Schlüsselmerkmale und Anwendungen von abriebfestem Stahl erklärt

Angesichts von Steinschlägen aus dem Bergbau, der ständigen Reibung von Baumaschinen und den rauen Verschleißherausforderungen in verschiedenen industriellen Umgebungen hat sich eine spezielle Stahlsorte herauskristallisiert – verschleißfester Stahl. Dies ist kein gewöhnlicher Stahl, sondern ein hochfester legierter Stahl, der einer speziellen Verarbeitung unterzogen wird, um eine außergewöhnliche Verschleißfestigkeit zu erreichen. Dieser Artikel befasst sich mit den Arten von verschleißfestem Stahl, seinen Wärmebehandlungsprozessen, Härtenormen und seinen vielfältigen Anwendungen und bietet ein umfassendes Verständnis dieses kritischen Konstruktionswerkstoffs.

Verschleißfester Stahl ist ein hochkohlenstoffhaltiger legierter Stahl, der entwickelt und hergestellt wurde, um Verschleiß und Belastungen standzuhalten. Durch die Anpassung der Legierungszusammensetzungen und der Wärmebehandlungsprozesse erreicht verschleißfester Stahl eine überlegene Härte und Zähigkeit, wodurch die strukturelle Integrität und Funktionalität unter extremen Arbeitsbedingungen erhalten bleiben. Je nach Härtegrad und Anwendungsanforderungen wird verschleißfester Stahl in mehrere Güteklassen eingeteilt, wie z. B. AR200, AR235, AR400, AR450, AR500 und AR600.

Die Einstufung von verschleißfestem Stahl basiert hauptsächlich auf seiner Brinellhärte (BHN). Der Brinellhärte-Test misst die Härte des Materials durch Eindrücken. Eine Stahlkugel einer bestimmten Größe wird in die Oberfläche des Materials gedrückt, und der Durchmesser der Eindrückung wird gemessen, um den Brinellhärtewert zu berechnen. Höhere Werte weisen auf eine größere Härte und Verschleißfestigkeit hin. Im Folgenden sind gängige verschleißfeste Stahlgüten und ihre entsprechenden Brinellhärtebereiche aufgeführt:

Es ist wichtig zu beachten, dass die Härte nicht das alleinige Kriterium für die Verschleißfestigkeit ist. Für praktische Anwendungen sind auch die Berücksichtigung der Zähigkeit des Materials, der Schlagfestigkeit und der Korrosivität der Arbeitsumgebung erforderlich. Daher beinhaltet die Auswahl der geeigneten verschleißfesten Stahlgüte eine umfassende Bewertung dieser Faktoren.

Die außergewöhnlichen Eigenschaften von verschleißfestem Stahl werden durch kritische Wärmebehandlungsprozesse erreicht – Härten und Anlassen. Die Kombination dieser Prozesse verändert die Mikrostruktur des Stahls erheblich und erhöht sowohl die Härte als auch die Zähigkeit.

Beim Härten wird der Stahl über seine kritische Temperatur erhitzt, um ihn zu austenitisieren, gefolgt von einer schnellen Abkühlung (typischerweise mit Wasser, Öl oder Luft), um Austenit in Martensit umzuwandeln. Martensit ist eine extrem harte, aber spröde Struktur. Das Ziel des Härtens ist es, maximale Härte zu erreichen.

• Schritte:
  1. Erhitzen: Der Stahl wird über die Austenitisierungstemperatur erhitzt, in der Regel zwischen 850-950 °C, abhängig von der Zusammensetzung des Stahls und den gewünschten Eigenschaften.
  2. Halten: Der Stahl wird auf der Austenitisierungstemperatur gehalten, um eine gleichmäßige Innentemperatur und eine vollständige Umwandlung zu gewährleisten.
  3. Abkühlen: Der Stahl wird schnell auf Raumtemperatur oder darunter abgekühlt. Die Abkühlgeschwindigkeit hat erhebliche Auswirkungen auf die endgültige Härte und Mikrostruktur. Übliche Kühlmedien sind Wasser, Öl, Salzlake und Luft.

Gehärteter Stahl ist sehr hart, aber auch spröde, was ihn anfällig für Brüche macht. Durch Anlassen wird die Sprödigkeit reduziert und die Zähigkeit verbessert, indem der gehärtete Stahl unterhalb der kritischen Temperatur wiedererhitzt, für eine bestimmte Zeit gehalten und dann abgekühlt wird. Während des Anlassens zersetzt sich Martensit in angelassenen Martensit und Carbide, wodurch die Härte reduziert und gleichzeitig die Zähigkeit erhöht wird.

• Schritte:
  1. Erhitzen: Der gehärtete Stahl wird auf eine Anlasstemperatur erhitzt, typischerweise zwischen 150-650 °C. Höhere Anlasstemperaturen führen zu einer stärkeren Härteabnahme und einer Verbesserung der Zähigkeit.
  2. Halten: Der Stahl wird auf der Anlasstemperatur gehalten, um eine gleichmäßige Innentemperatur und eine vollständige Umwandlung zu gewährleisten.
  3. Abkühlen: Der Stahl wird auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Abkühlgeschwindigkeit hat minimale Auswirkungen auf die endgültigen Eigenschaften, und Luftkühlung wird häufig verwendet.

Durch die Anpassung der Temperatur, der Dauer und der Abkühlgeschwindigkeiten des Härtens und Anlassens kann die Härte und Zähigkeit von verschleißfestem Stahl präzise gesteuert werden, um unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.

Der Brinellhärte-Test ist eine weit verbreitete Methode zur Bewertung der Härte von verschleißfestem Stahl. Die Teststandards werden von ASTM International (American Society for Testing and Materials) festgelegt, insbesondere unter der Spezifikation E10. Diese Norm legt Anforderungen für Testgeräte, -methoden, Probenvorbereitung und Ergebnisberechnungen fest, um die Genauigkeit und Vergleichbarkeit der Testergebnisse zu gewährleisten.

