Rostfreier Stahl

Rohrleitungsteile und Formstücke aus rostfreiem Stahl

Rostfreier Stahl oder nichtrostender Stahl ist die Bezeichnung für eine Gruppe von korrosions- und säurebeständigen Stahlsorten. Als Erfinder gilt im angelsächsischen Raum Harry Brearley, der sein Patent 1913 anmeldete (erst 1919 erteilt). Im Deutschen Reich ließen jedoch Eduard Maurer und Benno Strauß aus dem Unternehmen Krupp schon im Herbst 1912 durch den Beamten Clemens Pasel ein Patent auf rostfreien Stahl anmelden (ebenfalls 1919 erteilt).^[1] Die Germaniawerft hatte bereits 1908 für Krupp die Yacht Germania auch mit rostfreiem Stahl gebaut, doch es sollte noch ein paar Jahre dauern, bis sich das Material auch kostengünstig im großtechnischen Maßstab herstellen ließ.

Synonyme

Synonyme für nichtrostenden („rostfreien“) Stahl sind

• Edelstahl rostfrei, allgemein auch nur Edelstahl genannt; fachsprachlich wird die Bezeichnung Edelstahl nur für Stahlsorten mit besonders hoher Reinheit verwendet, die nicht zwangsläufig hochlegiert und rostfrei sein müssen.
• Inox (vom französischen inoxydable gebildet, was soviel bedeutet wie „nicht oxidierbar“ oder „rostfrei“)
• Cromargan, Handelsname von WMF
• Nirosta, Markenname der ThyssenKrupp Nirosta wird selten auch Nieroster oder Niroster geschrieben. Der Name leitet sich von der Verkürzung
  der Bezeichnung Nicht Rostender Stahl ab.
• VA-Stahl

In Deutschland sind für die folgenden zwei Edelstahlsorten besondere Bezeichnungen gebräuchlich, die jedoch keine Synonyme für rostfreien Stahl sind, sondern eine bestimmte Stahlsorte bezeichnen:

• V2A (Versuchsschmelze 2 Austenit, entstand 1912 für Legierungs-Typ X12CrNi18-8 oder auch 1.4300 genannt), wird heute nicht mehr hergestellt. (Die Bezeichnung V2A wird heute für den Nachfolger 1.4301 (X5CrNi18-10) verwendet).
• V4A (ähnlich V2A, jedoch zusätzlich mit 2 % Molybdän (Mo) legiert, was diesen Stahl widerstandsfähiger gegen Korrosion durch chloridhaltige Medien macht – Salzwasser, Schwimmbäder, chemische Industrie etc.) Die allgemeine Bezeichnung für V4A ist 1.4401 (X5CrNiMo17-12-2)

Auch VA-Stahl leitet sich von diesen Bezeichnungen ab. Weniger verwendet werden die Stahlsorten V1A, V3A und V5A.

Beschreibung

Nichtrostender („rostfreier“) Stahl zeichnet sich durch einen Anteil von mehr als 10,5 Prozent Chrom^[2] aus, der im austenitischen oder ferritischen Mischkristall 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

Stähle ohne Nickelzusatz bilden ferritische Kristalle und haben folgende Eigenschaften:

• magnetisch (aber weniger Sättigungspolarisation als unlegierte Stähle)
• Wärmeausdehnungskoeffizient eher tiefer als bei unlegiertem Stahl (10,0 .. 10,5×10⁻⁶ K⁻¹ )
• Die meisten Sorten sind härtbar

Stähle mit höheren Nickelanteilen bilden austenitische Strukturen und haben folgende Eigenschaften:

• höhere Korrosionsfestigkeit als nickelarme Chromstähle
• im spannungsfreien Zustand weitgehend unmagnetisch
• vergleichsweise niedrige Streckgrenze (200..300 N/mm²) bei relativ hoher Zugfestigkeit (700-1300N/mm²)
• hoher Wärmeausdehnungskoeffizient (zum Beispiel ein Wert von 16,0×10⁻⁶ K⁻¹ für den Werkstoff 1.4301 im Vergleich zu einem Wert von 10,5 × 10⁻⁶ K⁻¹ für Kohlenstoffstahl)
• Dichte 1.4301 (V2A): 7,9 g/cm³, 1.4401 (V4A): 8,0 g/cm³^[2]
• nicht durch Glühen und anschließendes Abschrecken härtbar
• Oberflächenhärtung nur durch Plasmanitrieren, Kolsterisieren oder Kaltverformung möglich
• gut durch Schweißen zu verbinden

Verwendung

die Außenverkleidung der Walt Disney Concert Hall besteht aus rostfreiem Stahl

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).

Ohne rostfreien Stahl wären viele Kryostaten nicht realisierbar. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit und 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.^[3]

Eingesetzte 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 ferromagnetischen Austenit-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. Die Legierung ist extrem zäh und neigt bei Kaltverformung zu extremer Aushärtung, wodurch sie schlecht mechanisch (Bohren, Stanzen, Zerspanen, ...) bearbeitbar ist.

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 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 (bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, die nicht regelmäßig gereinigt werden können oder von Wasser benetzt werden, müssen höhermolybdänhaltige Qualitäten verwendet werden, z. B. 1.4529^[4]) und der chemischen Industrie eingesetzt.

Weitere Stahlsorten

Für Werkzeuge und Messer werden jedoch härtbare martensitisch-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.

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 Affinität zum 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

Abkürzungen:

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

Übersicht der Werkstoffbezeichnungen

In der Tabelle sind die allgemeinen nichtrostenden und säurebeständigen Stähle aufgelistet.

Schrauben

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. Weiterhin kann bei Kontakt zwischen Niro- und normalen Stählen aus elektrochemischen Gründen zusätzliche Korrosion auftreten.

In der dreiteiligen europäischen Norm EN 10088 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 aushärtbar und 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.

Siehe auch

• Edelstahl
• Stahlsorten
• Invar

Einzelnachweise

Weblinks

Commons: Rostfreier Stahl – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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• Werkstoffnummern und Bezeichnungen nach DIN/EN, ASTM/UNS, BS, DIN 17441/EN10088-2 / SEW 400 sowie weitere Informationen
• Weitere Datenblätter über Edelstahl und deren Verarbeitung
• Umwandler für Werkstoffnormen rostfreier Stähle
• Artikel über rostfreien Stahl
• Informationsstelle Edelstahl Rostfrei: ausführliche Publikationen über Einsatz und Verarbeitung rostfreier Stähle
• Schrauben-Lexikon » Rostfrei A1 bis A5
• Online-Datenbank: Chemische Zusammensetzung, Eigenschaften; EN-ASTM-Entsprechungen