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Leitfaden für martensitaushärtenden Stahl
- John
Maraging-Stahl ist der heimliche Held hinter Raketen, medizinischen Geräten und ultrastarken Industrieteilen. Im Gegensatz zu normalem Stahl erhält er seine übermenschliche Stärke durch eine spezielle Wärmebehandlung, nicht durch Kohlenstoff.
Wir von der SteelPro Group unterstützen Ingenieure seit über 20 Jahren bei der Nutzung dieses Materials zur Lösung anspruchsvoller Herausforderungen. In diesem Artikel erfahren Sie, was Maraging-Stahl so einzigartig macht, wo seine Stärken liegen und wie Sie ihn effektiv verarbeiten können.
Was ist maragender Stahl?
Maraging-Stahl ist eine extrem feste Legierung mit nahezu null Kohlenstoffgehalt (<0,03%). Er besteht aus einer Eisen-Nickel-Basis, kombiniert mit Kobalt, Molybdän und Titan. Im Gegensatz zu herkömmlichem Stahl, der Kohlenstoff zur Härte nutzt, erhält Maraging-Stahl seine Festigkeit durch Wärmebehandlung. Dabei bilden sich winzige Partikel wie Ni₃Mo, die die Struktur zusammenhalten. Dies wird als „Altern“ bezeichnet.
In seiner Rohform ist Maraging-Stahl mit einer Härte von RC30–35 weich genug, um leicht geschnitten oder geformt zu werden. Nach der Alterung verwandelt er sich jedoch in ein Material, das unglaublich stark und stoßfest ist. Das macht ihn ideal für:
- Leichtgewichtige und robuste Luft- und Raumfahrtteile
- Präzisionsformen, die exakte Formen erfordern
- Kritische Komponenten, bei denen ein Ausfall keine Option ist
Warum der Name?
- „Mar“ = Martensit: Die anfänglich zähe, aber bearbeitbare Struktur.
- „Altern“ = Die zeitgesteuerte Wärmebehandlung, die die Festigkeit fixiert.
Wichtige Eigenschaften von martensitaushärtendem Stahl
- Kraft-Gewichts-Champion: Übertrifft Titanlegierungen bei lasttragenden Anwendungen.
- Thermische Stabilität: Behält während der Alterung seine präzisen Abmessungen bei.
- Rissbeständigkeit: Hält Aufprallkräften besser stand als die meisten hochfesten Legierungen, selbst bei Temperaturen unter Null.
- Korrosionsschutz: Inhärente Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung und Spannungsrisskorrosion.
- Bearbeitungsfreundliche Soft Stage: Im geglühten Zustand (Voralterung) leicht formbar/schneidbar.
- Schweißbar ohne Vorwärmen: Ermöglicht Reparaturen vor Ort – eine seltene Eigenschaft bei ultrafesten Metallen.
Maraging-Stahlsorten im Überblick
| Klasse | AMS-Standard | Zugfestigkeit | Kobaltgehalt | Titangehalt | Typische Anwendungen |
| C200 | AMS 6511 | 1.380 MPa | 8-9% | 0.15-0.25% | Spritzgussformen, Strukturhalterungen |
| C250 | AMS 6512 | 1.720 MPa | 7-8.5% | 0.3-0.5% | Luft- und Raumfahrtgetriebe, Hydrauliksysteme |
| C300 | AMS 6514 | 2.070 MPa | 8.5-9.5% | 0.5-0.8% | Raketenmotorgehäuse, Extrusionswerkzeuge |
| C350 | AMS 6515* | 2.410 MPa | 11.5-12.5% | 1.3-1.6% | Nuklearzentrifugen, militärische Komponenten |
| *C350 erfordert Exportlizenzen im Rahmen von Atomwaffensperrverträgen. | |||||
Alle Güten werden streng vakuumgeschmolzen (VIM/VAR), um Verunreinigungen zu minimieren. Die SteelPro Group unterstützt ihre Kunden bei der Auswahl der optimalen Güte basierend auf Kosten, Fertigungsanforderungen und Endkundenanforderungen.
