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1 Nicht rostende Stähle von Daniel Heblinski und Adam Stolecki 11

2 Inhaltsangabe Geschichte ht Wirtschaftlichkeit von Edelstahl Was ist Edelstahl? Korrosionsarten Passivierungsschicht Einteilung der nicht rostenden Stähle Legierungselemente Hauptlegierungstypen Anwendungsbeispiele Vorteile Quellen 2

3 Geschichte des Edelstahls Nickel wurde das erste mal 3400 v. Chr. benutzt, jedoch nicht absichtlich 1751 wurde Nickel das erste mal von Axel Frederic Kornsted rein dargestellt 1798 isolierte Louis Nicolas Vauquelin Chrom aus Krokit und Salzsäure 1820 experimentierte Michael Faraday mit Chrom Stahl und Nickel Stahl Verbindungen. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts begann man Stahl industriell mit diesen Metallen zu legieren legierte man das erste mal Nickel und Chrom und erzielte ilt mit einer genau dosierten Wärmebehandlung eine Optimale Korrosionsbeständigkeit 1920 war der erste nennenswerte Einsatz von Edelstahl. Walter Chrysler krönte das Chrysler Building mit Edelstahlplatten Edelstahl Rostfrei ist ein seit 1966 eingetragenes Warenzeichen 3

4 Wirtschaftlichkeit von Edelstahl Edelstahl hat das Image "teuer" zu sein, dies ist heutzutage aber nicht mehr gültig aus folgenden Gründen: Die starke Zunahme an Nachfrage und damit gestiegene Produktion ließ den Preis für den Werkstoff erheblich sinken. Edelstahlgerechte h Konstruktion unter Ausnutzung der Werkstoff Vorteile verringert Gewicht und damit Preis der jeweiligen Konstruktion. Serienfertigung nach vorhergegangener Standardisierung reduziert die Stückkosten sowie die Fertigungszeiten. Spezialisierung bestimmter Betriebe auf Edelstahl ermöglicht rationelle Fertigung mit für Edelstahl geeignete Spezialmaschinen, Anlagen und Schlossern. 4

5 Was ist Edelstahl? Edelstahl enthält mindestens 10,5 % Chrom weist ein besonders gute Korrosionsbeständigkeit auf Legierungselemente verhindern, dass sie bei Feuchtigkeit oder der Einwirkung von korrodierenden Säuren und Gasen verrosten. 5

6 Passivierungsschicht Schützende Chrom Oxidschicht auf der Metalloberfläche verhindert Korrosion durch Trennung des Werkstoffs vom Medium z. B Luft durch die Passivierungsschicht wird der Stoff Transport unterbunden Bei mechanischer Beschädigung baut sich die Passivierungsschicht spontan wieder auf da Auf und Abbau der Passivierungsschicht ein sich im Gleichgewicht befindender Prozess ist. Damit sich diese Passivschicht immer wieder stabilisiert, benötigt man zusätzliche Stoffe wie Nickel, Titan Niob. 6

7 Korrosionsarten Abtragende Flächenkorrosion Ist durch gleichmäßigen Abtrag gekennzeichnet Kann nur in Säuren und starken Laugen auftreten Es wird eine Abtragsratte von unter 1 mm/jahr als Beständigkeit gegen Flächenkorrosion angesehen 7

8 Lochkorrosion Korrosionsarten Kann auftreten wenn die Passivschicht Örtlich durchbrochen wird zum Beispiel durch Chloridionen bei erhöhter Temp. entstehen nur nadelstichartige Löcher Durch Ablagerungen, Fremdrost, Schlackenrest und Anlauffarben auf der Oberfläche wird die Gefahr fheiner Lochkorrosion verstärkt 8

9 Korrosionsarten Lochkorrosion der Mechanismus in H2O Passivschicht weist eine gelartige Film aus Sauerstoff und Hydroxylverbrückten Metallatome auf Bei anodischer Auflösung des Metalls bildet sich MOH + Ionen Im halogenfreien Fall wird dieses Zwischenprodukt im wässrigen Elektrolyt l durch H2O abgefangen und in den Film fest eingebaut Diese Schritte spielen sowohl bei der Neubildung des Films als auch beim Ausheilen von eventuellen Löchern eine Rolle 9

10 Korrosionsarten Lochkorossion der Mechanismus im chloridhaltigen Lsg. Sind aber Chloridionen in der Lösung vorhanden, können sie in den Film eindringen und Wassermoleküle und Hydroxylgruppen ersetzen Da die Chloridionen nicht als verbrückende Komplexbildner agieren können, wird der Film geschwächt und schließlich zerstört 10

