Edelstahl Rostfrei Eigenschaften und Verarbeitung

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1 1 Edelstahl Rostfrei Eigenschaften und Verarbeitung 1. Einleitung 2. Einteilung der nichtrostenden Stähle 3. Charakteristische Eigenschaften der Stahlgruppen 4. Bearbeitung 1. Einleitung Edelstahl Rostfrei ist ein Sammelbegriff für die nichtrostenden Stähle. Sie enthalten mindestens 10,5% Cr und weisen gegenüber unlegierten Stählen eine deutliche verbesserte Korrosionsbeständigkeit auf. Höhere Cromgehalte und weitere Legierungsbestandteile wie z.b. Ni und Mo erhöhen die Korrosionsbeständigkeit weiter. Darüber hinaus kann das Hinzulegieren bestimmter anderer Elemente auch weitere Eigenschaften positiv beeinflussen, z.b. -Niob, Titan (Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion) -Stickstoff (Festigkeit, Korrosionbeständigkeit) -Schwefel (Spanbarkeit) Damit verfügen die Konstrukteure, Verarbeiter und Verwender über eine Vielzahl von Stahlsorten für mannigfaltige Anwendungsgebiete. Seit Erfindung der nichtrostenden Stähle im Jahre 1912 haben Hersteller und Verarbeiter unterschiedliche Handelsnamen verwendet(nirosta; REMANIT; usw.). Ausgehend vom Konsumgüterbereich hat sich der Begriff Edelstahl Rostfrei durchgesetzt. Edelstahl Rostfrei hat in seiner langjährigen Geschichte aufgrund der ihm eigenen Korrosionsbeständigkeit und guter mechanischer Eigenschaften zunehmende Bedeutung in immer mehr Verarbeitungsbereichen erlangt. 2. Einteilung der nichtrostenden Stähle Die nichtrostenden Stähle werden nach ihrer chem. Zusammensetzung in 4 Untergruppen eingeteilt, die sich auf den Gefügezustand beziehen. -Austenitische Stähle Diese sind die am meisten verwendeten rostfreien Stähle. Sie sind mit Cr und Ni legiert, andere Legierungselemente sind möglich. -Ferritische Stähle Diese enthalten als Hauptlegierungselement Cr und ggf. weitere Zusätze. Der Kohlenstoff ist auf 0,08% max. begrenzt. -Martensitische Stähle Dies sind vergütbare Cr-Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt. -Austenitisch-ferritische Stähle Diese Stähle mit etwa 22% Cr und etwa 5% Ni weichen in ihren technologischen Merkmalen und Verarbeitungseigenschaften stärker ab und finden nur in speziellen Fällen Anwendungen.

2 2 In Deutschland werden alle Stahlsorten mit 2 Bezeichnungen versehen -Der Kurzname Er kennzeichnet bei den rostfreien Edelstählen die chemische Zusammensetzung -Die Werkstoffnummer Sie werden wegen ihrer Kürze bevorzugt

