Baustahl
Inhaltsverzeichnis
Legierte Baustähle sind für Maschinen- und Anlagenbauteile ausgelegt, die unter den für die Strukturmechanik typischen Betriebsbedingungen arbeiten. Gemeint sind Temperaturbereiche etwa zwischen −40 °C und 300 °C sowie Umgebungen ohne ausgeprägte chemische Aggressivität. In solchen Anwendungen dominiert die mechanische Beanspruchung. Korrosions- oder Hochtemperaturbeständigkeit steht dagegen nicht im Vordergrund. Entsprechend richtet sich die Werkstoffwahl weniger nach „Spezialwirkungen“ als nach einem belastbaren Bündel mechanischer Kennwerte.
Im Zentrum steht meist nicht die Zugfestigkeit als Spitzenwert, sondern eine hohe Streckgrenze. Sie entscheidet, ob ein Bauteil unter Betriebsbelastung dauerhaft verformt oder seine Form stabil hält. Dazu kommt: Reale Bauteile werden selten rein statisch beansprucht. Lastwechsel, Stöße und Schwingungen gehören zur Praxis. Deshalb gewinnen Ermüdungsfestigkeit und Widerstand gegen Sprödbruch erhebliches Gewicht.
Für die Auslegung ist insbesondere die Duktil-Spröd-Übergangstemperatur (Tpk) relevant. Sinkt die Temperatur, kann sich das Bruchverhalten von Stahl spürbar in Richtung Sprödigkeit verschieben. Kerben, Querschnittssprünge oder Oberflächenfehler, die bei höheren Temperaturen tolerierbar wären, werden dann zu gefährlichen Spannungskonzentratoren. Bei Bauteilen mit Reibbeanspruchung, Gleit- oder Rollkontakten rückt ein weiterer Zielkonflikt in den Fokus: Eine hohe Oberflächenhärte ist nötig, der Kern soll zugleich zäh und rissunempfindlich bleiben. Technisch wird das meist über eine harte Randschicht bei duktiler Kernzone gelöst.
An dieser Stelle zeigt sich der Vorteil legierter Baustähle gegenüber unlegierten Kohlenstoffstählen besonders deutlich. Kohlenstoffstahl kann nach dem Härten hohe Härten erreichen, scheitert jedoch häufig an der begrenzten Härtbarkeit. Ab einem größeren Querschnitt, als grober Richtwert werden etwa 25 mm genannt, lässt sich der gehärtete Zustand nicht mehr gleichmäßig durch den gesamten Querschnitt einstellen. Nach dem Anlassen entsteht dann ein Bauteil mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften zwischen Rand und Kern. Unter dynamischer Belastung ist diese Inhomogenität oft ein Nachteil. Legierungszusätze verschieben die Umwandlungsvorgänge so, dass sich über größere Querschnitte hinweg ein berechenbareres, gleichmäßigeres Eigenschaftsprofil einstellen lässt.
Warum Legieren wirkt
Bei Baustählen entfaltet Legierung ihre Wirkung vor allem über die Kinetik der Austenitumwandlung. Damit steuert sie die Gefügebildung beim Abkühlen und am Ende die Eigenschaften. Der wichtigste praktische Effekt ist die erhöhte Härtbarkeit, also die Fähigkeit, härtende Gefügeanteile wie Martensit oder Bainit nicht nur an der Oberfläche, sondern auch in der Tiefe zu erzeugen.
Das hat zwei unmittelbare Konsequenzen. Erstens lassen sich größere Querschnitte in milderen Kühlmedien härten, etwa in Öl statt in Wasser. Das reduziert Verzug und senkt das Risiko von Abschreckrissen. Zweitens wird eine echte Durchhärtung möglich: Nach dem Abschrecken und Anlassen entstehen Kern- und Randwerte, die über den Querschnitt deutlich konsistenter sind als bei vergleichbaren Kohlenstoffstählen.
Ein zweiter Hebel liegt in der Gefügefeinung und im Verhalten beim Anlassen. Eine feinere Umwandlungsstruktur aus unterkühltem Austenit führt in der Regel zu höherer Festigkeit bei zugleich besserer Bruchfestigkeit. Viele Legierungselemente verzögern außerdem Erweichungsprozesse beim Tempern oder verschieben sie in höhere Temperaturbereiche. Das ist im Maschinenbau entscheidend, weil selten „maximale Härte“ gefragt ist. Benötigt wird ein stabiler, dauerhafter Kompromiss aus hoher Streckgrenze, ausreichender Zähigkeit und zuverlässiger Eigenschaftsstabilität.
