Martensitaushärtender Stahl C250 Pulver
Martensitaushärtender Stahl C250 Pulver ist eine mit 18% Nickel und Kobalt verstärkte Stahllegierung (C250), die sich durch eine extrem hohe Festigkeit und Zähigkeit auszeichnet, ohne dabei an Verformbarkeit zu verlieren. Martensitaushärtende Stähle bieten eine 2 bis 5 Mal höhere Festigkeit als austenitische oder martensitische Standardsorten durch Ausscheidungshärtung durch intermetallische Verbindungen.
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Inhaltsübersicht
Martensitaushärtender Stahl C250 Pulver ist eine mit 18% Nickel und Kobalt verstärkte Stahllegierung (C250), die sich durch eine extrem hohe Festigkeit und Zähigkeit auszeichnet, ohne dabei an Verformbarkeit zu verlieren. Martensitaushärtende Stähle bieten eine 2 bis 5 Mal höhere Festigkeit als austenitische oder martensitische Standardsorten durch Ausscheidungshärtung durch intermetallische Verbindungen.
Martensitaushärtender Stahl C250 wird in Pulverform für additive Fertigungsverfahren wie das Laser-Pulver-Bett-Fusionsverfahren (LPBF) geliefert, mit dem komplexe Geometrien direkt von digitalen CAD-Modellen gedruckt werden können. Dies ermöglicht ein schnelles Prototyping und die Produktion von leichten Hochleistungskomponenten für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Werkzeugherstellung.
Überblick über Martensitaushärtender Stahl C250 Pulver
Martensitaushärtender Stahl C250 hat die folgenden Eigenschaften:
Tabelle 1: Überblick über Maraging Steel C250 Powder
| Eigenschaften | Einzelheiten |
|---|---|
| Grundmaterial | Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung |
| Dichte | 8,1 g/cc |
| Partikelgrößenbereich | 15-45 Mikrometer |
| Produktionsverfahren | Gaszerstäubung |
| Wesentliche Merkmale | Ultrahohe Festigkeit, gute Bruchzähigkeit, Schweißbarkeit, Härtung bei Alterungswärmebehandlung |
| Gebräuchliche Handelsnamen | 18Ni300, NS333, X3NiCoMoTi 18-9-5 |
Zu den wichtigsten Vorteilen von martensitaushärtendem Stahl C250-Pulver gehören:
- Ultrahohe Zugfestigkeit bis zu 2500 MPa nach Alterung
- Höhere Dehnung als typische nichtrostende Stähle
- Gute Bruchzähigkeit im Vergleich zu hochfesten Legierungen
- Weicher als ausscheidungshärtende rostfreie Sorten im gelösten Zustand für die Bearbeitung
- Geringerer Verzug bei der Wärmebehandlung im Vergleich zu martensitischen Stählen
- Ausgezeichnete Dimensionsstabilität während der Alterung
- Leicht zu schweißen im gealterten oder lösungsbehandelten Zustand
Martensitaushärtender Stahl C250 weist ebenfalls einige Einschränkungen auf:
- Erfordert eine Alterungsbehandlung, um seine volle Stärke zu entwickeln
- Relativ hoher Legierungsanteil erhöht die Kosten
- Anfällig für Versprödung bei hohen Temperaturen
- Geringere Härte als martensitische Edelstahlsorten
Tabelle 2: Zusammensetzung von Maraging-Stahl C250-Pulver
| Legierungselement | Gewicht % | Rolle |
|---|---|---|
| Nickel | 17 – 19% | Phasenhärter |
| Kobalt | 8 – 9% | Niederschlagsverstärker |
| Molybdän | 4.6 – 5.2% | Niederschlagsverstärker |
| Titan | 0.6 – 0.8% | Niederschlagsverstärker |
| Aluminium | 0.05 – 0.15% | Desoxidationsmittel |
| Mangan | 0 – 0.1% | Desoxidationsmittel |
| Kohlenstoff | < 0,03% | Desoxidationsmittel |
| Eisen | Bilanz | Unedles Metall |
Durch diese Zusammensetzung entsteht nach dem Lösungsglühen eine metastabile martensitische Matrix, die eine erhebliche Sekundärhärtung durch homogene Ausscheidung intermetallischer Phasen während der Alterungsbehandlung ermöglicht.
