Was ist Edelstahl?
„Edelstahl“ ist ein Begriff, der schon früh in der Entwicklung dieser Stähle für Besteckanwendungen geprägt wurde. Es wurde als allgemeiner Name für diese Stähle übernommen und deckt heute ein breites Spektrum an Stahltypen und -sorten für korrosions- oder oxidationsbeständige Anwendungen ab.
Edelstähle sind Eisenlegierungen mit mindestens 10,5 % Chrom. Weitere Legierungselemente werden hinzugefügt, um ihre Struktur und Eigenschaften wie Formbarkeit, Festigkeit und Tieftemperaturzähigkeit zu verbessern.
Diese Kristallstruktur macht solche Stähle unmagnetisch und bei niedrigen Temperaturen weniger spröde. Für höhere Härte und Festigkeit wird Kohlenstoff hinzugefügt. Bei entsprechender Wärmebehandlung werden diese Stähle als Rasierklingen, Besteck, Werkzeuge usw. verwendet.
In vielen Edelstahlzusammensetzungen wurden erhebliche Mengen Mangan verwendet. Mangan bewahrt wie Nickel eine austenitische Struktur im Stahl, jedoch zu geringeren Kosten.
Die Hauptelemente aus Edelstahl
Edelstahl oder korrosionsbeständiger Stahl ist eine Art Metalllegierung, die in verschiedenen Formen vorkommt. Er erfüllt unsere praktischen Bedürfnisse so gut, dass es kaum einen Bereich unseres Lebens gibt, in dem wir diese Art von Stahl nicht verwenden. Die Hauptbestandteile von Edelstahl sind: Eisen, Chrom, Kohlenstoff, Nickel, Molybdän und geringe Mengen anderer Metalle.
Dazu gehören Metalle wie:
- Nickel
- Molybdän
- Titan
- Kupfer
Es werden auch nichtmetallische Zusätze gemacht, die wichtigsten sind:
- Kohlenstoff
- Stickstoff
CHROM UND NICKEL:
Chrom ist das Element, das Edelstahl rostfrei macht. Es ist für die Bildung des Passivfilms von entscheidender Bedeutung. Andere Elemente können die Wirksamkeit von Chrom bei der Bildung oder Aufrechterhaltung des Films beeinflussen, aber kein anderes Element allein kann die Eigenschaften von Edelstahl erzeugen.
Bei etwa 10,5 % Chrom bildet sich ein schwacher Film, der einen milden Schutz vor der Atmosphäre bietet. Durch die Erhöhung des Chromgehalts auf 17–20 %, was für die austenitischen Edelstähle der Typ-300-Serie typisch ist, wird die Stabilität des Passivfilms erhöht. Eine weitere Erhöhung des Chromgehalts sorgt für zusätzlichen Schutz.
| Symbol | Element |
| Al | Aluminium |
| C | Kohlenstoff |
| Cr | Chrom |
| Cu | Kupfer |
| Fe | Eisen |
| Mo | Molybdän |
| Mn | Mangan |
| N | Stickstoff |
| Ni | Nickel |
| P | Phosphor |
| S | Schwefel |
| Se | Selen |
| Ta | Tantal |
| Ti | Titan |
Nickel stabilisiert die austenitische Struktur (die Korn- oder Kristallstruktur) des Edelstahls und verbessert die mechanischen Eigenschaften und Herstellungseigenschaften. Ein Nickelgehalt von 8–10 % und mehr verringert die Neigung des Metalls zur Rissbildung aufgrund von Spannungskorrosion. Nickel fördert auch die Repassivierung im Falle einer Beschädigung der Folie.
MANGAN:
Mangan erfüllt in Verbindung mit Nickel viele der Funktionen, die Nickel zugeschrieben werden. Außerdem interagiert es mit dem Schwefel im Edelstahl und bildet Mangansulfite, was die Beständigkeit gegen Lochfraß erhöht. Durch den Ersatz von Nickel durch Mangan und die anschließende Kombination mit Stickstoff wird auch die Festigkeit erhöht.
MOLYBDÄN:
Molybdän ist in Kombination mit Chrom sehr wirksam bei der Stabilisierung des Passivfilms in Gegenwart von Chloriden. Es verhindert wirksam Spalt- und Lochfraßkorrosion. Molybdän sorgt neben Chrom für die größte Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit bei Edelstahl. Edstrom Industries verwendet Edelstahl 316, da dieser 2–3 % Molybdän enthält, das Schutz bietet, wenn dem Wasser Chlor zugesetzt wird.
KOHLENSTOFF:
Zur Erhöhung der Festigkeit wird Kohlenstoff verwendet. Bei der martensitischen Sorte erleichtert die Zugabe von Kohlenstoff die Härtung durch Wärmebehandlung.
