Hypereutektoider Stahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen

Hypereutektischer Stahl ist eine spezifische Kategorie von Kohlenstoffstahl, die durch ihren Kohlenstoffgehalt gekennzeichnet ist, der 0,76 % des Gewichts überschreitet. Diese Klassifizierung platziert ihn über der eutektischen Zusammensetzung im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm und führt zu unterschiedlichen mikrostrukturellen Merkmalen und mechanischen Eigenschaften. Das hauptsächliche Legierungselement im hypereutektischen Stahl ist Kohlenstoff, der maßgeblich seine Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit beeinflusst. Neben Kohlenstoff können auch andere Legierungselemente wie Mangan, Chrom und Molybdän vorhanden sein, die spezifische Eigenschaften wie Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbessern.

Umfassender Überblick

Hypereutektische Stähle sind bekannt für ihre hohe Härte und Festigkeit aufgrund der Anwesenheit von Zementit (Fe₃C) in ihrer Mikrostruktur. Bei Abkühlung von der Austenitisierungstemperatur bilden diese Stähle eine Mischung aus Perliten und Zementit, was zu einer Mikrostruktur führt, die härter und verschleißfester ist als niedrig legierte Stähle.

Vorteile:
- Hohe Härte und Verschleißfestigkeit: Der erhöhte Kohlenstoffgehalt führt zu einem höheren Volumenanteil an Zementit, was zu überlegener Härte und Verschleißfestigkeit beiträgt.
- Verbesserte Festigkeit: Diese Stähle weisen im Vergleich zu niedrig legierten Stählen eine höhere Zug- und Streckgrenze auf, was sie für Anwendungen mit hohen Belastungen geeignet macht.

Einschränkungen:
- Brittle: Der hohe Kohlenstoffgehalt kann zu Sprödigkeit führen, insbesondere in dickeren Bereichen, was ihre Verwendung in bestimmten Anwendungen einschränken kann.
- Erschwerte Bearbeitbarkeit: Die Härte von hypereutektischen Stählen kann die Bearbeitungsprozesse erschweren, was spezielle Werkzeuge und Techniken erfordert.

Historisch wurden hypereutektische Stähle in Anwendungen eingesetzt, in denen eine hohe Verschleißfestigkeit entscheidend ist, wie zum Beispiel bei Schneidwerkzeugen, Stanzwerkzeugen und hochfesten Bauteilen. Ihre Marktposition ist gut etabliert, insbesondere in Branchen, die Hochleistungsmaterialien verlangen.

Alternative Namen, Standards und Äquivalente

Standardorganisation	Bezeichnung/Grad	Land/Region	Hinweise/Anmerkungen
UNS	G10500	USA	Nächstes Äquivalent zu AISI 1095
AISI/SAE	1095	USA	Hoher Kohlenstoffgehalt, verwendet in Werkzeugstählen
ASTM	A681	USA	Spezifikation für hochlegierte Stähle
EN	1.3505	Europa	Ähnliche Eigenschaften wie AISI 1095
JIS	S58C	Japan	Geringfügige Zusammensetzungsunterschiede beachten
ISO	1050	International	Allgemeine Spezifikation für hochlegierte Stähle

Die Unterschiede zwischen diesen Grades liegen oft in ihren spezifischen Legierungselementen und mechanischen Eigenschaften, die ihre Leistung in verschiedenen Anwendungen beeinflussen können. Zum Beispiel, während AISI 1095 und EN 1.3505 hinsichtlich des Kohlenstoffgehalts ähnlich sind, können ihre Legierungselemente zu Variationen in Zähigkeit und Bearbeitbarkeit führen.

Wesentliche Eigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol und Name)	Prozentsatzbereich (%)
C (Kohlenstoff)	0,76 - 1,4
Mn (Mangan)	0,3 - 1,0
Si (Silizium)	0,1 - 0,4
Cr (Chrom)	0,0 - 0,5
Mo (Molybdän)	0,0 - 0,3
P (Phosphor)	≤ 0,04
S (Schwefel)	≤ 0,05

