Werkstoffe: Superlegierungen

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Mechanische Eigenschaften
Duplexstähle zeichnen sich durch ihre Kombination von Eigenschaften aus, die eine Mischung aus den Eigenschaften rostfreier Chromstähle (ferritisch oder martensitisch) und rostfreier Chrom-Nickel-Stähle (austenitisch) darstellen. Sie haben höhere Festigkeiten als die rostfreien Chrom-Nickel-Stähle, weisen dabei aber eine höhere Duktilität auf als rostfreie Chromstähle. Ihr Verhalten bei wechselnder Beanspruchung weist bis zu einem Austenitanteil von etwa 40% im Gegensatz zu reinen Austeniten noch eine Dauerschwingfestigkeit auf. Die Ergebniskurve aus dem Kerbschlagbiegeversuch (wird auch als AVT-Kurve bezeichnet) weist bei Duplexstählen im Gegensatz zu ferritischen oder gar martensitischen rostfreien Stählen keinen Steilabfall in der Energieabsorption auf, das heißt, es gibt zwar eine Hoch- und eine Tieflage, die Energieabsorption ist jedoch trotzdem über einen weiten Temperaturbereich auf einem hohen Niveau. Je niedriger die Prüftemperatur, desto geringer die Energieabsorption, da der Werkstoff mehr und mehr versprödet.

Korrosionseigenschaften
Die Duplexstähle zählen zu den rost- und säurebeständigen Stählen (DIN-EN 10088 T1 bis T3). Seit den 1970er Jahren sind einige nichtrostende Duplex-Stähle entwickelt worden. Weit verbreitet ist heute eine stickstofflegierte Variante, die unter der Bezeichnung 1.4462 (X2CrNiMoN 22-5-3) nach DIN EN 10088/2 geführt wird. Duplex-Werkstoffe enthalten, verglichen mit korrosionsbeständigen rein austenitischen Stählen, weniger Nickel (etwa 4 bis 8 %), jedoch meist einen deutlich höheren Chromgehalt. Aufgrund des Nickelgehalts, der für die mechanischen Eigenschaften sehr wichtig ist, sich aber ungünstig auf den PREN-Index auswirkt, sind sie gefährdet für interkristalline Korrosion. Um dem entgegen zu wirken, wird teilweise Stickstoff als Austenitbildner im Austausch für einen gewissen Anteil an Nickel zugesetzt. Eine weitere Möglichkeit, die Korrosionsbeständigkeit weiter zu verbessern, ist der Zusatz von Molybdän.
Ein wichtiger Vorteil bezüglich der Korrosionseigenschaften ergibt sich wiederum aus der Zweiphasigkeit des Gefüges. An den Phasengrenzen, insbesondere beim Übergang von Ferrit auf den duktileren Austenit, kommen Risse, wie sie bei der Spannungsrisskorrosion entstehen, aus bruchmechanischen Gründen zum Stillstand.

Verwechslungsgefahr
Der Unterschied zum Dualphasenstahl sind einerseits die Volumenanteile der Gefügephasen, andererseits die Gefügezusammensetzung. Bei den Duplexstählen liegt ein ferritisch-austenitisches Gefüge vor, während Dualphasenstähle ein ferritisch-martensitisches Gefüge aufweisen. Zudem bestehen Duplexstähle aus gleichen Volumenanteilen an ferritischem und austenitischem Gefüge, während Dualphasenstähle zu etwa 80–90% aus Ferrit und nur zu etwa 10–20% aus Martensit oder anderen härteren Phasen bestehen.

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Hastelloy B
Die Hastelloy-B-Legierungen zählen zur Gruppe der hochkorrosionsbeständigen Nickel-Molybdän-Legierungen. Hastelloy B enthält 26% bis 30% Molybdän. Diese Werkstoffe zeichnen sich durch sehr gute Beständigkeit in reduzierenden Medien aus, z.B. in Salzsäure im gesamten Konzentrations- und Temperaturbereich.
Hastelloy B > 2.4617 > NiMo28
Hastelloy B-2 > 2.4617 > NiMo28
Hastelloy B-3 > 2.4600 > NiMo29Cr

