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4. Werkstoffe - Edelstähle

4.1 Allgemeines   (nach oben)

4.1.1 Übersicht von austenitischen Edelstählen

Der Begriff "Edelstahl Rostfrei" ist ein Oberbegriff für ca. 120 verschiedene Sorten von nicht-rostenden Stählen.
Über Jahrzehnte wurde eine Vielzahl von verschiedenen Legierungen entwickelt, welche für die verschiedene Anwendungen die jeweils besten Eigenschaften liefern. Diese Legierungen haben alle ein gemeinsames Merkmal: Sie benötigen durch das in der Legierung enthaltene Chrom keinen zusätzlichen Oberflächenschutz. Dieser Chromanteil bildet auf der Oberfläche eine farblose, transparente Oxydschicht, welche sich nach Beschädigung der Oberfläche mit Hilfe des in der Luft oder Wasser enthaltenen Sauerstoff selbsttätig schließt. Nichtrostende Stähle sind in der DIN 17440 und der DIN EN ISO 3506 zusammengefasst. Grundsätzlich werden Edelstahllegierungen nach ihrem kristallinen Gefüge in 4 verschiedene Hauptgruppen eingeteilt:

Nichtrostende Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (von höchstens 0,03 %) dürfen
zusätzlich mit dem Buchstabel "L" gekennzeichnet werden (Beispiel: A4L - 80).

Übersicht von austenitischen Edelstählen

Abbildung 5 - aust. Edelstähle


Martensitische Edelstähle
Sind Stähle mit 10,5 - 13,0% Chromanteil und einem Kohlenstoffgehalt von 0,2 - 1,0%
Es können weitere Elemente als Legierungsanteil zugefügt werden. Das Verhältnis zum Kohlenstoff muss eine Wärmebehandlung, das so genannte Vergüten, zulassen. Dadurch werden Festigkeitssteigerungen möglich.

Ferritische Edelstähle (sog. Chrom - Stähle)
Sind Stähle mit 12,0 - 18,0% Chromanteil und sehr geringem Kohlenstoffgehalt kleiner 0,2%.
Diese sind nicht härtbar.

Austenitische Edelstähle (sog. Chrom - Nickel / Chrom - Nickel - Molybdän Stähle)
Die austenitischen Chrom-Nickel Stähle bieten eine besonders günstige Kombination von Verarbeitbarkeit, mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit. Sie eignen sich daher für viele Anwendungsmöglichkeiten und sind die wichtigste Gruppe nichtrostender Stähle. Die wichtigste Eigenschaft dieser Stahlgruppe ist die hohe Korrosionsbeständigkeit, die mit zunehmendem Legierungsgehalt, besonders an Chrom und Molybdän, gesteigert wird. Wie bei den ferritischen Stählen, ist auch bei den austenitischen Stählen zum Erreichen guter technologischer Eigenschaften ein feinkörniges Gefüge notwendig.
Als abschließende Wärmebehandlung wird ein Lösungsglühen bei Temperaturen zwischen 1000° C und 1150° C mit anschließender Abkühlung in Wasser oder Luft durchgeführt, um die Ausbildung von Ausscheidungen zu vermeiden. Austenitische Stähle sind im Gegensatz zu martensitischen Stählen nicht härtbar. Das hohe Dehnungsvermögen der austenitischen Stähle garantiert eine gute Kaltumformbarkeit.



4.1.2 verschiedene Typen von Edelstählen
   (nach oben)

Typ

Werkstoff-Nr.

Beschreibung

Beständigkeit


gegen
Rost

gegen Säure

Festigkeit

Schweissbarkeit

A1

1.4300
1.4305

= klassicher Drehstahl
+ einfache Bearbeitung

mittel

gering

gering
Klasse 50

gering

A2

1.4301
1.4303
1.4306

= klassicher Edelstahl

hoch

gering

mittel
Klasse 70

gut

A3

1.4306
1.4550
1.4590


hoch

mittel

mittel
Klasse 70

gut

A4

1.4401
1.4404
1.4306

= Edelstahl für Hochsäureumgebungen

hoch

hoch

mittel
Klasse 70
Klasse 80 mögl.

gut

A5

1.4436
1.4571
1.4580

= Edelstahl mit besonderer Härte, nur gegen Anfrage.

hoch

hoch

hoch

gut

Tabelle 26: Typen von Edelstählen


4.2 Zusammensetzung von Edelstahl   (nach oben)

4.2.1 chemische Zusammensetzung von Edelstahl
   (nach oben)

