibungsarmes Gusseisen und verschleißfestes Gusseisen unterteilt werden, je nach Arbeitsbedingungen.

Reibungsarmes Gusseisen erfordert geringen Verschleiß, einen niedrigen Reibungskoeffizienten, eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine gute Verarbeitungstechnologie während des Betriebs. Zu den gebräuchlichen Antifriktionsgusseisen gehören: Grauguss mit perlitischer Matrix (mit guten Antifriktionseigenschaften) und Gusseisen mit hohem Phosphorgehalt (mit hoher Verschleißfestigkeit, das häufig für Dreh-, Fräs- und Bohrmaschinenbetten und Arbeitstische verwendet wird).

Verschleißfestes Gusseisen wird für Gussteile verwendet, die unter trockenen Reibungsbedingungen ohne Schmierung arbeiten und eine Struktur mit gleichmäßig hoher Härte erfordern. Zu den gebräuchlichen verschleißfesten Gusseisen gehören: Hartguss (der eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist und bestimmten Stößen standhält), verschleißfestes weißes Gusseisen (das häufig zur Herstellung von verschleißfesten Teilen wie Walzen und Rädern verwendet wird) und mittelmanganhaltiges Sphäroguss (das häufig zur Herstellung von Teilen verwendet wird, die unter Stoßbelastungen und Verschleißbedingungen arbeiten, wie Pflugscharen, Mahlkugeln für Kugelmühlen und Traktorenkettenplatten).

(2) Hitzebeständiges Gusseisen

Die Hitzebeständigkeit von Gusseisen bezieht sich hauptsächlich auf seine Fähigkeit, der Oxidation und dem thermischen Wachstum bei hohen Temperaturen zu widerstehen. Das so genannte "thermische Wachstum" bezieht sich auf die irreversible Ausdehnung des Volumens von Gusseisen bei hohen Temperaturen, das sich in schweren Fällen um etwa 10% ausdehnen kann.

Die Hauptgründe dafür sind, dass oxidierende Gase in das Gusseisen eindringen und Oxide mit geringer Dichte und großem Volumen bilden, dass sich Karbide bei hohen Temperaturen zersetzen und Graphit mit geringer Dichte und großem Volumen bilden und dass während des Erhitzens und Abkühlens Phasenänderungen in der Gusseisenmatrix auftreten. Das Endergebnis des thermischen Wachstums kann zu Verformungen, Verwerfungen, Rissen oder sogar zum Bruch von Teilen führen.

Die Güten, Zusammensetzungen, Betriebstemperaturen und Anwendungen von üblicherweise verwendetem hitzebeständigem Gusseisen sind in der nationalen Norm (GB/T 9437-2009) zu finden.

(3) Korrosionsbeständiges Gusseisen

Korrosionsbeständiges Gusseisen hat nicht nur bestimmte mechanische Eigenschaften, sondern erfordert auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit beim Einsatz in korrosiven Medien.

Korrosionsbeständiges Gusseisen wird in Branchen wie der Petrochemie und dem Schiffbau häufig zur Herstellung von Teilen wie Rohren, Ventilen, Pumpen und Behältern verwendet, die häufig in Medien wie Atmosphäre, Meerwasser, Säuren, Laugen und Salzen arbeiten. Jede Art von korrosionsbeständigem Gusseisen hat jedoch einen bestimmten Anwendungsbereich, und es ist notwendig, eine angemessene Auswahl auf der Grundlage des korrosiven Mediums und der Arbeitsbedingungen zu treffen. Die Zusammensetzungen und Anwendungsbereiche der üblicherweise verwendeten korrosionsbeständigen Gusseisen sind in den einschlägigen Handbüchern für Metallwerkstoffe zu finden.

IV. Nichteisenmetalle und ihre Legierungen

Nichteisenmetalle sind alle anderen Metalle außer Stahl und Gusseisen, die auch als Nichteisenmetalle bezeichnet werden. Es gibt viele Arten von Nichteisenmetallen, darunter vor allem Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Titan (Ti), Magnesium (Mg), Wolfram (W), Molybdän (Mo) und ihre Legierungen. Das Schmelzen von Nichteisenmetallen ist relativ schwierig und kostspielig, und ihre Produktion und Verwendung sind weitaus geringer als die von Stahlwerkstoffen.