11 Korrosionsarten Spaltkorrosion Ist an das Vorhandensein von Spalten gebunden, diese können konstruktiv oder betriebsbedingt sein 11

12 Korrosionsarten Spannungsrisskorrosion i Hier entstehen Risse mit einen transkristallin Verlauf Nur wenn die folgenden drei Bedingungen gleichzeitig vorliegen kommt es zur Spannungsrisskorrosion die Oberfläche des Bauteils steht unter Zugspannungen Einwirkungen eines spezifisch wirkenden Mediums (meist Chloridionen), Neigung des Werkstoffs zur Spannungsrisskorrosion 12

13 Korrosionsarten Sh Schwingungsrisskorrosion i i Tritt auf bei Schwingungsbeanspruchung mit unzureichender Dauerschwingfestigkeit Schwingungsrisskorrosion kann in allen korrosiv wirkenden Medien in Verbindung mit Wechselbeanspruchung auftreten Die Beständigkeit nimmt zu mit zunehmender Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs in dem gegebenen Medium, mit zunehmender Festigkeit des Stahls. 13

14 Schwingungsrisskorrosion 14

15 Korrosionsarten Bimetallkorrosion Entsteht wenn sich unterschiedliche Metalle miteinander in Kontakt befinden und von einem Elektrolyten benetzt werden. Wodurch der weniger edle Werkstoff (Anode) an der Kontaktstelle angegriffen gg wird und in Lösung geht. In der Praxis sind die nicht rostenden Stähle die edleren Stähle. 15

16 Korrosionsarten Interkristalline t Korrosion Diese lässt sich mit geeigneter Werkstoffauswahl verhindern Tritt in sauren Medien wenn sich durch Wärmeeinwirkung Chromcarbide an den Korngrenzen Ausscheidet auf (örtliche Chromverarmung) 16

17 Einteilung der nicht Ferritische Stähle rostenden Stähle Hauptlegierungsbestandteil ist Chrom mit etwa 11 bis 13 % Cr Korrosionswiderstand begrenzt Korrosionsträge mit etwa 17 % Cr Guter Korrosionswiderstand durch höheren Cr Gehalt Durch Zulegieren von ca. 1% Molybdän wird die Korrosionsbeständigkeit nochmals verbessert 17

18 Einteilung der nichtrostenden Stähle Martensitische Stähle Sind Stähle mit 12 18% Cr und mit ein C Gehalten ab 0,1% Die Härte der Stähle ist umso größer, je höher der C Gehalt ist Bei nickelmartensitischen Stählen übernimmt die Rolle des Kohlenstoffs der Nickel. Hierbei bleibt die Vergütungsfähigkeit erhalten ohne die Nachteile eines erhöhten Kohlenstoffgehaltes. Durch Zusatz von Molybdän wird die Korrosionsbeständigkeit verbessert 18

19 Einteilung der nicht rostende Austenitische Stähle Stähle Austenitische CrNi-Stähle haben einen Nickelanteil von mindestens 8%. Sie bieten eine günstige Kombination aus Verarbeitbarkeit, mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit; i Die Korrosionsbeständigkeit i wird durch die Legierungselemente Chrom (und teilweise Molybdän) bewirkt. Austenitische Stähle zeichnen sich durch niedrigen Kohlenstoffgehalt aus (Grund: Vermeidung innerkristalliner Korrosion) 19

20 Einteilung der nicht rostende Stähle Austenitisch ferritische h Stähle Werden wegen ihrer zwei Gefügebestandteile häufig als Duplex-Stähle bezeichnet Ihre Hauptbestandteile t sind Cr, Ni, Mo und in gewissen Mengen Stickstoff t Bei diesen Stählen liegt der elastische Bereich deutlich höher als bei anderen Stählen, der dennoch gute Zähigkeitskennwerte und eine gute Dauerfestigkeit besitzt. 20

