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Ausscheidungsgehärteter Edelstahl: Definition, Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendungen, Güteklassen und mehr
- John
Durch eine einzigartige Wärmebehandlungstechnologie wird die mechanische Festigkeit und Haltbarkeit von ausscheidungsgehärtetem Edelstahl deutlich verbessert. Dies macht ihn zum Material der Wahl in vielen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, dem Automobilbau, der Öl- und Gasindustrie usw. Was also genau ist ausscheidungsgehärteter Edelstahl?
In diesem Artikel stellen wir Ihnen alles über ausscheidungshärtenden Edelstahl im Detail vor, beispielsweise die Definition, Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendungen, gängigen Güteklassen sowie die Verarbeitung und Schweißtechniken dieses Hochleistungsmaterials.
Was ist ausscheidungsgehärteter rostfreier Stahl?
Ausscheidungsgehärteter Edelstahl (PH-Edelstahl) ist eine Art Edelstahl, der durch Wärmebehandlungstechnologie eine hohe Festigkeit und hervorragende Korrosionsbeständigkeit erreicht. Er wird in martensitische, halbaustenitische und austenitische Typen unterteilt. Er gehört zur Fe-Cr-Ni-Legierungsreihe und enthält Kupfer, Molybdän, Niob, Titan und Aluminium.
Arten von ausscheidungshärtenden rostfreien Stählen
PH-Edelstähle werden basierend auf ihrer Matrixstruktur nach der Wärmebehandlung in drei Typen eingeteilt: martensitisch, halbaustenitisch und austenitisch.
Martensitischer PH-Edelstahl
Wie 17-4 PH haben sie bei Glühtemperaturen (1040–1065 °C) zunächst eine austenitische Struktur und verwandeln sich beim Abkühlen in Martensit. Durch Alterung bei 482–593 °C erhöht sich ihre Festigkeit auf 1170–1376 MPa. Diese Stähle werden in hochfesten Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt und bei Ventilen eingesetzt, weisen jedoch eine geringe Duktilität auf, was die Kaltverformung erschwert.
Halbaustenitischer PH-Edelstahl
Behalten ihre austenitische Struktur nach der Lösungsglühung und sind duktiler, was sie ideal zum Formen macht. Zum Härten wird der Austenit zunächst in Martensit umgewandelt und dann bei 455–593 °C gealtert. Sie werden oft in Blechform, z. B. 17-7 PH, für Federn und Befestigungselemente verwendet, bei denen Formbarkeit und Festigkeit erforderlich sind.
Austenitischer PH-Edelstahl
Wie A286 behalten sie nach der Wärmebehandlung ihre nicht magnetische austenitische Struktur. Eine Alterung bei 650-760 °C erhöht Härte und Festigkeit. Obwohl ihre mechanischen Eigenschaften geringer sind als bei den anderen beiden Typen, weisen sie eine gute Zähigkeit auf und sind ideal für Hochtemperaturanwendungen wie Strahltriebwerks- und Turbinenschaufeln.
Chemische Zusammensetzung von ausscheidungsgehärtetem Edelstahl
Die chemische Zusammensetzung von PH-Edelstahl umfasst typischerweise Eisen, Chrom und Nickel, mit der Zugabe kleiner Mengen Kupfer, Titan, Aluminium, Molybdän, Niob und anderer Elemente, um den Ausscheidungshärtungseffekt zu erzielen. Diese Legierungselemente tragen in Kombination mit bestimmten Verhältnissen und Wärmebehandlungsprozessen zur Bildung von Härtungsphasen bei unterschiedlichen Temperaturen bei und verbessern so die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Materials.
Zu Ihrer Information haben wir in der folgenden Tabelle die typischen chemischen Zusammensetzungen von drei PH-Edelstählen aufgeführt.
