5115 Stahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen

5115 Stahl wird als mittelkohlenstoffhaltiger legierter Stahl eingestuft, der hauptsächlich für seine hervorragende Härtbarkeit und Festigkeit bekannt ist. Er enthält wichtige legierende Elemente wie Chrom, das seine Korrosionsbeständigkeit und Härtbarkeit verbessert, und Molybdän, das seine Festigkeit und Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen verbessert. Die typische Zusammensetzung von 5115 Stahl umfasst etwa 0,15 % Kohlenstoff, 0,5 % Chrom und 0,2 % Molybdän, die gemeinsam zu seinen mechanischen Eigenschaften und seiner Leistungsfähigkeit in verschiedenen Anwendungen beitragen.

Merkmale und Eigenschaften

5115 Stahl zeichnet sich durch seine gute Verschleißfestigkeit, hohe Zugfestigkeit und Fähigkeit, hohen Belastungen standzuhalten. Er wird häufig in Anwendungen eingesetzt, die hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern, wie Zahnräder, Wellen und andere Komponenten, die dynamischen Lasten ausgesetzt sind.

Vorteile:
- Hohe Festigkeit: Eignet sich für hochbelastete Anwendungen.
- Gute Zähigkeit: Beibehaltung der Leistung unter Stoßbelastung.
- Härtbarkeit: Kann wärmebehandelt werden, um gewünschte Härtegrade zu erreichen.

Einschränkungen:
- Schweißbarkeit: Mäßig; erfordert sorgfältige Kontrolle während des Schweißens, um Rissbildung zu vermeiden.
- Korrosionsbeständigkeit: Zwar durch legierende Elemente verbessert, jedoch nicht so korrosionsbeständig wie Edelstähle.

Historisch gesehen wurde 5115 Stahl in verschiedenen Industrien verwendet, insbesondere in der Automobil- und Maschinenbauindustrie, aufgrund seines günstigen Verhältnisses von Festigkeit und Zähigkeit.

Alternative Namen, Standards und Äquivalente

Standards Organisation	Bezeichnung/Qualität	Land/Region des Ursprungs	Hinweise/Anmerkungen
UNS	G51150	USA	Nächster Äquivalent zu AISI 5150
AISI/SAE	5115	USA	Mittelkohlenstoffhaltiger legierter Stahl
ASTM	A29/A29M	USA	Allgemeine Spezifikation für legierte Stähle
EN	1.7035	Europa	Geringe zusammensetzungsbedingte Unterschiede
JIS	SCr415	Japan	Ähnliche Eigenschaften, aber andere Anwendungen

Die obige Tabelle hebt verschiedene Standards und Äquivalente für 5115 Stahl hervor. Besonders hervorzuheben ist, dass G51150 und AISI 5150 eng miteinander verwandt sind, sie jedoch geringe Unterschiede in der Zusammensetzung aufweisen können, die die Leistung in bestimmten Anwendungen beeinflussen können. Beispielsweise kann das Vorhandensein zusätzlicher legierender Elemente in einer Qualität bestimmte Eigenschaften, wie Zähigkeit oder Härtbarkeit, verbessern.

Wesentliche Eigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol und Name)	Prozentsatzbereich (%)
C (Kohlenstoff)	0,13 - 0,18
Cr (Chrom)	0,40 - 0,60
Mo (Molybdän)	0,15 - 0,25
Mn (Mangan)	0,60 - 0,90
Si (Silizium)	0,15 - 0,40
P (Phosphor)	≤ 0,035
S (Schwefel)	≤ 0,040

Die wichtigsten legierenden Elemente in 5115 Stahl umfassen:
- Chrom (Cr): Verbessert die Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit.
- Molybdän (Mo): Verbessert Festigkeit und Zähigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen.
- Mangan (Mn): Erhöht Härtbarkeit und Festigkeit und verbessert die Reaktion des Stahls auf Wärmebehandlungen.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Typischer Wert/Bereich (metrisch - SI-Einheiten)	Typischer Wert/Bereich (imperiale Einheiten)	Referenzstandard für Testmethode
Zugfestigkeit	Geglüht	620 - 850 MPa	90 - 123 ksi	ASTM E8
Streckgrenze (0,2 % Offset)	Geglüht	350 - 550 MPa	51 - 80 ksi	ASTM E8
Dehnung	Geglüht	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
Härte (Rockwell C)	Abgeschreckt & Temperiert	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
Schlagfestigkeit	-40°C	27 J	20 ft-lbf	ASTM E23