Tabelle 3: Die wichtigsten Eigenschaften von Maraging Steel C250 Powder
| Eigenschaften | Martensitaushärtender Stahl C250 |
|---|---|
| Dichte | 8,1 g/cc |
| Schmelzpunkt | 1450°C |
| Elastizitätsmodul | 180-210 GPa |
| Elektrischer spezifischer Widerstand | 0,7 mikroOhm-cm |
| Wärmeleitfähigkeit | 16 W/m-K |
| CTE | 10-11 x 10-6/K |
| Querkontraktionszahl | 0.3 |
Anwendungen von Martensitaushärtender Stahl C250 Pulver
Martensitaushärtender Stahl C250 wird aufgrund seiner extrem hohen Festigkeit, Bruchzähigkeit und thermischen Stabilität branchenübergreifend in den folgenden Anwendungen eingesetzt:
Luft- und Raumfahrtanwendungen
- Turbinentriebwerkskomponenten wie Scheiben, Wellen, Befestigungselemente
- Strukturelle Komponenten der Zelle
- Gehäuse von Raketenmotoren
- Verbindungselemente, Ventile, Fittings für die Luft- und Raumfahrt
Automobilanwendungen
- Motorsport-Antriebsstrangteile wie Pleuelstangen, Wellen
- Hochleistungsfahrwerke, Fahrwerk
- Matrizen, Werkzeuge
Industrielle Anwendungen
- Spritzgussformen für Kunststoff
- Strangpresswerkzeuge für Rohre, Schläuche
- Blasformen
- Schmiedestücke, Stanzwerkzeuge
- Greifer, Endeffektoren für Roboter
Tabelle 4: Spezifikationen, Güten und Normen für Maraging-Stahl C250
| Spezifikation | Klasse | Standard |
|---|---|---|
| MIL-S-46850D | X3NiCoMoTi18-9-5 | UNS K94530 |
| AMS 6514D | 300 | DIN 1.2709 |
| AMS 6512 | – | – |
| ISO 683/13 | Z 300 | – |
| – | NS333 | – |
Tabelle 5: Lieferanten und Preise für Maraging Steel C250 Pulver
| Anbieter | Produktname | Partikelgröße | Preis pro kg |
|---|---|---|---|
| LPW-Technologie | C250 Martensitaushärtender Stahl | 15-45 μm | $165 |
| Zimmermanns Pulverprodukte | Remanium C250 | 15-45 μm | $155 |
| Sandvik Fischadler | MARAGE 300 | 15-53 μm | $175 |
| Praxair | C250 Pulver | 10-45 μm | $149 |
Wärmebehandlung von martensitaushärtendem Stahl C250
Martensitaushärtende Stähle werden im geglühten und entzunderten Zustand geliefert. Durch ein spezielles Wärmebehandlungsverfahren, bestehend aus Lösungsglühen und anschließender Alterung, erreicht Maraging-Stahl C250 seine extrem hohe Festigkeit:
Lösungsglühen
Der erste Schritt ist ein homogenisierendes Lösungsglühen, das in der Regel bei 820°C ± 15°C für 1-3 Stunden durchgeführt wird, gefolgt von einer sofortigen Abkühlung auf Raumtemperatur. Dadurch wird das Material weich, aber das Mikrogefüge wird durch langsames Abkühlen in eine metastabile martensitische Matrix umgewandelt, um die Bildung anderer Gleichgewichtsphasen wie Ferrit oder Zementit zu verhindern.
Alterung
Der gelöste martensitaushärtende Stahl wird dann bei einer Temperatur zwischen 400°C und 500°C je nach Querschnittsdicke 3-6 Stunden lang gealtert. Dies erleichtert die diffusionsgesteuerte Ausscheidung von intermetallischen Verbindungen wie Ni3Ti und Fe2Mo, die die Versetzungsbewegung behindern und zu einer erheblichen Verfestigung führen.
