Edelstahl Rostfrei als Leichtmetall für Dach und Wand

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1 Edelstahl Rostfrei als Leichtmetall für Dach und Wand Pierre-Jean Cunat, Technischer Direktor, Euro Inox, Brüssel Vortrag anläßlich des Symposiums Edelstahl Rostfrei in der Architektur, Berlin, 15. Juni 2000, einer Gemeinschaftsveranstaltung von Euro Inox, Brüssel, und der Informationsstelle Edelstahl Rostfrei, Düsseldorf

2 1 Einleitung Rostfreier Stahl, der zu den korrosionsbeständigen Werkstoffen zählt, weist aufgrund eines als Passivität bekannten Phänomens in den verschiedensten Atmosphären ausgezeichnete chemische Beständigkeit auf. Rostfreier Stahl wird durch die Bildung einer sehr dünnen Passivschicht gegen Umwelteinflüsse geschützt. Diese geht mit der Oberfläche eine feste Bindung ein, wodurch außerdem der direkte Kontakt zwischen dem Metall und seiner mehr oder weniger aggressiven Umgebung verhindert wird. Zudem hat die Passivschicht des rostfreien Stahls gegenüber beispielsweise einer Farbschicht den Vorteil, daß sie selbstheilend ist. Chemische oder mechanische Beschädigungen der Passivchicht heilen oder werden unter oxidierenden Bedingungen repassiviert. Hervorragende physikalische und mechanische Eigenschaften (Zähigkeit, Festigkeit und Streckbarkeit), leichte Bearbeitbarkeit (insbesondere leichte Umformung) und ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit zählen zu den Eigenschaften des rostfreien Stahls, aufgrund deren dieses Material den im Bauwesen gestellten spezifischen Ansprüchen gerecht wird. Rostfreier Stahl ist hinsichtlich seiner Ästhetik, Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit ein äußerst attraktives Baumaterial. Rostfreier Stahl ist ein Sammelbegriff für eine Gruppe von Stählen, die etwa 10,5 bis 30 % Chrom enthalten. Zu den Einsatzgebieten von rostfreiem Stahl in der Architektur zählen die Nutzung als Dacheindeckungsund Verkleidungsmaterial. Die für die Gebäudehülle, d. h. für die Dacheindeckung und Verkleidung, in Frage kommenden Arten von rostfreiem Stahl werden je nach der Zusammensetzung der Legierungselemente, die ihr metallurgisches Gefüge sowie die mechanischen, physikalischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit bestimmen, in zwei Gruppen eingeteilt: Ferritischer rostfreier Stahl Chrom-Eisenlegierungen (Chromgehalt: 10,5 bis 29 %) mit geringem Kohlenstoffgehalt. Sie sind durch Wärmebehandlung nicht härtbar. Ihre Kristallstruktur ist Ferrit, der magnetisch ist. Daher die Bezeichnung ferritische rostfreie Stähle. Die grundlegende Zusammensetzung in dieser Familie ist die Legierung 17 Cr 0,05 C. Die typische Streckgrenze dieser Qualitäten liegt im Bereich von 250 bis 430 N/mm 2 und die Zugfestigkeit zwischen 400 und 700 N/mm 2 mit einer Dehnung zwischen 20 und 32 %. Austenitischer rostfreier Stahl Eisenlegierungen mit Chrom (16 bis 28 %) und Nickel (6 bis 37 %) und geringem Kohlenstoffgehalt. Sie sind durch Wärmebehandlung nicht härtbar. Da ihre Kristallstruktur nichtmagnetischer Austenit ist, bezeichnet man diese Gruppe als austenitische rostfreie Stähle. Die Ausgangszusammensetzung dieser Gruppe ist die Legierung mit 18% Cr, 9% Ni und 0,04% C. Austenitische rostfreie Stähle sind für ihre ausgezeichnete Streckbarkeit und Zähigkeit bekannt. Die charakteristische Streckgrenze dieser Stahlsorten liegt im Bereich von 210 bis 340 N/mm 2 und ihre Zugfestigkeit im Bereich von 500 bis 950 N/mm 2, wobei die Dehnung zwischen 40 bis 60 % beträgt. 1

