Stahl besteht aus Eisen mit einem geringen Anteil an Kohlenstoff. Wird Chrom hinzugefügt, spricht man von Edelstahl oder nichtrostendem Stahl. In der Praxis kommen häufig zusätzliche Legierungselemente hinzu.
Der Begriff „Legieren“ bedeutet das Hinzufügen von Elementen zu einem Metall mit dem Ziel, die Eigenschaften zu verbessern. Je nach Element und Menge verbessern sich die Eigenschaften.
In diesem Blog erklären wir, aus welchen Bestandteilen Edelstahl besteht, welche Zusätze hinzugefügt werden und welche Funktionen diese erfüllen.
*Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Edelstahl oft als rostfreier Stahl bezeichnet. Der Begriff ist aber nicht ganz korrekt. Edelstahl ist aufgrund einer sehr dünnen schützenden Oxidschicht korrosionsbeständig. Oxid ist die Verbindung eines Metalls mit Sauerstoff, so wie Rost eine Verbindung von Eisen mit Sauerstoff ist. Zudem kann Edelstahl auch einfach rosten. Daher wird in der Metallindustrie normalerweise nicht von rostfreiem Stahl gesprochen, sondern von nichtrostendem Stahl.
Normaler Edelstahl, auch Chromstahl genannt, besteht aus Eisen, Kohlenstoff und Chrom. Voraussetzung ist ein Mindestanteil von 10,5 % Chrom und ein Höchstanteil von 1,2 % Kohlenstoff.
Kommt Eisen mit Feuchtigkeit in Kontakt, reagiert es mit dem enthaltenen Sauerstoff und bildet Eisenoxid, besser bekannt als Rost. Dabei entsteht die typische rotbraune Färbung auf der Stahloberfläche.
Damit kommen wir zur Funktion des Legierungselements Chrom. Chrom reagiert ebenfalls mit Sauerstoff, jedoch schneller und leichter als Eisen. Damit das Eisen rosten kann, verbinden sich Chrom und Sauerstoff und bilden eine Chromoxidhaut auf der Oberfläche. Diese Schicht ist (fast) luftdicht. Sauerstoff kann sie nicht durchdringen und das Eisen erreichen. Ohne Sauerstoff kann sich kein Oxid bilden und der Korrosionsprozess kommt zum Stillstand.
Neben Chrom gibt es noch weitere Elemente, die zu Edelstahl hinzugefügt werden können. Die am häufigsten verwendeten Elemente sind:
• Nickel
• Molybdän
• Stickstoff
• Titan
• Silizium
• Schwefel
• Mangan
Wie bereits erläutert, sorgt Chrom im Stahl für eine schützende Oxidhaut. Dadurch ist der Stahl relativ gut gegen Feuchtigkeit geschützt. Durch zusätzliche Elemente wird dieser Schutz noch verstärkt. Besonders die Beständigkeit gegen Chloride.
Nickel ist so ein Element. Chloride sind in der Lage, die Chromoxidhaut abzubauen. Chloride findet man nicht nur in fassbaren Produkten wie Kochsalz, Streusalz, Schwimmbad- und Meerwasser, sondern auch in der Luft von Schwimmbädern und Küstenregionen. Durch das Nickel müssen sich die Chloride sozusagen mehr anstrengen, um die Chromatome aus der Oxidhaut herauszulösen. Damit erhöht sich die Beständigkeit gegen Chloride. Nickel ist zum Beispiel in Edelstahl 304.
Auch Molybdän macht Edelstahl widerstandsfähiger gegen Korrosion. Nur wenige Prozent davon reichen aus, um die Korrosionsbeständigkeit deutlich zu erhöhen. Seine Wirkung ist ähnlich wie die von Nickel: Es veranlasst die Chloride, die Chromoxidhaut verstärkt anzugreifen. So macht Molybdän, oft in Kombination mit Nickel, Edelstahl u. a. widerstandsfähiger gegen Lochfraß und Spaltkorrosion. Molybdän ist zum Beispiel in Edelstahl 316.
Dann gibt es noch Stickstoff. Theoretisch ist dies der beste Zusatz zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit. Man kann jedoch nur ein paar Zehntel davon hinzufügen. Und wenn man zu viel hinzufügt? Dann bilden sich Poren und Gashohlräume im Edelstahl. In der Praxis wird dem Edelstahl also nicht viel von diesem Element zugesetzt. Deshalb ist der Einfluss geringer als die Theorie vermuten lässt. Dies ist z. B. bei Edelstahl 304 LN und Edelstahl 316 LN der Fall.
