Einfluss wichtiger Legierungs- und Spurenelemente auf die Eigenschaften in nichtrostenden Stählen

Die traditionelle Namensgebung „Nichtrostende Stähle“ hat ihren Ursprung darin, dass diese Werkstoffe bei Auslagerung an normaler Atmosphäre nicht rosten. Sie bedeutet aber nicht, dass diese Werkstoffe beliebigen Medien ohne Korrosionserscheinungen ausgesetzt werden können. Um eine für vielfältigere Korrosionsbeanspruchung ausreichende Beständigkeit zu erzielen, muss ein höherer Chromgehalt als der eingangs genannte Mindestgehalt von 10,5 % vorgesehen werden. Deshalb weist der ferritische nichtrostende Stahl 1.4510 einen Mindest-Chromgehalt von 16,0 %, der austenitische nichtrostende Standardstahl 1.4301 einen solchen von 17,0 % auf. Ganz allgemein kann man davon ausgehen, dass die Beständigkeit der nichtrostenden Stähle gegen Loch- und Spaltkorrosion in chloridhaltigen Medien linear mit ihrem Chromgehalt zunimmt, wie die hierfür als maßgeblich angesehene Wirksumme W aussagt.

Mit zunehmendem Chromgehalt verbessert sich auch die Beständigkeit der nichtrostenden Stähle gegenüber stark oxidierenden Säuren (beispielsweise Salpetersäure), wobei der Chromgehalt der austenitischen nichtrostenden Stähle bis herauf zu rund 33 % gesteigert
werden kann, wie das Beispiel des austenitischen nichtrostenden Stahls 1.4591 zeigt. Ein höherer Chromgehalt verbessert die Hitze- und Zunderbeständigkeit nichtrostender Stähle. So ist Chrom ein wichtiges Legierungselement zur Erhöhung der Zunderbeständigkeit von
Edelstahl Rostfrei gegenüber heißen oxidierenden Gasen bis herauf zu etwa 1150 °C. Deshalb ist der Werkstoff 1.4845 mit rund 25 % Chrom ein häufig verwendeter hitzebeständiger Werkstoff.

Mit steigendem Chromgehalt wird sowohl die 0,2 %-Dehngrenze als auch die Zugfestigkeit erhöht. Gleichzeitig sinkt die Bruchdehnung als Maß für das Umformvermögen des Werkstoffs mit steigendem Chromgehalt.

Alternativ kann der Kohlenstoff auch durch Zulegieren der sogenannten Stabilsierungselemente Titan und /oder Niob als Titankarbid oder Titankarbonitrid sowie Niobkarbid abgebunden werden.

Im gelösten Zustand erhöht Kohlenstoff die 0,2 %-Dehngrenze und die Zugfestigkeit, während gleichzeitig die Bruchdehnung als Maß für das Umformvermögen sinkt.

Nur bei den martensitischen nichtrostenden Stählen ist der Kohlenstoff mit Gehalten bis zu 0,7 % ein nützliches Legierungselement, welches zur Härtbarkeit des Werkstoffs beiträgt. Die erreichbare Härte zum Beispiel für Schneidwaren und technische Messer steigt dabei mit steigendem Kohlenstoffgehalt an. Gleichzeitig verringert ein hoher Kohlenstoffgehalt aber auch die Duktilität des Werkstoffs, etwa im Vergleich zu austenitischen nichtrostenden Stählen.

Kupfer wird sowohl zur Verbesserung des Kaltstauchverhaltens als auch der Korrosionsbeständigkeit zulegiert. Ein bewährtes Beispiel für eine spezielle Ausführung von Edelstahl Rostfrei mit verbesserter Kaltstauchbarkeit infolge verminderter Kaltverfestigung durch Zusatz von Kupfer bis herauf zu 4 % ist der Werkstoff 1.4567. Mit der Verbesserung des Kaltstauchverhaltens verbessert sich auch die Prägbarkeit für Schmuck, Medaillen und Münzen.

Bei ausscheidungsgehärtetem nichtrostenden Stahl (PH-Stahl) bewirkt Kupfer in einer kontrollierten Wärmebehandlung ein Ausscheidungshärten, welches die Festigkeit des Werkstoffs erheblich erhöht. Ein bewährtes Beispiel hierfür ist der Werkstoff (1.4542) mit 3,0 bis 5,0 % Cu.

Aus Kostengründen kann Mangan auch zur Substitution des teuren Legierungselements Nickel zulegiert werden (sogenannte Manganaustenite). Der Mangangehalt dieser Werkstoffe beträgt dann zwischen 5,0 und 10,5 %. Beispiele hierfür sind die Werkstoffe 1.4371, 1.4372 und 1.4376. Die Manganaustenite haben insbesondere im asiatischen Raum eine große wirtschaftliche Bedeutung für Standard-Haushaltartikel wie Kochtöpfe usw.
Mangan erhöht die Löslichkeit des Austenits für Stickstoff als Legierungselement. Beispiele hierfür sind der austenitische Werkstoff 1.4565 oder auch der ferritisch-austenitische Duplexstahl 1.4162.

Molybdän hat eine starke Neigung zur Seigerung. Aus diesem Grund sind die Legierungsgehalte üblicherweise auf maximal 6 % begrenzt. Eine weitere Erhöhung des Molybdängehalts würde keine weitere Verbesserung in der Lochkorrosionsbeständigkeit erbringen.

Molybdän verbessert zugleich die Beständigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und steigert die Warmfestigkeit. Unter den zahlreichen Beispielen für molybdänlegierte nichtrostende Stähle sind die Werkstoffe 1.4404, 1.4571, 1.4462, 1.4529 und 1.4562 zu nennen.