Stahl-
gruppe
Material
Für Schrauben/Muttern übliche Werkstoffe
Cr**
Ni**
Mo**
C**max.
Si** max.
Mn** max.
P** max.
S** max.
Sonstige Zusätze
Anmerkungen
Werkstoff-Nr.
(AlSI-Nr.)
Werkstoff-Kurzname
n. EN 10088-3/DIN 17006, 17440
(Details siehe ISO 3506, Tab. 1)
A 1 1.4305 (303) X8CrNiS 18-9
16-19
5-10
0,7
0,12
1,0
6,5
0,20
0,15-0,35
Cu, - Schwefel darf durch Selen
ersetzt werden
A 2 1.4301 (304) 1.4303 (305) X5CrNi 18-10
15-20
8-19
*
0,10
1,0
2,0
0,05

* Mo zulässig
A 3 1.4541 (321) X6CrNiTi 18-10
17-19
9-12
*
0,08
0,045
0,03
* Mo zulässig - muss zur Stabilisierung Ti oder Nb oder Ta enthalten
A 4 1.4401 (316) X5CrNiMo 17-12-2
16-18,5
10-15
2,0 3,0
0,08
1,0
2,0
0,045
0,03
Muss zur Stabilisierung
Ti oder Nb oder Ta enthalten
A 5 1.4571
(316 Ti)
X6CrNiMoTi 17-12-2
10,5-14
A - 1.4439 X2CrNiMoN 17-13-5
16,5-18,5
12,5-14,5
4,0-
0,03
1,0
2,0
0,045
0,015

Austenitische / austenitisch-ferritische Stähle mit besonderer Beständigkeit gegen chloridinduzierte Spannungsrisskorrosion - z.B. in Hallenschwimmbädern

A - 1.4539 X1NiCrMoCu 25-20-5
19-21
24-26
5,0
0,02
0,7




0,030
0,010
A - 1.4529

X1NiCrMoCuN 25-20-7

6,0-7,0
0,5

1,0

A/F - 1.4462

X2CrNiMoN 22-5-3

21-23
4,5-6,5
2,5-3,5
0,03
1,0

2,0

0,035
0,015
C - 1.4034 (420)

X46Cr 13

12,5-14,5
0,43-
0,50
1,0

1,0

0,040
0 ,03

Werkstoffe für federnde Teile - z.B. nach DIN 127, 128, 471, 472, 2093, 6797, 6798, 6799, 7967, 7980

C -

1.4122

X39CrMo 17-1
15,5- 17,5
≤ 1,0
0,80- 1,30
0,33-
0,45
1,0
1,5
0,040
0,03
A - 1.4310 (301) X10CrNi 18-8
16-18
6-9,5
≤ 0,8
0,05-
0,15
2,0
2,0
0,045
0,015
(Achtung: reduzierte Federkräfte gegenüber Federstahl)
C - 1.4568 (301) X7GNiAl 17-7
16-1
6,5-7,8
0,09
0,7
1,0
0,04
0,015
Al 0,70-1,5

 

(Chemische Zusammensetzung in % nach ISO 3506 / EN 10088-3.)
**Chrom, Nickel, Molybdän, Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel (Details siehe Kapitel 4.2.2 chemische Elemente von Edelstahl)

Tabelle 28: chem. Zusammensetzung Edelstahl

Tabelle 29: Kurzform (Edelstahlklasse A1-A5 - handelsüblich)

Stahlgruppe

Stahlsorte

Chemische Zusammensetzung (Massenanteil in %)1)

C*

Si*

Mn*

P*

S*

Cr*

Mo*

Ni*

Cu*

Anmerkungen

Austenitisch

A1

0,12

1

6,5

0,2

0,15 bis 0,35

16
bis
19

0,7

5
bis
10
1,75
bis
2,25

2), 3) 4)

A2

0,1

1

2

0,05

0,03

15
bis
20

-5)

8
bis
19

4

6), 7), 8)

A3

0,08

1

2

0,045

0,03

17
bis
19

-5)

9
bis
12

1

6), 9)

A4

0,08

1

2

0,045

0,03

16
bis
18,5
2
bis
3
10
bis
15

1

10), 8)

A5

0,08

1

2

0,045

0,03

16
bis
18,5
2
bis
3
10,5
bis
15

1

9), 10)

