Hochfeste niedriglegierte Stähle (HSLA) – Definition, Klassifikationen
Niedriglegierter, Hochfester Stahl (HSLA) ist ein Stahlsorte mit einem hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. Im Vergleich zu Kohlenstoffstahlsorten weisen HSLA-Stähle eine bessere Korrosionsbeständigkeit sowie bessere mechanische Eigenschaften auf. HSLA-Stahlsorten werden nicht durch die Legierungselemente oder die Zusammensetzung definiert. Vielmehr bestimmt die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch eine Veränderung der Mikrostruktur, ob ein Metall zu den HSLA-Stählen gezählt werden kann.
Was ist hochfester, niedriglegierter Stahl?
Der Werkstoff weist im Vergleich zu Kohlenstoffstahl bessere mechanische Eigenschaften auf. Im Allgemeinen wird die Korngröße reduziert, um die Perlitstruktur zu verringern. Die Kornverfeinerung führt zu einer höheren Streckgrenze, daraus folgt ist eine höhere Festigkeit. Typische Elemente, die zu diesem Zweck hinzugefügt werden, sind Titan, Kupfer, Niob und Vanadium. Der Kohlenstoffgehalt von HSLA-Stahlsorten kann zwischen 0,05 und 0,25 % (Massengehalt) liegen, um die Umformbarkeit und Schweißbarkeit zu erhalten.
Verschiedene Legierungselemente können hinzugefügt werden, um verschiedene Effekte zu erzielen, die über die reine Verstärkung hinausgehen. Zum Beispiel kann Stickstoff hinzugefügt werden, um den Verschleißschutz und die Beständigkeit gegen lokale Korrosion zu verbessern. Zu den weiteren Elementen gehören unter anderem Nickel, Chrom, Molybdän und Kalzium. Da es sich jedoch um niedrig legierte Stähle handelt, überschreitet die Gesamtmenge der Legierungselemente (ohne Kohlenstoff) nicht den Grenzwert von 2 % des Massengehalts.
Aufgrund seines veränderten Mikrogefüges rostet HSLA-Material wegen seiner Ferritstruktur nicht so schnell wie Kohlenstoffstahl. Das bedeutet jedoch nicht, dass das Metall überhaupt nicht rosten kann. Die Verhinderung von Rost bzw. dessen Ausbreitung kann durch die Verwendung bestimmter Legierungselemente, wie z. B. Chrom, beeinflusst werden, das anstelle von Eisenoxid eine Schutzschicht aus Chromoxiden bildet.
Klassifizierungen
Mikrolegierte Stähle
Mikrolegierte Stähle enthalten sehr geringe Mengen an Legierungselementen (0,05 – 0,15 %), das heißt, sie sind sehr niedrig legiert. Ohne jegliche Wärmebehandlung beträgt ihre Streckgrenze nur 500 bis 750 MPa, was der Streckgrenze von Kohlenstoffstahl (415 MPa) nahekommt. Die Schweißbarkeit kann durch eine Reduzierung des Kohlenstoffgehalts auf 0,05 % verbessert werden. Mikrolegierte Stahlsorten können kalt- oder warmverformt werden, um eine höhere Duktilität und mechanische Festigkeit zu erreichen. Der Vorteil ist, dass das Material nicht zur Rissbildung durch Abschrecken neigt und auch nicht gerichtet werden muss.
Verwitternde Stähle
Verwitternde Stähle sind hochfeste, niedriglegierte Stähle, die im Vergleich zu anderen Sorten für ihre hohe Korrosions- und Abriebfestigkeit bekannt sind. Diese Sorte bildet zum Schutz vor Witterungseinflüssen eine Schicht auf ihrer Oberfläche. Diese Schutzschicht entsteht durch verschiedene Legierungselemente: Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom, Kupfer, Vanadium und Nickel.
Der Grund für die hohe Korrosionsbeständigkeit dieser Sorten liegt nicht darin, dass sie nicht rosten. Ganz im Gegenteil, das Metall muss rosten, um seine Schutzschicht zu bilden. Kohlenstoffstähle bilden an ihrer Oberfläche Eisenoxide, die sich nicht nur an der Oberfläche ausbreiten, sondern auch Kavitation verursachen können, was bedeutet, dass die Oxidation tiefer in das Material eindringen kann. Die Legierungselemente solcher Werkstoffe hingegen bilden starke Oxide (Rost) an der Oberfläche, die eine tiefere Korrosion verhindern. Dies ist auch der Grund, warum diese Stähle an ihrer rostigen Farbe zu erkennen sind.
Perlitreduzierte Stähle
Perlit bezieht sich auf die atomare Struktur von Werkstoffen. Sie besteht aus abwechselnden Streifen von Ferrit (kubisch-raumzentrierte Struktur) und Zementit (orthorhombische Struktur). Perlitische Stähle sind für ihre besondere Härte und hohe Streckgrenze bekannt. Um ein vollständig perlitisches Gefüge zu bilden, muss der Kohlenstoffgehalt mindestens 0,8 % betragen. Aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts sind perlitische Stähle anfälliger für abrasiven Verschleiß und Schnittkräfte. Perlitreduzierte Sorten zielen darauf ab, diese mechanischen Eigenschaften durch die Herstellung von Feinkornferriten zu verbessern. Daher gibt es nur wenig oder gar kein Perlit im Gefüge.
Dualphasenstähle
Dualphasenstähle haben ein ferritisch-martensitisches Gefüge. Daher haben sie eine hohe Zugfestigkeit und eine niedrige Anfangsstreckspannung. Außerdem sind sie verformbarer als mikrolegierte Stähle und weisen eine hohe Ermüdungsbeständigkeit auf. Darüber hinaus sind sie desoxidiert, d. h. der gesamte Sauerstoff wird dem Material während des Produktionsprozesses entzogen, wodurch die Gasporosität stark reduziert wird. Dualphasenstähle werden häufig für Automobilteile wie z. B. Räder verwendet.
Verbesserung von Kohlenstoffstahl auf die Eigenschaften von HSLA Sorten
HSLA-Stähle weisen im Vergleich zu einfachem Kohlenstoffstahl bessere mechanische Eigenschaften auf. Ihre Eigenschaften können jedoch durch eine Borocoat®-Behandlung auf das Niveau von HSLA-Stählen gebracht oder sogar übertroffen werden. Unser Borierungsverfahren verbessert die Oberflächenhärte selbst bei unlegierten Stählen und kann eine höhere Korrosions- und hervorragende Verschleißfestigkeit bieten.
