Edelstahllegierungen im Einzelnen: Hauptbestandteile, Kernmerkmale und Einstufung des Edelstahls

Edelstahl wird normalerweise in fünf Kategorien eingeteilt: austenitisch, ferritisch, martensitisch, Duplex und ausscheidungshärtend. Die Kategorien sind real und nicht der Grund, warum eine Güte sich so verhält, wie sie es tut. Eine Güte liegt dort, wo sie liegt, aufgrund von zwei Zahlen, die aus ihrer Zusammensetzung berechnet werden können, und ihre Korrosionsbeständigkeit kann durch eine dritte eingestuft werden. Sobald diese drei Zahlen auf dem Blatt stehen, werden die fünf Kategorien zu Regionen auf einer Karte und nicht zu auswendig zu lernenden Bezeichnungen.

Die erste Zahl ist der Chromgehalt, und sie ist ein Schwellenwert und keine Skala. Das zweite Paar sind die Chrom- und Nickeläquivalente, die entscheiden, ob die beim Abkühlen entstehende Struktur Ferrit, Austenit oder eine Mischung ist. Die dritte ist die Pitting-Widerstandseinheit (PREN), die Chrom, Molybdän und Stickstoff in eine einzige Zahl umwandelt, die über verschiedene Güten hinweg verglichen werden kann.

Diese Seite stellt die drei Zahlen dar, zeigt, wo die gängigen Güten auf jeder liegen, und erklärt den einen Mechanismus, der den Schutz, den die erste Zahl bietet, aufhebt: Das Chrom, das den passiven Film bildet, kann durch Kohlenstoff an den Korngrenzen abgetragen werden.

Chrom macht die Legierung rostfrei. Oberhalb von etwa 10,5 % in fester Lösung bildet das Metall eine dünne und kontinuierliche Chromoxid-Schicht auf seiner Oberfläche, und diese Schicht trennt einen rostfreien Stahl von einem niedrig legierten Stahl, der lediglich Chrom enthält. Unterhalb dieses Niveaus ist die Schicht nicht kontinuierlich, und die Legierung rostet wie ein gewöhnlicher Stahl.

Der Schwellenwert ist eine Aussage über Chrom in Lösung und nicht über Chrom in der Analyse. Wenn das Chrom in einem Niederschlag gebunden ist, steht es nicht zur Bildung der Schicht zur Verfügung, und die Legierung verhält sich so, als ob sie weniger enthielte. Diese Unterscheidung ist das Thema des letzten Abschnitts und erklärt, warum eine Güte, die ihr Zertifikat erfüllt, an einer Schweißnaht dennoch korrodieren kann.

Nickel tut etwas anderes. Es erzeugt keine Schicht und ist nicht in jeder Familie für die Korrosionsbeständigkeit erforderlich. Seine Rolle ist die Stabilisierung von Austenit, weshalb die austenitischen Güten 6 bis 22 % Nickel in den üblicherweise verkauften Zusammensetzungsbereichen enthalten und die ferritischen Güten wenig oder gar kein Nickel enthalten.

Chrom und Molybdän begünstigen beide Ferrit. Nickel, Kohlenstoff und Mangan begünstigen Austenit. Das Schaeffler-Diagramm reduziert eine vollständige Zusammensetzung auf zwei Zahlen, die diese Tendenzen erfassen, und eine Güte wird auf dem Diagramm platziert, indem beide berechnet werden.

Der Kohlenstoffterm erklärt ein Ergebnis, das Käufer überrascht. Zwei Güten mit gleichem Nickelgehalt können in unterschiedlichen Regionen landen, wenn ihre Kohlenstoffgehalte unterschiedlich sind, da Kohlenstoff in diesem Ausdruck dreißigmal so wirksam wie Nickel bei der Stabilisierung von Austenit ist. Das ist ein Grund, warum eine kohlenstoffarme Version einer Güte nicht einfach eine sauberere Version derselben Güte ist und warum das L-Suffix auf Zeichnungen erscheint, bei denen Schweißarbeiten beteiligt sind.