Die Hauptrolle des Kohlenstoffs im hypereutektischen Stahl ist die Erhöhung von Härte und Festigkeit durch die Bildung von Zementit. Mangan verbessert die Härtemachbarkeit und Zähigkeit, während Chrom und Molybdän die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, respectively, verbessern.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Testtemperatur	Typischer Wert/Bereich (Metrisch)	Typischer Wert/Bereich (Imperial)	Referenzstandard für Testmethode
Zugfestigkeit	Angelassen	Raumtemperatur	600 - 900 MPa	87 - 130 ksi	ASTM E8
Streckgrenze (0,2 % Offset)	Angelassen	Raumtemperatur	400 - 700 MPa	58 - 102 ksi	ASTM E8
Dehnung	Angelassen	Raumtemperatur	10 - 20 %	10 - 20 %	ASTM E8
Härte (Rockwell C)	Abgeschreckt & Gehärtet	Raumtemperatur	55 - 65 HRC	55 - 65 HRC	ASTM E18
Schlagfestigkeit	Abgeschreckt & Gehärtet	-20 °C	20 - 50 J	15 - 37 ft-lbf	ASTM E23

Die Kombination aus hoher Zug- und Streckgrenze sowie beträchtlicher Härte macht hypereutektischen Stahl für Anwendungen geeignet, die hohe mechanische Belastungen und strukturelle Integrität erfordern. Die niedrigeren Dehnungswerte weisen jedoch auf eine Tendenz zur Sprödigkeit hin, die bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Wert (Metrisch)	Wert (Imperial)
Dichte	-	7,85 g/cm³	0,284 lb/in³
Schmelzpunkt	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Wärmeleitfähigkeit	Raumtemperatur	45 W/m·K	31 BTU·in/h·ft²·°F
Spezifische Wärmekapazität	Raumtemperatur	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Elektrischer Widerstand	Raumtemperatur	0,0006 Ω·m	0,00002 Ω·in

Die Dichte und der Schmelzpunkt von hypereutektischem Stahl zeigen seine Robustheit, während Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität entscheidend für Anwendungen mit thermischer Zyklen sind. Der elektrische Widerstand ist relativ niedrig, was ihn für Anwendungen geeignet macht, in denen elektrische Leitfähigkeit erforderlich ist.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosives Agens	Konzentration (%)	Temperatur (°C)	Widerstandswertung	Hinweise
Chloride	3 - 10	20 - 60	Ausreichend	Risiko von Lochfraß
Schwefelsäure	10 - 30	25 - 50	Schlecht	Nicht empfohlen
Natronlauge	1 - 5	20 - 40	Gut	Moderate Widerstand
Atmosphärisch	-	-	Ausreichend	Anfällig für Rostbildung

Hypereutektischer Stahl weist eine moderate Korrosionsbeständigkeit auf, insbesondere in Umgebungen mit Chloriden und Säuren. Er ist anfällig für Lochfraß, insbesondere unter salzhaltigen Bedingungen. Im Vergleich zu niedrig legierten Stählen bietet er eine bessere Verschleißfestigkeit, könnte jedoch in korrosiven Umgebungen nicht so gut abschneiden wie rostfreie Stähle oder legierte Stähle, die für Korrosionsbeständigkeit entwickelt wurden.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenzwert	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Bemerkungen
Maximale Dauerbetriebstemperatur	400	752	Darüber kann die Stärke abnehmen
Maximale intermittierende Betriebstemperatur	500	932	NUR kurzfristige Exposition
Skalierungstemperatur	600	1112	Oxidationsrisiko über dieser Temperatur
Kriefestigkeitsüberlegungen	300	572	Beginnt signifikant abzunehmen

Bei erhöhten Temperaturen behält hypereutektischer Stahl seine Festigkeit bis zu einem bestimmten Grenzwert, darüber hinaus können Oxidation und Skalierung auftreten. Dies macht ihn geeignet für Anwendungen, in denen hohe Temperaturen intermittierend auftreten, jedoch sollte eine kontinuierliche Exposition vermieden werden, um eine Degradation zu verhindern.

Bearbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißprozess	Empfohlene Füllmetall (AWS-Klassifizierung)	Typisches Schutzgas/Flux	Hinweise
MIG	ER70S-6	Argon/CO₂	Vorwärmen empfohlen
TIG	ER70S-2	Argon	Benötigt eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen
Stab	E7018	-	Nicht für dicke Abschnitte empfohlen

Hypereutektische Stähle können geschweißt werden, aber es muss darauf geachtet werden, die Wärmeeinbringung und die Vorwärmbedingungen zu steuern, um Rissbildungen zu vermeiden. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen ist oft notwendig, um Spannungen abzubauen und die Zähigkeit zu verbessern.