Bitte beachten Sie folgende Anmerkungen:
(1) Maximalwerte, soweit nicht andere Angaben gemacht sind.
(2) Schwefel darf durch Selen ersetzt werden.
(3) Falls der Massenanteil an Nickel unter 8% liegt, muss der Massenanteil an Magan mindestens 5% betragen.
(4) Für den Massenanteil an Kupfer gibt es keine Mindestgrenze, sofern der Massenanteil an Nickel mehr als 8% beträgt.
(5) Molybdän ist nach Wahl des Herstellers zulässig. Falls dennoch für bestimmte Anwendungen eine Einschränkung des Molybdängehaltes notwendig ist, muss dies vom Kunden bei der Bestellung festgelegt werden.
(6) Molybdän ist nach Wahl des Herstellers ebenfalls zulässig.
(7) Falls der Massenanteil an Chrom unter 17% liegt, sollte der Massenanteil an Nickel mindestens 12% betragen.
(8) Bei austenitischen Stählen mit einem Massenanteil an Kohlenstoff von max. 0,03% darf Stickstoff bis max. 0,22% enthalten sein.
(9) Muss zur Stabilisierung Titan 5 x C bis max. 0,8% enthalten und entsprechend nach dieser Tabelle gekennzeichnet sein, oder muss zur Stabilisierung Niob und/oder Tantal 10 x C bis max. 1% enthalten und entsprechend nach dieser Tabelle gekennzeichnet sein.
(10) Der Kohlenstoffgehalt darf nach Wahl des Herstellers höher liegen, soweit dies bei größeren Durchmessern zum Erreichen der festgelegten mechanischen Eigenschaften erforderlich ist, jedoch bei austenitischen Stählen nicht über 0,12%.

* Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom, Molybdän, Nickel, Kupfer (Details siehe Kapitel 4.2.2 chemische Elemente von Edelstahl)


4.2.2 chemische Elemente in Edelstählen   (nach oben)

Edelstähle können folgende Elemente beinhalten:

Name, Symbol,
Ordnungszahl

Beschreibung

Aluminium
Al (13)

Aluminium wirkt stark desoxidierend und denitrierend. Die Bildung von harten Al-Nitriden reduziert die Alterungsanfälligkeit von Stahl. Bei ferritischen Chromstählen führt die Beigabe von Aluminium neben verbesserter Zunderbeständigkeit zu einer verringerten Empfindlichkeit gegenüber interkristalliner Korrosion.
 

Chrom
Cr (24)

Chrom erhöht die Zugfestigkeit durch Bildung von Mischkristallstrukturen und reduziert die kritische Abkühlgeschwindigkeit. Dadurch steigen Zunderbeständigkeit und Einhärtetiefe. Bei ferritischen- (Klasse C) und austenitischen Stählen (Klasse A) ab einem Anteil von von 13% korrosionshemmend. Grund ist die die Bildung einer resistenten Chromoxid-Schicht auf der Oberfläche.
 

Cobalt
Co (27)

Cobalt verbessert die Anlassbeständigkeit und steigert die Warmfestigkeit von Stählen.

Kohlenstoff
C (6)

Kohlenstoff erhöht bei Stählen die Härte und Festigkeit. Ein zu hoher Kohlenstoffanteil bewirkt jedoch eine starte Reduktion der Kaltformbarkeit.
 

Mangan
Mn (25)

Mangan erhöht bei Stählen die Zähigkeit und Festigkeit. Durch die Bindung von Schwefel als Mangansulfid reduziert es bei hoher Konzentration die Verformungsfähigkeit senkrecht zur Walzrichtung.
 

Molybdän
Mo (42)

Eine Molybdänkonzentration von über 0,2 % erhöht die Durchhärtbarkeit von Stählen. Zudem wird Anlassversprödung reduziert. Molybdän wirkt bei hohen Temperaturen gefügestabilisierend und wird daher meist in Stählen für hohe Betriebstemperaturen verwendet.

Nickel
Ni (28)

Nickel ist Hauptbestandteil und gewichtiger Preisfaktor in der Legierung von nichtrostenden Stählen der Klasse A (austenitischer Stähle: A1, A2, A3, A4, A5). Nickel bewirkt sehr hohe Zähigkeit, auch bei niedrigen Temperaturen. Es ist besonders für die Vergütung großer Querschnitte geeignet, da hier hohe Festigkeits- und optimale Zähigkeitswerte erzielt werden. Eine alleinige Anwendung von Nickel ist nicht vorteilhaft, da es anlassversprödend wirkt. Daher wird Nickel meist zusammen mit Molybdän verwendet.

Niob
Nb (41)

Niob wird bei austenitischen Stählen (z.B. A3 oder A5) zur Verbesserung der Stabilität beigefügt.
 

Phosphor
P (15)

Phosphor bewirkt Kaltsprödigkeit und Empfindlichkeit gegen Schlagbeanspruchung. Zudem reduziert es die Zähigkeit von Stählen. Ziel ist ein minimaler Phosphorgehalt.