Chemische Zusammensetzung von maragendem Stahl
| Klassen | C200 | C250 | C300 | C350 |
| Nickel (Ni) | 17,0–19,0 | 17,0–19,0 | 18,0–19,0 | 18,0–19,0 |
| Kobalt (Co) | 8,0–9,0 | 7,0–8,5 | 8,5–9,5 | 11,5–12,5 |
| Molybdän (Mo) | 3,0–3,5 | 4,6–5,2 | 4,6–5,2 | 4,6–5,2 |
| Titan (Ti) | 0,15–0,25 | 0,3–0,5 | 0,5–0,8 | 1,3–1,6 |
| Aluminium (Al) | 0,05–0,15 | 0,05–0,15 | 0,05–0,15 | 0,05–0,15 |
| Kohlenstoff (C) | ≤0.03 | ≤0.03 | ≤0.03 | ≤0.03 |
| Silizium (Si) | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.10 |
| Mangan (Mn) | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.10 |
| Eisen (Fe) | Bilanz | Bilanz | Bilanz | Bilanz |
Mechanische Eigenschaften von martensitaushärtendem Stahl
| Eigentum | C200 | C250 | C300 | C350 |
| Zugfestigkeit | 1.379 MPa (200 ksi) | 1.724 MPa (250 ksi) | 2.068 MPa (300 ksi) | 2.413 MPa (350 ksi) |
| Streckgrenze (0,2%) | 1.724 MPa (250 ksi) | 1.930 MPa (280 ksi) | 2.275 MPa (330 ksi) | 2.620 MPa (380 ksi) |
| Dehnung (%) | 11–15% | 10–12% | 8–10% | 6–8% |
| Flächenreduzierung (%) | 50–60% | 45–55% | 40–50% | 25–35% |
| Härte (gealtert, HRC) | 30–35 HRC | 50 HRC | 54 HRC | 58 HRC |
| Bruchzähigkeit (KIC) | 175 MPa·m¹⁄² (160 ksi√in) | – | – | – |
Physikalische Eigenschaften von Maraging-Stahl
| Eigentum | Metrische Einheiten | Imperiale Einheiten |
| Dichte | 8,1 g/cm³ | 0,292 lb/in³ |
| Schmelzpunkt | 1.413 °C | 2.575°F |
| Wärmeleitfähigkeit | 25,5 W/m·K | 17,7 BTU·Zoll/h·ft²·°F |
| Wärmeausdehnungskoeffizient | 11,3×10⁻⁶ K⁻¹ (20–100 °C) | 6,3×10⁻⁶ Zoll/Zoll·°F (68–212 °F) |
| Spezifische Wärmekapazität | 452 J/kg·K | 0,108 BTU/lb·°F |
| Elastizitätsmodul | 210 GPa | 30×10⁶ psi |
| Schermodul | 77 GPa | 11,2×10⁶ psi |
Martensitaushärtender Stahl Anwendungen
1. Luft- und Raumfahrt
- Strukturkomponenten: Raketenmotorgehäuse, leichte Flugzeugzellenteile, Fahrwerk.
- Motorsysteme: Hochbelastete Turbinenwellen, Zahnräder und Befestigungselemente.
- Satellitenhardware: Präzisionsteile, die ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht erfordern.
2. Werkzeuge und Matrizen
- Spritzgussformen: Verbesserte Verschleißfestigkeit für die Großserienproduktion.
- Extrusionsmatrizen: Überlegene thermische Ermüdungsbeständigkeit für die Metallumformung.
- Schmiedewerkzeuge: Behält die Härte unter extremen zyklischen Belastungen.
3. Verteidigung und Militär
- Waffensysteme: Schlagbolzen, Komponenten gepanzerter Fahrzeuge.
- Ballistische Anwendungen: Leichte Panzerplatten mit hoher Schlagfestigkeit.
4. Energie & Industrie
- Kernreaktoren: Zentrifugenrotoren zur Urananreicherung.
- Öl und Gas: Bohrlochwerkzeuge (Bohrdorne, Ventile) beständig gegen H₂S-Korrosion.
5. Medizin- und Feinwerktechnik
- Chirurgische Instrumente: Biokompatibel, nicht magnetische Eigenschaften für MRT-Kompatibilität.
- Hochleistungsfedern: Behält die Elastizität bei wiederholter Belastung.
6. Sport & Konsumgüter
- High-End-Fahrräder: Rahmen (z. B. Reynolds 953) für Haltbarkeit und Gewichtsersparnis.
- Golfschläger: Auf Stärke und Schlagfestigkeit optimierte Schlägerköpfe.
