Edelstahl

Edelstahl (nach EN 10020) ist eine Bezeichnung für legierte oder unlegierte Stähle mit besonderem Reinheitsgrad, zum Beispiel Stähle, deren Schwefel- und Phosphorgehalt (sogenannte Eisenbegleiter) 0,025 % nicht überschreitet.

Die alleinige Begriffsdefinition, ein Edelstahl sei ein „chemisch besonders reiner“, „rostfreier“ oder „nichtrostender“ Stahl, ist ungenau bzw. falsch. Ein Edelstahl muss nicht zwangsläufig den Anforderungen eines nichtrostenden Stahls entsprechen. Trotzdem werden im Alltag häufig nur rostfreie Stähle als Edelstähle bezeichnet. Ebenso muss ein rostfreier Stahl nicht unbedingt auch ein Edelstahl sein. Der Legierungsbestandteil-Anteil der verschiedenen Sorten Edelstahl (niedrig- oder hochlegiert) ist jedoch genauestens definiert.

Nichtrostender („rostfreier“) Stahl zeichnet sich durch einen Anteil von mehr als 10,5 Prozent Chrom[1] aus, der im austenitischen oder ferritischenMischkristall gelöst sein muss. Durch diesen hohen Chromanteil bildet sich eine schützende und dichte Passivschicht aus Chromoxid an der Werkstoffoberfläche aus. Weitere Legierungsbestandteile wie Nickel, Molybdän, Mangan und Niob führen zu einer noch besseren Korrosionsbeständigkeit oder günstigeren mechanischen Eigenschaften. Da Chrom als Legierungselement preisgünstiger ist als Nickel, wird ein höherer Chromanteil bei kleinerem Nickelanteil (gleiche Korrosionsbeständigkeit vorausgesetzt) bevorzugt.

Eigenschaften

Die rostfreien Stähle zeichnen sich hauptsächlich durch die folgenden gemeinsamen Eigenschaften aus:

  • erhöhte Beständigkeit gegen Korrosion und Säuren
  • hohe Zähigkeit und damit schlechte Zerspanbarkeit (zum Beispiel beim Bohren, Drehen) und erhöhte Neigung zum "Festfressen" bei Gewinden (letzteres vor allem, wenn diese erhitzt werden, beispielsweise bei Behältern der chemischen und pharmazeutischen Industrie)
  • schlechte elektrische und Wärmeleitfähigkeit
  • vergleichsweise niedrige Zugfestigkeit
  • hoher Wärmeausdehnungskoeffizient (zum Beispiel ein Wert von 16,0 für den Werkstoff 1.4301 im Vergleich zu einem Wert von 10,5 für Kohlenstoffstahl)
  • Dichte (V2A): 7,8 g/cm³
  • nicht durch Glühen und anschließendes Abschrecken härtbar
  • gut durch Schweißen zu verbinden

Verwendung

Wegen der guten Umformbarkeit von Blechen aus rostfreiem Stahl finden Teile aus diesem Material eine immer größere Verbreitung in der Industrie, im Haushalt oder auch in medizinischen Geräten. Obwohl sich die meisten rostfreien Stähle nur sehr schlecht zerspanen lassen, bietet ihr Einsatz überwiegend Vorteile. Hier sind beispielsweise neben hygienischen Aspekten (im Brauereiwesen, der Lebensmittelindustrie und Pharmazie erfolgt die Sterilisierung mit Dampf) auch die Langlebigkeit der produzierten Teile und Vorteile im Umweltschutz zu nennen. Nachteil gegenüber anderen Stählen ist jedoch die zumeist geringe Zugfestigkeit und oft fehlende Härtbarkeit (siehe weiterer Text). Bemerkenswert ist auch die im Vergleich zu Kupfer und seinen Legierungen geringere antibakterielle Wirkung, auch bekannt als oligodynamischer Effekt (Oligodynamie). Ihr Preis liegt durchschnittlich bei rund 2,8 €/kg.

Ohne rostfreien Stahl wären viele Kryostaten nicht realisierbar. Die schlechte Wärmeleitfähigkeitund dünne Wandungen (zum Beispiel Rohre mit weniger als 0,3 mm Wandstärke) ermöglichen eine gute Isolation zwischen Kryoflüssigkeit und Raumtemperatur. Weitere Vorteile sind UHV-Dichtheit von Schweiß-Verbindungen und geringer Magnetismus.

