Legierungen: Maßgeschneiderte Lösungen aus Stahl

Eine Legierung entsteht, wenn ein Grundmetall wie Eisen mit einem oder mehreren zusätzlichen Elementen kombiniert wird, um die Eigenschaften des Materials zu verändern. Bei Stahl handelt es sich um eine Legierung von Eisen und Kohlenstoff. Darüber hinaus können Legierungselemente wie Chrom, Nickel oder Molybdän hinzugefügt werden, um die Legierungen weiter zu veredeln und an spezifische Anforderungen anzupassen. 

Legierungselemente sind also die einzelnen Bestandteile, die dem Grundmaterial hinzugefügt werden, um bestimmte Eigenschaften gezielt zu verbessern. 

Es gibt zahlreiche Arten von Legierungen, die sich je nach den verwendeten Metallen und ihren spezifischen Eigenschaften unterscheiden. Zu den häufigsten Legierungstypen gehören: 

1. Stahllegierungen: 

   Besteht hauptsächlich aus Eisen und Kohlenstoff. Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement in Stahl, das seine Härte und Festigkeit erhöht. „Stahl“ ist definiert als Legierung aus Eisen und Kohlenstoff bis zu einer Grenze von 2,06% C. Legierungen mit höheren C-Gehalten werden nicht mehr als „Stahl“, sondern als „Gusseisen“ bezeichnet. Edelstahl enthält zusätzlich Chrom und Nickel, die für seine Korrosionsbeständigkeit und glänzende Oberfläche sorgen. Er wird häufig in der Bauindustrie, in Küchenutensilien und in medizinischen Geräten verwendet. 

2. Kupferlegierungen: 

   Messing: Eine Legierung aus Kupfer und Zink. Messing ist bekannt für seine gute Verarbeitbarkeit, seine Korrosionsbeständigkeit und seine dekorative Optik, was es in der Herstellung von Instrumenten und Dekorationsgegenständen beliebt macht. 

   Bronze: Eine Legierung aus Kupfer und Zinn, die für ihre Härte und Verschleißfestigkeit bekannt ist. Bronze wird häufig für Münzen, Medaillen, Werkzeuge und Maschinen verwendet. 

3. Aluminiumlegierungen: 

   Aluminium wird oft mit Metallen wie Magnesium, Kupfer oder Zink legiert, um die Festigkeit und Formbarkeit zu erhöhen, da reines Aluminium relativ weich ist. Aluminiumlegierungen finden breite Anwendung in der Luftfahrtindustrie und in der Automobilindustrie, da sie leicht und stark sind. 

4. Nickellegierungen: 

   Nickellegierungen sind besonders korrosions- und hitzebeständig. Diese Eigenschaften machen sie ideal für den Einsatz in extremen Umgebungen wie Gasturbinen, Chemieanlagen oder im Offshore-Bereich. 

5. Titanlegierungen: 

   Titan ist leicht, stark und korrosionsbeständig, was es zu einem idealen Material für die Luft- und Raumfahrt sowie für medizinische Implantate macht. Durch Legierungen mit Aluminium und Vanadium wird seine Festigkeit weiter erhöht. 

Der Grund für den Einsatz von Legierungselementen liegt in der Anpassung von Stahl an spezielle Anforderungen. Standardstahl reicht oft nicht aus, um den hohen Belastungen in bestimmten Anwendungen standzuhalten. Hier einige Beispiele: 

• Festigkeit und Zähigkeit: Für Anwendungen in der Bauindustrie oder in der Automobilproduktion sind besonders feste, aber dennoch zähe Stähle gefragt. Elemente wie Mangan und Nickel erhöhen diese Eigenschaften und machen den Stahl widerstandsfähiger gegen Bruch oder Verformung. 
• Korrosionsschutz: In Branchen, in denen Stahl extremen Witterungsbedingungen oder chemischen Substanzen ausgesetzt ist, wird oft Chrom hinzugefügt. Dieses Element erhöht die Korrosionsbeständigkeit und macht den Stahl haltbarer. 
• Hitzebeständigkeit: Anwendungen in der Schwerindustrie oder im Maschinenbau erfordern häufig Stähle, die auch bei extrem hohen Temperaturen stabil bleiben. Hier kommen Elemente wie Molybdän oder Wolfram ins Spiel, die den Stahl besonders widerstandsfähig gegen Hitze und Verschleiß machen. 

