Die Rolle der Legierungselemente in Gussteilen und die Reihenfolge ihrer Zugabe

Im Gießprozess müssen zur Einstellung der chemischen Elemente auf den geforderten Bereich Legierungselemente zugegeben werden. Die jeweilige Menge jedes zugegebenen Elements, der Zeitpunkt der Zugabe sowie deren Reihenfolge beeinflussen die Qualität des Gussteils. Im Folgenden analysieren wir einige häufig verwendete Elemente:

Ich. Die Rolle der einzelnen Elemente und das Prinzip ihrer Zugabe

(1) Kohlenstoff (C)

Funktion:

Matrixverfestigung: C ist das zentrale Element für die Lösungsverfestigung im Stahl und bildet mit Eisen Zementit (Fe₃C), wodurch Härte und Festigkeit erhöht werden.

Erstarrungssteuerung: Ein hoher C-Gehalt verringert die Fließfähigkeit der flüssigen Stahlschmelze und erhöht die Neigung zur Schwindung.

Additionsprinzip: Der Gehalt muss entsprechend der geforderten Leistung angepasst werden (im Allgemeinen bei niedriglegiertem Stahl auf 0,15 % bis 0,3 % begrenzt).

Überhöhtes Risiko: Bei C > 0,5 % nimmt die Zähigkeit deutlich ab und die Schweißbarkeit verschlechtert sich.

(2) Silizium (Si)

Funktion:

Entoxidierungsmittel: Reagiert bevorzugt mit Sauerstoff unter Bildung von SiO₂, um die flüssige Stahlschmelze zu reinigen.

Festigkeitssteigerung durch Mischkristallbildung: Lösen in Ferrit zur Erhöhung der Festigkeit (die Zugfestigkeit steigt pro 0,1 % Si-Zunahme um ca. 4 MPa).

Additionsprinzip: Zugabe in der Spätphase der Stahlherstellung (Reduktionsphase), um Oxidationsverluste zu vermeiden (z. B. Ferrosilicium-Legierung).

Risiko eines zu hohen Gehalts: Der Gehalt wird auf 0,2 % bis 0,5 % begrenzt; ein zu hoher Gehalt verringert die Zähigkeit.

(3) Mangan (Mn)

Funktion:

Entoxidierung und Entschwefelung: Bildet mit Sauerstoff MnO (Entoxidierung) und mit Schwefel MnS (Entschwefelung).

Verbesserung der Härtbarkeit: Verzögert die Perlitumwandlung und verbessert die Martensithärtbarkeit.

Additionsprinzip: Zugabe in Chargen während der Oxidationsphase (Entoxidation + Entschwefelung) und Zugabe während der Reduktionsphase (falls verbrannt).

Risiko eines zu hohen Gehalts: Der Gehalt wird auf 0,8 % bis 1,5 % begrenzt; ein zu hoher Gehalt führt leicht zur Temperatur- oder Anlasssprödigkeit.

(4) Phosphor (P)

Funktion:

Schädliche Elemente: Lösen sich fest in Ferrit, verringern die Plastizität und Zähigkeit (Kaltbruchneigung).

Festlösungsverfestigung: Spuren von P können die Festigkeit erhöhen, doch die Menge muss streng kontrolliert werden. Eine Zugabe bei der Herstellung im Mittelfrequenzofen wird nicht empfohlen.

Kontrollprinzip: Verwenden Sie möglichst rohstoffarme phosphorhaltige Ausgangsmaterialien (z. B. Schrottstahl) und vermeiden Sie eine zusätzliche Zugabe während des Schmelzprozesses.

Risiko einer zu hohen Konzentration: Der Gehalt muss unter 0,035 % liegen (für hochwertigen Stahl unter 0,025 %).

(5) Schwefel (S)

Funktion:

Schädliche Elemente: Bildet mit Eisen FeS, was zur Warmbrüchigkeit führt (Rissbildung bei Hochtemperatur-Verarbeitung).

Einschlusskontrolle: muss mit Mn kombiniert werden, um MnS zu bilden (Schädigung reduzieren).

Kontrollprinzip: Entschwefelung durch Zugabe von Mn (empfohlenes Mn:S-Verhältnis 2:1 bis 3:1).

Risiko einer Überdosierung: Der Gehalt muss unter 0,035 % liegen (Sonderstahl < 0,02 %).

(6) Chrom (Cr)

Funktion:

Verbesserung der Härtbarkeit: Verzögerung der Austenit-Zersetzung und Erhöhung der Martensithärte.

Korrosionsbeständigkeit: Bildung eines dichten Cr₂O₃-Oxidfilms (z. B. bei Edelstahl).

Kornverfeinerung: Hemmung des Austenit-Kornwachstums.

Zugabeprinzip: Zugabe während der Schmelzphase (hoher Schmelzpunkt, hohe Temperatur zur Auflösung erforderlich). Der Gehalt liegt üblicherweise zwischen 0,5 % und 2,0 % (angepasst entsprechend den Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit oder Verschleiß beständigkeit).

(7) Molybdän (Mo)

Funktion:

Kornverfeinerung: Hemmung der Austenitkornvergröberung und Verbesserung der Zähigkeit.

Hohe Temperaturstabilität: Verbesserung der Rotfestigkeit und Kriechfestigkeit.

Festlösungsverfestigung: Erhöhung der Matrixfestigkeit.

Zusatzprinzip: Zugabe während der Schmelzphase (ähnlich wie Cr), um eine Hochtemperaturverdampfung zu vermeiden. Der Gehalt liegt üblicherweise bei 0,1 % bis 0,3 % (bei hochmolybdänhaltigen Stählen höher).

iI. Wechselwirkung zwischen Elementen

(1) Synergistische Wirkung von C und Si/Mn

Entoxidierungsgleichgewicht: Si entoxidiert zuerst, Mn unterstützt die Entschwefelung; ein Überschuss an Si hemmt jedoch die Entschwefelungswirkung von Mn.

Phasenumwandlungseffekt: Bei hohem C-Gehalt kann Mn die Perlitumwandlung verzögern, was zu einer Erhöhung des Restaustenits führt.

(2) Komplementäre Wirkung von Cr und Mo

Härtebarkeitsüberlagerung: Cr und Mo verbessern gemeinsam die Härtebarkeit und eignen sich daher für hochfeste Stähle (z. B. HSLA).

Korrosionsbeständigkeitssynergie: Cr bildet einen Passivfilm, und Mo verbessert die Lochfraßbeständigkeit (z. B. die Cr-Mo-Kombination in Edelstahl).

(3) Synergistische Schädigung durch P und S

Kaltbrüchigkeit: P verschärft die Kaltbrüchigkeit, und S verursacht Warmbrüchigkeit. Das Risiko muss durch Mn und Prozesskontrolle reduziert werden.

iII. Anpassungsfähigkeit des Schmelzprozesses im Mittelfrequenzofen

(1) Optimierung der Zugabereihenfolge

Schmelzphase: Hochschmelzende Elemente wie Cr und Mo zugeben, um eine vollständige Auflösung sicherzustellen.

Oxidationsphase: Mn portionsweise zugeben (Entoxidation + Entschwefelung). Bei Produkten mit hohen Anforderungen kann die Sauerstoffblas-Technologie eingesetzt werden; die Sauerstoffblasmenge muss jedoch kontrolliert werden, um eine übermäßige Oxidation zu vermeiden.

Reduktionsphase: Si (endgültige Entoxidation) zugeben und Mn nachdosieren (falls verbrannt).