Eine längere Exposition bei höheren Alterungstemperaturen kann die Eigenschaften beeinträchtigen, während eine unzureichende Temperatur oder Zeit eine vollständige Aushärtung verhindert.
Tabelle 6: Typisches Wärmebehandlungsverfahren für martensitaushärtenden Stahl C250
| Schritt | Temperatur | Zeit | Kühlungsmodus |
|---|---|---|---|
| Lösungsglühen | 820°C ± 15°C | 1-3 Stunden | Luftkühlung |
| Konditionierung | 350°C - 400°C | 1-3 Stunden | Luftkühlung |
| Alterung | 450°C - 500°C | 3-6 Stunden | Luftkühlung |
Die nach der Alterungsbehandlung erzielten Eigenschaften sind nachstehend aufgeführt:
Tabelle 7: Mechanische Eigenschaften nach der Alterungsbehandlung
| Eigenschaften | Martensitaushärtender Stahl C250 |
|---|---|
| Zugfestigkeit | 2465 - 2535 MPa |
| Streckgrenze | 2275 - 2345 MPa |
| Dehnung | 8 – 10 % |
| Verkleinerung der Fläche | 25 – 30 % |
| Härte | 50 - 52 HRC |
| Charpy-Schlagenergie | 75 - 100 J |
Induktionshärtung: Bei bestimmten Bauteilen wie Wellen, Zahnrädern und Befestigungselementen, die eine erhöhte Verschleißfestigkeit erfordern, kann nach der Alterung eine zusätzliche Oberflächenhärtung durch Induktionswärmebehandlung durchgeführt werden, um eine Härte von über 50 HRC bis zu einer Tiefe von 2 mm zu erreichen, ohne die Kerneigenschaften zu beeinträchtigen.
Mikrostruktur von Maraging-Stahl C250
Das Mikrogefüge von martensitaushärtendem Stahl C250 besteht aus:
Martensitische Matrix: Bei der Matrix handelt es sich überwiegend um Martensit mit einer feinkörnigen Lamellenmorphologie, die durch Abschrecken nach dem Lösungsglühen entsteht. Diese metastabile Struktur bietet ausreichend Kohlenstoff und Legierungselemente in fester Lösung für die Ausscheidung während der Alterung.
Intermetallische Ausscheidungen: Sphärische Ausscheidungen im Nanomaßstab aus Ni3Mo und Ni3Ti verteilten sich gleichmäßig in der Matrix und erreichten nach einer vollständigen Alterungsbehandlung Spitzenvolumenanteile. Diese kohärenten Ausscheidungen hemmen die Versetzungsbewegung und führen zu einer drastischen Verstärkung.
Karbide und Nitride: Winzige kubische Partikel, die reich an Titan, Molybdän und Eisenkarbiden/-nitriden sind, können ebenfalls auftreten, haben aber einen Volumenanteil von < 5%.
Die Kombination aus angelassener Martensitmatrix und feiner Dispersion intermetallischer Ausscheidungen ermöglicht die herausragende Festigkeit und Zähigkeit von Maraging-Stählen.
Druckparameter für Martensitaushärtender Stahl C250 Pulver
Maschine und Einstellungen
- Maschine: Selektive Laserschmelzanlagen wie EOS M290, Renishaw AM250, Concept Laser M2
- Schichtdicke: 20-50 μm
- Laserleistung: 195-400 W
- Scan-Geschwindigkeit: 600-1200 mm/s
- Strahldurchmesser: 70-100 μm
- Schraffur-Abstand: 80-120 μm
- Abschirmendes Gas: Argon
- Sauerstoffgehalt: <0,1%
Überlegungen zum Prozess
- Geringe Eigenspannung und einfachere Skalierbarkeit im Vergleich zu martensitischen Stählen
- Geringere Laserenergie erforderlich, da das Reflexionsvermögen geringer ist als bei Edelstahl
- Die Ausrichtung der Teile wird optimiert, um die Stützstrukturen zu minimieren.
