Woraus besteht rostfreier Stahl? Die wichtigsten Elemente und ihre Auswirkungen auf die Leistung

Nichtrostender Stahl ist vielseitig und wird aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit häufig verwendet. Seine Zusammensetzung umfasst vor allem Eisen, aber auch Schlüsselelemente wie Chrom, Nickel, Molybdän, Kohlenstoff, Mangan, Silizium und Stickstoff. Jeder dieser Faktoren trägt wesentlich zur Leistungsfähigkeit von rostfreiem Stahl bei. Die Kenntnis dieser Komponenten ist für die Auswahl des richtigen Edelstahls für das Baugewerbe, die Automobilindustrie, medizinische Geräte und Küchengeräte von entscheidender Bedeutung. 

Was sind die Hauptbestandteile von Edelstahl und wie wirken sie sich auf die Leistung aus?

Nichtrostender Stahl ist eine Legierung, die hauptsächlich aus Eisen besteht, dem zur Verbesserung seiner Eigenschaften verschiedene andere Elemente hinzugefügt werden. Zu den wichtigsten Elementen in nichtrostendem Stahl gehören Eisen, Chrom, Nickel, Molybdän, Kohlenstoff, Mangan, Silizium und Stickstoff. Jedes Element beeinflusst die Eigenschaften des Stahls, wie Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Duktilität.

Eisen (Fe)

• Inhalt: Hauptteil der Zusammensetzung.
• Auswirkungen: Bietet grundlegende Festigkeit und strukturelle Unterstützung. Allerdings ist Eisen anfällig für Rost und Korrosion, was durch die Zugabe anderer Elemente gemildert wird.
• Häufig bei: Alle rostfreien Stähle.

Chrom (Cr)

• Inhalt: Mindestens 10,51 TP3T, normalerweise zwischen 161 TP3T und 261 TP3T.
• Auswirkungen: Der Schlüssel zur Korrosionsbeständigkeit ist die Bildung einer schützenden Chromoxidschicht auf der Stahloberfläche. Höhere Chromwerte verbessern die Korrosionsbeständigkeit insgesamt.
• Häufig bei: Alle rostfreien Stähle, insbesondere austenitische (304, 316) und ferritische (430) Güten.

Nickel (Ni)

• Inhalt: Bereich von 8%-20%.
• Auswirkungen: Verbessert Duktilität, Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in sauren Umgebungen. Nickel stabilisiert außerdem die austenitische Struktur und macht den Stahl nicht magnetisch.
• Häufig bei: Austenitische rostfreie Stähle (304, 316).

Molybdän (Mo)

• Inhalt: 2%-3%.
• Auswirkungen: Erhöht die Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion, insbesondere in chloridhaltigen Umgebungen. Verbessert auch die Festigkeit bei hohen Temperaturen.
• Häufig bei: Güten wie 316 und Duplex-Edelstahl.

Kohlenstoff (C)

• Inhalt: Weniger als 0,1% in den meisten Güten, kann aber in martensitischen Stählen höher sein (bis zu 1,2%).
• Auswirkungen: Erhöht die Härte und Festigkeit, aber zu viel Kohlenstoff kann die Korrosionsbeständigkeit durch die Bildung von Chromkarbiden verringern.
• Häufig bei: Martensitische (410, 420) und einige austenitische Güten.

Mangan (Mn)

• Inhalt: Normalerweise 1%-2%.
• Auswirkungen: Wirkt als Desoxidationsmittel und verbessert Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Härtbarkeit. Mangan ist auch bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl von entscheidender Bedeutung.
• Häufig bei: Austenitische und Duplex-Güten.

Silizium (Si)

• Inhalt: Ungefähr 1%.
• Auswirkungen: Verbessert die Oxidationsbeständigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, und erhöht die Festigkeit durch Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität unter thermischer Belastung.
• Häufig bei: Hochtemperaturbeständiger Edelstahl (z. B. Ofenkomponenten).

Stickstoff (N)

• Häufig bei: Duplex- und austenitische Güten.
• Inhalt: Bis zu 0,2%.
• Auswirkungen: Erhöht die Festigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion, insbesondere bei Duplex- und Austenit-Stahlsorten. Verbessert außerdem die Schweißbarkeit.

Andere chemische Zusammensetzung in Edelstahl

Phosphor (P), Schwefel (S), Titan (Ti) und Niob (Nb) sind in Edelstahl unverzichtbar, um Eigenschaften wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Bearbeitbarkeit zu optimieren. Obwohl sie in kleinen Mengen vorhanden sind, wirken sie sich erheblich auf Leistung und Haltbarkeit aus.

