Einleitung: Das bestimmende Element von Edelstahl
Als Edelstahl wird ein hochlegierter Stahl definiert, der mindestens 10,5 % Chrom und einen maximalen Kohlenstoffgehalt von 1,2 % enthält. Dieser Chromzusatz ist der entscheidende Faktor, der ihm eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit verleiht. Wenn der Chromgehalt etwa 10 % übersteigt, bildet sich auf der Stahloberfläche ein stabiler, selbstreparierender Passivfilm – eine dünne, nichtkristalline Schicht aus hydratisiertem Chromhydroxid. Dieser passive Film, typischerweise nur etwa 3 Nanometer dick, fungiert als undurchdringliche Barriere gegen korrosive Elemente. Wenn dieser Film beschädigt wird, regeneriert er sich in Gegenwart von Sauerstoff automatisch, sodass Edelstahl seine Korrosionsbeständigkeit und sein ästhetisches Aussehen auch nach der Bearbeitung oder dem Abrieb behält. Basierend auf ihrer metallurgischen Struktur werden rostfreie Stähle in fünf Hauptfamilien eingeteilt: austenitische, ferritische, martensitische, Duplex- und ausscheidungshärtende rostfreie Stähle.
Austenitische Edelstähle: Das vielseitige Arbeitstier
Austenitische Edelstähle sind die am weitesten verbreitete Familie und machen mehr als 70 % der weltweiten Produktion aus. Sie zeichnen sich durch eine kubisch-flächenzentrierte (FCC) Kristallstruktur aus, die durch die Zugabe von Nickel – typischerweise 8–20 % – zur Chrombasis stabilisiert wird. Diese Struktur verleiht außergewöhnliche Eigenschaften, einschließlich ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, hoher Duktilität, hervorragender Schweißbarkeit und einfacher Herstellung. Ein charakteristisches Merkmal ist ihre nichtmagnetische Natur im geglühten Zustand. Diese Stähle können nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden; Stattdessen werden sie durch Kaltumformung verstärkt. Die bekannteste Sorte ist 304 (18 % Cr, 8 % Ni), die für ihre hervorragende allgemeine Korrosionsbeständigkeit, gute Formbarkeit und Schweißbarkeit bekannt ist. Für Anwendungen, die eine erhöhte Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion erfordern, insbesondere in Chloridumgebungen, wird 316 bevorzugt, das 2–3 % Molybdän enthält. Kohlenstoffarme Varianten wie 304L und 316L sind für Schweißanwendungen konzipiert, um das Risiko interkristalliner Korrosion zu minimieren. Aufgrund ihrer umfassenden Leistung sind austenitische Sorten in einer Vielzahl von Branchen unverzichtbar, darunter in der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung, in der chemischen Ausrüstung, bei Architekturanwendungen und in der Medizintechnik.
Ferritische Edelstähle: Die magnetische und kostengünstige Alternative
Ferritische Edelstähle zeichnen sich durch eine kubisch-raumzentrierte (BCC) Kristallstruktur aus und sind wie reines Eisen bei Raumtemperatur magnetisch. Sie enthalten einen Chromgehalt von 10,5 % bis 18 % und haben einen sehr geringen Kohlenstoffgehalt. Die am häufigsten verwendete Sorte ist Typ 430. Ferritische Stähle bieten eine mäßige bis gute Korrosionsbeständigkeit, die mit dem Chromgehalt zunimmt. Ein großer Vorteil ist ihre Beständigkeit gegen chloridinduzierte Spannungsrisskorrosion, ein Problem, das in bestimmten Umgebungen bei austenitischen Sorten auftreten kann. Sie können nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden und werden immer im geglühten Zustand verwendet. Obwohl sie im Allgemeinen kostengünstiger sind als austenitische Stähle, weisen sie Einschränkungen auf, einschließlich einer verringerten Duktilität, Formbarkeit und Schweißbarkeit. Trotz dieser Herausforderungen werden ferritische Sorten häufig in Automobilverkleidungen, Architekturanwendungen und Haushaltsgeräten wie Geschirrspülern und Wäschetrocknern verwendet.