Die austenitische Reihe trägt eine Qualifikation, die Lehrbücher oft weglassen. Eine geglühte austenitische Güte ist nicht magnetisch, und eine kaltverformte ist es nicht vollständig. Kaltverformung kann in einer metastabilen austenitischen Güte Martensit bilden, so dass ein tiefgezogener oder stark gewalzter Teil eine magnetische Reaktion zeigen kann, die das geglühte Zertifikat nicht vorhersagt. Eine Spezifikation, die nicht-magnetisches Verhalten erfordert, sollte dies im fertigen Zustand und nicht im geglühten Zustand angeben.

Lochfraß ist das Versagensmuster, das ein Material in chloridhaltigen Umgebungen bestimmt, und es hängt von drei Elementen ab und nicht von einem. Die Pitting-Widerstandseinheit kombiniert sie zu einer einzigen Zahl, und die Standardform ist Chrom plus 3,3 mal Molybdän plus 16 mal Stickstoff.

Die Zahl platziert die gängigen Güten auf einer Skala von etwa 16 bis über 70, und die Skala ist der Grund, warum ein 316 für eine Küstenanlage spezifiziert wird und ein 304 nicht.

Zwei Schwellenwerte sind erwähnenswert, da sie in Kaufverträgen vorkommen. Ein PREN von mindestens 32 ist der üblicherweise verwendete Wert zur Abwehr von Lochfraß in Meerwasser, und ein PREN von 40 oder höher ist der üblicherweise verwendete Wert für Schwefelwasserstoff und für Meerwassereinsatz mit höherem Risiko. Dies sind Screening-Werte und keine Garantien, und der nächste Absatz erklärt warum.

Die Einschränkung wird von der Vereinigung angegeben, die die Berechnung veröffentlicht. PREN ist nützlich für die Einstufung von Güten innerhalb einer Familie und kann nicht vorhersagen, ob eine bestimmte Güte für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Ein 2205 und ein 904L mit ähnlichem PREN verhalten sich nicht identisch, da das eine Duplex und das andere Austenit ist, und der Vergleich ist nur zwischen Güten gleicher Struktur aussagekräftig. Temperatur, Oberflächenbeschaffenheit, Strömung und das Vorhandensein von Ablagerungen beeinflussen das Ergebnis, und keines davon erscheint in der Formel.

Chrom bildet die Schicht nur, solange es in Lösung bleibt. Kohlenstoff hebt sie auf, und zwar an den Korngrenzen. Wenn ein austenitischer Edelstahl in einem Temperaturbereich von etwa 500 bis 850 °C gehalten wird, verbindet sich der Kohlenstoff in der Legierung an den Korngrenzen mit Chrom, um Chromkarbide zu bilden, und das Metall unmittelbar neben jedem Karbid wird chromverarmt.

Die verarmte Zone ist schmal und kontinuierlich entlang der Korngrenze, so dass die Legierung nun einen Weg durch sie hat, der nicht mehr rostfrei ist, während der Großteil des Korns es noch ist. Ein korrosives Medium greift diesen Weg an, und das Ergebnis ist interkristalline Korrosion, die wie eine Fuge aussieht, die ihre Kanten verloren hat, und nicht wie eine Oberfläche, die gerostet ist.

Die beiden Standardantworten funktionieren nach unterschiedlichen Mechanismen. Die L-Güte reduziert den verfügbaren Kohlenstoff, so dass weniger Karbid gebildet werden kann. Eine stabilisierte Güte fügt Titan oder Niob hinzu, die sich leichter mit Kohlenstoff verbinden als Chrom, so dass das Chrom in Lösung bleibt. Beide sind korrekt und nicht austauschbar: eine stabilisierte Güte kann bei höherer Temperatur als eine L-Güte verwendet werden, und eine L-Güte ist normalerweise billiger.

Eine Güte sollte nach dem Mechanismus ausgewählt werden, der voraussichtlich zum Versagen des Teils führt. Die Tabelle verknüpft den Mechanismus mit der Familie und der Zahl, die ihn vorhersagt.