Seit der Patenterteilung auf Stähle mit „hoher Widerstandskraft gegen Korrosion“ im Jahr 1912 an die Firma Friedrich Krupp AG in Essen hat die Produktion von rostfreiem Stahl einen gewaltigen Aufschwung genommen. Auslöser für die Entwicklung eines solchen Stahls war die aufstrebende chemische Industrie im Deutschen Reich. Die damaligen Syntheseverfahren mit Heißdampf, säurehaltigen Medien und sehr hohen Temperaturen ließen herkömmliche Stähle spröde (Wasserstoffsprödigkeit) und rissig werden. Viele damalige Reaktoren waren bis dahin aus Granit gefertigt, um diese Nachteile zu umgehen. Die 1913 anlaufende Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren) konnte nur durch den Einsatz von austenitischen CrNi-Stählen, wie sie Krupp ein Jahr zuvor entwickelt hatte, realisiert werden. Die parallele Entwicklung der Stahl- und Chemieindustrie, insbesondere dieser beiden Ereignisse, war deshalb kein Zufall.

Warmfeste nichtrostende Stähle werden als "hitzebeständige Stähle" vermarktet und können teilweise bei Temperaturen bis 900 °C eingesetzt werden.

Werkstoffe und Zusammensetzung

Unter dem Oberbegriff rostfreier Stahl gibt es eine Vielzahl von Legierungen, die sich in ihren Legierungsbestandteilen, Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten unterscheiden. Zur eindeutigen Unterscheidung werden den einzelnen Legierungen Werkstoffnummern zugewiesen.

Werkstoffnummer 1.4301 - X5CrNi18-10

Der häufigste Legierungstyp eines nichtrostenden Stahls, der uns im Alltag begegnet, ist die Legierung X5CrNi18-10 (Werkstoffnummer 1.4301, Aufschrift 18/10, auch bekannt als V2A). 33% der Produktion von nichtrostenden Stählen entfallen auf diesen Legierungstyp, weitere 20% auf den ähnlichen Stahl 1.4307 (X2CrNi18-9). Bei 1.4301 handelt es sich um einen relativ weichen, nickelhaltigen, nicht ferromagnetischenAustenit-Stahl für beispielsweise Töpfe, Essbesteck (ausgenommen Messerklinge), Spülbecken, Auspuffanlagen für Verbrennungsmotoren und Ähnliches. Die Bezeichnung 18/10 bezieht sich auf den Anteil an Chrom/Nickel. Der Werkstoff ist nicht beständig in Gegenwart chlorhaltiger Medien wie beispielsweise Salzwasser oder der chlorhaltigen Atmosphäre in Hallenbädern.

Werkstoffnummer 1.4571 - X6CrNiMoTi17-12-2 (historisch) oder 1.4404 - X2CrNiMo17-12-2

Für den Einsatz in Gegenwart chloridhaltiger Medien wird häufig der Werkstoff 1.4571 bzw. 1.4404 (umgangssprachlich V4A) eingesetzt. Er besitzt im Gegensatz zum 1.4301 (ugs. V2A) durch seinen Anteil von 2 % Molybdän eine erhöhte Beständigkeit gegen Chloride. Einsatzzwecke sind unter anderem alle Bereiche, die ständig mit Salzwasser in Berührung kommen, wie zum Beispiel Beschläge im Schiffbau. Zudem wird er für die Sanierung von Schornsteinen, in Hallenbädern und der chemischen Industrie eingesetzt.

Weitere Stahlsorten

Für Werkzeuge und Messer werden jedoch härtbaremartensitisch-ferritische Stähle verwendet, die neben Chrom oft auch Vanadium und Molybdän enthalten und magnetisierbar sind. Typische Stahlsorten hierfür sind X30Cr13 und die hochwertigere Legierung X50CrMoV15 (vgl. Messerstahl).

Im Offshore-Bereich findet auch Duplexstahl, z. B. 1.4462 (X2CrNiMoN22-5-3) Anwendung. Anstelle von Nickel kann für austenitische Stähle auch das billigere Mangan als Legierungselement verwendet werden, aber die allgemeine Qualität dieser Stähle ist niedriger.

Bei Schrauben aus rostfreien Stählen steht häufig die Bezeichnung A2-70. Hierbei steht A2 für die Stahlsorte (A für austenitisch, 2 für die Sorte), 70 für die Zugfestigkeit in kp/mm² (veraltet) entsprechend 1/10 der Zugfestigkeit 700 MPa. Für den Offshore-Bereich und für Anlagen der Meerwasserentsalzung sind Bauteile aus dem Sonderwerkstoff X2CrNiMoN17-13-5 (Werkstoffnummer 1.4439/Alloy 317 LN) unbedingt zu bevorzugen. Schraubenwerkstoffe aus nichtrostenden Stählen und deren Bezeichnungen sind in der Norm EN ISO 3506 genormt. Beim Ersetzen von Schrauben mit konventionellem Werkstoff durch Niro-Schrauben ist zu beachten, dass die Werkstoffkennwerte (Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Dehngrenze etc.) dieser Niro-Schrauben meist unter denen konventioneller Schrauben mit Festigkeitsklasse größer gleich 5.6 liegt. Ein einfaches Ersetzen nach dem 1:1-Prinzip ist gerade bei sicherheitsrelevanten Verbindungen genau zu prüfen.