Die mechanischen Eigenschaften des 5115 Stahls machen ihn geeignet für Anwendungen, die hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern. Seine Zugfestigkeit und Streckgrenze zeigen seine Fähigkeit, signifikante Lasten zu tragen, während der Prozentsatz an Dehnung auf eine gute Duktilität hinweist, die eine Verformung ohne Bruch erlaubt.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Wert (metrisch - SI-Einheiten)	Wert (imperiale Einheiten)
Dichte	-	7,85 g/cm³	0,284 lb/in³
Schmelzpunkt	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Wärmeleitfähigkeit	20°C	45 W/m·K	31 BTU·in/(hr·ft²·°F)
spezifische Wärmekapazität	-	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Elektrische Widerstandsfähigkeit	-	0,00065 Ω·m	0,0004 Ω·in

Die Dichte von 5115 Stahl zeigt seine Masse pro Volumeneinheit an, was für gewichts-empfindliche Anwendungen entscheidend ist. Der Schmelzpunkt ist signifikant für Prozesse, die hohe Temperaturen beinhalten, während Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität für Anwendungen, die eine Wärmeübertragung erfordern, wichtig sind.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosives Medium	Konzentration (%)	Temperatur (°C/°F)	Widerstandsbewertung	Hinweise
Chloride	3-5%	25°C/77°F	Ausreichend	Risiko der Lochfraßkorrosion
Schwefelsäure	10%	20°C/68°F	Schlecht	Nicht empfohlen
Meersalz	-	25°C/77°F	Ausreichend	Moderate Beständigkeit

5115 Stahl weist eine moderate Korrosionsbeständigkeit auf, insbesondere in Umgebungen mit Chloriden, wo er anfällig für Lochfraß sein kann. Im Vergleich zu Edelstahl, wie 304 oder 316, ist die Beständigkeit von 5115 Stahl begrenzt, was ihn weniger geeignet für stark korrosive Umgebungen macht.

Im Vergleich bietet Edelstahl 304 hervorragende Beständigkeit gegen eine Vielzahl von korrosiven Medien, während Edelstahl 316 aufgrund seines Molybdängehalts überlegene Beständigkeit bietet, was die Leistung in chloridhaltigen Umgebungen verbessert.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenze	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Bemerkungen
Maximale Dauerbetriebstemperatur	400°C	752°F	Geeignet für Hochtemperaturanwendungen
Maximale intermittierende Betriebstemperatur	500°C	932°F	Nur kurzfristige Exposition
Skalierungstemperatur	600°C	1112°F	Risiko der Oxidation bei erhöhten Temperaturen

Bei erhöhten Temperaturen behält 5115 Stahl seine Festigkeit und Zähigkeit, wodurch er für Anwendungen, die Wärme beinhalten, geeignet ist. Längere Exposition gegenüber Temperaturen über 400°C kann jedoch zu Oxidation und Skalierung führen, was seine Integrität beeinträchtigen kann.

Bearbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißprozess	Empf. Füllmetall (AWS-Klassifikation)	Typisches Schutzgas/Flux	Hinweise
MIG	ER70S-6	Argon + CO2	Vorgeheizt empfohlen
TIG	ER80S-Ni	Argon	Erfordert Wärmebehandlung nach dem Schweißen

Die Schweißbarkeit von 5115 Stahl ist mäßig; es erfordert eine Vorwärmung, um das Risiko von Rissbildung zu minimieren. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist oft notwendig, um Spannungen abzubauen und die Zähigkeit in der Schweißzone zu verbessern.

Zerspanbarkeit

Zerspanungsparameter	5115 Stahl	AISI 1212	Hinweise/Tipps
Relativer Zerspanungsindex	60	100	5115 ist weniger zerspanbar als 1212
Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen)	30 m/min	50 m/min	Werkzeuge anpassen für bessere Leistung

Die Zerspanbarkeit von 5115 Stahl ist mäßig; es erfordert geeignete Werkzeuge und Schnittgeschwindigkeiten, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Der relative Zerspanungsindex zeigt an, dass er weniger zerspanbar ist als AISI 1212, das für seine hervorragende Zerspanbarkeit bekannt ist.

