Die wichtigsten Eigenschaften von rostfreiem Stahl: Was Sie wissen müssen

Rostfreier Stahl wird wegen seiner Festigkeit, Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit geschätzt. Dieser Blog befasst sich mit seinen wichtigsten physikalischen und chemischen Eigenschaften, einschließlich Zusammensetzung, Beständigkeit und Faktoren, die die Leistung beeinflussen. Das Verständnis dieser Eigenschaften zeigt, warum rostfreier Stahl so vielseitig und zuverlässig ist.

Was ist nichtrostender Stahl?

Edelstahl oder Inox, CRES und rostfreier Stahl ist eine Legierung aus 70–80 % Eisen, mindestens 10,5 % Chrom und anderen Elementen wie Kohlenstoff. Chrom schützt ihn vor Rost und Korrosion und er lässt sich leichter reinigen als Aluminium und Kupfer. Aufgrund seiner hohen Festigkeit, hohen Recyclingfähigkeit, Haltbarkeit und seines Glanzes wird Edelstahl im Bauwesen, in der Automobilindustrie, in medizinischen Instrumenten und bei Küchengeschirr verwendet. Gängige Typen sind austenitischer, ferritischer, martensitischer und Duplexstahl.

Was sind die physikalischen Eigenschaften von rostfreiem Stahl? 

Die hervorragenden physikalischen Eigenschaften von Edelstahl machen ihn zu einem idealen Werkstoff für verschiedene Anwendungen. Zu diesen Eigenschaften gehören Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Magnetismus, Dichte, elektrische Leitfähigkeit, Schmelzpunkt, Elastizität, Schlagfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit.

Wärmeleitfähigkeit

Edelstahl hat im Vergleich zu anderen Metallen wie Kupfer und Aluminium eine geringere Wärmeleitfähigkeit. Dadurch ist er weniger effizient bei der Wärmeleitung, bietet aber eine kontrollierte Wärmeübertragung. Diese Eigenschaft ist nützlich für Küchengeräte und Kochgeschirr, bei denen eine gleichmäßige Erwärmung erwünscht ist, sowie für Anwendungen, bei denen eine Wärmedämmung wichtig ist.

Magnetische Eigenschaft

Die Magnetismus von Edelstahl variiert je nach Typ. Austenitische rostfreie Stähle (300er-Serie) sind aufgrund ihrer Kristallstruktur im Allgemeinen nicht magnetisch, während ferritische und martensitische rostfreie Stähle (400er-Serie) magnetisch sind. Diese Eigenschaft ist bei Anwendungen wie der magnetischen Trennung, Elektrogeräten und industriellen Prozessen von Bedeutung, bei denen eine magnetische Reaktion erforderlich ist.

Dichte

Mit einer Dichte von etwa 7,8 Gramm pro Kubikzentimeter ist Edelstahl relativ schwer. Dichte von SS-Stahl verbessert seine Festigkeit und Haltbarkeit und macht es ideal für Anwendungen im Bauwesen, in der Automobilindustrie und in der Luftfahrt. Die Dichte wirkt sich auch auf die Leistung des Materials in Umgebungen mit hoher Beanspruchung aus.

Elektrische Leitfähigkeit

Nichtrostender Stahl hat eine geringe elektrische Leitfähigkeit und ist damit ein schlechter Stromleiter. Diese Eigenschaft ist vorteilhaft für Anwendungen, die einen elektrischen Widerstand erfordern, wie z. B. Heizelemente, Widerstände und Komponenten, die nur minimale elektrische Interferenzen benötigen. Sie trägt dazu bei, die Sicherheit und Effizienz elektrischer und elektronischer Geräte zu erhalten.

Schmelzpunkt

Schmelzpunkt von Edelstahl bei 1.400 bis 1.530 Grad Celsius (2.552 bis 2.786 Grad Fahrenheit). Sein hoher Schmelzpunkt ermöglicht den Einsatz in Umgebungen wie Öfen, Wärmetauschern und Düsentriebwerken. Die Fähigkeit, extremen Temperaturen standzuhalten, ohne sich zu verformen oder an Festigkeit zu verlieren, macht es ideal für kritische Anwendungen.