3 2 Werkstoffeigenschaften für Leichtbauweise Sowohl ferritische als auch austenitische rostfreie Stähle werden als Dacheindeckung und Verkleidung eingesetzt. Der Hauptvorteil des rostfreien Stahls in diesem Einsatzgebiet ist die außergewöhnliche Kombination folgender Beziehungen: Elastizitätsmodul (E) zu Dichte (ρ) Festigkeit (σ) zur Dichte (ρ) 2.1 Verhältnis Elastizitätsmodul (E) zu Dichte(ρ) Die Spannungs-Dehnungs-Beziehung (in ihrem linearen Teil) wird gewöhnlich als Elastizitätsmodul beschrieben: E= σ/ε, wo σ die wahre Spannung und ε die wahre Dehnung ist. Die spezifische Steifigkeit E/ρ ist ein zuverlässiger Indikator für das Biegeverhalten des Werkstoffs. Aus einem einfachen Vergleich der spezifischen Steifigkeit läßt sich das Steifigkeitsverhalten unterschiedlicher Werkstoffe sehr gut ablesen. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, haben rostfreier Stahl und Aluminiumlegierungen eine sehr ähnliche spezifische Steifigkeit. Dies bedeutet, daß rostfreier Stahl als Leichtmetall eingestuft werden kann. Eigenschaft Ferritischer Austenitischer Aluminium Zink Kupfer rostfreier Stahl rostfreier Stahl Dichte: ρ (g/cm 3 ) 7,8 7,9 2,7 6,6 8,9 Dichte im Verhältnis zum Stahl 1 1 0,350 0,8 1,15 Elastizitätsmodul: E (kn/mm 2 ) Spezifische Steifigkeit E/ρ (kn: mm 2 /g/cm 3 ) , Tabelle 1: Spezifische Steifigkeit von rostfreiem Stahl, Aluminium, Zink und Kupferlegierungen 2

4 2.2 Festigkeit (σ) zu Dichte (ρ) Die spezifische Festigkeit, d.h. das Verhältnis zwischen der Streckgrenze (σ 0 ) und der Dichte (ρ) ist eine weitere, die technischen Eigenschaften verschiedener Werkstoffe kennzeichnende Beziehung. Wie Tabelle 2 zeigt, ist die spezifische Festigkeit (σ o /ρ) rostfreier Stähle insbesondere wenn sie kalt umgeformt wurden viel höher als die spezifische Festigkeit anderer Materialien. Eigenschaft Ferritischer Austenitischer Aluminium Zink Kupfer rostfreier Stahl rostfreier Stahl (1) (2) Dichte: ρ (g/cm 3 ) 7,8 7,9 7,9 2,7 7,1 8,9 Streckgrenze: σ 0 (N/mm 2 ) Spezifische Festigkeit σ 0 /ρ (N/mm 2 /g/cm 3 ) ,6 16,9 17 (1) In lösungsgeglühtem Zustand (2) in kalt umgeformten Zustand: C850 (850 < Zugfestigkeit (N/mm 2 ) < 1000) Tabelle 2: Spezifische Festigkeit von rostfreiem Stahl, Aluminium, Zink und Kupferlegierungen 2.3 Andere Beziehungen Ich möchte nicht auf Details eingehen, sondern nur auf andere außergewöhnliche Beziehungen hinweisen, die die technischen Eigenschaften von rostfreiem Stahl charakterisieren: Bruchzähigkeit (K) zu Dichte (ρ) Bruchzähigkeit (K) zu Elastizitätsmodul (E) Elastizitätsmodul (E) zu Festigkeit (σ) Die Dehnung ist ebenfalls ein guter Hinweis auf die Umformbarkeit des Materials beim Biegen, Falzen, Tiefziehen, Hydroforming und weiteren Umformungsverfahren. Je größer die Dehnung rostfreier Stähle, um so ausgezeichneter ihre Umformbarkeit. 3

