21. November 2011

Was macht eigentlich … das Legierungselement Chrom im Stahl?

Chrom ist ein richtiger „Tausendsassa“. Das Legieren mit dem Element Chrom (Cr) hat Auswirkungen auf zahlreiche Eigenschaften des Stahls. Durch Erhöhung des Chromgehaltes erreichen wir bei Stählen unter anderem eine:

  1. Erhöhung der Zugfestigkeit,
  2. Erhöhung der Verschleißbeständigkeit,
  3. Erhöhung der Einhärtbarkeit,
  4. Verbesserung der Vergütbarkeit,
  5. Erhöhung der Zunderbeständigkeit,
  6. Erhöhung der Warmfestigkeit und der Anlassbeständigkeit,
  7. Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit,
  8. Erhöhung der Randschichthärte beim Nitrieren,
  9. Erhöhung der Druckwasserstoff-Beständigkeit,
  10. Verringerung der Wärmeleitfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit.

Angesichts dieser Liste stellen sich folgende Fragen: Warum führt die Zugabe von Chrom zu all diesen Eigenschaftsänderungen bei Stählen?Haben die zahlreichen Wirkungen des Chroms ebenso zahlreiche Ursachen, oder können diese Wirkungen auf einige wenige Eigenschaften des Chroms zurückgeführt werden? Um diese Fragen beantworten zu können, klären wir zunächst, wie ein unlegierter Stahl „funktioniert“.

Unlegierter Stahl besteht aus Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C). Die allermeisten C-Atome verbinden sich mit den Fe-Atomen zu Eisenkarbiden. Form, Größe und Anzahl der harten Eisenkarbide im vergleichsweise weichen Fe-Kristallgitter des Stahls bestimmen seine Eigenschaften (Vergüten). Die harten Eisenkarbide behindern z.B. die Bewegung von Versetzungen und sorgen so für hohe Festigkeit.

Die harten Eisenkarbide verbessern zudem die Verschleißbeständigkeit des Eisens, das durch Zugabe von (max. 2%) Kohlenstoff zum Stahl wird. Bei hohen Temperaturen verändern die Eisenkarbide ihre Morphologie, und oberhalb von ca. 720°C beginnt ihr vollständiger Zerfall. Das schränkt die Einsatzmöglichkeiten unlegierter Stähle bei hohen Temperaturen stark ein.

In Anwesenheit von Sauerstoff bilden die Eisenatome des Stahls mit dem Sauerstoff Oxide. Das Eisenoxid, das bei niedrigen Temperaturen und in Anwesenheit von Feuchtigkeit entsteht, nennen wir Rost. Das Eisenoxid, das sich bei sehr hohen Temperaturen – beispielsweise im Schmiedeofen (und damit in Abwesenheit von Wasser) – bildet, nennen wir Zunder.

Nun kommen wir zurück zum Chrom. Wir werden sehen, dass sich die vielfältigen Wirkungen des Elements Chroms auf wenige Eigenschaften des Chroms zurückführen lassen, wobei einige Eigenschaften mehrfache Wirkung erzielen:

  • Chrom „kann besser mit Kohlenstoff als Eisen“. Das bedeutet, dass sich Cr- und C-Atome zu Chromkarbiden verbinden, die härter und temperaturbeständiger sind, als die Eisenkarbide. Dies erklärt die oben genannten Punkte 1, 2, 6 und 9. Zum Punkt 9 einige Worte mehr: Ist Stahl bei hohen Temperaturen und Drücken wasserstoffhaltigen Medien ausgesetzt, so dringt Wasserstoff in den Stahl ein und verbindet sich mit dem Kohlenstoff des Stahls z.B. zu Methan. Wird dem Stahl aber auf diese Art der Kohlenstoff entzogen, so verliert er die strukturelle Integrität und versagt schließlich. Druckwasserstoffbeständigkeit erreicht man, wenn der Kohlenstoff im Stahl durch Elemente abgebunden wird, die starke Bindungen mit Kohlenstoff eingehen. Zu diesen Elementen gehört Chrom.
  • Chrom „kann besser mit Sauerstoff als Eisen“. Das bedeutet, dass Chrom und Sauerstoff „widerstandsfähigere“ Verbindungen bilden, als es Eisen und Sauerstoff tun. Dies erklärt die Punkte 5 und 7. Sind mindestens 12% Chrom im Stahl gelöst, dann bildet sich auf der Bauteiloberfläche eine dünne, aber für Sauerstoff nahezu undurchdringliche, Chromoxidschicht, die ein Rosten des Stahls verhindert. Rostfreie Stähle enthalten daher mindestens 12% Chrom. Diese Cr-Atome dürfen aber nicht in Form von Chromkarbiden gebunden sein. Da Chrom aber auch mit Kohlenstoff „gut kann“, sind üblicherweise deutlich mehr als 12% Chrom in nichtrostenden Stählen enthalten, damit 12% „freie“ Cr-Atome verbleiben, nachdem der Kohlenstoff vom Chrom „bedient“ wurde.
  • Chrom „kann sehr gut mit Stickstoff“. Dies erklärt Punkt 8 (und zu Teilen auch die Punkte 2 und 7). Nitrierstähle sind häufig chromlegiert mit dem Ziel, dass die Stickstoffatome, die beim Nitrieren in die Oberfläche des Stahlbauteils hinein diffundieren, sich u.a. mit Chrom verbinden und auf diese Weise sehr harte Chromnitride bilden.
  • Befindet sich Chrom im Stahl, dann behindert es die Bewegung (Diffusion) der C- und Fe-Atome im Fe-Kristallgitter des Stahls. Das geschieht unabhängig davon, ob die Chromatome frei oder gebunden sind. Die Diffusionsprozesse, die bei der Wärmebehandlung von Stahl ablaufen, bestimmen ganz wesentlich das Gefüge und damit die Werkstoffeigenschaften, die im Zuge der Wärmebehandlung entstehen. Wird die Diffusion stark behindert, so entsteht ein Gefüge, für dessen Bildung Diffusion nicht notwendig ist. Dieses Gefüge nennen wir Martensit (Vergüten). Diese Diffusionsbehinderung erklärt die Punkte 1, 2, 3 und 4.
  • Chrom behindert aber nicht nur die Beweglichkeit der Fe- und C-Atome, sondern auch die der freien Elektronen des Stahls. Da die Elektronen der Metalle aber maßgeblich die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit bestimmen, ist somit auch Punkt 10 erklärt.

Wir können zusammenfassen: Es ist die hohe Affinität des Chroms zu Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff, mit der sich ein Großteil der Eigenschaften chromlegierter Stähle erklären lässt. Will man die Verschleißbeständigkeit und die Warmfestigkeit von Stählen deutlich über das Niveau der chromlegierten Stähle hinaus anheben, so müssen Legierungselemente eingesetzt werden, deren Karbide noch härter und noch temperaturbeständiger sind, als die des Chroms. Wolfram, Vanadium, Molybdän und Kobalt sind solche Elemente, und sie alle kommen in Schnellarbeitsstählen zum Einsatz.

Was die Behinderung der Diffusion von Elektronen betrifft, so gilt das oben Geschriebene für alle Legierungselemente des Stahls gleichermaßen, und nicht nur für Chrom. Kaffeebecher werden aus diesem Grunde gern aus austenitischem Stahl (ca. 18% Chrom und ca. 10% Nickel) gefertigt – nicht nur, weil dieser Stahl nicht rostet, sondern weil die Wärmeleitfähigkeit dieses hochlegierten Stahls sehr niedrig ist. Dagegen wäre ein Kaffeebecher aus Silber (ebenfalls nichtrostend) einfach gemein …

Teilen:

Einen Kommentar hinzufügen

Um einen Kommentar hinterlassen zu können, müssen Sie sich im Werkstoff-Blog anmelden. Bitte füllen Sie die unteren Pflichtfelder aus.*

Zur Werkzeugleiste springen