Elastizität und Plastizität

Nichtrostender Stahl weist sowohl Elastizität als auch Plastizität auf, d. h. er kann gedehnt oder gestaucht werden und dann in seine ursprüngliche Form zurückkehren (Elastizität) sowie dauerhaft verformt werden, ohne zu brechen (Plastizität). Diese Eigenschaften sind für Fertigungsverfahren wie Biegen, Walzen und Schmieden von entscheidender Bedeutung und ermöglichen die Herstellung komplexer Formen und Strukturen.

Schlagzähigkeit

Rostfreier Stahl ist stoß- und schockfest und absorbiert Energie, ohne zu zerbrechen. Diese Eigenschaft ist wichtig für sicherheitskritische Anwendungen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie der Bauindustrie, wo die Materialien plötzlichen Stößen und Vibrationen standhalten müssen. Seine Zähigkeit gewährleistet dauerhafte Leistung und Zuverlässigkeit unter rauen Bedingungen.

Ermüdungsfestigkeit

Nichtrostender Stahl verfügt über eine ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeit, die wiederholten Belastungszyklen ohne Versagen standhält. Dadurch eignet er sich für Bauteile, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind, wie Federn, Befestigungselemente und Strukturelemente in Gebäuden und Brücken. Seine Fähigkeit, Ermüdungsrissen zu widerstehen, erhöht die Sicherheit und Haltbarkeit von Strukturen und mechanischen Systemen.

Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich rostfreier Stahl für zahlreiche Industrie- und Verbraucheranwendungen, von Küchengeräten bis hin zu Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt. 

Was sind die chemischen Eigenschaften von rostfreiem Stahl? 

Die chemischen Eigenschaften von rostfreiem Stahl eignen sich hervorragend für verschiedene Anwendungen. Zu diesen Eigenschaften gehören die chemische Zusammensetzung, die Korrosionsbeständigkeit, die Oxidationsbeständigkeit, die Säure- und Laugenbeständigkeit, die Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion, die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion, die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion und die Oberflächenpassivierung.

Chemische Zusammensetzung

Rostfreier Stahl besteht hauptsächlich aus Eisen, mindestens 10,5% Chrom und Elementen wie Nickel, Molybdän und Kohlenstoff. Chrom ist das Schlüsselelement, das dem rostfreien Stahl seine Korrosionsbeständigkeit verleiht, indem es eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche bildet. Die Zusammensetzung variiert je nach Sorte, wobei Elemente wie Nickel für bessere Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit oder Molybdän für höhere Festigkeit und Lochfraßbeständigkeit hinzugefügt werden.

Korrosionsbeständigkeit

Die hervorragende Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl ist auf Chrom zurückzuführen, das eine schützende Oxidschicht bildet, die Rost verhindert. Diese Eigenschaft macht Edelstahl perfekt für raue Umgebungen wie Meeresanwendungen, Chemieanlagen und medizinische Instrumente, wo Rost und Korrosionsbeständigkeit sind entscheidend. Seine hygienischen Eigenschaften helfen auch dabei, es in feuchten, korrosiven Umgebungen sauber zu halten und verhindern Bakterienwachstum, wodurch es sich perfekt für hygienische Anwendungen eignet.

Oxidationsbeständigkeit

Rostfreier Stahl weist eine hohe Oxidationsbeständigkeit auf, auch bei höheren Temperaturen. Chrom bildet eine stabile Oxidschicht, die eine weitere Oxidation verhindert. Diese Eigenschaft ist besonders nützlich bei Hochtemperaturanwendungen wie Abgassystemen, Wärmetauschern und Industrieöfen, die einer oxidativen Umgebung ausgesetzt sind.

Beständigkeit gegen Säuren und Laugen

Edelstahl ist beständig gegen viele Säuren und Basen und eignet sich daher ideal für die chemische Verarbeitung und die Lebensmittelindustrie. Der Grad der Beständigkeit hängt von der Edelstahlqualität und der Konzentration der Säure oder Base ab.

Zum Beispiel, Edelstahl 316, das Molybdän enthält, bietet im Vergleich zu Edelstahl 304 eine verbesserte Beständigkeit gegen Chloride und saure Umgebungen.

