Edelstahl ist eine Legierung auf Eisenbasis, die genügend Chrom enthält, um auf ihrer Oberfläche einen Schutzfilm zu bilden. Gemäß BS EN 10088-1 liegt die übliche Definitionsgrenze bei einem Chromgehalt von mindestens 10,5%, bezogen auf die Masse. Diese eine Änderung beeinflusst die Reaktion der Stahloberfläche mit Sauerstoff und verleiht dem Material seine Korrosionsbeständigkeit.
Der Name kann irreführend sein. Wenn die Güteklasse, der Oberflächenzustand, das Herstellungsverfahren oder die Einsatzbedingungen nicht stimmen, kann Edelstahl dennoch Flecken, Lochfraß, Risse oder Rost aufweisen. Dieser Leitfaden erläutert, warum Edelstahl korrosionsbeständig ist, wie Stahlwerke und Gießereien ihn herstellen, welche Haupttypen es gibt und was vor der Festlegung einer Güteklasse zu prüfen ist.
Was ist Edelstahl?
Edelstahl ist kein Material mit einer einzigen Zusammensetzung. Es handelt sich um eine Familie korrosionsbeständiger Stähle, deren Grundbestandteil Eisen ist und deren charakteristisches Element Chrom ist.
Oberflächenchrom reagiert mit Sauerstoff und bildet dabei einen dünnen, chromreichen Oxidfilm, die sogenannte Passivschicht, die die darunterliegende Legierung von der Umgebung trennt. Wenn eine saubere Oberfläche zerkratzt wird, bildet sich der Film in der Regel wieder, solange Sauerstoff vorhanden ist.
Die Korrosionsbeständigkeit beruht auf der Legierung selbst und nicht auf einer Beschichtung von gewöhnlichem Stahl. Das ist nach dem Schneiden, der mechanischen Bearbeitung oder bei Oberflächenbeschädigungen von Bedeutung: Eine beschädigte Beschichtung legt das ungeschützte Grundmetall frei, während sich Edelstahl unter geeigneten chemischen und umgebungsbedingten Voraussetzungen wieder passivieren kann.
Das ist der wesentliche Unterschied zwischen Edelstahl und Kohlenstoffstahl, was jedoch nicht bedeutet, dass jede Güteklasse für Meerwasser, Säuren, hohe Temperaturen oder Spalten geeignet ist.
Technische Daten sind wichtiger als Bezeichnungen. Produktform, Wärmebehandlung, Oberflächenbeschaffenheit, die geltende Norm für Schmiede- oder Gusserzeugnisse sowie die erforderlichen Prüfergebnisse sind allesamt Bestandteil einer vollständigen Materialspezifikation. In einer Bestellung sollten die Norm und die Güteklasse angegeben werden und nicht eine handelsübliche Bezeichnung wie „Lebensmittelqualität“ oder „Marinequalität“.
Zusammensetzung von rostfreiem Stahl
Eisen ist das Hauptelement, und Chrom sorgt für das Passivierungsverhalten, das diese Werkstoffgruppe auszeichnet. Andere Elemente beeinflussen die Struktur, die Korrosionsbeständigkeit, die Festigkeit, die Härte sowie das Verhalten bei der Umformung und Bearbeitung, sodass sich zwei Edelstahlsorten deutlich voneinander unterscheiden können, obwohl beide als rostfrei gelten.
Nickel trägt zur Stabilisierung von Austenit bei und verleiht vielen Stahlsorten Zähigkeit, Duktilität und Formbarkeit. Molybdän verbessert die Beständigkeit gegen lokale Korrosion in vielen chloridhaltigen Umgebungen. Kohlenstoff erhöht die Festigkeit und Härte, muss jedoch gegen die Karbidbildung während der Wärmebehandlung abgewogen werden. Stickstoff erhöht die Festigkeit und trägt zur Stabilisierung des Austenits bei, während Mangan, Silizium, Kupfer, Titan und Niob spezifischere Funktionen erfüllen.
Die chemische Zusammensetzung allein reicht als Spezifikation nicht aus. Die Güteklasse, die Produktform, die Wärmebehandlung und das Herstellungsverfahren bestimmen die endgültigen Eigenschaften, und weder das Aussehen noch Funkenprüfungen oder ein Magnet können eine Güteklasse zuverlässig identifizieren. Wenn ein Nachweis der chemischen Zusammensetzung erforderlich ist, geben Sie bitte ein Materialprüfzeugnis an.
Wie wird rostfreier Stahl hergestellt?