Schwefel
S (16)

Als Nachbarelement von Phosphor gilt es auch, den Schwefelanteil in Stählen möglichst gering zu halten. Die Bildung von Mangansulfid erhöht den Schmelzpunkt des Stahl, was die Rot- und Heißbruchgefahr reduziert. Bei manchen Automatenstählen wird Schwefel beigesetzt, um kurzbrüchige Späne zu erreichen.
 

Silizium
Si (14)
 

Silizium erhöht die Zunderbeständigkeit und trägt zur Stahlberuhigung bei, wodurch es die Alterungsbeständigkeit und Zähigkeit von Stählen erhöht.

Stickstoff
N (7)

Die Beigabe von Stickstoff stabilisiert das Austenitgefüge. Durch Nitridausscheidungen wird dadurch die Festigkeit erhöht und zudem verbessert man die mechanischen Eigenschaften bei hoher Temperatur. Jedoch kann die Nitridabgabe zu Alterung und Reduktion der Zähigkeit führen. Bei unlegierten und geringlegierten Stählen erhöht sich die Empfindlichkeit gegenüber interkristalliner Korrosion.
 

Tantal
Ta (73)

Tantal wird bei austenitischen Stählen (z.B. A3 oder A5) zur Verbesserung der Stabilität beigefügt.

Titan
Ti (22)

Titan wirkt denitrierend, desoxidierent, schwefelbindend und erzeugt Karbid. Dadurch hemmt Titan bei nichtrostenden Stählen die interkristalline Korrosion.

Vanadium
V (23)

Vanadium verbessert die Zähigkeit von Stählen. Grund ist die Bildung von Karbiden, welche bereits bei einem Anteil von 0,1% Vanadium im Werkstoff die Anlassversprödung reduzieren.

Wasserstoff
H (1)

Wasserstoff gelangt während der Herstellung und Oberflächenbehandlung in den Stahl und schädigt diesen durch Wasserstoffversprödung. Temperung bewirkt ein Austreten des Wasserstoffs aus dem Stahl.

Tabelle 30: chem. Elemente von Edelstahl


4.3 Beständigkeit von Edelstahl   (nach oben)

Chemische Beständigkeit von Verbindungselementen aus nichtrostenden Stählen A 2 und A 4

Die Beständigkeitsangaben können sich in der Praxis verändern; selten wirken die reinen Agenzien, oft verstärken oder schwächen Beimengungen den Angriff. Auch Rückstände am Teil können die Bedingungen verändern. Der sicherste Weg ist die Untersuchung unter Betriebsbedingungen.

1 - beständig (Substanzverlust weniger als 0,1 g/m2 x h)
2 - bedingt beständig (Substanzverlust von 0,1 bis 1,0 g/m2 x h)
3 - wenig beständig (Substanzverlust von 1,0 bis 10,0 g/m2 x h)
4 - unbeständig (Substanzverlust über 10,1 g/m2 x h)

Agenzien

Beständigkeitsgrad

Agenzien

Beständigkeitsgrad


A 2

A 4


A 2

A 4

Abwässer ohne Schwefelsäure

1

1

Latex

1

1

Aceton, alle Konz.

1

1

Leimöl

1

1

Aethyläther, kochend

1

1

 

Aethylacetat

1

1

Magnesiumsulfat

1

1

Aethylalkohol, alle Konz.

1

1

Maleisäure

1

1

Alaun (10 %), kalt

1

1

Melasse

1

1

gesättigte Lösung, kochend

2

1

Methylalkohol

1

1

Aluminiumacetat

1

1

Milchsäure, kalt

1

1

Aluminiumsulfat (10 %), kalt

1

1

Milchsäure, alle Konz., kochend

3

2

gesättigt, kalt

2

1

 

Ameisensäure, kalt

1

1

Natriumaluminat

1

1

Ammoniumkarbonat

1

1

Natriumbisulfat, kochend

1

1

Ammoniumnitrat

1

1

Natriumbisulfid, kochend

1

1

Ammoniumsulfat, kalt

1

1

Natriumkarbonat (Soda)

1

1

Ammoniumsulfit

1

1

Natriumhydroxyd, kalt

1

1

Anilin

1

1

Natriumnitrat

1

1

 

Natriumperchlorat

1

1

Benzin

1

1

Natriumphosphat

1

1

Benzoesäure

1

1

Natriumsulfat

1

1

Benzol

1

1

Natriumsulfid

1

1

Bier

1

1

Natriumsulfit

1

1

Blausäure

1

1

Nickelsulfat

1

1

Borsäure

1

1

Nitrosesäure

2

1

Butylacetat

1

1

 
 