Lochfraß- und Spaltkorrosionsbeständigkeit

Rostfreier Stahl, insbesondere molybdänhaltige Sorten wie 316, ist resistent gegen Lochfraß und Spaltkorrosion. Diese örtlich begrenzten Formen der Korrosion treten in engen Räumen auf und werden häufig durch Chloride verursacht. Die Beständigkeit gegen diese Arten von Korrosion ist für Anwendungen in der Schifffahrt, in der chemischen Verarbeitung und in anderen Industriezweigen, in denen chloridreiche Umgebungen häufig vorkommen, von wesentlicher Bedeutung.

Interkristalline Korrosionsbeständigkeit

Interkristalline Korrosion tritt an den Korngrenzen von rostfreiem Stahl auf, der hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Stabilisierte Sorten wie 321 und 347, die Titan oder Niob enthalten, sind so konzipiert, dass sie gegen interkristalline Korrosion resistent sind. Diese Eigenschaft ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität von nichtrostendem Stahl beim Schweißen und bei Hochtemperaturanwendungen.

Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrisskorrosion

Nichtrostender Stahl ist resistent gegen Spannungsrisskorrosion (SCC), die durch Zugspannungen und eine korrosive Umgebung verursacht wird. Austenitische nichtrostende Stähle wie 304 und 316 sind im Allgemeinen resistent gegen SCC und eignen sich daher für den Einsatz in Umgebungen, in denen chloridinduzierter SCC ein Problem darstellt, wie z. B. in Chemieanlagen sowie in der Öl- und Gasindustrie.

Oberflächenpassivierung

Oberflächenpassivierung ist der Prozess, bei dem die schützende Oxidschicht von Edelstahl verstärkt wird. Dies geschieht normalerweise mit Salpeter- oder Zitronensäurebädern, die Verunreinigungen entfernen und eine passive Schicht fördern. Passivierung erhöht die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl und ist für die Herstellung von Komponenten für medizinische Geräte und Halbleiterausrüstung unerlässlich.

Diese chemischen Eigenschaften sorgen dafür, dass nichtrostender Stahl ein vielseitiges und langlebiges Material bleibt, das einer Vielzahl von rauen chemischen Umgebungen standhält und seine Integrität über lange Zeiträume beibehält.

Was sind die mechanischen Eigenschaften von Edelstahl?

Zugfestigkeit von Edelstahl

Die Zugfestigkeit bezeichnet die maximale Spannung, der ein Material standhalten kann, bevor es bricht. Verschiedene Edelstahlsorten haben unterschiedliche Zugfestigkeiten, die durch Prozesse wie Wärmebehandlung und Kaltbearbeitung beeinflusst werden. Dickere Materialien können auch eine höhere Festigkeit aufweisen. Beispielsweise hat die gängige Güte 304 im geglühten Zustand eine Zugfestigkeit von etwa 210 MPa (30.000 psi). Durch Kaltbearbeitung kann die Festigkeit im vollständig ausgehärteten Zustand auf 1.050 MPa (153.000 psi) erhöht werden.

Streckgrenze von Edelstahl

Die Streckgrenze ist der Punkt, an dem sich ein Material unter Zug- oder Druckbelastung plastisch zu verformen beginnt. Sie ist normalerweise niedriger als die Zugfestigkeit. Methoden wie Kaltverformung, Kornverfeinerung, Mischkristallverfestigung, Kaltverfestigung und Ausscheidungsverfestigung können die Streckgrenze verbessern. Eine übermäßige Verarbeitung sollte jedoch vermieden werden. Geglühter Edelstahl 304 hat eine geringere Streckgrenze von etwa 200 bis 250 MPa, während kaltverformter Edelstahl 304 250 bis 300 MPa erreichen kann.

Duktilität von Edelstahl

Duktilität ist die Fähigkeit eines Materials, sich unter Belastung zu verformen, ohne zu brechen. Austenitischer Edelstahl weist eine ausgezeichnete Duktilität und Zähigkeit auf, typischerweise um 40%-60%, sodass er zu Drähten und Blechen gezogen werden kann. Martensitischer Edelstahl hat eine geringere Duktilität, normalerweise zwischen 20% und 40%. Während Kohlenstoffstahl duktiler als Edelstahl ist, kann Glühen oder eine Erhöhung des Nickelgehalts die austenitische Struktur verbessern und die Duktilität steigern. Diese Eigenschaft macht Edelstahl in der Automobil-, Bau- und Luftfahrtindustrie weit verbreitet.

