Begriffsabgrenzung „nichtrostender Stahl“
Der Begriff „nichtrostender Stahl“ bezeichnet eine Gruppe von Stählen mit einer erhöhten Beständigkeit gegen Korrosion und Säure. Geläufig ist auch die Bezeichnung „rostfreier Stahl“, die jedoch ungenau ist, da sämtliche Stähle direkt nach der Fertigung in einem gewissen Temperaturbereich und ohne Oxidation durch Sauerstoff und Wasser zunächst rostfrei sind. Ebenso sind die Bezeichnungen „Edelstahl rostfrei“ oder „Edelstahl“ ungenau, da diese Stahlsorten nicht unbedingt nichtrostend sind. Darunter versteht man gemäß EN 10020 vielmehr legierte oder unlegierte Stahlsorten mit einem hohen Reinheitsgrad und einem maximalen Massenanteil von 0,025 % an Schwefel und Phosphor. Veredelt wird Edelstahl beispielsweise durch Chrom, Cobalt, Mangan, Molybdän, Niob, Vanadium oder Wolfram. Bei einem Massenanteil dieser Legierungselemente von über 5 % spricht man von hochlegiertem Stahl. Ebenfalls ungenau, aber in der Praxis gebräuchlich ist die Bezeichnung „VA-Stahl“, wobei V für Versuch und A für Austenit steht. International verbreitet sind die Begriffe „Inox“, aus dem Französischen von „inoxydable“ für nicht oxidierbar oder rostfrei, oder „Stainless Steel“, aus dem Englischen für rostfreien Stahl.
Einteilung nichtrostender Stähle
Nichtrostender Stahl umfasst eine große Bandbreite an Werkstoffen, die über unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, Eigenschaften und Einsatzzwecke verfügen. Es existieren vielfältige Einteilungen von nichtrostenden Stählen.
In der Praxis sehr geläufig ist beispielsweise, ausgehend von der Bezeichnung VA-Stahl, der Unterbegriff „V2A“, der kurz für „Versuchsschmelze 2 Austenit“ steht. Dazu zählen CrNi-Stähle wie 1.4301, 1.4305, 1.4307 oder 1.4541. Als zweiter Unterbegriff bezeichnet „V4A“ solche Stähle, die V2A ähneln, sich aber durch eine Zugabe von 2 % Molybdän und eine dadurch entstehende Korrosionsbeständigkeit gegenüber chloridhaltigen Einflüssen unterscheiden. Vertreter sind CrNiMo-Stähle wie 1.4401, 1.4404 und 1.4571. Diese beiden Begriffe sind allerdings ungenau, nur in der Umgangssprache gebräuchlich und nicht umfangreich genug, um das volle Spektrum nichtrostender Stähle abzudecken.
Weiterhin unterscheidet man in Bezug auf das Gefüge vier Gruppen, die alle einen Kohlenstoffgehalt unter 0,1 % besitzen: Austenitische Stähle sind unmagnetische Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen und Eisen-Chrom-Nickel-Molybdän-Legierungen. Ferritische Stähle sind magnetische Legierungen aus Eisen und Chrom. Martensitische Stähle sind härtbare, magnetische Eisen-Chrom-Legierungen. Duplex-Stähle sind magnetische Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen mit zugleich ferritischem und austenitischem Gefüge. Die allgemein gültige DIN EN 10088 differenziert nichtrostenden Stahl in 110 korrosionsbeständige, 21 hitzebeständige und 29 warmfeste Stähle. Jeder Werkstoff verfügt über eine Werkstoffnummer, beispielsweise 1.4301, und einen Kurznamen in Anlehnung an seine chemischen Eigenschaften, beispielsweise X5CrNi18-10.
Werkstoffnummern von nichtrostendem Stahl
Nichtrostender Stahl wird unterschieden anhand von Werkstoffnummern, welche die DIN EN 10027 den folgenden Anfangsziffern zuordnet:
Werkstoffnummern, die mit „1.40“ beginnen, umfassen Chromstähle mit Nickelgehalt unter 2,5 % und ohne Anteile von Molybdän, Niob oder Titan.
Werkstoffnummern, die mit „1.41“ beginnen, gleichen „1.40“, unterscheiden sich aber davon durch einen Molybdänanteil.
Werkstoffnummern, die mit „1.43“ beginnen, sind Chromstähle mit mindestens 2,5 % Nickelgehalt, aber ohne Zugabe von Molybdän, Niob und Titan.
Werkstoffnummern, die mit „1.44“ beginnen, gleichen „1.43“, beinhalten aber Molybdän.