Phosphor (P)

• Inhalt: 0.03% – 0.045%
• Auswirkungen: Verbessert die Festigkeit und Kaltverfestigung, verringert jedoch die Korrosionsbeständigkeit. Es erhöht das Risiko von Spannungsrisskorrosion, insbesondere in geschweißten Bereichen. Hohe Phosphorwerte führen bei niedrigen Temperaturen zu Sprödigkeit und fördern die Rissbildung beim Schweißen.
• Häufig bei: Niedrigere Edelstahlqualitäten und Automatenstahl (z. B. 430F).

Schwefel (S)

• Inhalt: Unter 0,03%-0,04%
• Auswirkungen: Verbessert die Bearbeitbarkeit durch Bildung von Sulfiden, die den Werkzeugverschleiß und die Reibung verringern, erhöht aber auch die Anfälligkeit für Lochfraß und Spannungskorrosion. Ein hoher Schwefelgehalt führt bei hohen Temperaturen zu Sprödigkeit und schwächt die Schweißfestigkeit.
• Häufig bei: Edelstahl 303 (Automatenstahl).

Titan (Ti)

• Inhalt: 0.5% – 1.0%
• Auswirkungen: Bildet Titankarbide, verhindert die Bildung von Chromkarbiden und verbessert die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion. Verfeinert die Kornstruktur und verbessert Festigkeit und Zähigkeit. Verbessert auch die Schweißqualität, kann jedoch aufgrund von Einschlüssen die Materialreinheit verringern.
• Häufig bei: Güten wie 321 und 347 für verbesserte Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit.

Niobium (Nb)

• Inhalt: 0.1% – 0.5%
• Auswirkungen: Bildet Niobkarbide, verhindert die Bildung von Chromkarbiden und verbessert die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion. Stärkt Edelstahl durch Ausscheidungshärtung und verbessert die Leistung bei hohen Temperaturen, kann jedoch Einschlüsse verursachen.
• Häufig bei: Ausscheidungshärtende Güten (z. B. 17-4 PH) und Güte 347 für verbesserte Korrosionsbeständigkeit.

Die Kontrolle der chemischen Elementverhältnisse in Edelstahl ist für die Optimierung von Eigenschaften wie Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit von entscheidender Bedeutung. Kleine Abweichungen können die Leistung erheblich beeinträchtigen, sodass eine genaue Dosierung unerlässlich ist.

Wie sind die verschiedenen Edelstahlsorten zusammengesetzt und wie wirken sich diese Zusammensetzungen auf die Leistung aus?

Es gibt verschiedene Arten von rostfreiem Stahl, von denen jede eine einzigartige Zusammensetzung aufweist, die ihre Eigenschaften und ihre Eignung für bestimmte Anwendungen bestimmt. Zu den wichtigsten Arten von rostfreiem Stahl gehören austenitischer, ferritischer, martensitischer, Duplex- und ausscheidungshärtender rostfreier Stahl. Jeder Typ hat unterschiedliche Elemente in seiner Zusammensetzung, die sich auf seine Leistung in Bezug auf Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit auswirken.

Die Zusammensetzung von austenitischem rostfreiem Stahl

Austenitische nichtrostende Stähle sind die am weitesten verbreitete Art von rostfreiem Stahl, der für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, Verformbarkeit und Schweißbarkeit bekannt ist. Sie enthalten in der Regel einen hohen Anteil an Chrom (16-26%) und Nickel (6-22%). Der Zusatz von Nickel stabilisiert das austenitische Gefüge, macht den Stahl unmagnetisch und erhöht seine Duktilität und Zähigkeit. Häufig wird Molybdän (2-3%) hinzugefügt, um den Schutz gegen Lochfraß und Spaltkorrosion zu verbessern. Zu den üblichen Anwendungen gehören Küchengeräte, chemische Verarbeitungsanlagen und architektonische Strukturen.

Die Zusammensetzung von ferritischem nichtrostendem Stahl

Ferritische nichtrostende Stähle haben einen höheren Chromgehalt (10,5-30%) und einen geringeren Nickelgehalt als austenitische Stähle. Sie sind magnetisch und bieten eine gute Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in gemäßigten Umgebungen. Der geringe Nickelgehalt macht sie preiswerter. Ferritische Stähle haben eine mäßige Umformbarkeit und werden für Anwendungen wie Auspuffanlagen von Kraftfahrzeugen, Industrieanlagen und Küchengeräte verwendet. Diese Stähle sind im Allgemeinen weniger duktil als austenitische Stähle, weisen aber eine gute Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion auf.