Hastelloy C
Hastelloy C wurde ursprünglich als Werkstoff für Abtriebsdüsen von Düsentriebwerken entwickelt. Die sehr gute Temperaturbeständigkeit führte aber auch zur Verwendung in anderen Bereichen der Technik. Diese Nickel-Chrom-Molybdän-Legierungen zeichnen sich durch hervorragende Beständigkeit in oxidierenden und reduzierenden Medien, auch bei erhöhten Temperaturen aus. Die Legierung CX2M [Hastelloy C-22] bietet gute Beständigkeit gegen nasse Medien, z. B. Schwefelsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure, Chlorgas, Säuregemische aus Schwefelsäure und oxidierenden Säuren mit Chloridionen. Besonderes Merkmal dieser Legierung ist ihre hohe Beständigkeit gegen Spalt-, Loch- und Spannungsrißkorrosion bei erhöhten Temperaturen unter oxidierenden und reduzierenden Bedingungen.

Verwendung
Häufige Verwendung findet Hastelloy zum Beispiel in Reaktoren, Rohrleitungen und Ventilen der chemischen und pharmazeutischen Industrie oder in Druckbehältern in Kernkraftwerken. Alternativen im Chemieanlagenbau bieten neben anderen Nickelbasislegierungen auch Stahl- oder GFK-Bauteile, die mit einer chemisch beständigen Auskleidung z. B. aus Perfluoralkoxylalkan (PFA), ausgekleidet sind.

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Stellite® enthält je nach Einsatzgebiet Anteile von Chrom, Wolfram, Nickel, Molybdän und Kohlenstoff, der durch die Bildung von Carbiden einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der Legierung hat. Das Hauptmerkmal von Stellite ist eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß wie beispielsweise Korrosion oder Abrasion, die auch bei hohen Temperaturen erhalten bleibt, wodurch sie aber auch schwer zu bearbeiten sind.

Stellite® wird für Bauteile bevorzugt, die hohen Verschleißbelastungen ausgesetzt sind. Dazu gehören unter anderem Schneidwerkzeuge, Laufschienenpanzerungen von Motorsägeschwertern, Auskleidungen von Waffenläufen, Teile von Turboladern, Ventilsitze (Ventile von Verbrennungsmotoren) oder Schiffsdieselpanzerungen. Weitere Anwendungen finden sich im Energieerzeugungsbereich (Turbinen), bei der Lebensmittelherstellung, bei der Öl- und Gasgewinnung, in der Glasindustrie, im Armaturenbau als metallischer Ventilsitz, in der (Petro-)Chemie sowie im Maschinen- und Anlagenbau.

Reinmetalle werden mit ihrem chemischen Symbol und ihrer Reinheit in Prozent gekennzeichnet. Bei Edelmetallen, die zu Schmuck oder Münzen verarbeitet werden, gibt es zudem eine historisch begründete Kennzeichnung in Karat oder Feingehalt.

Für NE-Legierungen war die Kennzeichnung in Deutschland in der im Mai 2000 zurückgezogenen DIN-Norm DIN 1700 geregelt. Angegeben wurden die chemischen Symbole des Basismetalls und des Haupt-Legierungselements, dem sein Legierungsgehalt in Masse-Prozent folgt (ab einem Gehalt von über 1%).

Die Legierung AlMn1 ist demzufolge eine Aluminium-Legierung mit 1% Mangan; die Legierung CuNi25Zn15 ist eine Kupferlegierung mit 25% Nickel und 15% Zink.

Nichteisen-Metalle finden in vielen Bereichen der Technik und des Alltags Anwendung:

  • als Gussteile (Sand-, Kokillen- oder Druckguss) (Zink, Aluminium, Magnesium, Blei)
  • als Konstruktionswerkstoff für Flugzeuge und den Leichtbau (Aluminium, Magnesium, Titan)
  • als elektrische Leiter (Kabel, Stromschienen, Kontakte)
  • als Lagerwerkstoffe für Fahrzeugmotoren (Kurbelwellenlager, Pleuellager), Elektromotoren, Schiffsantriebe, als Getriebelager allgemein
  • als Beschichtungswerkstoff zum Korrosionsschutz (Verzinken, Verzinnen)
  • zur Stromspeicherung (Akkumulatoren, Auto-Batterien)
  • als Werkstoff zum Bedachen (Blei-, Zink- und Kupferdächer)
  • als Fertigteile beim Hausbau (Dachrinnen, Fallrohre)
  • für Behälter jeder Größe im Zusammenhang mit Lebens- und Genussmitteln (kupferne Braukessel u.v.a.)
  • als Schmuck- und Münzwerkstoff
  • als Sinterteile