Edelstahlsorten: Der ultimative Leitfaden

Die folgenden Informationen vermitteln ein umfassendes Verständnis der verschiedenen Edelstahlsorten, so dass Sie eine fundierte Entscheidung für Ihre spezifische Anwendung treffen können.

Derzeit sind die Güten 304 und 316 die am häufigsten verwendeten austenitischen nichtrostenden Stähle in industriellen Anwendungen. Diese Güten bieten eine außergewöhnliche Ausgewogenheit von Korrosionsbeständigkeit, Verformbarkeit und mechanischen Eigenschaften und eignen sich daher für eine Vielzahl von Fertigungsverfahren.

Die Güteklasse 304, die gemeinhin als Edelstahl 18/8 bezeichnet wird, enthält etwa 18% Chrom und 8% Nickel. Er weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Umgebungen auf und wird häufig in der Lebensmittelverarbeitung, in Küchengeräten und in der Architektur eingesetzt. Die kohlenstoffarme Variante, die Sorte 304L, bietet eine bessere Schweißbarkeit und eine höhere Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion, was besonders bei geschweißten Strukturen oder Komponenten, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, von Vorteil ist.

Die Sorte 316 enthält Molybdän (typischerweise 2-3%), das die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegen Chloride und andere aggressive Chemikalien, deutlich erhöht. Diese Eigenschaft macht ihn ideal für den Einsatz in der Schifffahrt, in chemischen Verarbeitungsanlagen und in der Pharmaindustrie. Die Variante 316L mit ihrem geringeren Kohlenstoffgehalt (≤0,03%) bietet eine bessere Schweißbarkeit und Beständigkeit gegen Sensibilisierung beim Schweißen oder bei hohen Temperaturen, was für die Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität bei anspruchsvollen Anwendungen entscheidend ist.

Unter Kostengesichtspunkten ist Edelstahl 304 aufgrund seines geringeren Legierungsgehalts im Allgemeinen 20-30% billiger als Edelstahl 316. Die langfristige Haltbarkeit und der geringere Wartungsbedarf von 316 in aggressiveren Umgebungen rechtfertigen jedoch häufig die höheren Anschaffungskosten. Eine umfassende Analyse der Lebenszykluskosten, bei der Faktoren wie Austauschhäufigkeit und Ausfallzeiten berücksichtigt werden, kann einen genaueren Vergleich ermöglichen.

Bei der Auswahl des geeigneten nichtrostenden Stahls sind die folgenden entscheidenden Faktoren zu berücksichtigen:

1. Umweltbedingungen (z. B. Kontakt mit Chloriden, Säuren oder hohen Temperaturen)
2. Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften (Streckgrenze, Zugfestigkeit, Duktilität und Härte)
3. Herstellungsmethoden (Schweißen, Umformen, maschinelle Bearbeitung oder fortgeschrittene Fertigungstechniken)
4. Einhaltung gesetzlicher Vorschriften (Lebensmittelsicherheitsstandards, pharmazeutische GMP oder Spezifikationen der Nuklearindustrie)
5. Lebenszykluskostenanalyse, einschließlich anfänglicher Materialkosten, Herstellungskosten und langfristiger Wartung
6. Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit und ästhetische Überlegungen
7. Magnetische Permeabilität (wichtig für bestimmte Anwendungen)
8. Thermische und elektrische Leitfähigkeitseigenschaften

Rostfreie Stahlsorten

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die verschiedenen Serien nichtrostender Stähle und ihre spezifischen Typen sowie über ihre wichtigsten Eigenschaften und typischen Anwendungen.

Klassifizierung von rostfreiem Stahl

Nichtrostender Stahl kann nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden, darunter chemische Zusammensetzung, Eigenschaften, Anwendung, funktionelle Merkmale und metallographische Struktur. Dieses umfassende Klassifizierungssystem hilft bei der Auswahl der am besten geeigneten nichtrostenden Stahlsorte für bestimmte industrielle Anwendungen.

Chemische Zusammensetzung:

1. Nichtrostender Chromstahl (z. B. 430, 446)
2. Chrom-Nickel-Edelstahl (z. B. 304, 316)
3. Chrom-Mangan-Stickstoff-Stahl (z. B. 201, 202)
4. Chrom-Nickel-Molybdän-Edelstahl (z. B. 316L, 317L)
5. Rostfreier Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt (z. B. 304L, 316L)
6. Rostfreier Stahl mit hohem Molybdängehalt (z. B. 904L, 254 SMO)
7. Hochreiner rostfreier Stahl (z. B. 316Ti, 321)

Eigenschaften und Anwendung:

1. Salpetersäurebeständiger (salpetersäurehaltiger) rostfreier Stahl
2. Korrosionsbeständiger rostfreier Stahl
3. Spannungskorrosionsbeständiger rostfreier Stahl
4. Hochfester rostfreier Stahl
5. Hitzebeständiger rostfreier Stahl
6. Verschleißfester rostfreier Stahl

Funktionelle Merkmale:

1. Niedrigtemperatur-Edelstahl (z. B. 304LN, 316LN)
2. Nichtmagnetischer rostfreier Stahl (z. B. 304, 316)
3. Leicht schneidbarer (frei bearbeitbarer) Edelstahl (z. B. 303, 416)
4. Ultraplastischer rostfreier Stahl (z. B. 301, 304)
5. Hochwarmfester Edelstahl (z. B. 309, 310)

Metallographische Struktur:

1. Ferritischer (F) rostfreier Stahl (z. B. 430, 444)
2. Martensitischer (M) rostfreier Stahl (z. B. 410, 420)
3. Austenitischer (A) rostfreier Stahl (z. B. 304, 316)
4. Austenitisch-ferritischer (Duplex-) Edelstahl (A-F) (z. B. 2205, 2507)
5. Austenitisch-martensitischer nichtrostender Duplexstahl (A-M) (z. B. 2304, 2101)
6. Ausscheidungshärtender (PH) rostfreier Stahl (z. B. 17-4PH, 15-5PH)

Das Verständnis dieser Klassifizierungen ist für Ingenieure und Hersteller von entscheidender Bedeutung, um die am besten geeignete Edelstahlsorte auf der Grundlage spezifischer Anforderungen wie Korrosionsbeständigkeit, mechanische Eigenschaften, Umformbarkeit, Schweißbarkeit und Kosteneffizienz auszuwählen. Die Wahl der Edelstahlsorte hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung, die Langlebigkeit und den Gesamterfolg industrieller Anwendungen in verschiedenen Sektoren, einschließlich der chemischen Verarbeitung, der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der Luft- und Raumfahrt und der Schiffsindustrie.

Mechanische Eigenschaften von Edelstahl

Vergleich von mechanische Eigenschaften von rostfreiem Stahl

Die obige Klassifizierung berücksichtigt nur die Matrixstruktur.

Neben den drei Grundtypen nichtrostender Stähle gehören dazu auch Verbundstähle wie Martensit-Ferrit und Austenit-Ferrit sowie ausscheidungshärtende nichtrostende Stähle wie Martensit-Karbid-Stahl.

Ausführliche Einführung in Edelstahl

Die nachstehende Tabelle gibt einen kurzen Überblick über die einzelnen Stahlsorten und hebt ihre wichtigsten Merkmale, Beispiele und typischen Anwendungen hervor.

1. Ferritischer Stahl

Kohlenstoffarm Chrom-Edelstahl mit einem Chromgehalt von mehr als 14%, nichtrostendem Chromstahl mit einem Chromgehalt von 27% und mehr sowie mit zusätzlichen Elementen wie Molybdän, Titan, Niob, Silizium, Aluminium, Wolfram und Vanadium.

In der chemischen Zusammensetzung dominieren die Elemente, die Ferrit bilden, und die Matrixstruktur besteht hauptsächlich aus Eisen.

Diese Stahlsorte ist als ferritisch bekannt, mit einer abgeschreckten Form (Mischkristall), und kleine Mengen von Karbid und intermetallischen Verbindungen können in den Strukturen des Glühens und Alterns beobachtet werden.

Beispiele für solche Stähle sind Cr17, Cr17Mo2Ti, Cr25, Cr25Mo3Ti und Cr28.

Ferritischer rostfreier Stahl ist aufgrund seines hohen Chromgehalts relativ korrosions- und oxidationsbeständig, hat aber schlechte mechanische Eigenschaften und lässt sich schlecht verarbeiten.

Es wird hauptsächlich in säurehemmenden Strukturen und als antioxidativer Stahl verwendet.

2. Ferrit-martensitischer Stahl

Diese Stahlsorte befindet sich bei hohen Temperaturen in der Phase Y+A (oder δ) und geht bei Kälte in die Phase Y-M über.

Es enthält Ferrit und liegt bei normalen Temperaturen als Martensit und Ferrit vor.

Der Ferritanteil in der Struktur kann je nach Zusammensetzung und Erhitzungstemperatur zwischen einigen Prozent und mehreren zehn Prozent liegen.

Beispiele für diese Art von Stahl sind 0Cr13, 1Cr13, 2Cr13 mit Chrom nahe der Obergrenze und Kohlenstoff nahe der Untergrenze, Cr17Ni2-Stahl, Cr17W4-Stahl sowie viele modifizierte 12%-Chrom-Warmfeststähle auf der Basis von 1Cr13 (die auch als hitzebeständige rostfreie Stähle bekannt sind), wie Cr11MoV, Cr12WMoV, Cr12W4MoV, 18Cr12WMoVNb usw.

