Rostfreier Stahl
Rostfreier Stahl ist eine Stahllegierung aus Eisen und Kohlenstoff, der Chrom und Nickel zulegiert wurden. Diese Elemente verhindern die Oxidation. Rostfreier Stahl enthält mindestens 10,5 % des Gesamtgewichts an Chrom und höchstens 1,2 % an Kohlenstoff.
Material, das Chrom, aber kein Nickel enthält, kann der Korrosion gut widerstehen, wird aber nicht als rostfreier Stahl, sondern als Chromstahl bezeichnet.
Rostfreier Stahl ist auch unter den Bezeichnungen "Edelstahl", "Inox", "18/8", "NiRosTa" oder "Edelstahl" bekannt. Entgegen der landläufigen Meinung kann rostfreier Stahl oxidieren. Tatsächlich oxidiert das Chrom in der Oberfläche von Edelstahl in Verbindung mit Sauerstoff zu Chrom(III)-Oxid. Diese Schicht ist nur wenige Nanometer dick und schützt den darunterliegenden Stahl vor der weiteren Korrosion.
Vor allem in aggressiven Umgebungen mit Chlor, Salzen oder bei hohen Temperaturen sind bestimmte Edelstahlsorten jedoch nur unzureichend gegen Korrosion geschützt und daher ungeeignet. Es obliegt dem Konstrukteur, die Edelstahlvariante zu wählen, die der Anwendung und der Umgebung, in der der Edelstahl eingesetzt wird, entspricht.
Basierend auf die Kristallstruktur wird Edelstahl in austenitische, ferritische und martensitische Stähle sowie Duplex unterschieden.
Austenitisches Gefüge
Dieser Stahl enthält einen relativ hohen Anteil an Chrom und Nickel (6 bis 26%). Diese 2 Elemente machen zusammen mindestens 25% der Gesamtlegierung aus. 2 / 3 aller rostfreien Stahlsorten weisen ein austenitisches Gefüge auf. Die bekanntesten Sorten sind Edelstahl 304 und 316.
Edelstahl 304 wird auch als 18/10 bezeichnet, wobei die Anteile von Chrom (18%) und Nickel (10%) angegeben werden. Edelstahl 304 wird auch als "V2A", Edelstahl 316 als "V4A" bezeichnet.
Edelstahl 316 enthält zusätzlich 2% Molybdän, was ihm eine höhere Korrosionsbeständigkeit verleiht.
Ferritisches Gefüge
Rostfreier Edelstahl mit einem ferritischen Gefüge besteht hauptsächlich aus Eisen und Kohlenstoff. Als Legierungselement wird hauptsächlich Chrom hinzugefügt, welcher einen Anteil von 13 bis 18 % haben kann.
Möglicherweise können noch weitere Legierungselemente, wie Niob, Titan oder Zirkonium hinzugefügt werden, um dem Material noch bessere Eigenschaften zu verleihen. Diese Elemente können beispielsweise die Schweißbarkeit verbessern und die Härte erhöhen.
Diese Stahlsorten sind leicht magnetisch und aufgrund der Wärmebehandlung nicht härtbar.
Martensitisches Gefüge
Die Haupteigenschaft des martensitischen rostfreien Stahls ist, dass er strapazierfähig ist. Bezüglich der Zusammensetzung ähnelt er dem ferritischen Edelstahl und ist ebenfalls magnetisch.
Im ungehärteten Zustand hat dieser Stahl ein ferritisches Gefüge und bildet erst nach dem Härten und Anlassen eine martensitische Kristallstruktur. In dieser Form ist er weniger korrosionsbeständig als ferritischer Edelstahl.
Auf der anderen Seite ist das Material härter und hat eine hohe Streckgrenze. Ein höherer Kohlenstoffanteil ergibt eine höhere erreichbare Härte und Zugfestigkeit. Durch das Anlassen des Produkts wird die Zugfestigkeit leicht abnehmen, die Zähigkeit jedoch wieder zunehmen.
Duplex - Stahl
Duplex-Edelstahl besteht aus einer Kombination aus ferritischen und austenitischen Kristallstrukturen innerhalb desselben Materials. Das Material bietet einige der Vorteile beider Kristallstrukturen.
Die Streckgrenze kann doppelt so hoch sein wie die von austenitischem rostfreiem Stahl. Weitere Vorteile sind der geringere Ausdehnungskoeffizient, erhöhte Härte sowie verbesserte Schweißbarkeit und Zähigkeit.
Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit ist Duplex widerstandsfähiger gegen Spannungskorrosion. Aufgrund seiner Härte ist es jedoch weniger leicht verformbar. Der Temperaturbereich, in dem Duplex-Varianten eingesetzt werden können, ist normalerweise auf +280°C begrenzt.
