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Stahl

Stahlberuhigung erklärt: Was Sie wissen müssen

Von Lukas Becker | 14. Dezember 2024
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Beruhigter Stahl zeichnet sich durch seine hohe Reinheit und gleichmäßige Struktur aus. Dieser Artikel erläutert die Herstellung, Vorteile, Nachteile und Anwendungsgebiete dieses hochwertigen Stahls.

beruhigter Stahl
Der flüssige Stahl lagert im Kern oft Verunreinigungen ab; durch Beruhigung des Stahls wird das verhindert

Was ist beruhigt vergossener Stahl?

Beruhigt vergossener Stahl entsteht durch die Zugabe von Desoxidationsmitteln wie Silizium, Aluminium, Mangan und Titan, die Sauerstoff in der Schmelze binden und so die Bildung von Gasblasen während des Erstarrungsprozesses verhindern. Das Ergebnis ist eine gleichmäßige Struktur ohne Hohlräume oder Seigerungen.

Ein Hauptvorteil des beruhigten Stahls ist seine Eignung für das Stranggussverfahren, da er eine gleichmäßig dichte Struktur im gesamten Querschnitt aufweist. Dadurch ist er besonders für Anwendungen mit hohen Qualitätsansprüchen geeignet. Der niedrige Sauerstoffgehalt führt zudem zu einer höheren Reinheit des Stahls, was sich positiv auf seine mechanischen Eigenschaften auswirkt.

Der Prozess des Stahlberuhigens

Beim Stahlberuhigen, auch als Desoxidation bezeichnet, wird die Bildung von Gasblasen durch die Zugabe von Desoxidationsmitteln verhindert. Diese Mittel, darunter Silizium, Aluminium, Mangan und Titan, binden den Sauerstoff in der Schmelze. Es gibt verschiedene Beruhigungsverfahren:

  1. Einfache Beruhigung: Hier wird entweder Silizium oder Aluminium verwendet, um den Sauerstoff zu binden.
  2. Doppelte Beruhigung: Eine Kombination aus Silizium und Aluminium sorgt für eine noch effektivere Sauerstoffbindung.
  3. Halbberuhigter Stahl: Eine teilweise Entfernung von Sauerstoff lässt geringe Mengen an Randblasen entstehen, was die Lunkerbildung reduziert.

Ein weiteres Verfahren ist die Vakuumbehandlung, bei der der Stahl in einem nahezu vollständigen Vakuum behandelt wird, was besonders effektiv, aber auch kostspielig ist. Am Ende des Prozesses entsteht ein Stahl mit einer gleichmäßigen und dichten Struktur, wobei Maßnahmen wie Kopfbeheizung oder Zugabe von exothermen Reaktionsmassen notwendig sein können, um das Schrumpfungsvolumen auszugleichen.

Vorteile von beruhigtem Stahl

Beruhigter Stahl bietet zahlreiche Vorteile. Er ist durch seinen geringen Sauerstoffgehalt hochrein und zeigt eine sehr gleichmäßige und dichte Struktur ohne Gasblasen oder Seigerungen, was seine mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit verbessert. Diese Eigenschaften machen ihn besonders geeignet für Stranggussverfahren und Anwendungen, die hohe Präzision und gleichbleibende Qualität erfordern.

Darüber hinaus verbessert beruhigter Stahl die Schweißbarkeit und zeigt eine einheitliche Materialleistung, was für Schweißkonstruktionen und verschiedene Bauprojekte vorteilhaft ist. Die Verringerung von Oxideinschlüssen führt zu einer höheren Materialgüte.

Nachteile von beruhigtem Stahl

Trotz seiner hohen Reinheit und gleichmäßigen Struktur hat beruhigter Stahl auch einige Nachteile. Die Herstellung ist kostenintensiver, da zusätzliche Materialien und Prozesse wie die Zugabe von Desoxidationsmitteln oder eine Vakuumbehandlung notwendig sind.

Ein weiteres Problem ist das Auftreten von tiefen Lunkern durch das Schrumpfungsvolumen beim Erstarren. Um diese zu verringern, sind oft zusätzliche Maßnahmen erforderlich, die die Kosten weiter erhöhen. Zudem ist die Ausbeute an nutzbarem Stahl geringer und liegt typischerweise bei etwa 80-85%, was die Materialeffizienz verringert.

Beruhigter Stahl kann auch eine gewisse Sprödigkeit aufweisen, insbesondere wenn bestimmte Grenzwerte überschritten werden. Diese Sprödigkeit kann das Material anfälliger für Brüche und Risse machen. Der höhere Energieaufwand bei der Herstellung führt außerdem zu höheren Treibhausgasemissionen, was aus Umweltsicht nachteilig ist.