Dauerfestigkeit von Edelstahl

Die Dauerfestigkeit ist die maximale Spannung, der ein Material nach wiederholter zyklischer Belastung standhalten kann. Sie variiert je nach Belastungsart. So wirken sich beispielsweise einachsige Spannung und Biegung unterschiedlich auf die Dauerfestigkeit aus. Duplex-Edelstähle weisen die beste Dauerfestigkeit auf, die zwischen 400 und 600 MPa liegt, während ausscheidungsgehärtete Edelstähle über 600 MPa erreichen. Darüber hinaus können Wärmebehandlungsverfahren wie Abschrecken und Anlassen die Dauerfestigkeit anderer Edelstähle deutlich verbessern.

Härte von Edelstahl

Härte ist die Fähigkeit eines Materials, Verformungen und Verschleiß zu widerstehen. Sie wird normalerweise anhand der Härteskalen Brinell (HB), Rockwell (HRC) oder Vickers (HV) gemessen. Martensitischer Edelstahl hat die höchste Härte (HRC 40-60), während austenitischer Edelstahl die niedrigste (HRC 15-30) hat. Prozesse wie Abschrecken, Anlassen und Glühen sowie Legierungselemente wie Chrom, Nickel, Kohlenstoff und Molybdän können die Härte erhöhen. Härte von Edelstahl.

Kriechfestigkeit von Edelstahl

Kriechfestigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, Verformungen bei hohen Temperaturen und konstanter Belastung zu widerstehen, ein langsamer Verformungsprozess. Höhere Temperaturen und Belastungen erhöhen die Kriechgeschwindigkeit. Austenitischer Edelstahl hat die beste Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen, gefolgt von Martensit, wobei Ferrit am schwächsten ist. Faktoren wie Schmelzverfahren, Desoxidation, Erstarrungstechniken, Wärmebehandlung und Verarbeitung beeinflussen ebenfalls die Kriechfestigkeit.

Dehnung von Edelstahl

Die Dehnung ist das Verhältnis der gedehnten Länge des Materials zu seiner ursprünglichen Länge vor dem Bruch und zeigt die Duktilität an. Austenitischer Edelstahl hat die höchste Dehnung (40%-60%), während martensitischer und ferritischer Stahl niedrigere Werte aufweisen (20%-30%). Ein hoher Kohlenstoffgehalt und Kaltbearbeitung verringern die Plastizität, während eine geeignete Wärmebehandlung, wie z. B. Glühen, die Dehnung erhöht. Edelstahl mit hoher Dehnung ist ideal für komplexe Formen und Präzisionsfertigung, beispielsweise in der Automobil- und Luftfahrtindustrie.

Elastizitätsmodul von Edelstahl

Der Elastizitätsmodul oder Young-Modul misst die Fähigkeit eines Materials, elastischer Verformung zu widerstehen. Er hängt von Temperatur und Spannungsbedingungen ab. Ferritischer Edelstahl hat den höchsten Modul (ca. 200 GPa), während austenitischer den niedrigsten hat (ca. 193 GPa). Bei hohen Temperaturen sinkt der Modul von austenitischem Edelstahl schneller, während er bei ferritischem und martensitischem Stahl langsamer abnimmt. Legierungselemente haben nur minimale Auswirkungen auf den Elastizitätsmodul.

Welche Faktoren beeinflussen die Eigenschaften von rostfreiem Stahl? 

Die Eigenschaften von nichtrostendem Stahl werden durch die Legierungszusammensetzung, die Wärmebehandlung und das Kaltverfestigungsverfahren beeinflusst.

Zusammensetzung der Legierung

Die Zusammensetzung aus rostfreiem Stahl Legierungen beeinflussen ihre Eigenschaften erheblich. Die Hauptelemente sind Eisen, Chrom, Nickel und Molybdän, die jeweils zu unterschiedlichen Eigenschaften beitragen:

• Chrom: Sorgt für Korrosionsbeständigkeit durch Bildung einer passiven Oxidschicht.