Die Anwendungen von rostfreiem Stahl
Da rostfreier Stahl teurer ist als Baustahl, muss die richtige Wahl getroffen werden, wo rostfreier Stahl benötigt wird und welche Variante verwendet werden soll. Rostfreier Stahl ist im Allgemeinen korrosionsbeständig, aber die verschiedenen Varianten haben jeweils ihr eigenes Anwendungsgebiet. Die am häufigsten verwendeten Arten von Edelstahl sind Edelstahl 304 und Edelstahl 316.
Edelstahl 304 ist weniger beständig gegen Salze und Chloride. Edelstahl 316 ist beständiger gegen diese chemischen Einflüsse und kann daher besser in aggressiven Umgebungen eingesetzt werden. Allerdings kann Edelstahl 316 nicht unbedingt überall dort einsetzbar sein, wo Chloride eine Rolle spielen. Zum Beispiel kann eine Treppe, die aus einem Schwimmbecken herausführt, aus Edelstahl 316 hergestellt werden, aber es ist unklug, hochbelastbare Komponenten aus Edelstahl 316 herzustellen. Es ist besser, dafür eine Duplex-Variante zu verwenden.
Ermittlung der Korrosionsbeständigkeit (PREN)
Die Korrosionsbeständigkeit wird durch den PREN-Wert angegeben. PREN steht für "Pitting Resistance Equivalent Number" und kann nach folgender Formel berechnet werden:
PREN = 1 x %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N
| PREN | Widerstandsklasse | Anwendung |
| 17,0 - 21,3 | II / mäßig | keine erhöhte Einwirkung von Chloriden und Schwefeldioxyden |
| 23,1 - 28,5 | III / mittel | mäßige Einwirkung von Chloriden und Schwefeldioxiden |
| 41,2 - 48,1 | IV / stark | hohe Einwirkung von Chloriden, Schwefeldioxiden und Wasserdampf |
Mechanische Eigenschaften
Austenitischer rostfreier Stahl kann durch Kaltverformung (z.B. Abkanten) gehärtet werden.
Die spezifische Masse von Edelstahl (7.930 kg/m³) ist etwas höher als die von Stahl (7.800 kg/m³). Für beide Materialien werden jedoch weltweit 8.000 kg/m³ für den Handel berechnet.
Um die Durchbiegung einer Struktur zu berechnen, ist der Elastizitätsmodul wichtig. Bei rostfreiem Stahl liegt dieser zwischen 193 und 204 kN/mm² (GPa) und unterscheidet sich daher nicht wesentlich von Stahl (210 kN/mm² (GPa)).
Der Ausdehnungskoeffizient von austenitischem rostfreiem Stahl (ca. 16 µm/m °K-1) ist jedoch deutlich höher als der von Baustahl (ca. 10 µm/m °K-1). Ein Tragwerksplaner wird dies berücksichtigen müssen, insbesondere wenn größere Längen oder hohe Betriebstemperaturen zu erwarten sind.
Rostfreier Stahl aus der Duplex-Serie bietet eine Lösung für dieses Problem. Der Ausdehnungskoeffizient der Duplex-Varianten liegt bei etwa 10 bis 11 µm/m °K-1 und ist damit praktisch gleich dem von Baustahl. Die typische Zugfestigkeit von rostfreiem Stahl liegt zwischen 480 und 700 N/mm². Die Streckgrenze (Rp 0,2) liegt etwa zwischen 180 und 300 N/mm². Es wurden jedoch viele Varianten von rostfreiem Stahl entwickelt, so dass diese Werte nur als allgemeine Richtlinie dienen.
Trivia
1912 erhielten die Brown Firth Research Laboratories unter der Leitung von Harvey Brearly (1871 - 1948) den Auftrag, den Verschleiß in den Läufen von Schusswaffen und Kanonen zu untersuchen. Dieser Verschleiß war hauptsächlich auf die hohen Temperaturen zurückzuführen, die beim Abfeuern der Waffen entstanden. Harvey kam auf die Idee, den Stahllegierungen Chrom (Cr) beizufügen, um den Schmelzpunkt des Stahls zu erhöhen.
Beim Ätzen der Legierung, Salpetersäure verdünnt mit Alkohol, erwies sich das Material jedoch als unerwartet säurebeständig. Harvey gilt seither als der (zufällige) Erfinder des rostfreien Stahls. Der erste rostfreie Stahl wurde am 13. August 1913 gegossen. Ursprünglich war es als ein Material angekündigt, das sich sehr gut als Besteck für z.B. Kreuzfahrtschiffe und Hotels eignet.
Siehe auch
Brinar
BRINAR ist ein verschleißfester Stahl welcher an mechanisch stark beanspruchten Stellen zum Einsatz kommt.
WeiterlesenCreusabro
CREUSABRO ist ein Hartstahl, der starken mechanischen Belastungen standhält. Hier finden Sie weitere Informationen!
WeiterlesenDuplexstahl
Duplexstahl ist enorm robust, hält Salzwasser stand, ist extrem fest und trotzdem sehr gut umformbar.
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