Ferritisch-martensitischer Stahl kann partiell gehärtet werden und mechanische Eigenschaften erhalten, die jedoch stark vom Ferritgehalt und der Ferritverteilung abhängen.

Der Chromgehalt in dieser Stahlsorte liegt in der Regel zwischen 12-14% und 15-18%.

Ersteres ist beständig gegen atmosphärische und schwach korrosive Medien, hat eine gute Dämpfung und einen geringen linearen Ausdehnungskoeffizienten.

Der letztgenannte Typ hat eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit wie ferritischer Stahl mit demselben Chromgehalt, weist jedoch einige der Nachteile von ferritischem Stahl mit hohem Chromgehalt auf.

3. Martensitischer Stahl

Bei normalen Abschrecktemperaturen befindet sich martensitischer Stahl in der Y-Phase, aber diese Phase bleibt nur bei hohen Temperaturen stabil. Die M-Phase ist in der Regel um 300℃ stabil und wandelt sich beim Abkühlen in Martensit um.

Zu dieser Stahlsorte gehören 2Cr13, 2Cr13Ni2, 3Cr13und einige modifizierte warmfeste 12%-Chromstähle, wie 13Cr14NiWVBA und Cr11Ni2MoWVB-Stahl.

Die mechanischen Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit, die Prozessleistung und die physikalischen Eigenschaften von martensitischer rostfreier Stahl sind vergleichbar mit denen des nichtrostenden Chrom-Ferrit-Martensit-Stahls 2-14%.

Da das Gefüge kein freies Ferrit enthält, ist seine mechanische Leistung höher als die des vorgenannten Stahls, aber seine thermische Empfindlichkeit gegenüber Wärmebehandlungen ist geringer.

4. Martensit-Karbid-Stahl

Die Fe-C-Legierung enthält 0,83% Kohlenstoff.

Bei nichtrostendem Stahl sind die S-Punkte aufgrund von Chrom nach links verschoben. Stahl mit 12% Chrom und 0,4% oder mehr Kohlenstoff sowie Stahl mit 18% Chrom und 0,3% oder mehr Kohlenstoff gehören zu übereutektoidem Stahl.

Diese Stahlsorte wird bei normaler Abschrecktemperatur erhitzt, und das sekundäre Karbid kann nicht vollständig in Austenit aufgelöst werden, so dass die gehärtete Struktur aus Martensit und Karbid besteht.

Es gibt nicht viele nichtrostende Stahlsorten, die in diese Kategorie fallen, aber einige nichtrostende Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt, wie z. B. 4Cr13, 9Cr18, 9Cr18MoV und 9Cr17MoVCo Stahl.

Wenn er bei niedriger Temperatur abgeschreckt wird, kann der Stahl 3Cr13 mit einem Kohlenstoffgehalt nahe der Obergrenze ebenfalls eine solche Struktur aufweisen.

Obwohl die drei oben genannten Stahlsorten mehr Chrom enthalten, ist ihre Korrosionsbeständigkeit aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts nur gleichwertig mit der von nichtrostendem Stahl mit 12-14% Chrom.

Diese Stahlsorte wird hauptsächlich für Teile verwendet, die eine hohe Härte und eine gute Verschleißfestigkeit erfordern, wie Schneidwerkzeuge, Lager, Federn und medizinische Instrumente.

5. Austenitischer Stahl

Diese Stahlsorte weist eine hohe Konzentration an stabilisierenden Elementen und eine breite Y-Phasenzone bei hohen Temperaturen auf.

Nach dem Abkühlen wird die Frau Punkt unter Raumtemperatur fällt, was bei normalen Temperaturen zu einer austenitischen Struktur führt.

Zu dieser Kategorie gehören rostfreie Chrom-Nickel-Stähle wie 18-8, 18-12, 25-20 und 20-25Mo sowie rostfreie Stähle mit niedrigem Nickelgehalt, bei denen Mangan anstelle von Nickel und Stickstoff verwendet wird, darunter Cr18Mn10Ni5, Cr13Ni4Mn9, Cr17Ni4Mn9N und Cr14Ni3Mn14Ti.

Austenitischer nichtrostender Stahl hat viele Vorteile, unter anderem die Fähigkeit, trotz schlechter Wärmebehandlungseigenschaften durch Kaltverformung durch Kaltverfestigung verfestigt zu werden.

Es ist jedoch auch anfällig für interkristalline Korrosion und Spannungskorrosion, die durch den Einsatz von Legierungszusätzen und verfahrenstechnischen Maßnahmen gemildert werden können.