5 3 Kaltgeformte und mustergewalzte Erzeugnisse Solche Eigenschaften austenitischer Stähle wie Streckgrenze und Zugfestigkeit lassen sich bei verringerter Dicke der Grob- und Feinbleche bzw. des Stahlbandes durch Kaltwalzen um mehr als 200 % erhöhen. Tabelle 3 gibt die Zugfestigkeitswerte für kalt umgeformten Stahl an: Bezeichnung Zugfestigkeit (N/mm 2 ) C 700 Von 700 bis 850 C 850 Von 850 bis 1000 C 1000 Von 1000 bis 1150 C 1150 Von 1150 bis 1300 C 1300 Von 1300 bis 1500 Tabelle 3: Zugfestigkeit im kaltumgeformten Zustand Kalt umgeformte und texturierte Bleche und Bänder sind einzigartige, speziell verfestigte Materialien mit räumlicher Textur, die gegenüber der einfachen metallischen Legierung zahlreiche Vorteile aufweisen. Mittels Kaltverformung läßt sich die Materialstärke reduzieren und folglich das Festigkeits-Gewichts- Verhältnis der metallischen Legierung verbessern. Je nach Einsatzgebiet beträgt die Verringerung der Dicke zwischen 20 % und 50 %. Durch das Texturieren wird nicht nur das Aussehen des Produkts, sondern auch seine Standzeit verbessert. 4 Auslegung von Bedachungen Gegenüber anderen Bedachungsmaterialien oder metallischen Legierungen weist rostfreier Stahl bedeutende Vorteile auf, da er Steifigkeit, Festigkeit, Haltbarkeit (aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit), Gewicht und Umweltfreundlichkeit miteinander verbindet. Dank verschiedener Stärken 0,3 / 0,4 / 0,5 mm und Breiten (Bandbreite bis zu 1160 mm) ist rostfreier Stahl in den verschiedensten Einsatzgebieten verwendbar. Lieferbare Qualitäten umfassen sowohl ferritische als auch austenitische Typen (siehe Tabelle 4): Typ Bezeichnung Chemische Zusammensetzung AISI Sorte Name W.-Nr. C max Cr Ni Mo Andere Ferritisch X6Cr ,08 16,5 430 X3CrTi ,05 17,0 Ti 439 Austenitisch X5CrNi ,07 18,0 9,0 304 X5CrNiMo ,07 17,0 11,0 2,0 316 X2CrNiMo ,03 17,0 11,0 2,0 316L X3CrNiMo ,05 17,0 11,0 2,5 --- Tabelle 4: Chemische Zusammensetzung ausgewählter rostfreier Stähle (in Masse-%) 4

6 Die Sorten X5CrNi18-10/ (austenitisch) und X3CrTi17/ (ferritisch) sind für die meisten Standorte geeignet. Der Stahl X5CrNiMo / weist einen höheren Legierungsmittelgehalt auf und hat besondere Eigenschaften. Er ist für den Einsatz im Freien in Küstengebieten und in Stadtgebieten mit hoher Umweltbelastung geeignet. Für Dacheindeckungen benötigt man ein Material mit guten physikalischen Eigenschaften. Die physikalischen Eigenschaften ferritischer und austenitischer rostfreier Stähle werden in Tabelle 5 mit den Eigenschaften anderer Dacheindeckungsmaterialien verglichen. Eigenschaft Ferritischer Austenitischer Aluminium Zink Kupfer rostfreier Stahl rostfreier Stahl Lineare Wärmedehnung, mm pro m pro 100 C 1,0 1,6 2,38 2,22 1,65 Dehnung an Rändern von 10 m langen Dachblechen, am Kopf- 10,0 mm 16,0 mm 23,8 mm 22,2 mm 16,5 mm stück nicht befestigt, bei Temperaturanstieg um 100 C Wärmeleitfähigkeit (W/m C) Tabelle 5: Physikalische Eigenschaften von rostfreiem Stahl, Aluminium, Zink und Kupferlegierungen Wärmedehnung: Die geringe thermisch bedingte Dehnung/Schrumpfung von rostfreiem Stahl ist bei der Planung eines Daches von Vorteil, da sie die Verwendung längerer Stahlbänder für die Dacheindeckung (bis zu 15 m lang) ermöglicht. Außerdem gestattet sie die Fertigung langer durchgehender Dachrinnen und reduziert die Materialermüdung. Wärmeleitfähigkeit: Die geringe Wärmeleitfähigkeit von rostfreiem Stahl im Vergleich zu anderen Metallen oder metallischen Legierungen ist beim Löten vorteilhaft. Da die mechanische Festigkeit von rostfreiem Stahl viel höher als die anderer Metalle ist, fallen die bei Kupfer, Zink oder Aluminium bestehenden Einschränkungen weg. Unter normalen Einsatzbedingungen treten bei rostfreiem Stahl namentlich Kaltverfestigung, Ermüdungsbrüche und Spannungsrißkorrosion nicht auf. 5