Unterschied zwischen beruhigtem und unberuhigtem Stahl

Beruhigter Stahl unterscheidet sich maßgeblich von unberuhigtem Stahl durch die Sauerstoffbindung und das Verhalten während der Erstarrung. Bei unberuhigtem Stahl verbleibt reaktionsfähiger Sauerstoff in der Schmelze, der beim Abkühlen Gasblasen bildet und zu inneren Defekten wie Lunkern und Seigerungen führt. Beruhigter Stahl wird hingegen mittels Desoxidationsmitteln wie Silizium und Aluminium von Sauerstoff befreit, wodurch eine ruhige und gleichmäßige Erstarrung ohne Gasblasen gewährleistet wird.

Anwendungsgebiete von beruhigtem Stahl

Beruhigter Stahl findet aufgrund seiner gleichmäßigen Struktur und hohen Reinheit in vielen Industrien Anwendung. Besonders geschätzt wird er für seine Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Belastungen:

  1. Bauwesen und Infrastruktur: Verwendung in tragenden Konstruktionen, um Sicherheit und Langlebigkeit zu gewährleisten.
  2. Maschinenbau: Optimal für Bauteile wie Zahnräder und Wellen, die hohe Kräfte aushalten müssen.
  3. Fahrzeugbau: Einsatz in sicherheitsrelevanten Komponenten, z.B. in der Karosserie- und Fahrwerkskonstruktion.
  4. Schiffbau und Offshore-Technik: Stabilität unter extremen Bedingungen, ideal für Schiffsbau und Offshore-Konstruktionen.
  5. Druckbehälter und Rohrleitungen: Geeignet für Anwendungen mit hohen Drücken und schwierigen Umgebungsbedingungen.
  6. Energie- und Umwelttechnik: Anwendung bei Windkraftanlagen und umwelttechnischen Anlagen dank hoher Verformungsbeständigkeit und Belastbarkeit.

Arten der Stahlberuhigung

Verschiedene Techniken werden angewandt, um die Bildung von Gasblasen während des Erstarrungsprozesses zu verhindern:

  1. Einfache Beruhigung: Verwendung von Silizium oder Aluminium zur Sauerstoffbindung.
  2. Doppelte Beruhigung: Kombination aus Silizium und Aluminium für eine effektivere Sauerstoffbindung.
  3. Halbberuhigter Stahl: Geringe Mengen an Sauerstoff verbleiben, was zu kleineren Randblasen führt.
  4. Vakuumbehandlung: Behandlung in nahezu vollständigem Vakuum für sehr hohe Materialreinheit.
  5. Argon-Spülen: Einblasen von Argongas, um gelöstes Eisenoxid in die Schlacke zu transportieren.

Desoxidationsmittel im Detail

Desoxidationsmittel spielen eine entscheidende Rolle, da sie den Sauerstoff in der Schmelze binden und die Bildung von Gasblasen verhindern:

  1. Silizium (Si): Reagiert mit Sauerstoff zu Siliziumdioxid, welches in der Schlacke gebunden wird.
  2. Mangan (Mn): Bildet Manganoxid und erhöht gleichzeitig die Stahlhärte.
  3. Aluminium (Al): Hat eine hohe Affinität zu Sauerstoff und reduziert die Alterung des Stahls.
  4. Titan (Ti): Bildet Titandioxid und bindet zusätzlich Stickstoff, wodurch die Materialeigenschaften verbessert werden.
  5. Bor (B), Vanadium (V) und Zirkonium (Zr): Diese Elemente binden ebenfalls Sauerstoff und Stickstoff, erhöhen die Härtbarkeit und Festigkeit.

Durch die gezielte Auswahl und Dosierung dieser Mittel können Sie die Reinheit und mechanischen Eigenschaften des Stahls erheblich verbessern.

Einfluss der Beruhigung auf das Stahlgefüge

Die Beruhigung reduziert die Bildung von Gasblasen und führt zu einer gleichmäßig dichten Struktur. Desoxidationsmittel wie Silizium und Aluminium binden den Sauerstoff in der Schmelze, wodurch feste Oxide entstehen, die sich fein im Stahlgefüge verteilen. Dies führt zu einer homogenen Verteilung der Legierungselemente und reduziert Seigerungen erheblich.

Beruhigter Stahl zeichnet sich durch eine feine Kornstruktur aus, die zu höherer Festigkeit und Zähigkeit führt. Die verringerte Neigung zu Alterung und kaltspröden Brüchen macht ihn besonders geeignet für Anwendungen mit hohen Qualitätsansprüchen. Nutzen Sie beruhigten Stahl, um den spezifischen Anforderungen Ihrer Projekte an Materialqualität und Zuverlässigkeit gerecht zu werden.

Artikelbild: woraput/iStockphoto