Formbarkeit

5115 Stahl zeigt eine gute Formbarkeit, die kalte und warme Umformungsprozesse ermöglicht. Er kann gebogen und geformt werden, ohne signifikantes Risiko von Rissbildung, obwohl darauf geachtet werden muss, übermäßige Verfestigung zu vermeiden.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C/°F)	Typische Haltezeit	Kühlmethode	Primäres Ziel / Erwartetes Ergebnis
Glühen	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 Stunden	Luft	Weichmachen, Verbesserung der Duktilität
Abschrecken	800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F	30 Minuten	Öl oder Wasser	Härten
Tempern	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 Stunde	Luft	Reduzierung der Sprödigkeit, Verbesserung der Zähigkeit

Die Wärmebehandlungsprozesse beeinflussen erheblich die Mikrostruktur und Eigenschaften des 5115 Stahls. Abschrecken erhöht die Härte, während Tempern die Sprödigkeit reduziert, was zu einer ausgewogenen Kombination von Festigkeit und Zähigkeit führt.

Typische Anwendungen und Endverwendungen

Industrie/Sektor	Beispiel für spezifische Anwendung	Wichtige Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden	Grund für die Auswahl (kurz)
Automobil	Zahnräder	Hohe Festigkeit, Zähigkeit	Erforderlich für dynamische Lasten
Maschinenbau	Wellen	Gute Verschleißfestigkeit, Härtbarkeit	Wesentlich für Haltbarkeit
Luftfahrt	Landefußkomponenten	Hohe Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit	Kritisch für die Sicherheit

Weitere Anwendungen umfassen:
- Bau: Strukturkomponenten, die hohe Festigkeit erfordern.
- Öl und Gas: Geräte, die hohen Belastungen und Verschleiß ausgesetzt sind.

5115 Stahl wird für diese Anwendungen gewählt aufgrund seiner günstigen mechanischen Eigenschaften, die die notwendige Festigkeit und Haltbarkeit für Komponenten bieten, die dynamischen Lasten und rauen Umgebungen ausgesetzt sind.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Erkenntnisse

Merkmal/Eigenschaft	5115 Stahl	AISI 4140	AISI 5160	Kurze Pro-/Contra- oder Abwägungsnotiz
Wesentliche mechanische Eigenschaft	Hohe Festigkeit	Höhere Zähigkeit	Bessere Ermüdungsbeständigkeit	5115 ist stark, aber weniger zäh als 4140
Wesentliches Korrosionsaspekt	Moderat beständig	Schlecht	Ausreichend	5115 ist besser als 4140, aber nicht so gut wie Edelstahl
Schweißbarkeit	Moderat	Gut	Schlecht	5115 erfordert Sorgfalt beim Schweißen
Zerspanbarkeit	Moderat	Gut	Ausreichend	5115 ist weniger zerspanbar als 4140
Formbarkeit	Gut	Ausreichend	Gut	5115 kann leicht geformt werden
Ungefährer relativer Preis	Moderat	Moderat	Höher	Kosteneffektiv für viele Anwendungen
Typische Verfügbarkeit	Gewöhnlich	Gewöhnlich	Weniger gewöhnlich	5115 ist weit verbreitet verfügbar

Bei der Auswahl von 5115 Stahl sind Überlegungen zu seinen mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Bearbeitungseigenschaften wichtig. Er ist eine kosteneffektive Option für Anwendungen, die hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern, obwohl seine moderate Schweißbarkeit und Zerspanbarkeit berücksichtigt werden sollten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 5115 Stahl ein vielseitiger mittelkohlenstoffhaltiger legierter Stahl ist, der Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit ausbalanciert, was ihn für eine breite Palette von Ingenieuranwendungen geeignet macht. Seine Eigenschaften können durch Wärmebehandlung angepasst werden, und obwohl er im Vergleich zu Edelstählen Einschränkungen in der Korrosionsbeständigkeit aufweist, bleibt er eine beliebte Wahl in verschiedenen Industrien.