Wie wird maragender Stahl hergestellt?
Die Herstellung von maragendem Stahl erfolgt in drei Hauptschritten:
- Legierungsschmelzen:
Hochreines Eisen, Nickel, Kobalt und andere Metalle werden im Vakuum geschmolzen, um Verunreinigungen zu entfernen und Gleichmäßigkeit zu gewährleisten.
- Wärmebehandlung:
Lösungsglühen: Erhitzt, um Elemente aufzulösen, dann abgekühlt, um eine weiche, bearbeitbare Martensitstruktur zu bilden.
Alterung: Wird bei niedrigeren Temperaturen erhitzt, um winzige, festigkeitssteigernde Partikel (wie Ni₃Ti) im Stahl zu erzeugen.
- Formgebung und Veredelung:
Im weichen Zustand leicht formbar (gewalzt, geschmiedet oder bearbeitet). Nach der Alterung erhöhen optionale Oberflächenbehandlungen (z. B. Nitrieren) die Verschleißfestigkeit.
Maraging-Stahl der SteelPro Group wird im Werk genau nach Ihren Vorgaben verarbeitet, wodurch Verzögerungen bei der Nachbehandlung minimiert werden. Unser Team optimiert Ihren Arbeitsablauf von der Schmelze bis zum fertigen Teil.
Wärmebehandlung von martensitaushärtendem Stahl
Maraging-Stahl erhält seine außergewöhnlichen Eigenschaften durch einen kontrollierten Wärmebehandlungsprozess. Sein extrem niedriger Kohlenstoffgehalt (<0,03%) ermöglicht eine flexible Verarbeitung ohne Sprödigkeit. Nachfolgend sind die wichtigsten Schritte aufgeführt:
Lösungsglühen: Vorbereitung des Fundaments
Prozessparameter:
- Temperatur: 820 °C (1.510 °F)
- Einweichzeit: 15 Minuten für dünne Abschnitte; 1 Stunde pro 25 mm (1 Zoll) für dickere Teile.
- Kühlung: Luftgekühlt oder in Öl abgeschreckt, um weichen Martensit mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (RC 30–35) zu bilden.
Ergebnis:
Der Stahl wird duktil und bearbeitbar und weist eine hohe Versetzungsdichte auf. Dieser Prozess beseitigt zudem Restspannungen aus vorherigen Fertigungsschritten und sorgt so für eine bessere Leistung in nachfolgenden Phasen.
Alterung (Ausscheidungshärtung): Kraft freisetzen
Prozess:
- Durch Erhitzen auf 480–500 °C (900–930 °F) bilden sich Verbindungen wie Ni₃Mo und Ni₃Ti. Diese Partikel blockieren Versetzungsbewegungen und stärken den Stahl, ohne an Zähigkeit zu verlieren.
- Die Standardalterungsdauer beträgt 3 Stunden, kann jedoch bei komplexen Geometrien auf 6 Stunden verlängert werden.
- Bei Temperaturen über 500 °C können sich grobe Phasen wie Fe₂Mo bilden, die sowohl die Festigkeit als auch die Duktilität verringern. Um diese negativen Effekte zu vermeiden, ist eine strikte Temperaturkontrolle unerlässlich.
Ergebnis:
Der Alterungsprozess erhöht die Festigkeit des Stahls und erreicht bis zu 58 HRC für die Güte C350. Die resultierende Mikrostruktur erhöht die Festigkeit des Materials deutlich, ohne seine Zähigkeit zu beeinträchtigen, und macht es ideal für anspruchsvolle Anwendungen.
Verbesserungen nach der Behandlung
Nitrieren:
- Prozess: Stickstoff diffundiert bei 500–550 °C (930–1.020 °F) in die Oberfläche.
- Ergebnis: Die Oberflächenhärte steigt auf über 60 HRC und ist somit ideal für verschleißfeste Teile wie Zahnräder.
Stressabbau:
- Prozess: Glühen bei 815–830 °C (1.500–1.525 °F) 1 Stunde pro Zoll Dicke.
- Ergebnis: Spannungsarmglühen dient der Wiederherstellung der Werkstoffeigenschaften nach Schweiß- oder Reparaturarbeiten. Es wird bei reparierten oder geschweißten Werkzeugen (z. B. Spritzgussformen) angewendet.