6. Austenitisch-ferritischer Stahl

Aufgrund der begrenzten Menge an stabilen Austenitelementen weist der Stahl weder bei Raumtemperatur noch bei hohen Temperaturen eine rein austenitische Struktur auf, was zu einem austenitisch-ferritischen Phasenzustand führt. Die Zusammensetzung und Menge des Ferrits kann je nach Erhitzungstemperatur stark variieren.

Viele Arten von rostfreiem Stahl fallen in diese Kategorie, darunter kohlenstoffarmer 18-8-Nickel-Chrom-Stahl, 18-8-Nickel-Chrom-Stahl mit TitanNiob und Molybdän, wobei Ferrit im Gefüge von Stahlguss besonders deutlich sichtbar ist.

Weitere Beispiele sind nichtrostender Chrom-Mangan-Stahl mit mehr als 14-15% Chrom und weniger als 0,2% Kohlenstoff (wie Cr17Mn11) und die meisten nichtrostenden Chrom-Mangan-Stahlsorten, die in der Industrie untersucht und verwendet werden.

Im Vergleich zu reinem austenitischem rostfreiem Stahl hat diese Stahlsorte mehrere Vorteile, darunter eine höhere Streckgrenze, eine höhere Beständigkeit gegen interkristalline Korrosiongeringere Anfälligkeit für Spannungskorrosion, geringere Neigung zur Heißrissbildung beim Schweißen und gutes Fließverhalten beim Gießen.

Es hat jedoch auch einige Nachteile, wie z. B. schlechte Druckverarbeitungseigenschaften, hohe Anfälligkeit für Lochfraßkorrosion und die Neigung zu Sprödigkeit der C-Phase und schwachem Magnetismus unter starken Magnetfeldbedingungen.

Diese Vor- und Nachteile stehen in direktem Zusammenhang mit dem Vorhandensein von Ferrit in der Struktur.

7. Austenitisch-martensitischer Stahl

Der Ms-Punkt dieses Stahls liegt unter der Raumtemperatur, so dass er sich nach einer Mischkristallbehandlung leicht zu Austenit umformen und schweißen lässt.

Die martensitische Umwandlung kann in der Regel durch zwei Prozesse erreicht werden.

• Nach der Mischkristallbehandlung führt das Erhitzen auf 700-800 °C dazu, dass der austenitische Körper durch die Ausscheidung von kohlenstoffhaltigem Chrom in einen metastabilen Zustand übergeht. Der Ms-Punkt steigt dann über die Raumtemperatur an, was beim Abkühlen zur Umwandlung des Austenits in Martensit führt.
• Die direkte Abkühlung zwischen den Punkten Ms und Mf nach der Mischkristallbehandlung führt ebenfalls zur Umwandlung des Austenits in Martensit.

Die zweite Methode bietet eine bessere Korrosionsbeständigkeit, aber die Mischkristallbehandlung und die Tieftemperaturpause dürfen nicht zu lang sein, da sonst die Wirkung der Kaltverfestigung aufgrund der Alterungsbeständigkeit des Austenits verringert wird.

Nach der Behandlung wird ein Alterungsprozess bei 400-500 Grad durchgeführt, um die intermetallische Verbindung zu verbessern.

Beispiele für Stahlsorten, die in diese Kategorie fallen, sind 17Cr-7Ni-A1, 15Cr-9Ni-A1, 17Cr-5Ni-Mo, und 15Cr-8Ni-Mo-A1.

Austenitisch-martensitischer Stahl, auch bekannt als austenitisch-martensitischer rostfreier Stahl, ist eine neue Art von rostfreiem Stahl, der seit den 1950er Jahren entwickelt und verwendet wird.

Er wird auch als halbaustenitischer, ausscheidungshärtender Edelstahl bezeichnet, da in seinem Gefüge neben Austenit und Martensit auch Ferrit vorhanden ist.

Diese Stähle zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit (C kann 100-150 erreichen) und eine gute Wärmefestigkeit aus, aber ihre Korrosionsbeständigkeit ist aufgrund des geringen Chromgehalts und der Chromkarbidausscheidung während der Wärmebehandlung geringer als die von austenitischem rostfreiem Standardstahl.

Die hohe Festigkeit wird auf Kosten der Korrosionsbeständigkeit und anderer Eigenschaften, wie z. B. der Nichtmagnetisierung, erreicht.

Austenitisch-martensitischer Stahl wird in erster Linie in der Luftfahrt- und Raketenindustrie verwendet, ist aber im Maschinenbau nicht weit verbreitet und wird manchmal als eine Art ultrahochfester Stahl eingestuft.