In der europäischen NormEN 10088, Teil 1-3 sind die technischen Lieferbedingungen für nichtrostende Stähle allgemein geregelt. Zum Abschätzen der Korrosionsbeständigkeit eines rostfreien Stahls kann die Wirksumme (auch PRE-Wert) dienen. Je höher diese ist, desto beständiger ist die Legierung gegen Lochfraß oder Spaltkorrosion. Legierungen mit einer Wirksumme über 33 gelten als seewasserbeständig.

Andere korrosionsbeständige Legierungen

Nicht mehr zu Stählen gezählt werden Cr-Ni-Legierungen, die weniger als 50 % Eisen enthalten und noch bessere Eigenschaften bezüglich Korrosions- und Warmfestigkeit haben. Diese so genannten Superlegierungen gehören zu den hochwarmfesten Legierungen, und basieren auf einem um 1906 zum ersten Mal beschriebenen Legierungstyp NiCr8020. Durch Zusätze von Aluminium und Titan werden diese aushärtbarund bei hohen Temperaturen die Festigkeit stark gesteigert. Moderne Handelsnamen sind z. B. Inconel, Incoloy, Hastelloy, Cronifer, Nicrofer. Letztere ist eine hochkorrosionsbeständige Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung, die noch in verschiedenen Legierungen unterteilt ist, je nach Zusatz (Nicrofer 3127 hMo, Nicrofer 5923 hMo, H-C4 oder H-C22).

Anwendung finden solche Legierungen hauptsächlich in Strahltriebwerken, Kraftwerksindustrie (Gasturbinen), Öl- und Gasindustrie, Umwelttechnik (REA), sowie chemische Verfahrenstechnik, also überall dort, wo hohe Festigkeit bei sehr hohen Temperaturen oder unter hoch korrosiven Bedingungen auf lange Dauer gewährleistet sein muss.

Interkristalline Korrosion

Die Beständigkeit gegenüber Korrosion sinkt mit steigendem Kohlenstoffgehalt, da Chrom eine hohe Kohlenstoffaffinität besitzt und sich hartes, sprödes Chromcarbid vorwiegend an den Korngrenzen bildet, zu Lasten von schützendem Chromoxid. Außerdem neigen dann die Stähle zur interkristallinen Korrosion. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und damit auch die Schweißbarkeit zu verbessern, wird der Kohlenstoffgehalt niedrig gehalten und die entsprechenden Stahlsorten noch durch Zugabe von Niob oder/und Titan (die eine höhere Affinitätzum Kohlenstoff als Chrom haben), stabilisiert. Derartig stabilisierte, rein ferritische Stähle mit 12 bis 18 % Chromgehalt wie X2CrTi12 (1.4512), X2CrTiNb18 (1.4509) und X3CrTi17 (1.4510) stellen heute den wichtigsten Werkstoff für den Bau von Auspuffen in der Automobilindustrie dar. Annähernd 10% der weltweiten Produktion rostfreier Stähle entfällt auf diese Anwendung. Der kostensparende Verzicht auf Nickel, sowie der geringere Wärmeausdehnungskoeffizient des ferritischen Kristallgitters sind die spezifischen Vorteile dieser Stähle. Die zusätzliche Legierung mit Molybdän verbessert die Korrosionsbeständigkeit.

Bedeutung der Werkstoffnummern

Werkstoffnummer
beginnend mit

Cr-Gehalt

Gehalt an Mo, Nb, Ti

1.40

Cr-Stähle mit < 2,5 % Ni

ohne Mo, Nb und Ti

1.41

Cr-Stähle mit < 2,5 % Ni

mit Mo, ohne Nb und Ti

1.43

Cr-Stähle mit ≥ 2,5 % Ni

ohne Mo, Nb und Ti

1.44

Cr-Stähle mit ≥ 2,5 % Ni

mit Mo, ohne Nb und Ti

1.45

Cr-, CrNi- oder CrNiMo-Stähle mit Sonderzusätzen (Cu, Nb, Ti, …)

1.46

Cr-, CrNi- oder CrNiMo-Stähle mit Sonderzusätzen (Cu, Nb, Ti, …)

Abkürzungen:

  • Cr = Chrom
  • Cu = Kupfer
  • Mo = Molybdän
  • Nb = Niob
  • Ni = Nickel
  • Ti = Titan