Nichtrostender Stahl: das Material der Wahl für hochbeanspruchte Konstruktionen

Schon einige Zeit vor der Jahrhundertwende wurde mit Nickel und Chrom experimentiert, die beide Stahl zugefügt wurden. Schon die ersten Beobachtungen des Korrosionsverhaltens zeigen, dass die Oxidation deutlich langsamer oder sogar überhaupt nicht einsetzte.

Allerdings ließen die ersten derart behandelten Stähle noch einige Wünsche offen. Der wirkliche Durchbruch kam erst 1912, als in Deutschland Nickel und Chrom zu Stahl legiert wurden und dabei eine dosierte Wärmebehandlung durchgeführt worden war.

Die Korrosionsbeständigkeit war so gut wie nie, zugleich konnten sehr gute mechanische Eigenschaften erreicht werden. Damals wurden die Bezeichnungen „V2A“ und „V4A“ eingeführt, wobei das „V“ für „Versuch“ stand und das „A“ für Austenit.

Bis heute konnten sich diese Benennungen für rostfreie Edelstähle halten bzw. gelten als Synonyme dafür. Ebenfalls bis heute bekannt sind die Namen „Nirosta“ und „Remanid“, die durch die großen deutschen Hersteller als Markennamen eingeführt worden waren. International werden auch „18/10“ oder „18/8“ verwendet, wobei diese Zahlenkombination auf das Legierungsverhältnis von Chrom und Nickel zu Edelstahl hinweist. Auch die DIN kennt Werkstoffnummern für nichtrostenden Stahl.

Übrigens: Wird dem Stahl nur Chrom, aber kein Nickel zugeführt, spricht man von Chromstahl. Welche Variante im Einzelfall zur Anwendung kommt, obliegt dem Konstrukteur, der dabei möglicherweise aggressive Umgebungen, hohe Temperaturen oder starke mechanische Belastungen im Blick haben muss.

Die Eigenschaften von rostfreiem Stahl sind nicht immer gleich, da das jeweilige Legierungsverhältnis dabei eine Rolle spielt.

Werden ein gutes Korrosionsverhalten und Säurebeständigkeit gewünscht, kann Edelstahl 1.4301 die richtige Wahl sein.

Er kann Temperaturen bis 300 °C aushalten. Sind die Arbeitstemperaturen höher, ist hingegen Edelstahl Nr. 1.4541 die bessere Wahl.

Er ist mit Titan stabilisiert und wird in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen wie in der Medizintechnik, der Pharmaindustrie oder in der Getränkeproduktion verwendet.

Zu den wichtigsten Eigenschaften nichtrostenden Stahls zählen demnach:

• Temperaturbeständigkeit
• Korrosionsbeständigkeit
• Leitfähigkeit
• Schweißfähigkeit
• Wartungsarmut
• Langlebigkeit
• hygienische Sauberkeit

Speziell in der Luft- und Raumfahrt, im Anlagen- und Maschinenbau sowie in der Mess- und Regeltechnik wird auf 17-4 PH als nichtrostenden Stahl gesetzt.

Er besitzt zusätzlich zu den bereits genannten Eigenschaften weitere vorteilhafte Merkmale:

• hohe Festigkeit und Zähigkeit bis 310 °C
• Möglichkeit des Kaltumformens
• Steigerung der Festigkeit durch Kaltumformung und Auslagerung möglich
• hohe Streckgrenze
• hohe Verschleißfestigkeit
• für den Einsatz in maritimen Umgebungen geeignet
• gute Schmiedbarkeit
• Aushärtung durch Wärmebehandlung

• Luft- und Raumfahrttechnik:
  für Triebwerkskomponenten, Strukturteile und Verriegelungsmechanismen
• Energietechnik:
  für Komponenten für Öl- und Gasbohrungen, für Turbinen und Generatoren
• Schiffsbau:
  für Ruderanlagen, Befestigungselemente, strukturelle Komponenten, Hebesysteme
• Offshore-Technik:
  für Halterungen, Bolzen, Schäkel, Verbindungselemente, strukturelle Komponenten
• Medizintechnik:
  für chirurgische Instrumente, Implantate, Prothesen und dentale Anwendungen
• Werkzeugbau:
  für Schneidwerkzeuge, Matrizen und im Formenbau
• Automotive:
  für belastbare Bauteile, Motoren, Fahrwerke, Getriebe und Aufhängungen

Der Chromgehalt des Stahls verursacht in Verbindung mit dem Sauerstoff, der aus der Luft stammt oder im Wasser befindlich ist, eine dünne Passivschicht an der Oberfläche des Bauteils oder Materials.

Amit werde alle aggressiven Substanzen abgewehrt. Durch äußere Einwirkungen kann die Oberfläche beschädigt sein, doch die Passivschicht bildet sich innerhalb kürzester Zeit neu.

Dies dauert nur einen Bruchteil von Sekunden und ist mit dem bloßen Auge nicht wahrnehmbar. Der Chromanteil ist maßgeblich für die Korrosionsbeständigkeit verantwortlich, gesteigert wird diese durch die Zugabe von Nickel oder Molybdän.

Auch andere Legierungsmittel kommen zum Einsatz und erlauben die individuelle Anpassung des Stahls auf die einzelnen Anwendungen. Die Korrosionsbeständigkeit hängt überdies von der Oberfläche ab. Je glatter und ebenmäßiger diese ist, desto besser ist die Korrosionsbeständigkeit.

Sind jedoch Einschlüsse und Ablagerungen vorhanden, wurden Staub- oder Rostteile mit verpresst oder bei der weiteren Verarbeitung mit eingebracht, kann eine lokale Korrosion auftreten.

Zu unterscheiden sind dann die folgenden Korrosionsarten bei nichtrostendem Stahl:

• Lochfraß-Korrosion: Die Passivschicht an der Oberfläche ist durchbrochen, dies aber nur an speziellen Punkten. In der Folge zeigen sich dort Löcher oder Grübchen. Schuld am Lochfraß sind vor allem Chor-Ionen und einige andere Halogene. Er tritt vorrangig im Wasser- und Abwasserbereich auf.
• Interkristalline Korrosion: Sie entsteht beim Ausscheiden von Chromcarbide an den Korngrenzen. In der Umgebung entsteht eine Chromverarmung, die Passivschicht ist nicht mehr stabil.
• Kontaktkorrosion: Diese Form tritt sehr häufig auf, wenn metallische Werkstoffe Kontakt haben und ein Elektrolyt vorhanden ist. Das unedlere Metall wird durch den Elektrolyten angegriffen. Je nachdem, wie stark der Strom in diesem galvanischen Element fließt, ist die Korrosion mehr oder weniger stark. Meist ist die Kontaktkorrosion an der Verbindung von Edelstahl- und Stahlflanschen zu sehen.
• Spaltkorrosion: Die Passivschicht wurde zum Beispiel durch aggressive Medien zerstört, wobei Sauerstoffmangel vorhanden war. Vor allem in kleinen Hohlräumen oder Spalten zeigt sich diese Form der Korrosion, die unter anderem unter Dichtungen zu beobachten ist. Auch die Gashaube von Faultürmen ist häufig davon betroffen. Der Grund: Auf der Innenseite findet sich das Faulgas als aggressiv wirkendes Medium, gleichzeitig fehlt dort Sauerstoff.