Die Produktion beginnt mit einer kontrollierten Mischung aus Edelstahlschrott, Stahlschrott, Ferrolegierungen und anderen Legierungszusätzen, die in der Regel in einem Lichtbogenofen eingeschmolzen werden. Die Schmelzer entnehmen Proben und berechnen die Chargenzusammensetzung, um die bereits im Schrott enthaltenen Legierungselemente zu berücksichtigen und nur die fehlenden Bestandteile hinzuzufügen.
Anschließend wird die Schmelze veredelt. Die Argon-Sauerstoff-Entkohlung ist ein gängiges Verfahren, mit dem der Kohlenstoffgehalt gesenkt und gleichzeitig der Chromverlust begrenzt wird. Danach folgt die Behandlung in der Gießpfanne, um Zusammensetzung, Temperatur und Reinheit vor dem Gießen anzupassen.
Bei Schmiedeprodukten wird der Stahl zu Brammen, Knüppeln oder Barren gegossen und warmgewalzt. Bleche und Coils können kaltgewalzt werden, um eine genauere Dickensteuerung, eine durch Kaltverformung erzielte Festigkeit oder eine glattere Oberfläche zu erzielen. Durch Glühen wird nach der Bearbeitung wieder eine geeignete Struktur hergestellt, und durch Beizen werden Zunder sowie die darunter liegende chromarme Schicht entfernt. Anschließend können Richten, Schneiden, Schleifen, Ziehen, Polieren oder Blankglühen erfolgen.
Gegossene Edelstahlkomponenten durchlaufen einen anderen Herstellungsprozess. Die aufbereitete Schmelze wird in eine Form gegossen, anstatt zu Walzprofilen gewalzt zu werden; anschließend wird der Guss je nach Bedarf wärmebehandelt, zugeschnitten, bearbeitet, gereinigt und geprüft. Pumpen, Ventilkörper, Laufräder und andere komplexe Formen lassen sich oft besser gießen als aus Stangen oder Blechen zerspanen.
Gussqualitäten entsprechen nicht automatisch den ihnen am nächsten kommenden Schmiedequalitäten.
Beim Schweißen und bei Heißarbeiten entstehen Dämpfe, die kontrolliert werden müssen: Chrom in Edelstahl kann beim Schweißen sechswertige Chromverbindungen bilden, daher gehören Belüftung, Expositionsbewertung, die richtige Auswahl des Schweißzusatzes und persönliche Schutzausrüstung in den Fertigungsplan.
Die wichtigsten Edelstahlsorten
Edelstahl wird in der Regel nach seiner Struktur bei Raumtemperatur klassifiziert. Die meisten handelsüblichen Sorten lassen sich in fünf Gruppen einteilen: austenitische, ferritische, martensitische, Duplex- und ausscheidungsgehärtete Stähle. Da die innere Struktur das mechanische, physikalische und Korrosionsverhalten bestimmt, sollte die Auswahl in erster Linie anhand der Einsatzbedingungen erfolgen und nicht anhand der Bezeichnung einer einzelnen Sorte.
Für einen umfassenderen Leitfaden zu den Arten und Güteklassen von Edelstahl, einschließlich des Unterschieds zwischen den Bezeichnungen „geschmiedet“ und „gegossen“, siehe den Leitfaden zur Website.
Austenitische Stahlsorten der Serie 300
Die 300er-Serie umfasst gängige Sorten wie 304 und 316. Diese verbinden Korrosionsbeständigkeit mit guter Duktilität, Formbarkeit und Schweißbarkeit, weshalb sie in der Lebensmittelindustrie, der chemischen Industrie und im allgemeinen Maschinenbau vorherrschend sind. Geglühte austenitische Sorten weisen eine geringe magnetische Reaktion auf, obwohl durch Kaltumformung ein gewisser Magnetismus entstehen kann.
Siehe die austenitischer rostfreier Stahl Leitfaden hinsichtlich seines Aufbaus und seines Notenbereichs sowie die 304 vs. 316 Vergleich bei Vorhandensein von Chloriden.
Ferritische 400er-Serie
Ferritische Stahlsorten wie 430 basieren auf Chrom, weisen in der Regel einen geringen Nickelgehalt auf und sind magnetisch. Sie sind beständig gegen viele leicht und mäßig korrosive Umgebungen und werden häufig in Haushaltsgeräten, Automobilverkleidungen und Bauteilen im Bauwesen eingesetzt. Sie lassen sich nicht durch dieselbe Wärmebehandlung härten wie martensitische Stahlsorten.
Martensitisch
Martensitische Stahlsorten wie 410 lassen sich durch Abschrecken und Anlassen auf hohe Festigkeit und Härte bringen, was sie für Wellen, Ventilteile, Besteck und Werkzeuge geeignet macht. Der Nachteil ist in der Regel eine geringere Korrosionsbeständigkeit als bei gängigen austenitischen Stahlsorten sowie strengere Anforderungen an die Schweißbarkeit. Die Edelstahl 410 In diesem Leitfaden wird eine gängige martensitische Güte genauer behandelt.