Die Zusammensetzung von martensitischem rostfreiem Stahl

Martensitische nichtrostende Stähle haben einen hohen Kohlenstoffgehalt (0,1-1,2%), der für außergewöhnliche Härte und Festigkeit sorgt. Sie enthalten mäßige Chromgehalte (12-18%) und sind magnetisch. Diese Stähle können wärmebehandelt werden, um verschiedene Härte- und Festigkeitsgrade zu erreichen, wodurch sie sich für Anwendungen eignen, die Verschleißfestigkeit und hohe Festigkeit erfordern, wie z. B. Besteck, chirurgische Instrumente und Turbinenschaufeln. Martensitische Stähle weisen jedoch im Vergleich zu austenitischen und ferritischen Stählen eine geringere Korrosionsbeständigkeit auf.

Die Zusammensetzung von rostfreiem Duplexstahl

Nichtrostende Duplexstähle haben ein gemischtes Gefüge aus Austenit und Ferrit, in der Regel in gleichen Anteilen. Sie enthalten einen hohen Anteil an Chrom (19-32%) und mäßige Mengen an Nickel (1-8%) sowie Molybdän (bis zu 5%) und Stickstoff. Diese Kombination macht Duplexstähle fester und widerstandsfähiger gegen Spannungsrisskorrosion und Lochfraß als austenitische oder ferritische Stähle allein. Zu den üblichen Anwendungen gehören die chemische Verarbeitung, die Öl- und Gasindustrie sowie die Schifffahrt.

Die Zusammensetzung von ausscheidungshärtendem nichtrostendem Stahl

Ausscheidungshärtende nichtrostende Stähle werden so hergestellt, dass sie durch Wärmebehandlung eine hohe Festigkeit erreichen. Sie enthalten Chrom (15-17%), Nickel (4-7%) und andere Elemente wie Aluminium, Kupfer und Niob. Diese Stähle werden einem Wärmebehandlungsverfahren unterzogen, bei dem feine Partikel in der Metallmatrix ausgeschieden werden, wodurch sich Festigkeit und Härte deutlich erhöhen. Ausscheidungshärtende Stähle werden in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungsbereich und in der Hochleistungstechnik eingesetzt, wo hohe Festigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind.

Zusammensetzungsunterschiede zwischen rostfreiem und nicht rostfreiem Stahl

Nicht rostfreier Stahl generally refers to carbon steel or legierter Stahl, both of which lack the essential chromium content for corrosion resistance. The key compositional differences are as follows:

Nicht rostfreier Stahl (z. B. Kohlenstoffstahl)

• Kohlenstoff (C): Höherer Kohlenstoffgehalt, typischerweise im Bereich von 0,1% bis 2%, was Härte und Festigkeit erhöht. Bei falscher Balance kann es jedoch den Stahl spröder machen.
• Mangan (Mn): Wird verwendet, um Festigkeit und Härte zu verbessern, normalerweise zwischen 0,3% und 1%.
• Silizium (Si): Verbessert die Festigkeit, normalerweise in Mengen zwischen 0,11 TP3T und 0,51 TP3T zu finden.
• Phosphor (P) und Schwefel (S): Als Verunreinigungen vorhanden und ihre Konzentrationen werden niedrig gehalten (unter 0,05%), da sie die Zähigkeit und Schweißbarkeit verringern können.

Rostfreier Stahl

• Chrom (Cr): Mindestens 10,5%, bietet hervorragende Korrosionsbeständigkeit durch Bildung einer passiven Oxidschicht, die Rost verhindert.
• Nickel (Ni): Wird vielen rostfreien Stählen (8%-20%) hinzugefügt, um die Duktilität, Zähigkeit und Säurebeständigkeit zu verbessern.
• Molybdän (Mo): Typischerweise 2%-3%, verbessert die Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion, insbesondere in Chloridumgebungen.
• Geringerer Kohlenstoffgehalt: Im Allgemeinen weniger als 0,11 TP3T, um eine Karbidbildung zu verhindern, die die Korrosionsbeständigkeit verringert.