C | Cr | Ni | Cu | Al | Mo | Ti | Mn | Si | P | S | V | ||
17-4 PH (%) | Martensitisch | ≤ 0.07 | 15.0-17.5 | 3.0-5.0 | 3.0-5.0 | – | ≤ 0.5 | – | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 | ≤ 0.04 | ≤ 0.03 | – |
17-7 PH (%) | Halbaustenitisch | ≤ 0,09 | 16.0-18.0 | 6.5-7.75 | – | 0.75-1.5 | – | – | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 | ≤ 0.04 | ≤ 0.03 | – |
A2869 (%) | Austenitisch | ≤ 0.08 | 14.0-16.0 | 24.0-27.0 | ≤ 0.35 | – | 1.0-1.5 | 1.9-2.3 | ≤ 2.0 | ≤ 1.0 | ≤ 0.03 | ≤ 0.025 | 0.10-0.50 |
Eigenschaften von ausscheidungsgehärtetem Edelstahl
Die folgenden Eigenschaften sind für das Verständnis der Leistung von ausscheidungshärtenden rostfreien Stählen von entscheidender Bedeutung.
- Hohe Festigkeit: Ausscheidungshärtende rostfreie Stähle weisen hohe Zug- und Streckgrenzen auf und sind daher für Anwendungen mit hohen Belastungen geeignet.
- Korrosionsbeständigkeit: Diese Stähle bieten eine gute Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Umgebungen, insbesondere in Kombination mit Elementen wie Chrom und Nickel.
- Härte: Durch Alterungsprozesse wird die Härte deutlich erhöht, wodurch diese Stähle ideal für verschleißfeste Anwendungen geeignet sind.
Physikalische Eigenschaften
Physikalische Eigenschaft | Spezifische Werte | Beschreibung |
Dichte | 7,7-8,0 g/cm³ | Bietet gute strukturelle Stabilität und Festigkeit. |
Wärmeleitfähigkeit | 15-20 W/m²K | Geeignet für Wärmeaustauschanwendungen. |
Thermische Ausdehnung | 10-12 µm/m-K | Geringe Ausdehnung, dadurch weniger Verformung bei Temperaturschwankungen. |
Schmelzpunkt | 1400-1450°C | Gewährleistet Haltbarkeit bei hohen Temperaturen. |
Magnetische Eigenschaften | Variiert (hängt vom Typ ab) | Martensitische und halbaustenitische Typen sind oft magnetisch. |
Elektrischer spezifischer Widerstand | Mäßig | Geeignet für Anwendungen, bei denen die Leitfähigkeit nicht kritisch ist. |
Mechanische Eigenschaften
Mechanische Eigenschaften | Spezifische Werte | Beschreibung |
Zugfestigkeit | 850-1700 MPa | Bietet eine hohe Tragfähigkeit. |
Streckgrenze | 800-1500 MPa | Hohe Beständigkeit gegen bleibende Verformung. |
Dehnung | 10-20% | Kann sich vor dem Brechen dehnen, was auf Duktilität hinweist. |
Härte | 35-47 HRC | Sehr hohe Härte nach Alterung, ideal für verschleißfeste Teile. |
Elastizitätsmodul | 190-210 GPa | Widerstand gegen elastische Verformung und bietet Steifigkeit. |
Ermüdungswiderstand | Mäßig | Gute Beständigkeit gegen zyklische Belastung und Ermüdungsversagen. |
Schlagzähigkeit | Mäßig-Hoch | Kann Energie absorbieren und Aufprallschäden widerstehen. |
Zähigkeit | Mäßig | Fähigkeit, sich unter plötzlicher Krafteinwirkung zu verformen, ohne zu brechen. |
Schweißeignung | Gut | Kann geschweißt werden, aber nach dem Schweißen kann eine Wärmebehandlung erforderlich sein. |
Verformbarkeit | Mäßig-Hoch | Kann in komplexe Formen gebracht werden, insbesondere in halbaustenitischen Typen. |
Chemische Eigenschaften
Chemisches Eigentum | Leistung | Beschreibung |
Korrosionsbeständigkeit | Mäßig-Hoch | Gute Korrosionsbeständigkeit in zahlreichen Umgebungen. |
Oxidationsbeständigkeit | Hoch | Hohe Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen. |
Chemische Beständigkeit | Hoch | Stabil gegenüber verschiedenen chemischen Einflüssen, ideal für raue Umgebungen. |
Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion (SCC) | Mäßig-Hoch | Besser als austenitische Stähle, insbesondere in chloridhaltigen Umgebungen. |
Ausscheidungshärtende Edelstahlsorten
PH-Edelstahl gibt es in verschiedenen Güteklassen, jede mit einzigartigen Eigenschaften und Anwendungsbereichen. Nachfolgend finden Sie einige gängige PH-Edelstahlsorten sowie ihre Merkmale und Anwendungen.