Duplex
Duplex-Stähle enthalten sowohl Austenit als auch Ferrit. Der ausgewogene Gefügeaufbau sorgt für hohe Festigkeit und eine verbesserte Beständigkeit gegen chloridinduzierte Spannungsrisskorrosion in vielen Umgebungen, weshalb sie in der chemischen Industrie, in der Wasseraufbereitung und bei Offshore-Anwendungen zum Einsatz kommen. Das Phasengleichgewicht muss während der Herstellung und beim Schweißen kontrolliert werden. Die Duplex-Edelstahl Der Leitfaden stellt die wichtigsten Güteklassen vor.
Austauschhärtung
Auskühlhärtende Werkstoffe wie 17-4 PH verbinden durch Lösungsglühen und Auslagern hohe Festigkeit mit guter Zähigkeit. Sie kommen in Befestigungselementen, Wellen, Federn und Hochdruckbauteilen der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz, bei denen sowohl Festigkeit als auch Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.
Vorteile und Beschränkungen
Der Hauptvorteil von Edelstahl ist seine Korrosionsbeständigkeit, die durch die Legierungszusammensetzung angepasst werden kann. Zudem bietet er eine gute Festigkeit bei hohen und niedrigen Temperaturen, leicht zu reinigende Oberflächen, eine Vielzahl von Oberflächenausführungen sowie vollständige Recyclingfähigkeit, da Schrott zu neuem Edelstahl eingeschmolzen werden kann, ohne dass der Wert der Legierungselemente verloren geht.
Die Grenzen sind real. Edelstahl ist nicht korrosionsbeständig: Chloride können Lochfraß und Spaltkorrosion verursachen, insbesondere dort, wo Ablagerungen oder dichte Fugen den Sauerstoffzugang einschränken, und Verunreinigungen durch Werkzeuge aus Kohlenstoffstahl können Oberflächenrost hinterlassen. Siehe Warum Edelstahl trotzdem rosten kann für die wichtigsten Ausfallpfade.
Ein weiterer Faktor sind die Kosten. Austenitische Werkstoffe werden bei der Bearbeitung kaltverfestigt, und beim Schweißen sind ein geeigneter Schweißzusatz sowie eine kontrollierte Wärmezufuhr erforderlich; daher sollte das Verarbeitungsverhalten bei der Auswahl berücksichtigt werden.
Anwendungsbereiche von Edelstahl
Ingenieure entscheiden sich für Edelstahl, wenn Korrosionsbeständigkeit mit Festigkeit, Reinigungsfreundlichkeit, Hitzebeständigkeit, Optik oder langer Lebensdauer einhergehen muss. Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:
- Anlagen für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, darunter Tanks, Rohrleitungen, Mischer, Ventile und Fördersysteme.
- Chemie- und Prozessanlagen, in denen Pumpen, Ventilgehäuse, Rohrleitungen, Behälter und Wärmetauscher entsprechend dem tatsächlich verwendeten Medium ausgewählt werden.
- Medizinische und pharmazeutische Geräte, die reinigbare, sterilisierbare Oberflächen und kontrollierte Materialspezifikationen erfordern.
- Architektur und Infrastruktur, einschließlich Fassadenverkleidungen, Geländer, Befestigungselemente, Bewehrungsstahl und Komponenten für Wasserversorgungssysteme.
- Verkehr und Energie – von Abgassystemen und Schienenfahrzeugen bis hin zur Stromerzeugung sowie Anwendungen im Kryo- und Hochtemperaturbereich.
- Gegossene Edelstahlkomponenten wie komplexe Pumpengehäuse, Laufräder, Ventilteile und Gehäuse, bei denen die Geometrie ein Gussverfahren mit nahezu endgestalteter Form begünstigt.
MinHe Foundry – Maßgefertigte Edelstahlgussteile
Falls für Ihr Bauteil eine Edelstahlgusssorte benötigt wird, senden Sie bitte die Zeichnung, die Einsatzbedingungen und die gewünschte Norm an unsere Ingenieure. Das Gießereiteam kann vor Beginn der Werkzeugherstellung austenitische, ferritische, martensitische, Duplex- und ausscheidungsgehärtete Varianten mit den tatsächlichen Einsatzbedingungen abgleichen.
Die Festlegung der Anforderungen hinsichtlich Güteklasse, Wärmebehandlung und Prüfung bereits in der Angebotsphase ist weitaus kostengünstiger als deren Korrektur nach dem Guss – hier zahlt sich eine klare Spezifikation durch weniger Ausschuss und eine schnellere Lieferung aus.