STICKSTOFF:
Stickstoff wird zur Stabilisierung der austenitischen Struktur von Edelstahl verwendet, wodurch die Beständigkeit gegen Lochfraß erhöht und der Stahl gestärkt wird. Durch den Einsatz von Stickstoff kann der Molybdängehalt auf bis zu 6 % erhöht werden, was die Korrosionsbeständigkeit in Chloridumgebungen verbessert.
TITAN UND MIOBIUM:
Titan und Miobium werden verwendet, um die Sensibilisierung von Edelstahl zu reduzieren. Bei der Sensibilisierung von Edelstahl kann es zu interkristalliner Korrosion kommen. Dies wird durch die Ausscheidung von Chromkarbiden während der Abkühlphase beim Schweißen von Teilen verursacht. Dadurch wird der Schweißbereich an Chrom verarmt. Ohne Chrom kann sich der Passivfilm nicht bilden. Titan und Niob interagieren mit Kohlenstoff und bilden Karbide, wobei das Chrom in Lösung bleibt, sodass sich ein passiver Film bilden kann.
KUPFER UND ALUMINIUM:
Kupfer und Aluminium können zusammen mit Titan zu Edelstahl hinzugefügt werden, um dessen Härtung zu beschleunigen. Die Aushärtung erfolgt durch Einweichen bei einer Temperatur von 900 bis 1150 F. Diese Elemente bilden während des Einweichvorgangs bei erhöhter Temperatur eine harte intermetallische Mikrostruktur.
SCHWEFEL UND SELEN:
Dem Edelstahl 304 werden Schwefel und Selen zugesetzt, um ihn frei bearbeiten zu können. Daraus entsteht Edelstahl 303 oder 303SE, der von Edstrom Industries zur Herstellung von Schweineventilen, Muttern und Teilen verwendet wird, die keinem Trinkwasser ausgesetzt sind.
Arten von Edelstahl
Das AISI definiert unter anderem folgende Güteklassen:
Aufgrund seiner im Vergleich zu Typ 304 höheren Widerstandsfähigkeit gegen Salzwasserkorrosion wird er auch als „Marine-Edelstahl“ bezeichnet. SS316 wird häufig für den Bau nuklearer Wiederaufbereitungsanlagen verwendet.
EDELSTAHL 304/304L
Typ 304 hat aufgrund seines geringeren Kohlenstoffgehalts eine etwas geringere Festigkeit als 302.
EDELSTAHL 316/316L
Edelstahl vom Typ 316/316L ist ein Molybdänstahl mit verbesserter Beständigkeit gegen Lochfraß durch Lösungen, die Chloride und andere Halogenide enthalten.
310S EDELSTAHL
Edelstahl 310S weist eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit bei konstanten Temperaturen von bis zu 2000 °F auf.
EDELSTAHL 317L
317L ist ein molybdänhaltiger austenitischer Chrom-Nickel-Stahl, der dem Typ 316 ähnelt, außer dass der Legierungsgehalt in 317L etwas höher ist.
EDELSTAHL 321/321H
Typ 321 ist der Basistyp 304, modifiziert durch Zugabe von Titan in einer Menge, die mindestens dem Fünffachen des Kohlenstoff- und Stickstoffgehalts entspricht.
410 EDELSTAHL
Typ 410 ist ein martensitischer Edelstahl, der magnetisch ist, in milden Umgebungen korrosionsbeständig ist und eine recht gute Duktilität aufweist.
DUPLEX 2205 (UNS S31803)
Duplex 2205 (UNS S31803) oder Avesta Sheffield 2205 ist ein ferritisch-austenitischer Edelstahl.
EDELSTÄHLE WERDEN AUCH NACH IHRER KRISTALLINEN STRUKTUR KLASSIFIZIERT:
- Austenitische Edelstähle machen über 70 % der gesamten Edelstahlproduktion aus. Sie enthalten maximal 0,15 % Kohlenstoff, mindestens 16 % Chrom und ausreichend Nickel und/oder Mangan, um bei allen Temperaturen vom kryogenen Bereich bis zum Schmelzpunkt der Legierung eine austenitische Struktur beizubehalten. Eine typische Zusammensetzung besteht aus 18 % Chrom und 10 % Nickel, allgemein bekannt als 18/10-Edelstahl, der häufig in Besteck verwendet wird. Ebenso sind auch 18/0 und 18/8 erhältlich. „Superaustenitische“ Edelstähle wie die Legierungen AL-6XN und 254SMO weisen aufgrund des hohen Molybdängehalts (>6 %) und der Stickstoffzusätze eine hohe Beständigkeit gegen Chloridlochfraß und Spaltkorrosion auf, und der höhere Nickelgehalt sorgt für eine bessere Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion über die 300er-Serie. Der höhere Legierungsgehalt von „superaustenitischen“ Stählen bedeutet, dass sie furchtbar teuer sind und eine ähnliche Leistung normalerweise mit Duplexstählen zu viel geringeren Kosten erreicht werden kann.