DLX liefert Edelstahl- und Nickellegierungsprodukte aus Changzhou, Jiangsu, in Draht ab 0,025 mm, Rundstäbe bis 50 mm, Band von 0,50 mm bis 2,5 mm Dicke und Rohr und Blech in den Standard-Walzwerksgrößen. Das Sortiment umfasst die austenitischen, ferritischen, Duplex- und ausscheidungshärtenden Familien sowie die Nickellegierungen, die dort eingesetzt werden, wo eine Edelstahlgüte ihre Grenzen in Chlorid oder reduzierenden Säuren erreicht.

Das Material wird gemäß der auf der Bestellung angegebenen Norm geliefert, mit einem EN 10204 3.1-Zertifikat auf Anfrage und der Chargennummer, die auf die Prüfergebnisse rückverfolgbar ist. Die nützliche Frage ist nicht, zu welcher Familie eine Güte gehört, sondern welcher Mechanismus voraussichtlich zum Versagen des Teils führt und welche Zahl diesen Mechanismus vorhersagt.

Weil dies der Wert ist, bei dem die Chromoxid-Schicht ausreichend kontinuierlich wird, um die Oberfläche zu schützen. Darunter ist die Schicht unvollständig und die Legierung rostet wie ein niedrig legierter Stahl. Der Schwellenwert gilt für Chrom in Lösung, so dass eine Legierung, deren Chrom durch Karbide verbraucht wurde, sich so verhalten kann, als ob sie unterhalb der Linie läge, auch wenn das Zertifikat etwas anderes besagt.

Molybdän. Die Güte 316 fügt es hinzu, und Molybdän hat ein Gewicht von 3,3 in der Pitting-Widerstandszahl, was den Wert von etwa 19 für 304 auf etwa 27 für 316 anhebt. Das ist genug, um in chloridhaltigen Umgebungen eine Rolle zu spielen, aber nicht genug, um die Meerwasserschwelle von 32 zu erreichen, weshalb eine Küstenanwendung oft zu 904L, zu einer Duplex-Güte oder zu einer Nickellegierung wechselt.

Im geglühten Zustand ist er es, und im kaltverformten Zustand möglicherweise nicht. Kaltverformung kann in einer metastabilen austenitischen Güte Martensit bilden, so dass ein tiefgezogener oder stark gewalzter Teil eine magnetische Reaktion zeigen kann, die das geglühte Zertifikat nicht vorhersagt. Eine Spezifikation, die nicht-magnetisches Verhalten erfordert, sollte den Zustand angeben, in dem es gemessen wird.

Es ist der Verlust von Chrom an den Korngrenzen, wenn sich Chromkarbide im Bereich von etwa 500 bis 850 °C bilden. Eine Schweißnaht und ihre Wärmeeinflusszone durchlaufen diesen Bereich beim Abkühlen, so dass die Korngrenze zu einem Weg wird, der nicht mehr rostfrei ist, während die Korninneren es noch sind. Das Ergebnis ist interkristalline Korrosion, und die Standardantworten sind eine kohlenstoffarme Güte oder eine stabilisierte Güte.

Es ist ein Screening-Werkzeug und keine Auswahlmethode. Es stuft Güten innerhalb einer Familie ein und kann nicht vorhersagen, ob eine bestimmte Güte für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Eine Duplex- und eine austenitische Güte mit ähnlichen Werten verhalten sich nicht identisch, und Temperatur, Oberflächenbeschaffenheit, Strömung und Ablagerungen beeinflussen das Ergebnis, ohne in der Formel zu erscheinen.

Kohlenstoffarm. Die Kohlenstoffgrenze sinkt auf etwa 0,03 %, was die Menge an Chromkarbid reduziert, die sich während des Schweißens an den Korngrenzen bilden kann. Es ist die Standardantwort für ein gefertigtes Teil, das nach dem Schweißen nicht wieder auflösungsgeglüht werden kann, und es ist billiger als eine stabilisierte Güte.