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4 4 3) Charakteristische Eigenschaften der Stahlgruppen a) Ferritische Stähle Man unterscheidet grob 2 Untergruppen ferritischer nichtrostender Stähle - mit etwa 11 bis 13% Cr - mit etwa 17% Cr Die mechanische Eigenschaften der ferritischen Stähle setzten ein feinkörniges Gefüge voraus. Durch den relativ niedrigen Cromgehalt 11-13% ist der Korrosionswiderstand begrenzt, so daß diese Stähle auch als korrosionsträge eingestuft werden. Bei den 17%igen Cromstählen wird durch Zulegieren von 1% Mo die Korrosionsbeständigkeit nochmals verbessert. Einige Stähle enthalten Titan oder Niob als carbidbildende Elemente, die den Kohlenstoff abbinden. Solche Stähle sind nach dem Schweißen ohne zusätzliche Wärmebehandlung auch bei dickeren Abmessungen beständig(stabil gegen interkristalline Korrosion). Ein besonderer Vorteil im Gegensatz zu den Austenitischen CrNi-Stählen ist eine hohe Beständigkeit gegen transkristalline Spannungsrißkorrosion. b) Martensitische Stähle Sind Stähle mit 12-18% Cr und mit Kohlenstoffgehalten ab 0,1% die bei hohen Temperaturen abgeschreckt werden. Die Härte wird umso größer, je höher der Kohlenstoffgehalt ist. Bei den nickelmartensitischen Stählen wird die Rolle des C vom Ni übernommen. Die Vergütungsfähigkeit bleibt dabei erhalten, ohne dass die Nachteile eines erhöhten Kohlenstoffgehaltes auftreten (Carbidausscheidung). Die Korrosionsbeständigkeit wird durch den Zusatz von Mo noch erhöht. In vielen Einsatzgebieten wird diese Stahlgruppe wegen ihrer hohen Verschleißfestigkeit und Schneidehaltigkeit eingesetzt. c) Austenitische Stähle Die bedeutendste Gruppe der nichtrostenden Stähle sind die austenitischen CrNi-Stähle mit 8% Ni. Sie bieten eine besonders günstige Kombination von Verarbeitbarkeit, mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit. Die Korrosionsbeständigkeit kann mit zunehmenden Legierungsgehalten an Cr und Mo gesteigert werden. Wie bei ferritischen Stählen ist auch bei den austenitischen Stählen zum Erreichen guter technischer Eigenschaften ein feinkörniges Gefüge notwendig. Austenitische Stähle sind im Gegensatz zu martensitischen Stählen nicht härtbar. Durch legierungstechnische Maßnahmen kann man Mischkristallverfestigung erreichen. Das

5 5 Element N ist am besten dafür geeignet. Die Austenitischen Stähle kann man bis zu sehr tiefen Temperaturen einsetzen ( -269 C). d) Austenitisch-ferritische Stähle Diese Stähle nennt man auch Duplex-Stähle. Hervorzuheben sind die günstigen Dauerfestigkeitseigenschaften des Stahls, auch in korrosiven Medien. Die Stähle bereiten bei Beachtung der Schweißvorgaben keine Probleme. Sie werden vor allem im Chemie- Apperaturbau eingesetzt. 4) Bearbeitung a.a) Mechanische Trennverfahren -Schneiden Die austenitischen Edelstähle haben höhere Scherfestigkeiten als die unlegierten bzw. ferritischen rostfreien Stähle. Man benötigt daher zum Schneiden eines Bleches mehr Kraft. Eine Schmierung ist im allgemeinen nicht erforderlich. Der Schneidspalt soll etwa 5% der Blechdicke betragen, aber nie größer als 0,1mm sein. Größere Schneidspalte sind zu vermeiden. Wenn der Werkstoff über die untere Schneidkante fließt, so führt dies schnell zu Kaltverfestigungen. Eine zu geringe Spaltbreite hat ähnliche Wirkungen. -Stanzen, Lochen Das Stanzen von Edelstahl Rostfrei erfordert wegen seiner größeren Scherfestigkeiten mehr Kraft. Häufig läst sich die erforderliche Kraft dadurch vermindern, dass ein Werkzeugteil angeschrägt wird. Der Scherspalt zwischen Matrize und Stempel muss enger sein als bei unlegierten Stählen, damit der Werkstoff keine Kaltverfestigung erfährt. Die Werkzeuge sollten eine Härte von 60 bis 62 HRC besitzen. -Sägen Es sind nur HSS-Sägeblätter zu verwenden. Die besten Schnittgeschwindigkeiten liegen zwischen 7 und 10 m/min. Der Vorschub darf 25 mm/min nicht überschreiten. Ausreichende Kühlung ist erforderlich. Bei Hohlprofilen empfiehlt es sich, Füllstücke einzulegen, um ein Durchbiegen zu vermeiden. a.b) Thermische Trennverfahren Trennen mit Sauerstoff-Azetylen-Brennern allein ist nicht möglich. Große Bedeutung hat das Trennen mittels Plasmastrahl erlangt, es führt zu sauberen, glatten Kanten. Bei Computersteuerung lassen sich auch sehr komplizierte Zuschnitte herstellen. Es werden Blechdicken zwischen 6 und 25 mm damit bearbeitet. Eine weitere Verbesserung stellt das Laserschneiden mit einem Schneidegas dar. Es können rostfreie Stähle bis 6mm Dicke damit getrennt werden. Mit dieser Schneidetechnik lassen sich sehr spitze Winkel und schmale Stege erzeugen. Es wird auch keine Kraft auf das Werkstück ausgeübt, es entsteht kein Verzug und kein Werkzeugverschleiß.