Nichteisenmetalle haben jedoch bestimmte besondere physikalische und chemische Eigenschaften, die Stahlwerkstoffe nicht besitzen. Daher sind Nichteisenmetalle in der modernen Industrie zu unverzichtbaren Werkstoffen geworden. Im Folgenden werden Aluminium- und Kupferlegierungen, die in der industriellen Produktion weit verbreitet sind, kurz vorgestellt.

1. Aluminium und seine Legierungen

(1) Industrielles Reinaluminium (bezeichnet als reines Aluminium)

Reines Aluminium ist derzeit das in der Industrie am häufigsten verwendete Nichteisenmetall. Der Reinheitsgrad von industriellem Reinaluminium liegt zwischen 98,8% und 99,7%. Reines Aluminium hat eine niedrige Dichte von nur 2,72 g/cm³; es hat eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, die nur von Silber, Kupfer und Gold übertroffen wird und an vierter Stelle steht.

Aluminium hat eine gute Korrosionsbeständigkeit in der Atmosphäre, ist aber nicht korrosionsbeständig gegenüber Säuren, Laugen und Salzen. Reines Aluminium hat eine geringe Festigkeit, hohe Plastizität und keinen Ferromagnetismus. Es kann durch Kalt- und Warmverformung zu verschiedenen Profilen (z. B. Drähte, Stangen und Rohre) verarbeitet werden, kann aber nicht als tragende Strukturteile verwendet werden.

(2) Aluminium-Legierungen

Aluminiumlegierungen werden durch Zugabe geeigneter Mengen von Legierungselementen wie Cu, Si, Mg, Zn und Mn zu Aluminium und durch Verfahren wie die Mischkristallverfestigung hergestellt. Aluminiumlegierungen weisen eine hohe Festigkeit auf und behalten gleichzeitig die geringe Dichte, die gute elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von reinem Aluminium bei. Einige Aluminiumlegierungen können auch durch Kaltverformung oder Wärmebehandlung weiter verfestigt werden, so dass sie sich für die Herstellung mechanischer Teile eignen, die bestimmten Belastungen standhalten müssen.

1) Klassifizierung von Aluminiumlegierungen

Je nach Zusammensetzung und Verarbeitungseigenschaften lassen sich die üblicherweise verwendeten Aluminiumlegierungen in Aluminium-Knetlegierungen und Aluminium-Gusslegierungen unterteilen. Aluminiumknetlegierungen haben eine gute Plastizität und sind für die Druckverarbeitung geeignet, während Aluminiumguss Legierungen haben eine eutektische Struktur, einen niedrigen Schmelzpunkt, eine gute Fließfähigkeit und eignen sich zum Gießen.

2) Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen

Die Grundsätze der Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen unterscheiden sich von denen für Stahl, da Aluminiumlegierungen keine allotropen Umwandlungen aufweisen und nicht wie Stahl durch martensitische Umwandlung verfestigt werden können. Aluminiumlegierungen können nach dem Erhitzen ein einphasiges Mischkristallgefüge annehmen, und die Löslichkeit im festen Zustand ändert sich. Daher können Aluminiumlegierungen durch Abschrecken und Alterung verfestigt werden (sogenannte Lösungsglühung).

Die Festigkeit von Aluminiumlegierungen ist nach dem Abschrecken nicht sehr hoch und muss für eine gewisse Zeit bei Raumtemperatur gelagert werden, bevor die Festigkeit und Härte deutlich zunehmen. Dieses Phänomen wird als Aushärtung bezeichnet. Die Alterung bei Raumtemperatur wird als natürliche Alterung bezeichnet, während die Alterung unter Wärmebedingungen (100~200℃) als künstliche Alterung bezeichnet wird. Abschrecken und Alterung Behandlung ist nicht nur der wichtigste Weg, um Aluminium-Legierungen zu stärken, sondern auch ein wichtiges Mittel, um andere Nichteisenmetalle zu stärken.