Öle (Schmier- und vegetabilische Öle)

1

1

Calziumbisulfit, kalt

1

1

Oxalsäure, 5 %, kalt

1

1

kochend

3

1

 

Calziumhydroxyd (10-50 %), kalt

1

1

Phenol, kochend

2

1

Calziumnitrat

1

1

Phosphorsäure bis 70 %, kalt

1

1

Chlor, trocken

1

1

Photograph. Entwickler/Fixierbad

1

1

Chloroform, wasserfrei

1

1

Pottasche

1

1

Chlorschwefel, wasserfrei

1

1

 

Chromsäure (10 %), kalt

1

1

Quecksilber

1

1

kochend

3

2

Quecksilberamalgam

1

1

Cyankalium

1

1

Quecksilbernitrat

1

1

Eisennitrat

1

1

Salicylsäure

1

1

Eisensulfat

1

1

Salmiakgeist

1

1

Entwickler (Foto)

1

1

Salpetersäure bis 60 %, kalt

1

1

Essigsäure, kalt

1

1

Schwefel (geschmolzen)

1

1

 

Schwefeldioxyd

1

1

Fettsäure, 150°C

1

1

Schwefelkohlenstoff

1

1

Flüssige Gase (Propan, Butan)

1

1

Schwefelwasserstoff

1

1

Formalin

1

1

Schweflige Säure, gesättigt, 20° C

1

1

Fruchtsäfte

2

1

Seife

1

1

Gerbsäure

1

1

Teer

1

1

Glyzerin

1

1

Tetrachlorkohlenstoff, wasserfrei

1

1

 

Trichloraethylen, wasserfrei

1

1

Kaliumbichromat (25 %)

1

1

 

Kaliumbitartrat, kalt

1

1

Viskose

1

1

Kaliumchlorat

1

1

 

Kaliumhydroxyd (Kalilauge)

1

1

Wasserglas

1

1

Kaliumnitrat

1

1

Wasserstoffsuperoxyd

1

1

Kaliumpermanganat

1

1

Wein

1

1

Kalkmilch

1

1

Weinsäure

1

1

Kaliumsulfat

1

1

     

Kampfer

1

1

Zinksulfat

1

1

Kohlendioxyd

1

1

Zitronensäure, gesättigt, kalt

1

1

Kreosot

1

1

Zitronensäure, 50 %, kochend

4

1

Kupferacetat

1

1

Zuckerlösung

1

1

Kupferarsenit

1

1

 

Kupfernitrat

1

1

Kupfersulfat

1

1

Tabelle 31: chem. Beständigkeit von Edelstählen A2, A4


4.4 Mechanische Eigenschaften von Edelstahl   (nach oben)

4.4.1 Anziehdrehmomente von Edelstahlschrauben   (nach oben)

Anziehmomente für Schrauben und Muttern aus A 2/A 4
Bei Verbindungselementen aus nichtrostenden Stählen sind die Reibungswerte im Gewinde und an den Auflageflächen wesentlich größer als bei vergüteten Stahlschrauben - auch der Streubereich der Reibungswerte ist hier viel größer (bis über 100 %!). Zur endgültigen Bestimmung des richtigen Drehmomentes ist ein Versuch unter Einsatzbedingungen angeraten.

Durch Verwendung von Spezialschmiermitteln können zwar die Reibungszahlen µ verringert werden - aber der sehr große Streubereich bleibt erhalten.

Die Tabelle enthält unverbindliche Richtwerte für verschiedene Reibungszahlen, gültig für Schrauben und Muttern nach DIN 912, 931, 933 und 934 / ISO 4762, 4014, 4017, 4032 aus nichtrostenden Stählen A2 und A4, in der Festigkeitsklasse -70 (kaltverfestigt = Kaltpressfertigung) bis zu Nennlängen 8 x d, bei Raumtemperatur (ca. + 20 °C) und einer Dehngrenzen-Ausnutzung von Rp 0,2 = 90 %.

Die in der folgenden Tabelle genannten Anziehmomente können nur als sehr grobe und unverbindliche Richtwerte verstanden werden - siehe VDI 2230!


Anziehmomente MA/Nm für A 2, A 4 -70 (-50**)

Reibungs 
zahl µ

-70 = Rp 0,2 min. 450 N/mm2

**-50 = Rp 0,2 min. 210 N/mm2

M 4

M 5

M 6

M 8

M 10

M 12

M 16

M 20

M 24

M 27

M 30

0,10

1,7

3,4

5,9

14,5

30

50

121

244

234

328

445

0,12

2,0

3,8

6,7

16,3

33

56

136

274

264

371</