Klasse | Typ | Merkmale | Anwendungen |
17-4 PH | Martensitisch | Hohe Festigkeit, mäßige Korrosionsbeständigkeit, leicht zu bearbeiten | Luft- und Raumfahrtteile, Ventile, Zahnräder, Wellen, Pumpen, hochfeste Anwendungen |
15-5 PH | Martensitisch | Hohe Festigkeit, gute Zähigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit | Luft- und Raumfahrt, chemische Verarbeitung, Präzisionsmaschinen, Nuklearindustrie |
PH 13-8 Mo | Martensitisch | Hohe Festigkeit, überlegene Zähigkeit, ausgezeichnete Spannungskorrosionsbeständigkeit | Luft- und Raumfahrtstrukturen, Öl- und Gasausrüstung, Turbinenkomponenten |
13-8 PH | Martensitisch | Hohe Festigkeit, gute Zähigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit | Luft- und Raumfahrt, Petrochemie, medizinische Geräte für hochbelastbare Anwendungen |
17-7 PH | Halbaustenitisch | Hervorragende Formbarkeit, hohe Festigkeit nach Alterung, gute Korrosionsbeständigkeit | Federn, Befestigungselemente, Flugzeugteile, die Festigkeit und Formbarkeit erfordern |
AM 350 | Halbaustenitisch | Gute Umformbarkeit, hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit | Turbinenschaufeln, Federn, Verbindungselemente, hochfeste, korrosionsbeständige Teile |
AM 355 | Halbaustenitisch | Gute Festigkeit, Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit | Luft- und Raumfahrtteile, Werkzeuge, Schneidgeräte mit guter Formbarkeit und Festigkeit |
PH 15-7 Mo | Halbaustenitisch | Gute Umformbarkeit, hohe Festigkeit, gute Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit | Federn, Druckbehälter, Flugzeugteile, die Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit erfordern |
XM-16 | Halbaustenitisch | Gute Festigkeit, Duktilität, Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit | Medizinische Geräte, Luft- und Raumfahrtkomponenten mit guter Formbarkeit und Festigkeit |
A286 | Austenitisch | Gute Hochtemperaturfestigkeit, ausgezeichnete Kriechfestigkeit, nicht magnetisch | Hochtemperaturanwendungen wie Triebwerkskomponenten, Turbinenschaufeln |
17-10 Uhr | Austenitisch | Behält die austenitische Struktur bei, ist nicht magnetisch und weist eine ausgezeichnete Leistung bei hohen Temperaturen auf. | Hochtemperatur- und korrosionsbeständige Anwendungen wie chemische Geräte und Wärmetauscher |
17-10 Mo | Austenitisch | Hervorragende Korrosionsbeständigkeit, nicht magnetisch, hohe Temperaturfestigkeit | Chemische Verarbeitungsanlagen, Hochtemperaturmaschinen |
Was ist ausscheidungsgehärteter Edelstahl 15-5?
15-5 PH ist ein martensitischer, ausscheidungshärtender Edelstahl, eine robuste, hochfeste und korrosionsbeständige Edelstahllegierung. Der Name „15-5“ bezieht sich auf seine Zusammensetzung: ungefähr 15% Chrom und 5% Nickel. Wird in Luft- und Raumfahrtteilen, chemischen Verarbeitungsgeräten, Wellen und Zahnrädern usw. verwendet.