• Nickel: Erhöht die Zähigkeit und Duktilität und verbessert die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in saurem Milieu.

• Molybdän: Erhöht die Festigkeit und schützt vor Lochfraß und Spaltkorrosion.

• Kohlenstoff: Beeinflusst die Härte und Festigkeit, kann aber die Korrosionsbeständigkeit verringern, wenn es in großen Mengen vorhanden ist.

Die verschiedenen Edelstahlsorten weisen unterschiedliche Zusammensetzungen auf, die auf spezifische Anwendungen zugeschnitten sind und die gewünschten Eigenschaften wie Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit gewährleisten.

Wärmebehandlung

Wärmebehandlungsverfahren, einschließlich Glühen, Abschrecken und Anlassen, werden eingesetzt, um die Mikrostruktur von nichtrostendem Stahl zu verändern und dadurch seine mechanischen und physikalischen Eigenschaften zu verbessern:

• Glühen: Dabei wird der Stahl auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und dann langsam abgekühlt, um innere Spannungen zu beseitigen und die Duktilität und Zähigkeit zu erhöhen.

• Abschrecken: Schnelles Abkühlen des Stahls nach dem Erhitzen, um ihn zu härten und die Verschleißfestigkeit und Festigkeit zu verbessern.

• Anlassen: Erhitzen des abgeschreckten Stahls auf eine niedrigere Temperatur und anschließendes langsames Abkühlen, wodurch die Zähigkeit erhöht und die Sprödigkeit verringert wird.

Diese Wärmebehandlungsverfahren können auf verschiedene nichtrostende Stahlsorten angewandt werden, um das gewünschte Gleichgewicht von Härte, Festigkeit und Duktilität für verschiedene industrielle Anwendungen zu erreichen.

Arbeitsverhärtung

Beim Kaltverfestigen oder Kaltverformen wird nichtrostender Stahl bei Raumtemperatur verformt, um seine Festigkeit und Härte zu erhöhen. Dieser Prozess wird normalerweise durch Verfahren wie Walzen, Ziehen und Biegen erreicht:

• Rollender: Komprimieren des Stahls zwischen Walzen, um die Dicke zu verringern und die Zugfestigkeit zu erhöhen.

• Zeichnung: Ziehen des Stahls durch eine Matrize, um seine Querschnittsfläche zu verkleinern und die Festigkeit zu erhöhen.

• Biegen: Die Verformung des Stahls durch Anwendung von Kraft verbessert seine Härte und Streckgrenze.

Kaltverfestigung ist besonders nützlich bei Anwendungen, die verbesserte mechanische Eigenschaften erfordern, ohne dass die Zusammensetzung des Stahls durch eine Wärmebehandlung verändert wird. Es wird zur Herstellung von Federn, Befestigungselementen und anderen hochbelasteten, verschleißfesten Komponenten verwendet.

Wird Edelstahl irgendwann rosten?

Edelstahl ist aufgrund seines Chromgehalts sehr rostbeständig, kann aber unter extremen Bedingungen, z. B. bei längerem Aufenthalt in rauer Umgebung oder bei Beschädigung der schützenden Oxidschicht, rosten.

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Ist Edelstahl stärker als Stahl?

Nichtrostender Stahl ist in der Regel fester und haltbarer als normaler Stahl und bietet eine bessere Korrosions- und Verschleißbeständigkeit. Die genaue Festigkeit hängt jedoch von der jeweiligen Legierung und Behandlung ab.

Wie lange ist Edelstahl haltbar?

Nichtrostender Stahl kann je nach Umgebung und Pflege jahrzehntelang, ja sogar bis zu 100 Jahre halten. Seine Langlebigkeit macht ihn zu einer beliebten Wahl für industrielle und private Anwendungen.

Schlussfolgerung

Dank seiner einzigartigen Kombination von Eigenschaften eignet sich nichtrostender Stahl für viele Anwendungen. Seine Leistung wird durch die Legierungszusammensetzung, die Wärmebehandlung und die Kaltverfestigung beeinflusst. Das Verständnis dieser Faktoren unterstreicht die Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit von nichtrostendem Stahl im industriellen und alltäglichen Gebrauch.

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