Bearbeitbarkeit

Bearbeitungsparameter	Hypereutektischer Stahl	AISI 1212	Hinweise/Tipps
Relativer Bearbeitungsindex	50	100	Benötigt langsamere Geschwindigkeiten und scharfe Werkzeuge
Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen)	30 m/min	60 m/min	Verwenden Sie Hartmetallwerkzeuge für beste Ergebnisse

Die Bearbeitbarkeit ist aufgrund der Härte von hypereutektischem Stahl eine Herausforderung. Optimale Bedingungen umfassen die Verwendung von scharfen Werkzeugen und niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten, um den Werkzeugverschleiß zu minimieren.

Formbarkeit

Hypereutektische Stähle sind aufgrund ihrer Sprödigkeit weniger für das Kaltformen geeignet. Heißformprozesse können angewendet werden, aber es muss darauf geachtet werden, übermäßiges Verfestigen zu vermeiden. Die Biegeradien sollten größer sein als die für niedriglegierte Stähle verwendeten, um Rissbildungen zu verhindern.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C)	Typische Haltezeit	Kühlmethode	Hauptzweck / Erwartetes Ergebnis
Anlassen	700 - 800	1 - 2 Stunden	Luft	Härte reduzieren, Duktilität verbessern
Abschrecken	800 - 900	30 Minuten	Öl/Wasser	Härte erhöhen
Härten	200 - 600	1 Stunde	Luft	Sprödigkeit reduzieren, Zähigkeit verbessern

Bei der Wärmebehandlung durchläuft hypereutektischer Stahl erhebliche mikrostrukturelle Veränderungen. Abschrecken wandelt Austenit in Martensit um, wodurch die Härte zunimmt, während das Härten die Anpassung von Härte und Zähigkeit ermöglicht, indem ein Teil des Martensits wieder in gehärtete Strukturen umgewandelt wird.

Typische Anwendungen und Endverwendungen

Industrie/Sektor	Beispiel für spezifische Anwendung	Schlüsseleigenschaften des Stahls, die in dieser Anwendung genutzt werden	Grund für die Auswahl
Automobil	Schneidwerkzeuge	Hohe Härte, Verschleißfestigkeit	Für die Dauerhaftigkeit in Schneidanwendungen erforderlich
Fertigung	Stempel und Formen	Hohe Festigkeit, Zähigkeit	Wesentlich für Formungsverfahren
Luftfahrt	Strukturkomponenten	Hohe Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnis	Kritisch für Leistung und Sicherheit
Öl & Gas	Bohrköpfe	Verschleißfestigkeit, Zähigkeit	Benötigt für raue Umgebungen

Weitere Anwendungen umfassen:
* - Hochleistungszahnräder
* - Hochfeste Befestigungen
* - Verschleißfeste Oberflächen

Hypereutektischer Stahl wird für Anwendungen gewählt, die hohe Verschleißfestigkeit und Festigkeit erfordern, insbesondere dort, wo mechanische Lasten erheblich sind.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke

Eigenschaft/Eigenschaft	Hypereutektischer Stahl	AISI 4140	AISI 1045	Kurzfristige Pro/Contra- oder Trade-off-Anmerkung
Wichtigste mechanische Eigenschaft	Hohe Härte	Moderat	Moderat	Hypereutektisch bietet überlegene Härte
Wichtigster Korrosionsaspekt	Ausreichend	Gut	Ausreichend	AISI 4140 hat eine bessere Korrosionsbeständigkeit
Schweißbarkeit	Moderat	Gut	Gut	Hypereutektisch erfordert sorgfältiges Schweißen
Bearbeitbarkeit	Niedrig	Moderat	Hoch	AISI 1045 ist einfacher zu bearbeiten
Formbarkeit	Niedrig	Moderat	Hoch	AISI 1045 ist formbarer
Ungefähre relative Kosten	Moderat	Moderat	Niedrig	Kosten variieren mit Legierungselementen
Typische Verfügbarkeit	Moderat	Hoch	Hoch	AISI 4140 und 1045 sind gängiger

Bei der Auswahl von hypereutektischem Stahl sind Überlegungen wie seine mechanischen Eigenschaften, Kosten-Effektivität und Verfügbarkeit zu berücksichtigen. Während er überlegene Härte und Festigkeit bietet, können seine Sprödigkeit und Herausforderungen in der Bearbeitbarkeit seine Verwendung in bestimmten Anwendungen einschränken. Das Verständnis der Kompromisse mit alternativen Graden ist wesentlich für die optimale Materialauswahl.