Bearbeitung und Verfahren von martensitaushärtendem Stahl
Kalt- und Warmumformung
Im geglühten Zustand (RC 30–35) lässt sich Maraging-Stahl mit beeindruckender Flexibilität kaltverformen. Durch Kaltwalzen lassen sich bis zu 90% Verformung ohne zu reißen, daher geeignet für dünne Bleche oder Präzisionsdrähte.
Für komplexe Formen ist eine Warmumformung bei 1.000–1.100 °C (1.832–2.012 °F) Durch anschließendes schnelles Abkühlen bleibt die Duktilität erhalten. Nach der Formgebung wird durch Alterungsbehandlungen die volle Festigkeit wiederhergestellt.
Dieses Verfahren eignet sich ideal für Befestigungselemente und Strukturkomponenten in der Luft- und Raumfahrt.
Schweißen und Fügen
Der niedrige Kohlenstoffgehalt von Maraging-Stahl macht ein Vorwärmen überflüssig und vereinfacht so den Schweißvorgang. WIG (GTAW) und Laserschweißen sind bevorzugte Methoden, da sie eine Kohlenstoffverunreinigung verhindern.
Nach dem Schweißen ist es wichtig, die Wärmeeinflusszone (WEZ) erneut altern bei 480–500 °C für 3 Stunden. Dieser Schritt entfernt weiche Zonen und sorgt für eine gleichmäßige Festigkeit, die für Druckbehälter und Rüstungshardware entscheidend ist.
Schlüsselparameter:
- Schutzgas: Argon oder Helium zur Vermeidung von Oxidation.
- Füllmaterial: Passende Zusammensetzung (z. B. 18Ni-Maraging-Draht).
Additive Fertigung (LPBF)
Das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) revolutioniert die Verwendung von martensitaushärtendem Stahl für leichte und hochfeste Bauteile. Bei diesem Verfahren wird feines Legierungspulver mithilfe eines Hochleistungslasers Schicht für Schicht geschmolzen.
Optimierter Workflow:
- Drucken: Laserleistung von 200–400 W, Scangeschwindigkeit von 800–1.200 mm/s.
- Stressabbau: 600 °C für 2 Stunden, um Eigenspannungen abzubauen.
- Alterung: Eine Standardbehandlung bei 480 °C erhöht die Festigkeit um 30–40%.
Nachbearbeitungsschritte wie Heißisostatisches Pressen (HIP) können Dichte und Ermüdungsbeständigkeit weiter verbessern. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Teile wie Satellitenhalterungen und kundenspezifische medizinische Implantate, bei denen komplexe Geometrien unerlässlich sind.
Schwere plastische Deformation (SPD)
Für Anwendungen, die extreme Festigkeit erfordern, SPD-Techniken wie Hochdrucktorsion (HPT) oder Gleichkanaliges Winkelpressen (ECAP) werden verwendet, um die Mikrostruktur des Stahls zu verfeinern. Diese Prozesse erzeugen ultrafeine Körner (<100 nm) und Versetzungsnetzwerke, wodurch die Streckgrenze über 3,0 GPa.
SPD ist zwar teuer, aber für Anwendungen wie Panzerplatten und hochzyklische Ermüdungskomponenten in Verteidigungssystemen von entscheidender Bedeutung.
Vor- und Nachteile von maragendem Stahl
Vorteile von Maraging-Stahl
- Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit: Übertrifft Werkzeugstähle (z. B. H13) und Titanlegierungen mit einer Zugfestigkeit von bis zu 3,5 GPa und einer Bruchzähigkeit von über 175 MPa·m¹⁄².
- Einfache Herstellung: Kaltverformbar (bis zu 90%-Verformung), ohne Vorwärmen schweißbar und auf Hochglanz polierbar.
- Umweltbeständigkeit: Hohe Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung und Spannungsrisskorrosion.
Einschränkungen bei Maraging-Stahl
- Hohe Kosten: Aufgrund des Nickel- und Kobaltgehalts ist die Verwendung bei budgetsensiblen Projekten eingeschränkt.
- Temperaturgrenzen: Über 400 °C nimmt die Festigkeit aufgrund der Austenitumkehr stark ab.
- Bearbeitungskomplexität nach Alterung: Erfordert Hartmetallwerkzeuge für gehärtete Zustände (RC 55+), was die Effizienz verringert.
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