Titan wird Edelstahl hauptsächlich zugesetzt, um seine Schweißbarkeit zu erhalten und eine „titanstabilisierte Qualität“ zu erschaffen. Bei hohen Temperaturen bildet Chrom zusammen mit Kohlenstoff gerne Chromkarbide. Dies ist problematisch, da das Chrom nun nicht mehr zur Bildung der Chromoxidhaut und zum Schutz des darunter liegenden Eisens zur Verfügung steht. Daher tritt Korrosion häufig an einer Schweißnaht auf. Mit Titan wird das verhindert. In der Tat hat Titan eine größere Affinität zu Kohlenstoff als Chrom. Kohlenstoff bildet also eher Titankarbide und lässt Chrom in Ruhe. Dadurch bleibt das Chrom zur Bildung der Chromoxidhaut verfügbar. Titan ist zum Beispiel in Edelstahl 316Ti.
Silizium ist ein Element, das in Stahl zur Erhöhung der Festigkeit ohnehin vorhanden ist. Bei Edelstahl wirkt es sich auch positiv auf die Hitzebeständigkeit der Oxidhaut aus. Bei sehr hohen Temperaturen möchte sich die Oxidhaut verdicken. Diese dicken Oxide können durch die Ausdehnung und Kontraktion des Edelstahls bei Temperaturschwankungen (während des Gebrauchs) abbröckeln. Dadurch verliert die Oxidhaut an Leistungsfähigkeit. Silizium verhindert die Verdickung der Oxide, was sich positiv auf die Hitzebeständigkeit der Oxidhaut auswirkt. Edelstahl verfärbt sich übrigens bei hohen Temperaturen, aber das ist hauptsächlich ein ästhetischer Nebeneffekt. In Edelstahl 314 ist zum Beispiel eine höhere Konzentration von Silizium enthalten.
Schwefel ist eigentlich kein Legierungselement, sondern eine Verunreinigung im Edelstahl. Besonders beim Schweißen. Es verbindet sich mit Nickel, wodurch Partikel entstehen, die den Edelstahl rissanfälliger machen. Schwefel kann aber auch ein nützliches Element sein, nämlich dann, wenn man Edelstahl zerspanen möchte. Schwefel und Mangan bilden zusammen Mangansulfide. Dabei handelt es sich um so genannte „Spanbrecher“, die dafür sorgen, dass die Späne schnell abbrechen. Dadurch wird die Zerspanbarkeit erhöht.
Auch Mangan ist eigentlich kein Legierungselement, sondern ein Standardbestandteil von Stahl. Es wurde um das Jahr 2005 herum als günstiger Ersatz für Nickel in Chrom-Nickel-Stählen (der AISI 300-Serie) populär. Nickel kann ferritischen Stahl in austenitischen Stahl umwandeln. Dadurch wird der Stahl formbarer. Nickel ist aber relativ teuer. Mangan hat die gleiche Wirkung wie Nickel und ist viel preiswerter. Dies war die Geburtsstunde der AISI 200-Serie. Es wurde jedoch schnell deutlich, dass ein wesentlicher Unterschied das Aus für das Element bedeuten würde: die Korrosionsbeständigkeit. Die Korrosionsbeständigkeit der AISI 200-Serie konnte nicht mit der der AISI 300-Serie (der Edelstahlserie mit Nickel) mithalten. Und die Korrosionsbeständigkeit ist die wichtigste Eigenschaft von Edelstahl... Wird Mangan also überhaupt nicht mehr in Edelstahl verwendet? Ja, aber nur für Folgendes.
• Gemeinsam mit Schwefel bildet es Mangansulfide, die sich als Spanbrecher positiv auf die Zerspanbarkeit auswirken.
• Es neutralisiert die nachteiligen Folgen von Schwefel bei Schweißverfahren. Mit anderen Worten: Es senkt die Anfälligkeit für Hitzeschäden.
In diesem Blog haben wir die Hauptelemente und gängigen Legierungselemente von Edelstahl erläutert. Die Liste ist nicht vollständig, bietet aber einen guten Überblick. Bitte beachten Sie, dass wir versucht haben, alles so verständlich wie möglich zu erklären. Dabei könnten jedoch einige Details vereinfacht worden sein.
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