Was ist ausscheidungsgehärteter Edelstahl 17-4?
17-4 PH is a martensitic precipitation-hardening stainless steel with high strength and excellent corrosion resistance. The name “17-4” refers to its composition: approximately 17% chromium and 4% nickel, with copper and niobium/aluminum added for increased strength and hardness. 17-4 PH is widely used in aerospace components, chemical and petrochemical equipment, medical equipment, etc.
Ausscheidungshärtende Edelstahlformen
Ausscheidungshärtender rostfreier Stahl ist in verschiedenen Formen für eine breite Palette industrieller Anwendungen erhältlich. Zu den gängigen Formen gehören:
- Aushärtbare rostfreie Stahlbleche und -platten: Werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und in Industriegeräten verwendet.
- Aushärtbare rostfreie Stäbe und Stangen: Wird bei der Herstellung von Präzisionskomponenten wie Wellen, Zahnrädern und Befestigungselementen verwendet, bei denen Haltbarkeit und Härte erforderlich sind.
- Aushärtbare Edelstahlrohre und -Leitungen: Wird häufig in der Chemie-, Petrochemie- sowie Öl- und Gasindustrie verwendet, wo Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit für Flüssigkeitstransportsysteme von entscheidender Bedeutung sind.
- Draht aus ausscheidungshärtendem rostfreiem Stahl: Häufig in medizinischen Geräten, Federn und Befestigungselementen, bei denen hohe Festigkeit und Flexibilität erforderlich sind.
- Aushärtbare Schmiedestücke aus rostfreiem Stahl: Werden aufgrund ihrer Fähigkeit, hohen Belastungen und Temperaturen standzuhalten, für Hochleistungsanwendungen wie Turbinenschaufeln und Strukturkomponenten verwendet.
Diese Formen ermöglichen den Einsatz von ausscheidungshärtenden rostfreien Stählen in anspruchsvollen Umgebungen, in denen sowohl hohe Festigkeit als auch Korrosionsbeständigkeit wichtig sind.
Vor- und Nachteile der Ausscheidungshärtung von Edelstahl
Vorteile
- Hohe Festigkeit: Nach der Ausscheidungshärtung ist die Festigkeit des Materials deutlich erhöht, die Zugfestigkeit erreicht 850–1700 MPa.
- Gute Korrosionsbeständigkeit: PH-Edelstahl weist im Vergleich zu herkömmlichem martensitischem Edelstahl eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf und ist daher für raue Umgebungen geeignet.
- Gute Verarbeitbarkeit: Im lösungsgeglühten Zustand ist das Material relativ weich und lässt sich dadurch gut verarbeiten und formen.
- Schweißbarkeit: Durch richtiges Schweißen und Wärmebehandlung kann bei PH-Edelstahl eine hervorragende Schweißqualität erzielt werden.
Benachteiligungen
- Komplexe Wärmebehandlung: Der Prozess der Ausscheidungshärtung umfasst mehrere Wärmebehandlungsschritte, was den Prozess komplexer und kostspieliger macht.
- Begrenzte Hochtemperaturbeständigkeit: PH-Edelstahl eignet sich hervorragend für mittlere Temperaturen, aber eine längere Einwirkung großer Hitze kann seine Leistung beeinträchtigen.
- Magnetische Einschränkungen: Bestimmte PH-Edelstähle können unter bestimmten Bedingungen einen leichten Magnetismus entwickeln, was ihre Eignung für einige Anwendungen einschränkt.
Wofür wird ausscheidungsgehärteter Edelstahl verwendet?
Ausscheidungshärtender rostfreier Stahl wird in Anwendungen eingesetzt, die eine Kombination aus hoher Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfordern. Häufige Verwendungszwecke sind:
- Komponenten für die Luft- und Raumfahrt: Wird aufgrund der Fähigkeit, auch bei hohen Temperaturen seine Festigkeit zu behalten, für hochfeste Teile wie Turbinenschaufeln, Zahnräder und Strukturkomponenten verwendet.