Edelstahl besteht aus fünf Familien, die durch zwei berechnete Äquivalente platziert, durch einen Schwellenwert geschützt und im Chlorid-Einsatz durch eine Zahl eingestuft werden. Chrom über etwa 10,5 % in Lösung bildet den Film. Die Chrom- und Nickeläquivalente entscheiden, ob die Struktur Ferrit, Austenit oder eine Mischung ist. Die Pitting-Widerstandszahl, Chrom plus 3,3 mal Molybdän plus 16 mal Stickstoff, stuft Güten innerhalb einer Familie ein und legt die Screening-Schwellenwerte von 32 und 40 fest.

Der Schutz kann ohne Änderung des Zertifikats aufgehoben werden. Kohlenstoff entzieht den Korngrenzen zwischen etwa 500 und 850 °C Chrom, und eine Schweißnaht ist der übliche Ort, an dem dies geschieht. Eine kohlenstoffarme Güte oder eine stabilisierte Güte verhindert dies, und die Wahl zwischen ihnen hängt von der Betriebstemperatur und den Kosten ab.

Schaeffler-Diagramm und Äquivalenzausdrücke, wie in Referenzen zur Schweißmetallurgie veröffentlicht: Chromäquivalent = Cr + Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb und Nickeläquivalent = Ni + 30 C + 0,5 Mn.

British Stainless Steel Association, Berechnung von Pitting-Widerstandseinheiten. Quelle für den Ausdruck PREN = Cr + 3,3 Mo + 16 N, die veröffentlichten Bereiche für 304, 316, 316L, 904L, 2205 und 2507 und die Aussage, dass PREN für die Einstufung und den Vergleich nützlich ist, aber nicht vorhersagen kann, ob eine Güte für eine bestimmte Anwendung geeignet ist.

Veröffentlichte PREN-Vergleichsdaten für Edelstahl- und Nickellegierungen, die Einzelwerte von 19 für 304, 27 für 316, 35 für 904L, 36 für 2205, 43 für 2507 und 254 SMO, 46 für AL-6XN, 51 für Legierung 625 und 68 für Hastelloy C-276 angeben.

Veröffentlichte technische Leitlinien zu PREN-Schwellenwerten, die besagen, dass ein Wert von mindestens 32 zum Schutz vor Lochfraß durch Meerwasser verwendet wird und 40 oder höher für Schwefelwasserstoff und für anspruchsvollere Meerwassereinsätze verwendet wird.

Veröffentlichte Forschung zur Sensibilisierung von austenitischem Edelstahl, die die Ausfällung von Chromkarbiden an den Korngrenzen und die daraus resultierende chromverarmte Zone im Temperaturbereich von etwa 500 bis 850 °C beschreibt.

Veröffentlichte Referenzen zur Schweißmetallurgie, die die Sensibilisierung in der Wärmeeinflusszone und die Verwendung von kohlenstoffarmen und stabilisierten Güten zu deren Vermeidung beschreiben.

EN 10088 und ASTM A240 als Produktnormen, die die genannten Edelstahlgüten und die angegebenen Zusammensetzungsbereiche definieren.

EN 10204, Prüfdokumente, für die Definition des 3.1-Zertifikats als Dokument mit tatsächlichen Prüfergebnissen, das von einem unabhängigen Prüfbeauftragten des Herstellers bestätigt wurde.

Die oben genannten Zusammensetzungsbereiche und berechneten Werte sind Standardangaben für die genannten Güten und keine Akzeptanzgrenzen für eine gelieferte Charge. PREN ist ein Ranking-Index und keine Korrosionsrate, und zwei Güten mit demselben Wert in verschiedenen Familien verhalten sich nicht identisch. Die Sensibilisierung hängt vom Kohlenstoffgehalt, von der Zeit im Bereich und von der Abkühlgeschwindigkeit ab, so dass eine Güte, die bei einer Fertigung beständig ist, bei einer anderen mit derselben Analyse angegriffen werden kann. Die Eigenschaftswerte eines gelieferten Teils hängen von seinem Zustand und der Prüfrichtung ab, und ein Zertifikat beschreibt eine Charge und nicht eine Komponente. Produktnormen werden überarbeitet, und die auf der Bestellung angegebene Ausgabe ist maßgebend. Nichts auf dieser Seite ersetzt eine technische Freigabe oder die zwischen Käufer und Lieferant vereinbarte Qualifikationsprüfung.