Werkstoffnummern, die mit „1.45“ und „1.46“ beginnen, sind Cr-, CrNi- oder CrNiMo-Stähle mit Zugaben wie Kupfer, Niob oder Titan, wobei „1.46“ zusätzlich eine chemische Beständigkeit und Hochwarmfestigkeit anzeigt.
Werkstoffnummern, die mit „1.47“ und „1.48“ beginnen, gelten als hitzebeständige Chromstähle. Werkstoffnummern beginnend mit „1.47“ besitzen Anteile von weniger als 2,5 % an Nickel und weiteren Zugaben, z. B. Kupfer, Niob oder Titan. Davon abweichend besitzen Werkstoffnummern beginnend mit „1.48“ Anteile von mindestens 2,5 % an Nickel und weiteren Zugaben, z. B. Kupfer, Niob oder Titan.
Werkstoffnummern, die mit „1.49“ beginnen, werden als warmfeste Stähle definiert.
Geschichte nichtrostenden Stahls
Warmarbeitsstahl lässt sich gut bearbeiten, beispielweise ätzen, zerspanen, beschichten oder polieren. Für die spanlose Formgebung und das Hochglanzpolieren sollten Sie auf Warmarbeitsstahl in ESU-Qualität zurückgreifen. Gefertigt werden aus Warmarbeitsstahl Werkzeuge, an die aufgrund ihrer thermischen Beanspruchung besondere Anforderungen gestellt werden. Des Weiteren ergeben sich Belastungen durch wiederkehrende Temperaturwechsel, die den Warmarbeitsstahl starker Erhitzung wie auch starker Abkühlung aussetzen. Unter diesen extremen Bedingungen müssen die Werkzeuge Aufgaben bei der spanlosen Umformung sowohl von Eisen und Nichteisenmetallen als auch von Nichtmetallen wie Glas erfüllen. In der Folge ist Warmarbeitsstahl vorzugsweise in Werkzeugen für Gesenkschmieden, Druckguss und Strangpressen oder auch für die Herstellung von Rohren und Glas anzutreffen. Als beispielhafte Produkte, die aus Warmarbeitsstahl produziert werden, seien Schmiedewerkzeuge oder Extrusionswerkzeuge und Spritzguss-Formwerkzeuge in der Kunststoffverarbeitung genannt. Bei den Werkzeugen für Gesenkschmieden und Druckguss stehen vor allem Eigenschaften wie die Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturfestigkeit im Vordergrund. Unterliegen die Werkzeuge zudem starken Temperaturwechseln, so muss der Warmarbeitsstahl gegen thermische Ermüdung beständig sein.
Warmarbeitsstahl für Gesenkschmieden
Nichtrostender Stahl ist eine Legierung aus Eisen und einem Gehalt von mindestens 10,5 % Chrom und maximal 1,2 % Kohlenstoff, der sich in einem austenitischen oder ferritischen Mischkristall befindet. Dieser Chromgehalt ist ausschlaggebend für die Korrosionsbeständigkeit, denn er bewirkt eine natürliche Passivschicht, die aus Chromoxid besteht und sich auf die Oberfläche von nichtrostendem Stahl legt. Die Passivschicht dient als unsichtbare, isolierende Schutzschicht zwischen nichtrostendem Stahl und seinen Umwelteinflüssen, beispielsweise Säuren, Alkalien, Chlorid, in der Luft befindliche Schadstoffe oder auch Witterungseinflüsse wie Feuchtigkeit. Wird die Passivschicht zerstört, entsteht sie im Kontakt mit Sauerstoff neu. Die Korrosionsbeständigkeit lässt sich optimieren, indem mehr Chrom und Legierungselemente wie Nickel, Molybdän, Mangan oder Niob beigefügt werden. Durch den hohen Gehalt an Legierungselementen hat nichtrostender Stahl üblicherweise einen höheren Preis als die meisten anderen Stahlsorten. Für einen günstigeren Preis wird der Gehalt an dem vergleichsweise teuren Nickel möglichst niedrig gehalten und durch das billigere Mangan oder Chrom ersetzt, sofern die Korrosionsbeständigkeit dadurch nicht beeinträchtigt wird. Chrom zeigt allerdings eine Affinität zu Kohlenstoff, was zu einer Bildung von Chromcarbid an den Korngrenzen führt und die Schutzschicht aus Chromoxid beeinträchtigt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird nichtrostender Stahl stabilisiert, indem man den Kohlenstoffanteil beschränkt und den Anteil von Legierungselementen mit noch höherer Kohlenstoffaffinität als Chrom, z. B. Titan oder Niob, erhöht. Nichtsdestotrotz ist nichtrostender Stahl im Kontakt mit Eisenpartikeln oder chlorhaltigen Medien anfällig für Flugrost.