- Medizinische Geräte: Wird aufgrund seiner Biokompatibilität und Haltbarkeit in chirurgischen Instrumenten, orthopädischen Implantaten und zahnärztlichen Werkzeugen verwendet.
- Öl- und Gasindustrie: Wird für Ventile, Pumpenwellen und Armaturen verwendet, bei denen sowohl Korrosionsbeständigkeit als auch mechanische Festigkeit in rauen Umgebungen von entscheidender Bedeutung sind.
- Ausrüstung für die chemische Verarbeitung: Aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit für Behälter, Reaktoren und Rohrleitungssysteme geeignet.
- Kernenergie: Wird aufgrund seiner Strahlungsbeständigkeit und Langlebigkeit in stark beanspruchten Komponenten wie Reaktoreinbauten und Befestigungselementen verwendet.
- Marine Anwendungen: Kommt in Gelenkwellen, Pumpen und Hardware vor, bei denen Korrosions- und Seewasserbeständigkeit von entscheidender Bedeutung ist.
Schweißen von ausscheidungshärtendem rostfreiem Stahl
PH stainless steel has good weldability, especially in the solution-treated condition. Common welding methods, such as TIG and MIG, can be used, but care must be taken to avoid softening in the heat-affected zone. For thicker materials, post-weld aging treatment is often recommended to restore the strength of the weld area.
Beim Schweißen von PH-Edelstahl sollten Sie am besten Füllmaterialien verwenden, die zum Grundmetall passen. Beispielsweise kann beim Schweißen von 17-4 PH ER630-Draht verwendet werden. Darüber hinaus sind eine geringe Wärmezufuhr und eine Minimierung der Größe der Wärmeeinflusszone entscheidend für die Gewährleistung der Schweißqualität.
Unterschied zwischen martensitischem und ausscheidungsgehärtetem Edelstahl
The primary distinction between martensitischer rostfreier Stahl and PH stainless steel resides in their distinct strengthening methodologies and consequential performance attributes.
Stärkungsmechanismus: Was die Verstärkungsmechanismen betrifft, so erreicht martensitischer Edelstahl seine erhöhte Festigkeit durch eine Kombination aus Abschreck- und Anlassprozessen. PH-Edelstahl hingegen erhält seine Festigkeit durch die Bildung metallischer Niederschläge in seiner Mikrostruktur, ein Prozess, der als Ausscheidungshärtung bezeichnet wird.
Leistung: PH-Edelstahl weist im Allgemeinen eine höhere Festigkeit und bessere Korrosionsbeständigkeit auf, weist jedoch im Vergleich zu martensitischem Edelstahl eine geringere Hochtemperaturleistung auf.
Erfahren Sie mehr über andere Edelstahlsorten: austenitisch, ferritischund Duplex.
Ist ausscheidungsgehärteter Edelstahl magnetisch?
Die magnetischen Eigenschaften von PH-Edelstahl hängen von seiner Legierungszusammensetzung und dem Wärmebehandlungsverfahren ab. Die meisten martensitischen PH-Edelstähle weisen nach der Lösungsbehandlung ein gewisses Maß an Magnetismus auf, während austenitische und halbaustenitische PH-Edelstähle unter den meisten Bedingungen im Allgemeinen nicht magnetisch bleiben. Bei der Materialauswahl müssen unbedingt die spezifischen Anforderungen der Anwendung sowie die damit verbundenen Verarbeitungsbedingungen berücksichtigt werden.
Weiterführende Lektüre
Ist rostfreier Stahl magnetisch?
Was ist Ausscheidungshärtung?
Ausscheidungshärtung oder Alterungshärtung ist ein Wärmebehandlungsverfahren zur Verbesserung der Streckgrenze. Bei PH-Edelstahl umfasst dieser Prozess drei Hauptschritte: Lösungsglühen, Abschrecken und Altern.