Vorteile von Zusammensetzungsunterschieden

• Korrosionsbeständigkeit: Der hohe Chrom- und Nickelgehalt von Edelstahl verleiht ihm eine überragende Rost- und Korrosionsbeständigkeit und macht ihn ideal für raue Umgebungen wie Meeres- oder Chemieumgebungen. Im Gegensatz dazu neigt nicht rostfreier Stahl bei Kontakt mit Feuchtigkeit zum Rosten.
• Festigkeit und Härte: Aufgrund seines höheren Kohlenstoffgehalts ist Kohlenstoffstahl in vielen Anwendungen härter und fester als Edelstahl, neigt jedoch auch dazu, spröder und weniger dehnbar zu sein, was ihn für Anwendungen, bei denen Flexibilität erforderlich ist, weniger ideal macht.
• Bearbeitbarkeit: Edelstahl, insbesondere Automatenstahl, weist eine bessere Verschleißfestigkeit auf, während Kohlenstoffstahl in seinen niedrigeren Güten aufgrund des fehlenden hohen Chrom- und Nickelgehalts leichter zu bearbeiten sein kann.

Diese Unterschiede unterstreichen die Vielseitigkeit von Edelstahl für korrosionsbeständige und langlebige Anwendungen, während nicht rostfreier Stahl eine höhere Festigkeit und Härte bei geringeren Kosten bietet.

Ist Edelstahl 100% Stahl?

Nein, Edelstahl ist kein 100%-Stahl. Es handelt sich um eine Legierung, die hauptsächlich aus Eisen besteht (wie herkömmlicher Stahl), aber auch wichtige Elemente wie Chrom, Nickel und manchmal Molybdän enthält. Diese zusätzlichen Elemente verleihen Edelstahl seine verbesserten Eigenschaften, wie Korrosionsbeständigkeit.

Rostet rostfreier Stahl?

Stainless steel can rust, but it is highly resistant to rust compared to regular steel. The chromium content (at least 10.5%) forms a protective oxide layer on the surface, preventing rust in most environments. However, in extreme conditions like high salinity or acidity, stainless steel can still corrode or develop surface rust.

Ist in Edelstahl BPA enthalten?

Nein, Edelstahl enthält kein BPA (Bisphenol A). BPA ist eine Chemikalie, die in einigen Kunststoffen und Harzen verwendet wird, aber Edelstahl ist frei von BPA und gilt als sicher für die Lagerung von Lebensmitteln und Getränken, was ihn zu einer beliebten Wahl für Kochgeschirr und Wasserflaschen macht.

Aus welchen Inhaltsstoffen besteht Edelstahl?

Nichtrostender Stahl besteht in erster Linie aus Eisen, dem zur Verbesserung seiner Eigenschaften Schlüsselelemente wie Chrom, Nickel, Molybdän, Kohlenstoff, Mangan, Silizium und Stickstoff hinzugefügt werden. Diese Elemente sorgen für gute Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Duktilität.

Was ist die beste Zusammensetzung für Edelstahl?

Die beste Zusammensetzung des nichtrostenden Stahls hängt von der geplanten Anwendung ab. Austenitische nichtrostende Stähle (mit hohem Chrom- und Nickelgehalt) werden in der Regel wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit verwendet. Für hohe Festigkeit und Härte sind martensitische nichtrostende Stähle (mit höherem Kohlenstoffgehalt) geeignet. Duplex-Edelstahl bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Ist in Edelstahl Blei enthalten?

Nein, in rostfreiem Stahl ist kein Blei enthalten. Er besteht hauptsächlich aus Eisen, Chrom, Nickel und anderen Elementen, die seine Eigenschaften verbessern, aber Blei gehört nicht dazu. Edelstahl gilt als sicher und wird häufig für Anwendungen verwendet, die Hygiene und Sauberkeit erfordern, z. B. für Kochgeschirr und medizinische Instrumente.

Schlussfolgerung

Die Kenntnis der Zusammensetzung von rostfreiem Stahl und seiner Schlüsselelemente hilft bei der Auswahl des richtigen Typs für bestimmte Anwendungen. Jedes Element, von Chrom bis Stickstoff, verleiht dem rostfreien Stahl einzigartige Eigenschaften, die ihn vielseitig und langlebig machen. Die Kenntnis der Zusammensetzung hilft Ihnen bei der Wahl zwischen der Korrosionsbeständigkeit von austenitischem, der Festigkeit von martensitischem oder den ausgewogenen Eigenschaften von Duplex-Edelstahl. Die Anpassungsfähigkeit von rostfreiem Stahl sorgt dafür, dass er in verschiedenen Branchen ein unverzichtbarer Werkstoff bleibt, der langlebige und zuverlässige Ergebnisse liefert.