Deshalb werden legierte Baustähle meist im gezielt wärmebehandelten Zustand eingesetzt. Die chemische Analyse allein macht noch keinen verlässlichen Werkstoff. In der Praxis wird das gesamte System ausgelegt: Stahlauswahl, Verfahren (Normalisieren, Vergüten, Aufkohlen, Nitrieren, Oberflächenhärten) und die konkrete Prozessführung von Austenitisierung, Abschrecken und Anlassen. Erst diese Kette übersetzt Legierung in kontrollierte Mikrostruktur.
Niedriglegierte Stähle mit erhöhter Festigkeit
Niedriglegierte höherfeste Baustähle, häufig im normalisierten Zustand eingesetzt, müssen zwei Anforderungen gleichzeitig erfüllen: erhöhte Streckgrenze und gute Schweißbarkeit. Um die Schweißbarkeit zu sichern, bleibt der Kohlenstoffgehalt begrenzt, typischerweise bis etwa 0,22 % C. Der Festigkeitsgewinn wird also nicht über „mehr Kohlenstoff“ erkauft, sondern über Gefügekonstruktion und moderate Legierungszusätze.
Im normalisierten Zustand treten zwei grundlegende Gefügetypen auf. Der erste Typ sind ferritisch-perlitische Stähle. Legierungselemente liegen dabei teils in fester Lösung im Ferrit, teils wirken sie über den Perlit, etwa durch Beteiligung an Karbiden oder durch Gefügefeinung. Die höhere Festigkeit gegenüber unlegierten Stählen ähnlichen Kohlenstoffgehalts entsteht aus Lösungshärtung, aus einem begünstigten Anteil härterer Gefügebestandteile und aus Kornverfeinerung. Typische Zusätze sind Mangan, Kupfer, Silizium und Aluminium, in Varianten auch Vanadium oder Niob. Als grobe Orientierungsbereiche werden beispielsweise für Mangan etwa 1,0–1,8 % und für Silizium etwa 0,20–0,60 % genannt.
Der zweite Typ sind bainitische Stähle, die bereits nach Normalisieren bainitische Anteile aufweisen können. Möglich wird das durch Zusätze, die diffusiv gesteuerte Umwandlungen verzögern und die Bainitbildung beim Abkühlen begünstigen. Hier kommen geringe Mengen Molybdän oder Bor in Betracht, ergänzt durch Elemente wie Mangan oder Chrom, die die Umwandlungskinetik weiter verschieben. Damit lassen sich in Einzelfällen selbst bei Luftabkühlung sehr hohe Festigkeiten erreichen, genannt werden Größenordnungen um 1100–1200 MPa. Das Prinzip bleibt gleich: niedriger Kohlenstoff hält die Schweißbarkeit stabil, die Festigkeit entsteht aus einer gezielt unterstützten Normalisiergefügestruktur.
Stähle zum Aufkohlen und Oberflächenhärten
Aufkohlungsstähle werden für Bauteile gewählt, die eine sehr harte Randschicht benötigen, während der Kern zäh und rissunempfindlich bleiben soll. Entsprechend liegt der Kohlenstoffgehalt im Grundwerkstoff niedrig, häufig etwa zwischen 0,14 und 0,25 % C. Der Kern bleibt damit vergleichsweise duktil, die hohe Härte entsteht erst in der Randzone, in die beim Aufkohlen Kohlenstoff eingebracht wird und die anschließend gehärtet wird.
Grundsätzlich lassen sich auch Kohlenstoffstähle aufkohlen. Das ist jedoch vor allem bei kleinen Bauteilen oder dort sinnvoll, wo primär Verschleißwiderstand zählt und keine hohe Kernfestigkeit gefordert ist. Bei größeren Querschnitten liefert unlegierter Stahl zwar eine harte Oberfläche, der Kern erreicht aber mangels Härtbarkeit nicht das gewünschte Festigkeitsniveau. Zudem erfordert die Schichthärtung häufig aggressivere Abschreckbedingungen, was Verzug und Rissgefahr erhöht.