- Lösung Behandlung: Während der Anfangsphasen der Lösungsbehandlung wird das Material typischerweise in einem Temperaturbereich von 1040 °C bis 1065 °C erhitzt. Diese hohe Temperatur erleichtert die Auflösung von Legierungselementen, was zur Bildung einer homogenen festen Lösung führt.
- Abschrecken: Nach der Lösungsbehandlung wird das Material schnell abgekühlt, um die gelösten Elemente in einem übersättigten Zustand zu halten und die Bildung von Niederschlägen zu verhindern. Übliche Abschreckmedien sind Luft und Wasser.
- Alterung: Das Material wird erneut auf eine niedrigere Temperatur (z. B. 480 bis 620 °C) erhitzt und mehrere Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten, damit sich feine Niederschläge bilden können, die die Festigkeit und Härte des Materials verbessern.
Was ist der Unterschied zwischen Anlassen und Ausscheidungshärtung?
Anlassen und Aushärtung sind beides Wärmebehandlungsverfahren, sie unterscheiden sich jedoch in Zweck, Methode und den Materialien, auf die sie typischerweise angewendet werden.
Zweck: Das Anlassen erfolgt nach dem Härten (Abschrecken), um die Sprödigkeit des gehärteten Stahls zu verringern und gleichzeitig einen Teil seiner Härte zu erhalten, damit das Material zäher und weniger rissanfällig wird. Ausscheidungshärtung erhöht Festigkeit und Härte durch die Bildung winziger Partikel (Niederschläge genannt) in der Struktur des Metalls.
Material: Das Anlassen wird bei martensitischen Stählen in rostfreiem Stahl angewendet. Das Ausscheidungshärten wird bei ausscheidungsgehärtetem rostfreiem Stahl angewendet.
Prozess: Beim Anlassen wird das Material abgeschreckt und dann auf eine niedrigere Temperatur (150–650 °C) wiedererhitzt. Temperatur und Dauer des Anlassens bestimmen den Grad der Härteabnahme und der Zähigkeitszunahme. Das Ausscheidungshärten umfasst zwei Phasen – Lösungsglühen (Erhitzen und Abschrecken) und Altern (Wiedererhitzen auf eine moderate Temperatur, normalerweise 480–620 °C). Beim Altern bilden sich feine Ausscheidungen, die Härte und Festigkeit erhöhen.
Anwendung: Das Anlassen wird für Werkzeuge, Messer und andere Gegenstände verwendet, die eine hohe Härte erfordern, aber gleichzeitig die Sprödigkeit minimieren müssen. Ausscheidungshärtung wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und bei Industriekomponenten verwendet, bei denen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit von entscheidender Bedeutung sind.
Aushärtung vs. Ausscheidungshärtung
Aushärtung und Ausscheidungshärtung sind Wärmebehandlungsverfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Härte von Legierungen.
Aushärtung
- Definition: Ein allgemeiner Prozess, der die Festigkeit durch Niederschlagsbildung erhöht.
- Schritte: Umfasst Lösungsbehandlung, Abschrecken und Altern.
- Anwendungen: Wird häufig für Aluminium, Titan und einige rostfreie Stähle verwendet.
- Mechanismus: Stärkt durch die Bildung von Partikeln, die die Versetzungsbewegung behindern.
Ausscheidungshärtung
- Definition: Eine spezielle Art der Aushärtung, bei der die kontrollierte Niederschlagsbildung im Mittelpunkt steht.
- Schritte: Ähnlich wie Aushärtung, jedoch liegt der Schwerpunkt auf der Optimierung der Größe und Verteilung der Niederschläge.
- Anwendungen: Wird bei der Ausscheidungshärtung von rostfreiem Stahl (z. B. 17-4 PH) und Nickellegierungen verwendet.
- Mechanismus: Zielt auf feine, gleichmäßig verteilte Niederschläge ab, um Festigkeit und Zähigkeit zu verbessern.
Zusammenfassend ist die Aushärtung ein breiteres Spektrum, während die Ausscheidungshärtung speziell die Eigenschaften der Niederschläge optimiert, um die Leistung zu verbessern.
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