Hier sind einige der bedeutendsten Legierungselemente, ihre spezifischen Eigenschaften und wie sie die Legierungen beeinflussen: 

• Kohlenstoff (C): Kohlenstoff ist das am häufigsten verwendete Legierungselement in Stahl und beeinflusst die Härte und Festigkeit erheblich. Ein höherer Kohlenstoffgehalt führt zu einer höheren Härte, was bei vielen Anwendungen, wie z.B. im Maschinenbau, von Vorteil ist. Allerdings erhöht sich auch die Sprödigkeit des Stahls, weshalb ein ausgewogenes Verhältnis wichtig ist. In Legierungen wie Werkzeugstahl ist Kohlenstoff entscheidend für die Schnitthaltigkeit und Verschleißfestigkeit. 
• Chrom (Cr): Dieses Element ist bekannt für seine Fähigkeit, die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen und die Härtbarkeit von Legierungen zu verbessern. Chrom bildet bei der Legierung mit Eisen eine schützende Oxidschicht, die den Stahl vor Rost und Abnutzung schützt. Ab ca. 13 % Chrom ist ein Stahl korrosionsbeständig in wässrigen Medien, ab 18 % Chrom reicht die Beständigkeit für eine Spülmaschine.  
• Nickel (Ni): Nickel trägt zur Zähigkeit und Duktilität von Legierungen bei, was sie ideal für den Einsatz in kalten Umgebungen macht. In Kombination mit anderen Legierungselementen verbessert Nickel die Korrosionsbeständigkeit und macht Stähle weniger spröde. Legierungen wie NiCrMo-Stähle sind in der petrochemischen Industrie weit verbreitet und zeichnen sich durch hohe Festigkeit und hervorragende Zähigkeit aus. 
• Molybdän (Mo): Molybdän wird häufig in Legierungen verwendet, um die Festigkeit bei hohen Temperaturen zu erhöhen. Dies macht Molybdän unverzichtbar in Anwendungen wie der Herstellung von Turbinen und Druckbehältern, wo hohe Temperaturen und Druck herrschen. 
• Vanadium (V): Vanadium wird in Legierungen eingesetzt, um die Härte und Verschleißfestigkeit zu verbessern. Es wirkt als Feinlegierung, die die Korngröße im Stahl reduziert und somit die mechanischen Eigenschaften verbessert. Besonders bei Schneidwerkzeugen und hochfesten Stählen ist Vanadium wichtig, um eine längere Lebensdauer und bessere Leistung zu gewährleisten. 
• Mangan (Mn): Mangan ist ein unverzichtbares Element in vielen Stählen. Legierungen für Baustähle ist Mangan wichtig, um eine hohe Festigkeit zu erreichen. Es fördert auch die Bildung von Austenit, was zu einer besseren Formbarkeit führt. 
• Silizium (Si): Dient wie Mangan zur Desoxidation im metallurgischen Prozess. Erhöht die Festigkeit und ist wichtiges Legierungselement für Feder- und Lagerwerkstoffe. 
• Kupfer (Cu): Kupfer erhöht die Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit in Legierungen. Kupferhaltige Stähle zeigen eine verbesserte Leistung in korrosiven Umgebungen. Kupferhaltige Stähle sind schwieriger umzuformen und stellen erhöhte Anforderungen an das Recycling von Stahl. 

Obwohl unser Einsatz von Wolfram und Kobalt als Legierungselemente minimal ist und weniger als ca. 0,2% des Gesamtgewichts der gekauften Ferrolegierungen und Metalle ausmacht, möchten wir diese Elemente dennoch benennen. Um Vorschriften zu Konfliktmineralien einzuhalten, verlangt die Swiss Steel Group von ihren Lieferanten Informationen über deren Lieferketten, um sicherzustellen, dass beschaffte Materialien nicht aus Konfliktregionen stammen. Wir fordern Herkunftszertifikate oder verwenden Berichtsvorlagen, um eine konfliktfreie Beschaffung zu bestätigen. 

• Wolfram (W): Wolfram verleiht Legierungen außergewöhnliche Stabilität bei hohen Temperaturen und trägt in Kombination mit Kohlenstoff zur Verschleißfestigkeit bei. Wolframhaltige Stähle werden häufig in der Schwerindustrie und für Werkzeuganwendungen eingesetzt, wo extreme Bedingungen herrschen. Die Zugabe von Wolfram kann auch die Schnitthaltigkeit in Hochgeschwindigkeitstahl verbessern. 
• Kobalt (Co): Kobalt verbessert die Hitzebeständigkeit und die Verschleißfestigkeit von Legierungen. Es ist besonders nützlich in Werkzeugstählen, die hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen standhalten müssen. Kobalt erhöht auch die Stabilität der Legierung bei höheren Temperaturen, was es zu einem wichtigen Element für Anwendungen in der Luftfahrt und im Maschinenbau macht. 

Die Anpassung der chemischen Zusammensetzung gemäß den Wünschen unserer Kunden erfordert in den meisten Fällen die Zugabe von Legierungselementen. Derzeit setzen wir überwiegend primäre Legierungselemente und Desoxidationsmittel ein. Um die Verwendung von Primärmaterialien zu reduzieren, integrieren wir, wo immer es möglich ist, legierten Schrott sowie sekundäre Legierungselemente und Desoxidationsmittel (z. B. recyceltes Aluminium). Zusätzlich haben wir uns das Ziel gesetzt, den Recyclinganteil bei unseren Edelstahlsorten in Zukunft weiter zu erhöhen. 