2. Kupfer und seine Legierungen

(1) Industriell reines Kupfer

Industriell reines Kupfer, auch als reines Kupfer bezeichnet, hat einen Schmelzpunkt von 1083℃. Es hat eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit (die zweithöchste nach Silber), eine gute Korrosionsbeständigkeit in der Atmosphäre und in Süßwasser und ist nicht magnetisch.

Reines Kupfer hat eine geringe Festigkeit und Härte, eine gute Plastizität, Zähigkeit und Schweißbarkeit. Es kann durch Kalt- und Warmverformung zu verschiedenen Profilen verarbeitet werden, die für die Elektroindustrie (z. B. Drähte, Kabel und Kupferrohre), Kommunikationsgeräte sowie antimagnetische und nichtmagnetische Instrumente geeignet sind.

(2) Kupferlegierungen

Kupferlegierungen werden durch Zugabe geeigneter Mengen von Elementen wie Silizium, Zink und Aluminium zu Kupfer und durch eine Legierungsbehandlung hergestellt. Diese Legierungen weisen eine Festigkeit und Zähigkeit auf, die den Nutzungsanforderungen entsprechen. Je nach ihrer chemischen Zusammensetzung werden Kupferlegierungen in Messing, Kupfernickel und Bronze unterteilt. Je nach Herstellungsverfahren werden Kupferlegierungen in Kupferknetlegierungen und Kupfergusslegierungen unterteilt. Die in der Industrie am häufigsten verwendeten Legierungen sind Messing und Bronze.

1) Messing

Messing ist eine Kupferlegierung mit Zink (Zn) als Hauptlegierungselement, die ihren Namen von ihrer goldenen Farbe hat. Messing wird aufgrund seiner Zusammensetzung in gewöhnliches Messing und Sondermessing unterteilt. Gewöhnliches Messing ist eine binäre Legierung, die aus Kupfer und Zink besteht.

• Wenn w_Zn <32%, mit steigendem Massenanteil von Zink steigen die Festigkeit und die Härte von Messing, und es hat eine gute Plastizität, die üblicherweise für die Kaltverformung verwendet wird;
• Wenn w_Zn zwischen 30% und 32% liegt, ist seine Plastizität am höchsten;
• Wenn w_Zn liegt zwischen 32% und 45%, während die Festigkeit weiter zunimmt, nimmt die Plastizität etwas ab, diese Art von Messing ist für die Warmverformung geeignet;
• Wenn w_Zn >45% nehmen die Festigkeit und die Plastizität von Messing stark ab, und es hat keinen praktischen Wert in der Produktion.

Gewöhnliches Messing wird je nach Herstellungsverfahren in bearbeitetes Messing und gegossenes Messing unterteilt.

Sondermessing ist eine Kupferlegierung, die durch Hinzufügen von Elementen wie Blei (Pb), Aluminium (Al), Zinn (Sn) und Silizium (Si) zu gewöhnlichem Messing gebildet wird und dementsprechend als Bleimessing, Aluminiummessing, Zinnmessing, Siliziummessing, usw. bezeichnet wird.

• Der Zusatz von Blei kann die Bearbeitbarkeit und die Verschleißfestigkeit verbessern;
• Der Zusatz von Aluminium kann die Festigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit verbessern und die Neigung von Messing zur Rissbildung verringern;
• Der Zusatz von Silizium kann die Gussleistung verbessern und zu einer höheren Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit beitragen;
• Zinn kann die Korrosionsbeständigkeit verbessern und die Neigung zur Spannungsrisskorrosion verringern;
• Wenn das Sondermessing weniger Legierungselemente enthält und eine höhere Plastizität aufweist, wird es als bearbeitetes Sondermessing bezeichnet;
• Wenn es mehr Legierungselemente enthält und eine bessere Festigkeit und Gießbarkeit aufweist, wird es als gegossenes Sondermessing bezeichnet.

2) Bronze

Bronze ist eine andere Kupferlegierung als Messing und Kupfernickel (Kupfer-Nickel-Legierung). Je nach Herstellungsverfahren kann sie in verarbeitete Bronze und Gussbronze unterteilt werden; je nach Zusammensetzung kann sie in gewöhnliche Bronze und Spezialbronze unterteilt werden.