- Ferritische Edelstähle sind sehr korrosionsbeständig, aber weitaus weniger haltbar als austenitische Stähle und können nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden. Sie enthalten zwischen 10,5 % und 27 % Chrom und, wenn überhaupt, sehr wenig Nickel. Die meisten Zusammensetzungen enthalten Molybdän; einige, Aluminium oder Titan. Zu den gängigen ferritischen Sorten gehören 18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-4Mo und 29Cr-4Mo-2Ni.
- Martensitische Edelstähle sind nicht so korrosionsbeständig wie die beiden anderen Klassen, aber extrem fest und zäh sowie gut bearbeitbar und können durch Wärmebehandlung gehärtet werden. Martensitischer Edelstahl enthält Chrom (12–14 %), Molybdän (0,2–1 %), kein Nickel und etwa 0,1–1 % Kohlenstoff (was ihm mehr Härte verleiht, das Material aber etwas spröder macht). Es ist abgeschreckt und magnetisch. Er wird auch als „Serie-00“-Stahl bezeichnet.
- Duplex-Edelstähle haben eine gemischte Mikrostruktur aus Austenit und Ferrit, wobei das Ziel darin besteht, eine 50:50-Mischung zu erzeugen, obwohl die Mischung bei kommerziellen Legierungen 60:40 betragen kann. Duplex-Stähle haben gegenüber austenitischen Edelstählen eine höhere Festigkeit und auch eine verbesserte Beständigkeit gegen lokale Korrosion, insbesondere Lochfraß, Spaltkorrosion und Spannungsrisskorrosion. Sie zeichnen sich durch einen hohen Chrom- und geringeren Nickelgehalt als austenitische Edelstähle aus.
Geschichte des Edelstahls
Aus der Antike sind einige korrosionsbeständige Eisenartefakte erhalten. Ein berühmtes (und sehr großes) Beispiel ist die Eiserne Säule von Delhi, die im Auftrag von Kumara Gupta I. um das Jahr 400 n. Chr. errichtet wurde. Im Gegensatz zu Edelstahl verdanken diese Artefakte ihre Haltbarkeit jedoch nicht dem Chrom, sondern ihrem hohen Phosphorgehalt. Zusammen mit günstigen örtlichen Wetterbedingungen fördert dies die Bildung einer festen, schützenden Passivierungsschicht aus Eisenoxiden und Phosphaten anstelle der nicht schützenden, rissigen Rostschicht, die sich auf den meisten Eisenarbeiten bildet.
Die Korrosionsbeständigkeit von Eisen-Chrom-Legierungen wurde erstmals 1821 vom französischen Metallurgen Pierre Berthier erkannt, der ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Angriff einiger Säuren feststellte und ihre Verwendung in Besteck vorschlug. Allerdings waren die Metallurgen des 19. Jahrhunderts nicht in der Lage, die Kombination aus niedrigem Kohlenstoffgehalt und hohem Chromgehalt herzustellen, die in den meisten modernen rostfreien Stählen zu finden ist, und die Legierungen mit hohem Chromgehalt, die sie herstellen konnten, waren zu spröde, um von praktischem Interesse zu sein.
Diese Situation änderte sich Ende der 1890er Jahre, als Hans Goldschmidt aus Deutschland ein aluminothermisches (Thermit-)Verfahren zur Herstellung von kohlenstofffreiem Chrom entwickelte. In den Jahren 1904 bis 1911 stellten mehrere Forscher, insbesondere Leon Guillet aus Frankreich, Legierungen her, die heute als rostfreier Stahl gelten würden. Im Jahr 1911 berichtete Philip Monnartz aus Deutschland über den Zusammenhang zwischen dem Chromgehalt und der Korrosionsbeständigkeit dieser Legierungen.
Harry Brearley vom Brown-Firth-Forschungslabor in Sheffield, England, wird am häufigsten als „Erfinder“ von Edelstahl bezeichnet
Stahl. Als er 1913 nach einer erosionsbeständigen Legierung für Waffenläufe suchte, entdeckte er eine martensitische Edelstahllegierung und entwickelte sie anschließend industriell. Ähnliche industrielle Entwicklungen fanden jedoch gleichzeitig in den Krupp-Eisenwerken in Deutschland statt, wo Eduard Maurer und Benno Strauss eine austenitische Legierung (21 % Chrom, 7 % Nickel) entwickelten, und in den Vereinigten Staaten, wo Christian Dantsizen und Frederick Becket industrialisierten ferritischen Edelstahl.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 16.06.2022