6 6 b) Spanende Formgebung Das wichtigste Element, das zur Verbesserung der Spanbarkeit bei nichtrostenden Stählen beiträgt, ist Schwefel. Die zur spanenden Bearbeitung vorgesehenen nichtrostenden Stähle lassen sich in 2 Gruppen unterteilen. Die Automatenstähle enthalten in der Regel 0,15 bis 0,35% S. S bildet in Verbindung mit Mangan, Mangansulfid, dessen pos. Wirkung auf die Spanbarkeit in kurzbrüchigen Spänen, glatteren Werkstückoberflächen begründet liegt. Die ferritischen Stähle können bei sonst gleichen Bedingungen mit höheren Schnittgeschwindigkeiten (bis 30%) und größeren Vorschüben (bis 25%) gegenüber austenitischen Stählen bearbeitet werden. Es muß für reichlich Flüssigkeitszufuhr gesorgt werden, damit Werkzeuge und Werkstücke ausreichend gekühlt und geschmiert werden. c) Spanlose Umformung Bei der spanlosen Kaltumformung tritt bei austenitischen Edelstählen ein größere Kaltverfestigung auf als bei unlegierten Stählen. Nach starken Umformungen wird manchmal festgestellt, daß diese zuvor unmagnetischen rostfreien Stähle nun magnetisch sind. Das beruht auf einer teilweisen Umwandlung des austenitischen Gefüges. Durch eine Wärmebehandlung können Verfestigung als auch der Magnetismus wieder abgebaut werden. Die ferritischen Stähle können im geglühten Zustand wie unlegierte Stähle kaltumgeformt werden. Das bedeutet gegenüber den austenitischen Stählen geringeren Kraftbedarf, geringere Dehnung und geringere Rückfederung.

7 7 Die austenitischen Edelstähle lassen sich gut umformen. Der benötigte Kraftaufwand ist um 50-60% höher als bei unlegiertem Stahl gleicher Festigkeit, auch muss man mit einer stärkeren Rückfederung rechnen. Blechkanten lassen sich um 180 umlegen. Bei ferritischen Stählen sind die Werte vergleichbar zu unlegierten Stählen mit ähnlichen Festigkeitseigenschaften. Die austenitischen Edelstähle lassen sich wegen ihrer guten Zähigkeit einwandfrei drücken und fließdrücken. Es sollten jedoch Sorten mit niedrigen C- und relativ hohem Ni-gehalt vorgezogen werden, weil sie weniger stark zum Kaltverfestigen neigen. Die fertig gedrückten Teile müssen unverzüglich geglüht werden, um ein nachträgliches Reißen in stark umgeformten Bereichen zu verhindern. Die ferritischen Edelstähle haben ein deutlich eingeschränktes Abstreckverhalten und werden überlicherweise nicht für Drückteile eingesetzt. Tiefziehteile lassen sich aus den Edelstählen nach allen bekannten Verfahren herstellen. d) Wärmebehandlung Weichglühen dient zum Aufheben der Kaltverfestigung. Austenitische Stähle müssen auf relativ hohe Temperaturen erwärmt werden und rasch abgekühlt werden. ( C) Die ferritischen Stähle werden auf C erwärmt und langsam abgekühlt. Die Erfahrung hat gezeigt, dass eine Haltezeit von 1 min je 2,5 mm Wanddicke ausreicht. e) Schweißen In vielen Einsatzgebieten nichtrostender Stähle ist die Schweißbarkeit eine der wichtigsten Verarbeitungseigenschaften. Neben den geforderten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften von Schweißverbindungen muss die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht sowie der Wärmeeinflußzone der des Grundwerkstoffes entsprechen. Zur Erfüllung dieser Ansprüche müssen neben geeigneten Schweißzusätzen auch optimierte Schweißtechniken eingesetzt werden. Von dem Einsatz des Autogenschweißverfahrens ist abzuraten. -Ferritische Stähle sind schweißgeeignet. Diese Stähle neigen in der Wärmeeinflußzone zu starken Kornwachstum und sollten deshalb immer mit einem möglichst geringen Wärmeeinbringen geschweißt werden. -Martensitische Stähle mit geringen Kohlenstoffgehalten sind bedingt schweißgeeignet, Stähle mit höheren Kohlenstoffgehalten sind nicht schweißgeeignet. -Austenitische nichtrostende Stähle lassen sich leichter schweißen. Es sollten aber artgleiche oder höherlegierte Schweißzusätze benutzt werden(heißrissbildung). Die Ti- oder Nb-stabilisierten Sorten und die Stähle mit abgesenktem Kohlenstoffgehalt sind ohne Wärmenachbehandlung im geschweißten Zustand gegen interkristalline Korrosion beständig. f) Andere Bearbeitungsmöglichkeiten f.a) Löten Zum Harlöten werden Silberlote mit 35-56% Ag eingesetzt. Bei Teilen für die Lebensmittelindustrie dürfen nur cadmiumfreie Silberlote eingesetzt werden.