21 Legierungselemente Chrom Chrom ist der chem. Bestandteil, der durch die Bildung einer Passivschicht in Verbindung mit Sauerstoff die Korrosion des Materials verhindert. Chrom ist ein Karbidbilder, aus diesem Grunde muss der Kohlenstoff (C) möglichst tief gehalten oder durch Elemente wie Titan (Ti) oder Niob (Nb) gebunden werden, sofern die Gefahr der interkristallinen Korrosion besteht. Kohlenstoff Nickel Kohlenstoff stabilisiert das austenitische Gefüge des rostfreien Stahls und erhöht die Festigkeit bzw. bei martensitischen Stählen die Härtbarkeit. In Verbindung mit Chrom kann es jedoch zur Bildung von Chromkarbiden kommen, die zur Folge interkristalline Korrosion haben. Nickel verbessert die Korrosionsbeständigkeit und die Kerbschlagzähigkeit (vor allem bei tiefen Temperaturen). Nickel ist der Legierungsbestandteil, der ab einem Gehalt von 7% das Gefüge eines rostfreien Stahls von einem Ferrit in einen Austeniten umwandelt. Nickel erhöht die Warmfestigkeit. Molybdän Molybdän erhöht vor allem die Säurebeständigkeit und die Festigkeit des Stahls. Die Anfälligkeit für Lochfraß wird erheblich reduziert. Mo ist ein Ferritbildner, zur Stabilisierung des austenitischen Gefüges ist aus diesem Grunde der Ni Gehalt der molybdänhaltigen l Stähle erhöht. 21

22 Legierungselemente Titan und Niob Als starke Karbidbilder werden diese Stabilisierungselemente zu legiert, um den Kohlenstoff zu binden. Es wird hierdurch eine höhere Beständigkeit gg gegen interkristalline Korrosion ohne Wärmebehandlung nach dem Schweißen erreicht. Mangan Erhöht die Festigkeit, insbesondere die Verschleißfestigkeit. Stickstoff Wird vor allem in tiefgekohlten rostbeständigen Stählen zu legiert Schwefel Wird zugesetzt, um die Zerspanbarkeit zu verbessern. Ansonsten zählt Schwefel zu den Verunreinigungen im Stahl, da u.a. die Schweißbarkeit erheblich abnimmt. Niob, Titan, Tantal Starke Carbidbildner: Unterdrückung der Neigung zur korngrenzennahen Cr Carbidausscheidung (Stabilisierte Stähle) und damit Vermeidung einer chromverarmten Korngrenzenrandzone. Verbesserung der Schweißbarkeit 22

23 Legierungselemente Kupfer Über die Ausscheidung eines Kupferfilms wird gegenüber Schwefelsäure die Korrosionsresistenz erhöht; vermindert Neigungen g zur Spannungsrisskorrosion; Austenitbildner 23

24 Hauptlegierungstypen Legierungstyp Legierungszusatz Gefüge Hauptvertreter Werkstoff Nr. DIN Bezeichnung 11 13% Cr ferritisch X2CrNi12 Ti ferritisch X2CrTi12 C martensitisch X46Cr % Cr ferritisch X6Cr17 Nb ferritisch X2CrTi17 Mo ferritisch X6CrMo % Cr 8,5 % Ni austenitisch X5CrNi ,0% Ni + Ti austenitisch X6CrNiTi ,5% Ni + Mo austenitisch X5CrNiMo

25 Anwendungsbeispiele 25

26 Vorteile Eigenschaften Vorteil Nutzen hohe Korrosionsbeständigkeit Langlebigkeit keine Reinvestition geringer Verschleiß Wartungsfreiheit Geringe Unterhaltungskosten Nicht Toxisch Hygiene Klares Trinkwasser Glatte Oberfläche Keine Ablagerungen Keine Verkeimung Durchströmung Wenig Energieverbrauch Keine Migration geschmacksneutral Guter Geschmack Thermisch + mechanisch hochfest Einbruchsicherheit Hoher Objektschutz Mechanisch hoch belastbar Funktionssicherheit Keine Störung Schweißbar und bearbeitbar Flexibilität Vielfältiger Einsatz Geringes Gewicht Leichte Bauweise Einfache Bedingung Nicht Störanfällig Hohe Verfügbarkeit Zuverlässiger Betrieb Metallisch glänzende Oberfläche Optisch einwandfrei i Image Steigerung Wiedereinschmelzbar Recyclingfähig Geringe Umweltbelastung 26

27 Quellen Was bietet der Werkstoff Edelstahl _.htm corrosion.php.htm Nirosta Thyssen Krupp witten krefeld.de/index.php?id=738 Merkblatt 821 Edelstahl Rostfrei Eigenschaften Wikipedia.de online.com/pages/de/technik/montagehilfen/edelstahl/index.html handel west.de/vorteile_von_edelstahl/ von Edelstahl.htm Edelstahl Referat von Cornelius Heiermann und Andre Roesmann eisen2.html rostfrei.de in stahl.de 27

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