Merkmale von nichtrostendem Stahl mit ferritischem oder austenitischem Gefüge
Charakteristisch für nickelarmen, ferritischen Stahl ist sein Magnetismus, der sich im Zuge der Verarbeitung beispielsweise durch eine Wärmebehandlung unter Berücksichtigung des niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten beeinflussen lässt. Größtenteils besitzt nichtrostender Stahl aber einen Nickelgehalt über 8 % und somit ein austentisches Gefüge bei Raumtemperatur. Nickelhaltiger, nichtrostender Stahl bietet günstige mechanische Eigenschaften, typischerweise relativ geringe Streckgrenzen zwischen 200 und 300 N / mm² sowie hohe Zugfestigkeiten zwischen 700 und 1.300 N / mm². Austenitischer, nichtrostender Stahl ist üblicherweise unmagnetisch, kann aber stellenweise magnetisch werden, wenn er beispielsweise durch Tiefziehen kaltverformt wird und hierbei Martensite entstehen. Der Magnetismus hängt vom Verformungsgrad ab und lässt sich teilweise eindämmen, indem losgeglüht wird. Verglichen mit ferritischem Stahl beweist austentischer Stahl eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit, die sich mittels der Wirksumme bzw. dem PREN-Wert bemessen lässt. Hohe Werte verweisen auf eine Beständigkeit gegenüber Spaltkorrosion und Lochfraß, Werte von mehr als 33 sogar auf eine Seewasserbeständigkeit. Zu berücksichtigen ist der mögliche Nickelaustrag, also dass Nickel aus dem Stahl auf den Körper oder auf Lebensmittel übertragen wird und zu gesundheitlichen Schwierigkeiten führen kann. Sowohl nickelarme Werkstoffe wie 1.4016 als auch nickelreiche Werkstoffe wie 1.4301 bleiben allerdings unter dem Grenzwert der Europäischen Richtlinie 94/27/EG(12). Erhöhter Nickelaustrag ergibt sich bei schwefelhaltigen Werkstoffen, beispielsweise dem Automatenstahl 1.4305.
Verarbeitung und Anwendungsbereich von nichtrostendem Stahl
Nichtrostender Stahl, insbesondere austenitischer, lässt sich gewöhnlich selbst von Anfängern leicht verarbeiten. Gut geeignet ist nichtrostender Stahl für das Schweißen, während die hohe Zähigkeit und niedrige Wärmeleitfähigkeit die Zerspanbarkeit einschränken. Dank seiner Vielfältigkeit findet nichtrostender Stahl in einem breiten Anwendungsspektrum Einsatz. Hauptsächlich wird er dort verarbeitet, wo Wert auf Hygiene gelegt wird, denn nichtrostender Stahl bietet ansehnliche, glatte Oberflächen, die leicht zu reinigen und oftmals lebensmittelecht sind. Anwendungsbereiche sind die Lebensmittelindustrie und Brauereiindustrie, ebenso wie die Chemie, Medizin und Pharmazie. Ohne nichtrostenden Stahl mit seiner isolierenden Wirkung infolge seiner schlechten Wärmeleitfähigkeit sind beispielsweise Kryostate kaum denkbar. Zudem werden Haushaltsgeräte und Konsumgüter wie Töpfe aus nichtrostendem Stahl produziert. Im Alltag ist verstärkt 1.4301 anzutreffen, wohingegen molybdänhaltige Werkstoffe wie 1.4401, 1.4404 oder 1.4571 für anspruchsvollere Umgebungen mit Chlorid oder Salzwasser überwiegen, beispielsweise in Hallenbädern sowie im Schiffsbau oder Schornsteinbau. Ferner nutzen Automobilbau und Fahrzeugbau Werkstoffe wie 1.4512 für Auspuffe. Weitere Anwendungsbereiche sind Architektur, Bauwesen, Wasserwirtschaft, Energiewirtschaft, Meerestechnik, Umwelttechnik und Offshore-Technik. Für jeden Bereich empfiehlt sich spezieller nichtrostender Stahl, für den Offshore-Bereich beispielsweise Duplex-Stahl wie 1.4462. Die Produkte leisten durch ihre Langlebigkeit und Nachhaltigkeit einen Beitrag zum Umweltschutz. Nichtrostender Stahl wird üblicherweise zu 80 % aus Edelstahlschrott hergestellt und ist zu 100 % recycelbar.