8 8 Zum Weichlöten werden aggressive Flussmittel benutzt. f.b) Kleben Bei der Verarbeitung von Blechen aus nichtrostendem Stahl kommt weitgehend das Kaltkleben in Frage. Die Aushärtezeit liegt zwischen 6 Stunden und 3 Tagen. Wärmekleber härten bei C. Die Aushärtezeiten betragen 20 Minuten bis 6 Stunden. Wärmekleben kommt in der Regel nur bei einer Serienfertigung in Betracht. Mindestzugscherfestigkeit ist bei einwandfreier Verklebung von rostfreien Blechen 10 N/mm². f.c) Nieten Bei den Nietlöchern ist ein Aufmaß von 0,4 mm vorzusehen. Verwendet werden Nieten aus nichtrostenden Stählen oder NiCu30Fe. f.d) Schraubverbindungen Das Verschrauben von Teilen aus nichtrostenden Stählen dient zum Herstellen wiederholt lösbarer Verbindungen, deren Belastung genau berechenbar ist. g) Oberflächenbehandlung Die mechanischen wie chemischen Oberflächenbehandlung nach der Bearbeitung rostfreier Teile ist immer dann erforderlich, wenn durch die Vorbehandlung die Gefahr gegeben ist, daß dadurch die Korrosionsbeständigkeit vermindert wurde. Das kann durch Zunder, Anlauffarben aber auch durch Fremdeisen möglich werden. -mechanische Oberflächenbehandlung Für den Fertigschliff sind die Kornabstufungen üblich. Beim Strahlen dürfen nur Glasperlen, Edelstahlkorn oder eisenfreier Quarzsand verwendet werden. Reste anderer Strahlmittel sind zu entfernen. -chemische Oberflächenbehandlung Das Beizen von nichtrostenden Stählen ist oft ein zwingende Notwendigkeit, um die bei einer Wärmebhandlung entstehenden Zunderschichten oder die sich beim Schweißen bildenden Anlauffarben zu beseitigen. Nach dem Beizen ist gut mit Wasser nachzuspülen. -Elektropolieren Mit diesem Verfahren lassen sich folgende Oberflächen herstellen, die folgende Vorteile bieten: -Metallisch rein -Einebnung der Oberfläche und Entgradung -Glänzendes Aussehen mit diffus wirkender Reflexion -Verbesserte Korrosionsbeständigkeit -Leicht zu reinigen -Oberflächenschutz Die Schutzüberzüge sind meist aus PE-Folien. PVC sollte man vermeiden. -Reinigung Farbspritzer lassen sich mit einem Lösungsmittel entfernen. Kalk- oder Zementspritzer sollte man möglichst vor Aushärtung mit einem Holzspan abschaben; keine Werkzeuge aus normalen Stahl verwenden (Spachtel, Stahlwolle usw.).niemals Salzsäure verwenden!

9 h) Physikalische Eigenschaften 9