- 100% dichte Teile >99,5% können ohne Risse oder Porositätsfehler gedruckt werden
- Keine zusätzliche Wärmebehandlung nach der SLM-Bearbeitung erforderlich
- Geringfügige Zuschläge werden für die Endbearbeitung nach dem Druck aufbewahrt.
Tabelle 8: Mit additiver Fertigung erzielte Eigenschaften
| Eigenschaften | Bereich |
|---|---|
| Dichte | >99,5% |
| Oberflächenrauhigkeit | Bis zu 12 μm Ra |
| Zugfestigkeit | 2300-2500 MPa |
| Streckgrenze | 2100-2300 MPa |
| Dehnung bei Bruch | 3-10% |
Bei optimalen Parametern können Bauteile aus martensitaushärtendem Stahl C250 mit hoher Dichte und konventionellen Eigenschaften durch additive Fertigung im Pulverbettverfahren hergestellt werden. Dies ermöglicht komplexe, leichte Konstruktionen, die durch Gießen oder Zerspanen nicht zu erreichen sind.
Pro und Kontra von Martensitaushärtender Stahl C250 Pulver
Tabelle 9: Vorteile und Grenzen von Maraging Steel C250 Powder
| Vorteile | Beschränkungen |
|---|---|
| Ultrahohe Festigkeit bis zu 2500 MPa | Die Kosten sind höher als bei Kohlenstoffstählen |
| Behält seine Zähigkeit und Duktilität nach der Alterung bei | Erfordert eine Wärmebehandlung, um die vollen Eigenschaften zu entwickeln |
| Geringer Verzug bei der Wärmebehandlung | Geringere Verschleißfestigkeit als martensitische nichtrostende Stähle |
| Kleinere leichte Komponenten ermöglicht | Begrenzte Hochtemperaturfähigkeit bis zu 300-400°C |
| Ausgezeichnete Dimensionsstabilität | Anfällig für Wasserstoffversprödung mit der Zeit |
| Gute Schweißbarkeit unter allen Bedingungen |
FAQs
F: Wofür wird martensitaushärtender Stahl verwendet?
A: Martensitaushärtende Stähle werden vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport, im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt, wo extrem hohe Festigkeit, Bruchzähigkeit und thermische Stabilität entscheidend für Leistung und Haltbarkeit sind.
F: Ist martensitaushärtender Stahl korrosionsbeständig?
A: Martensitaushärtender Stahl ist zwar weniger widerstandsfähig als rostfreie Stähle, bietet aber eine mäßig gute Korrosionsbeständigkeit, die mit der von niedrig legierten Stählen vergleichbar ist und durch Vernickelung oder Verchromung noch verbessert werden kann.
F: Was ist der Unterschied zwischen martensitischen und martensitischen Stählen?
A: Martensitaushärtende Stähle verwenden Nickel-, Kobalt- und Molybdänlegierungen, um intermetallische Verbindungen auszuscheiden und eine martensitische Umwandlung auf C-Basis zur Verfestigung zu vermeiden. Dies führt zu hervorragenden mechanischen Eigenschaften.
F: Muss martensitaushärtender Stahl abgeschreckt werden?
A: Nein. Martensitaushärtender Stahl wird nach der Lösungsglühung an der Luft abgekühlt, um weichen Martensit zu bilden, der später gealtert wird, um eine Ausscheidungshärtung einzuleiten. Abschreckrissbildung wird vermieden.
F: Ist martensitaushärtender Stahl magnetisch?
A: Ja, martensitaushärtender Stahl zeigt unter allen Bedingungen ferromagnetisches Verhalten aufgrund seiner eisenbasierten austenitischen Matrix. Der Nickelgehalt ist nicht hoch genug, um paramagnetisch zu werden.
F: Was ist der Unterschied zwischen martensitaushärtendem Stahl der Güte 300, 350 und C250?
A: Die Güteklassen bezeichnen die Streckgrenze nach der Alterung. C250 bedeutet eine Mindeststreckgrenze von 1880 MPa oder 250 ksi, während für martensitaushärtende Stähle der Güte 300 und 350 eine Mindeststreckgrenze von 2050 MPa bzw. 2415 MPa vorgeschrieben ist.
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