In der Praxis dominieren deshalb legierte Aufkohlungsstähle. Legierungszusätze erhöhen die Härtbarkeit der Randschicht und ermöglichen gleichzeitig bessere Kerneigenschaften, oft bei Ölhärtung. Dabei gilt eine wichtige Grenze: Zu hohe Legierungsgrade, insbesondere in Kombination mit erhöhtem Kohlenstoff in der Randschicht, können den Anteil an Restaustenit begünstigen. Das kann die erreichbare Randschichthärte senken. Aufkohlen ist daher kein Wettbewerb um maximale Legierung, sondern eine Frage der abgestimmten Zusammensetzung.
Chrom spielt in dieser Werkstoffgruppe eine Schlüsselrolle und ist in vielen Aufkohlungsstählen enthalten, häufig in der Größenordnung von 1–2 %. Es erhöht die Härtbarkeit und erleichtert die Ausbildung einer harten Randschicht auch bei Ölkühlung. Nickel verbessert zusätzlich Härtbarkeit und Kerneigenschaften, weshalb hochbeanspruchte Bauteile oft aus Chrom-Nickel-Stählen gefertigt werden. Gleichzeitig bleibt Nickel ein knapper und kostenrelevanter Zusatz. Sein Einsatz sollte technisch begründet sein, nicht routinemäßig. Manganbasierte Konzepte sind ebenfalls verbreitet, verlangen aber eine sorgfältige Kontrolle unerwünschter Effekte, etwa im Zusammenhang mit Kornverhalten. Zusätze wie Molybdän oder Titan werden häufig genutzt, um die Eigenschaftsstabilität zu verbessern und das Gefüge zu verfeinern.
Stähle für die Oberflächenhärtung folgen einer verwandten Logik, nur ohne Kohlenstoffanreicherung durch Aufkohlung. Ziel ist eine harte Oberfläche bei tragfähigem, zähem Kern. Typisch sind Kohlenstoffgehalte um 0,4–0,6 % C. Steigen die Anforderungen an die Kerneigenschaften, vor allem bei größeren Querschnitten, wird in der Praxis häufig zuerst das gesamte Bauteil vergütet und erst danach die Oberflächenhärtung durchgeführt.
Stähle für die Wärmebehandlung und Spezialgruppen
Vergütungsstähle sind darauf ausgelegt, nach Härten und Anlassen einen besonders günstigen Eigenschaftskompromiss zu liefern: hohe Festigkeit und Streckgrenze bei zugleich ausreichender Duktilität und Schlagzähigkeit. Das Vergüten erzeugt temperierte Martensit- beziehungsweise Sorbitgefüge und ist eine der zentralen Routen zu hochbelastbaren Maschinenbauteilen. Typische Anlasstemperaturen liegen häufig zwischen etwa 500 und 700 °C. Genannt werden erreichbare Bereiche von Rm etwa 750–1500 MPa und Re etwa 550–1350 MPa. Ein entscheidender Vorteil legierter Stähle ist dabei die Durchhärtbarkeit auch bei größeren Querschnitten. Unlegierte Kohlenstoffstähle stoßen hier oft bereits bei etwa 20–25 mm an Grenzen.
Die Parameterwahl erfolgt nicht schematisch. Anlasstemperatur und Haltezeit steuern den Zielkonflikt: Höhere Temperaturen erhöhen meist Zähigkeit und Duktilität, senken aber Festigkeit. Niedrigere Temperaturen sichern höhere Festigkeiten, erhöhen jedoch die Riss- und Sprödbruchanfälligkeit. Dazu kommt das Risiko der Anlassversprödung, die sich in bestimmten Temperaturbereichen durch abfallende Schlagzähigkeit bemerkbar machen kann. Beschrieben werden ein Einbruch um etwa 300 °C sowie ein weiterer oberhalb von 500 °C. Im letzteren Fall spielt die Abkühlung nach dem Anlassen eine Rolle: Schnelles Abkühlen, etwa in Wasser oder Öl, kann die ungünstigen Effekte gegenüber langsamer Abkühlung verringern. Damit wird klar: Nicht nur die Temperatur zählt, sondern die gesamte Prozessführung.