• Testprinzip: Eine gehärtete Stahl- oder Karbidkugel mit einem bestimmten Durchmesser wird mit einer definierten Kraft in die Probenoberfläche gedrückt, für eine festgelegte Zeit gehalten und dann entfernt. Der Eindrückungsdurchmesser wird gemessen, und der Brinellhärtewert wird als Verhältnis der aufgebrachten Kraft zur Kugeloberfläche der Eindrückung berechnet.
• Testausrüstung: Brinellhärteprüfer, der in der Lage ist, präzise Kräfte auszuüben und Eindrückungsdurchmesser zu messen.
• Testschritte:
  1. Probenvorbereitung: Reinigen Sie die Probenoberfläche, entfernen Sie Oxide, Fett und andere Verunreinigungen und stellen Sie sicher, dass sie eben ist.
  2. Auswahl von Kraft und Eindringkörper: Wählen Sie die geeignete Kraft und den Eindringkörperdurchmesser basierend auf dem Material und dem Härtebereich.
  3. Kraftausübung: Drücken Sie den Eindringkörper senkrecht in die Probenoberfläche und halten Sie ihn für die angegebene Zeit.
  4. Messung der Eindrückung: Verwenden Sie ein Mikroskop oder ein Spezialwerkzeug, um den Eindrückungsdurchmesser zu messen.
  5. Berechnung der Härte: Berechnen Sie den Brinellhärtewert mit der Formel: HB = 2P / (πD(D - √(D² - d²))), wobei HB die Brinellhärte, P die aufgebrachte Kraft, D der Eindringkörperdurchmesser und d der Eindrückungsdurchmesser ist.

Aufgrund seiner außergewöhnlichen Verschleißfestigkeit wird verschleißfester Stahl häufig in Umgebungen eingesetzt, die starker Abriebbeanspruchung ausgesetzt sind. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

• Bergbaumaschinen: Baggerlöffel, Brecherauskleidungen und Erzfahrzeugaufbauten. Diese Komponenten halten während des Bergbaubetriebs starken Steinschlägen und Abrieb stand, und verschleißfester Stahl verlängert ihre Lebensdauer und reduziert gleichzeitig die Wartungskosten.
• Baumaschinen: Planierschilder, Laderschaufeln und Baggerzähne. Diese Teile sind während der Erdbewegung der Reibung durch Erde und Gesteine ausgesetzt, und verschleißfester Stahl erhöht die Effizienz und Zuverlässigkeit.
• Landmaschinen: Pflugschare, Eggenscheiben und Sämaschinenöffner. Verschleißfester Stahl verbessert die Haltbarkeit bei Anwendungen mit Bodenkontakt.
• Zementindustrie: Mühlenfutter und Förderrohre. Die Zementherstellung beinhaltet stark abrasive Materialien, und verschleißfester Stahl reduziert den Verschleiß der Ausrüstung und steigert die Produktivität.
• Energiewirtschaft: Kohlemühlenfutter und Kohleförderrohre. Kohleabrieb in der Stromerzeugung wird durch verschleißfesten Stahl gemildert.
• Stahlindustrie: Ofenfutter und Walzwerkführungen. Hohe Temperaturen und abrasive Materialien in der Stahlherstellung erfordern verschleißfesten Stahl für eine lange Lebensdauer.
• Recyclingindustrie: Schredderklingen und Brechermesser. Der Umgang mit abrasiven Abfallmaterialien erfordert verschleißfesten Stahl für eine längere Lebensdauer der Ausrüstung.
• Andere Anwendungen: Rinnen, Schneckenförderer, Lüfterflügel und Siebe profitieren ebenfalls von verschleißfestem Stahl.

Spezielle Anwendungen umfassen:

• Schießscheiben: Stahl der Güte AR500 wird aufgrund seiner hohen Härte häufig für kugelsichere Ziele verwendet.
• Panzerung: Verschleißfester Stahl kann als Fahrzeugpanzerung dienen, obwohl seine Sprödigkeit ein Ausbalancieren von Härte und Zähigkeit erfordert.

Mit dem Fortschritt der Industrietechnologie steigen die Leistungsanforderungen an verschleißfesten Stahl weiter. Zukünftige Trends umfassen:

• Höhere Festigkeit und Härte: Entwicklung von Stählen mit verbesserten Eigenschaften durch optimierte Legierungen, fortschrittliche Wärmebehandlungen und innovative Fertigungstechniken.
• Verbesserte Zähigkeit: Ausbalancieren von Härte mit Schlag- und Ermüdungswiderstand für eine längere Lebensdauer.
• Bessere Schweißbarkeit: Verbesserung der Schweißleistung zur Rationalisierung der Fertigungsprozesse.
• Kostensenkung: Optimierung der Produktion und Verwendung kostengünstiger Legierungen zur Verbesserung der Erschwinglichkeit.
• Umweltfreundliche Produktion: Einführung nachhaltiger Praktiken, wie z. B. Lichtbogenöfen und Wasserhärten, um die Umweltbelastung zu minimieren.

Verschleißfester Stahl ist ein wichtiges Konstruktionsmaterial, das in verschiedenen Branchen eine entscheidende Rolle spielt. Das Verständnis seiner Güten, Wärmebehandlungen, Härtenormen und Anwendungen ermöglicht eine bessere Auswahl und Verwendung, wodurch die Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit der Ausrüstung verbessert werden. Mit dem Fortschritt der Technologie wird sich verschleißfester Stahl weiterentwickeln, seine Anwendungen erweitern und in verschiedenen Sektoren einen größeren Mehrwert liefern.