Martensitische Edelstähle: Festigkeit durch Wärmebehandlung
Martensitische Edelstähle zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, durch Wärmebehandlung gehärtet und verstärkt zu werden, ähnlich wie Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle. Im geglühten Zustand weisen sie eine BCC-Struktur auf, die Ferriten ähnelt. Beim schnellen Abkühlen (Abschrecken) von hohen Temperaturen wandelt sich die Struktur jedoch in einen raumzentrierten tetragonalen (BCT) Martensit um. Das Hauptlegierungselement ist Chrom, typischerweise 12–15 %, mit einem höheren Kohlenstoffgehalt als ferritische Sorten. Diese Kombination ermöglicht es ihnen, eine sehr hohe Festigkeit und Härte zu erreichen – einige Sorten erreichen sogar 60 HRC – auf Kosten einer geringeren Duktilität und Zähigkeit. Sie verfügen über eine mäßige Korrosionsbeständigkeit, die im Allgemeinen geringer ist als die von austenitischen oder ferritischen Sorten. Zu den gängigen Güten gehören 410, 420 und 440, die in Anwendungen verwendet werden, die Verschleißfestigkeit und mäßige Korrosionsbeständigkeit erfordern, wie z. B. Besteck, chirurgische Instrumente, Turbinenschaufeln und Lagerlaufbahnen.
Duplex-Edelstähle: Das Beste aus zwei Welten vereinen
Duplex-Edelstähle zeichnen sich durch eine zweiphasige Mikrostruktur aus, die ungefähr gleiche Anteile an Austenit und Ferrit enthält, wobei keine Phase weniger als 30 % der Gesamtmenge ausmacht. Diese einzigartige Struktur ermöglicht es ihnen, die Stärken beider Familien zu vereinen: Sie bieten etwa die doppelte Streckgrenze im Vergleich zu standardmäßigen austenitischen Sorten und behalten gleichzeitig eine gute Duktilität und Zähigkeit bei. Sie bieten außerdem eine hervorragende Beständigkeit gegen Lochfraß, Spaltkorrosion und vor allem gegen Chlorid-Spannungsrisskorrosion. Die am häufigsten verwendete Sorte ist 2205 (22 % Cr, 5 % Ni), die in vielen Medien eine bessere Korrosionsbeständigkeit als 316L bietet. Duplexstähle sind zwar teurer als standardmäßige ferritische Sorten und unterliegen Einschränkungen hinsichtlich der Betriebstemperatur (normalerweise unter 300 °C), sie sind jedoch das Material der Wahl für anspruchsvolle Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie, der chemischen Verarbeitung, der Schifffahrt sowie der Zellstoff- und Papierindustrie.
Ausscheidungshärtende Edelstähle: Das Nonplusultra an hoher Festigkeit
Ausscheidungshärtende (PH) Edelstähle erreichen durch einen speziellen Wärmebehandlungsprozess eine außergewöhnliche Kombination aus hoher Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Im Gegensatz zu martensitischen Sorten, die ausschließlich durch einen Abschreck- und Anlasszyklus gehärtet werden, werden PH-Sorten durch die Ausfällung feiner Partikel aus einer übersättigten festen Lösung verfestigt. Die gebräuchlichste und am weitesten verbreitete PH-Sorte ist 17-4 PH (UNS S17400), ein martensitischer ausscheidungshärtender Stahl. Diese Sorte bietet eine einzigartige Kombination aus hoher Festigkeit, guter Zähigkeit und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und eignet sich daher für eine Vielzahl von Komponenten in der Luft- und Raumfahrt, der Chemie und im allgemeinen Maschinenbau, bei denen die Leistung standardmäßiger martensitischer Sorten nicht ausreicht. Zu den anderen PH-Qualitäten gehören halbaustenitische und austenitische Typen, wie etwa 17-7 PH und A-286.