7 5 Auslegung von Verkleidungen: Sandwichpaneele Viele Verfasser von Leistungsbeschreibungen werden versuchen, Entwürfe vorzulegen, bei denen Planheit ein erwünschtes Attribut ist. Dies läßt sich mit rostfreiem Stahl problemlos erreichen. Bei Gebäudefassaden ist die Planheit der Verkleidungstafeln oder der vorgehängten Wand Voraussetzung für ein einheitliches Aussehen. In der Vergangenheit wurde Ebenheit dadurch erreicht, daß die Dicke der rostfreien Stahlbleche erhöht und danach ein Streckrichtprozeß durchgeführt wurde. Dadurch erhöhte sich natürlich das Gewicht der Platten. Heute stehen als Alternative Sandwich-Paneele zur Verfügung. Die Wahl des wabenartigen Kernmaterials hängt von der spezifischen erforderlichen Funktion ab, wie beispielsweise Steifigkeit, Wärmedämmung, Schwingungsdämpfung, usw. Um das Gewicht möglichst gering zu halten, bestehen die Waben aus Aluminium oder einem speziellen Textilmaterial (ISOFRAN-Erzeugnis). Dieses Konzept ermöglicht die Fertigung leichter Paneele (Masse kg/m 2 ) mit ausgezeichneter Steifigkeit. Vergleicht man Sandwich- Paneele aus zwei sehr dünnen rostfreien Stahlblechen gleicher Stärke mit normalen Stahlblechen, erhält man die in den Tabellen 6 und 7 dargestellten Steifigkeitswerte. Sandwich-Paneel mit Aluminiumwaben als Kernmaterial Dicke des rostfreien Stahls (mm) Gewicht (kg/m 2 ) Steifigkeit (N x m) 1,5 11,9 56 2,0 15, ,0 23,7 450 Tabelle 6: Einfluß der Blechdicke auf das Gewicht und die Steifigkeit normaler Stahlblechpaneele (Plattengröße: 1 x 1 m) 6

8 Dünnes rostfreies Stahlblech/Aluminiumwabe /dünnes rostfreies Stahlblech Blechstärke (mm) Verbundplattenhöhe: 10 mm Verbundplattenhöhe: 20 mm Gewicht (kg/m 2 ) Steifigkeit (N x m) Gewicht (kg/m 2 ) Steifigkeit (N x m) 0,6 9, , ,8 12, , ,0 16, , ,5 23, , Tabelle 7: Spezifisches Gewicht und Steifigkeit von Sandwich-Paneelen Die wichtigsten Vorteile der Verbund-Paneele aus rostfreiem Stahl lassen sich wie folgt zusammenfassen: Geringeres Gewicht gegenüber konventionellen Paneelen Ausgezeichnete Windfestigkeit Braucht nur in großen Abständen befestigt zu werden, wodurch weniger Bolzen erforderlich sind Ausgezeichnete Planheit, Versatz unter 0,5 mm pro Meter. 6 Schlußbemerkung Nichtrostender Stahl kann unter allen normalen Bedingungen als Dacheindeckungs- und Verkleidungsmaterial sowie für Dachrinnen eingesetzt werden. Er weist in diesen Situationen spezielle praktische Vorteile auf. Aufgrund ihrer mechanischen und physikalischen Eigenschaften und ihrer Korrosionsbeständigkeit sind rostfreie Stähle das ideale Material für die Leichtbauweise. Ferner sei erwähnt, daß sich die Ermüdungsfestigkeit bei Lastwechseln durch Kaltbearbeitung aufgrund einer Erhöhung der Streckgrenze verbessert. Ausgehend von diesen Eigenschaften des Grundmaterials kann man durch Dressierwalzen, d.h. Kaltumformen, die für eine spezielle Ausführung erforderlichen Merkmale erzielen. Die Beständigkeit gegen Flächenorrosion, Lochfraß oder Korngrenzenkorrosion wird durch die Kaltverformung nicht wesentlich verändert. Durch zweckmäßige Auslegung lassen sich die Materialdicke und folglich die Gesamtmaterialkosten beträchtlich verringern. 7 Literatur Baltenneck S., Le Masson G., Façades et Panneaux en Acier Inoxydable. La Revue de Métallurgie, CIT, , Juni 1996 David G., Aciers Inoxydables pour le Bâtiment, l Acier pour Construire OTUA, Sonderausgabe, 1977 Lassus A., Richard P., Development of stainless steel in construction and design of buildings, Proceedings of the first Stainless Steel Congress in Thailand, , Dezember