Bei der Legierung dieser Stähle sind Chrom, Molybdän und Nickel besonders wichtig. Chrom erhöht die Härtbarkeit und beeinflusst das Anlasverhalten. Molybdän steigert die Härtbarkeit und kann bestimmte nachteilige Effekte, darunter Zähigkeitsverluste in kritischen Anlassbereichen, mindern. Nickel ist häufig der wertvollste Zusatz, weil es Härtbarkeit und Zähigkeit verbessert und zugleich die Duktil-Spröd-Übergangstemperatur senken kann, was für den Betrieb bei tieferen Temperaturen relevant ist. Chrom-Nickel-Stähle gehören damit zu den leistungsfähigsten Vergütungsstählen, verlangen aber eine saubere Prozesskontrolle, weshalb Molybdän und mitunter Vanadium ergänzend eingesetzt werden.
Neben diesen Hauptgruppen existieren Spezialstähle mit klarer Funktionsausrichtung. Nitrierstähle werden so ausgewählt, dass sich eine harte Nitridschicht ausbildet. Dafür sind Zusätze wie Aluminium, Chrom und Molybdän geeignet. Dem Nitrieren geht meist eine Wärmebehandlung voraus, wobei die Anlasstemperatur über der späteren Nitriertemperatur liegen muss. Nur so bleibt der Kern während des Nitrierens gefügestabil. Federstähle zielen auf hohe Elastizitätsgrenze und lange Ermüdungslebensdauer. Silizium ist hier besonders wirksam, und die Oberflächenqualität entscheidet mit. Oxidation und Entkohlung können die Ermüdungsfestigkeit drastisch verschlechtern. Lagerstähle müssen sehr hohe Härte sowie Widerstand gegen Verschleiß und Kontaktdruck bieten. Typisch sind hochgekohlte, hochchromhaltige Stähle, verarbeitet über Ölhärten und niedriges Anlassen, etwa um 180 °C, um feine Karbide in einem geeigneten Grundgefüge zu sichern.
Erwähnenswert sind auch Sonderkonzepte, die trotz ihres Spezialcharakters strukturelle Anwendungen adressieren. Maraging-Stähle, eisenbasierte Nickellegierungen, liefern nach dem Härten zunächst einen vergleichsweise duktilen Martensit und erreichen die hohe Festigkeit erst durch Auslagern, wenn intermetallische Ausscheidungen entstehen. Das ermöglicht außergewöhnliche Kennwerte, bleibt aber kostenintensiv. Thermomechanische Routen kombinieren Umformen im Austenitbereich mit anschließender Härtung. Martensit „erbt“ dabei eine hohe Versetzungsdichte und feine Fragmentierung, was Festigkeit deutlich steigern kann, allerdings oft zulasten der Zerspanbarkeit.
Legierte Baustähle: Zusammenfassung
Legierte Baustähle werden eingesetzt, wenn unter typischen Betriebsbedingungen reproduzierbare, sichere mechanische Eigenschaften gefordert sind, auch bei wechselnder Belastung. Gegenüber Kohlenstoffstählen liegt ihr Hauptvorteil in der deutlich höheren Härtbarkeit. Dadurch lassen sich größere Querschnitte gezielt einstellen, häufig mit milderen Abschreckmedien und damit geringerem Risiko von Rissbildung und Verzug.
In der Praxis bedeutet Werkstoffwahl hier immer Systemwahl: Zusammensetzung, Wärmebehandlungsroute und Prozessparameter müssen zusammenpassen. Erst diese Kombination formt die Mikrostruktur, und die Mikrostruktur entscheidet über die Eigenschaften.
Innerhalb der Gruppe stechen mehrere Familien hervor: niedriglegierte normalisierte Stähle, bei denen Schweißbarkeit und Streckgrenze im Vordergrund stehen; Aufkohlungs- und Oberflächenhärtungsstähle, bei denen Randschichthärte und zäher Kern gezielt kombiniert werden müssen, einschließlich Kontrolle von Restaustenit; Vergütungsstähle, bei denen die bewusst gewählte Anlasstufe den Eigenschaftskompromiss festlegt und Anlassversprödung mitgedacht werden muss; schließlich Spezialgruppen wie Nitrier-, Feder- und Lagerstähle, die jeweils über spezifische Gefügezustände und Randzonenmechanismen funktionieren.