Die Wahl der passenden Legierung hängt stark von der jeweiligen Branche und Anwendung ab. Hier einige wichtige Branchen und deren spezifische Anforderungen an Legierungen: 

• Automobil: In der Automobilindustrie sind hochfeste Stähle gefragt, die sowohl leicht als auch zäh sind. Legierungen mit einem hohen Nickel- und Mangananteil bieten die notwendige Zähigkeit und Festigkeit, um die Sicherheit der Fahrzeuge zu gewährleisten. Zusätzlich sind Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit für verschiedene Komponenten, wie Fahrgestelle und Motoren, entscheidend. 
• Luftfahrt: Die Luftfahrtindustrie benötigt Stähle, die extrem leicht und gleichzeitig sehr fest sind, z.B. für das Fahrwerk. Auch korrosionsbeständige Legierungen sind entscheidend, um die Langlebigkeit und Leistung in verschiedenen Umgebungen sicherzustellen.  
• Bausektor: Im Bauwesen sind besonders starke und langlebige Legierungen erforderlich. Hochfeste Baustähle bieten die notwendige Stabilität für Tragkonstruktionen. Hier spielen auch Korrosionsbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit eine Rolle. Für extreme Umgebungen können auch korrosionsbeständige Spannbetonstähle eingesetzt werden. 
• Chemie: In der chemischen Industrie sind korrosionsbeständige Legierungen wie Edelstahl mit hohem Chrom- und Nickelanteil von großer Bedeutung. Diese Stähle müssen nicht nur chemischen Angriffen standhalten, sondern auch hohen Temperaturen und Druckverhältnissen. 
• Maschinenbau: Für den Maschinenbau sind Legierungen mit hoher Verschleißfestigkeit und Zähigkeit erforderlich. Werkzeugstähle, die Molybdän und Vanadium enthalten, sind in dieser Branche weit verbreitet, da sie hohe Temperaturen und mechanische Belastungen aushalten müssen. 
• Medizintechnik: In der Medizintechnik sind Legierungen erforderlich, die sowohl korrosionsbeständig als auch biokompatibel sind. Hier kommen Edelstähle mit spezifischen Legierungselementen zum Einsatz, um den strengen Anforderungen in der Gesundheitsversorgung gerecht zu werden. 
• Öl, Bergbau und Geothermie: Diese Branchen erfordern extrem robuste Legierungen, die unter schwierigen Bedingungen standhalten. Stähle mit hohen Mangan- und Chromgehalten bieten die notwendige Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit für Werkzeuge und Ausrüstung.  
• Energiebranche: In der Energieerzeugung, insbesondere in der erneuerbaren Energie, sind Legierungen mit hoher Wärme- und Korrosionsbeständigkeit entscheidend. Materialien, die auch unter extremen Temperaturbedingungen stabil bleiben oder Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung aufweisen, sind hier von großer Bedeutung.  

Wichtige Faktoren bei der Auswahl der richtigen Legierung sind neben der Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Belastbarkeit auch spezifische Anforderungen wie Temperatur, Druck und chemische Beständigkeit. Die Erfahrung und das Fachwissen unserer Experten bei der Swiss Steel Group sind entscheidend, um die optimale Legierung für Ihr Projekt zu finden. Wir stehen Ihnen bei allen Fragen rund um Ihr Stahlprojekt zur Verfügung und helfen Ihnen gerne, den perfekten Stahl für Ihre spezifischen Anforderungen auszuwählen. 

Die Forschung und Entwicklung im Bereich der Legierungen schreitet stetig voran, um neue Materialien mit verbesserten Eigenschaften zu entwickeln. Zu den wichtigsten Zukunftstrends gehören: 

1. Hochfeste Legierungen: Die Entwicklung von Legierungen, die noch höhere Festigkeiten bei geringem Gewicht bieten, ist besonders in der Luft- und Raumfahrt und im Automobilbau von Interesse. Hier geht es darum, Materialien zu schaffen, die den Treibstoffverbrauch senken und gleichzeitig die Sicherheit verbessern. 
2. Biokompatible Legierungen: In der Medizintechnik werden Legierungen erforscht, die noch besser mit dem menschlichen Körper kompatibel sind. Ziel ist es, Implantate und Prothesen zu entwickeln, die vom Körper gut vertragen werden und gleichzeitig langlebig und widerstandsfähig sind. 
3. Umweltfreundliche Legierungen: Da die Industrie zunehmend Wert auf Nachhaltigkeit legt, werden Legierungen entwickelt, die umweltfreundlicher sind, sowohl in ihrer Herstellung als auch in ihrer Entsorgung. 
4. 3D-Druck und Legierungen: Der 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung komplexer Bauteile aus Legierungen. Dies wird die Fertigungsindustrie revolutionieren, indem maßgeschneiderte Legierungskomponenten direkt gedruckt werden können.