Ebenso wie Chrom erhöht auch Molybdän die 0,2 %- Dehngrenze und die Zugfestigkeit. Gleichzeitig sinkt mit steigendem Molybdängehalt die Bruchdehnung als Maß für die Umformbarkeit des Werkstoffs.
 

Nickel ist deshalb auch nicht in der Formel für die Wirksumme enthalten. Nickel wirkt sich allerdings positiv auf das Repassivierungsverhalten aus und reduziert auch die Geschwindigkeit eines Angriffs durch Lochkorrosion. Nickel ist maßgeblich für die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl Rostfrei gegenüber nichtoxidierenden Säuren. Bei Hochtemperaturanwendungen sollten hoch nickelhaltige Legierungen in reduzierenden, sulfidierenden Umgebungen vermieden werden, um die Bildung von niedrigschmelzendem Nickelsulfid zu verhindern.

Im Vergleich zu Standardausteniten mit näherungsweise 10 % Nickel, wo das Minimum der Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit des Werkstoffs liegt, weisen sowohl nickelarme Güten wie 1.4462 als auch nickelreiche Qualitäten wie 1.4539 einen erhöhten Widerstand gegen
Spannungsrisskorrosion auf.

Nickel wirkt der Bildung von Verformungsmartensit bei einer Umformung, zum Beispiel durch Tiefziehen entgegen. Für kritische Umformvorgänge hat sich deshalb der Einsatz höher nickelhaltiger Legierungsvarianten bewährt. Für anspruchsvolle Tiefziehteile mit Mehrfachzug wie zum Beispiel Kugelschreiberminen und Batteriehülsen wird deshalb der austenitische nichtrostende Stahl 1.4303 mit einem Nickelgehalt von 12 % bevorzugt verwendet.

Da Titankarbide von stark oxidierenden Säuren wie Salpetersäure angegriffen werden können und aufgrund dessen es zu interkristalliner Korrosion kommen kann, wird eine Niobstabilisierung gegenüber einer Titanstabilisierung in manchen nichtrostenden Stählen bevorzugt.  Einige ferritische nichtrostende Stähle wie zum Beispiel 1.4509 und 1.4521 weisen auch eine Doppelstabilisierung mit Titan und Niob auf.

Bei ferritischem nichtrostenden Stahl gewährleistet Niob eine feinkörnige Struktur beim Schweißen, die einer Versprödung insbesondere beim MIG-Schweißen entgegenwirkt. Da Niob ähnlich wie Titan den Austenitbildner Kohlenstoff bindet, wirkt es zudem als Ferritstabilisator.

Einen positiven Einfluß hat Schwefel jedoch auf das Zerspanungsverhalten, zum Beispiel durch Drehen oder Fräsen. Für Produktformen, die üblicherweise einer zerspanenden Bearbeitung unterliegen, dürfen einige nichtrostende Stahlgüten leicht angehobene Schwefelanteile von
typischerweise 0,015 bis 0,030 % aufweisen. Diese geringfügig erhöhten Schwefelanteile führen nur zu verhältnismäßig geringen Einbußen in der Korrosionsbeständigkeit.

Sofern das Zerspanungsverhalten bei der Verarbeitung im Vordergrund steht, kann man auch die sogenannten Automatenstähle mit Schwefelgehalten von 0,15 bis 0,35 % verwenden. Diese Werkstoffe haben eine eigene Werkstoffnummer wie zum Beispiel 1.4305. Sie sind allerdings in ihrer Korrosionsbeständigkeit deutlich ungünstiger einzustufen als die schwefelarmen Vergleichswerkstoffs mit ähnlichem Chrom- und Nickelgehalt. Schwefelhaltige Automatenstähle wie der Werkstoff 1.4305 sind aufgrund ihrer ungünstigeren Korrosionsbeständigkeit für manche Anwendungsgebiete wie die Nahrungsmittelindustrie nicht zugelassen. Ebenso sind sie ungeeignet für Gegenstände mit lang andauerndem Hautkontakt wie Schmuck, Armbanduhren usw.

So verbessert Silizium die Zunderbeständigkeit und ist deshalb beispielsweise im hitzebeständigen austenitischen Werkstoffen wie 1.4828 und 1.4841 mit 1,5 bis 2,5 % zulegiert. Höhere Siliziumgehalte verbessern bei bestimmten Beanspruchungen auch die Korrosionsbeständigkeit gegenüber wässrigen Medien, z.B. gegenüber hochkonzentrierter Schwefel- oder Salpetersäure. Ein Beispiel hierfür ist der austenitische nichtrostende Stahl 1.4361 mit 3,7 bis 4,5 % Silizium.
Nichtrostende Stähle mit höheren Gehalten an Silizium sind nur bedingt zum Elektropolieren geeignet, falls hohe Ansprüche an das Oberflächenaussehen und die Glätte bestehen.

Stickstoff ist in den höher legierten, chemisch beständigen Stählen zugleich von bedeutendem Einfluss auf die Beständigkeit gegenüber Lochkorrosion. In die hierfür als maßgeblich angesehene Wirksumme W kann er deshalb mit dem Faktor 16 (Duplexstähle) oder 30 (hoch legierte Austenite) einbezogen werden. Beispiele sind die Werkstoffe 1.4462 mit 0,10 bis 0,22 % N, 1.4529 und 1.4562 mit 0,15 bis 0,25 % N, 1.4565 mit 0,3 bis 0,6 % N und 1.4591 mit 0,35 bis 0,60 % N.

In Duplexstählen wie 1.4362 und 1.4462 erweitert Stickstoff das Zweiphasengebiet Ferrit-Austenit und begünstigt damit die gewünschte Ausbildung des Duplexgefüges mit einem Volumenanteil von 50 % Ferrit und 50 % Austenit. Die Stickstoffgehalte der Duplexstähle liegen deshalb bevorzugt an der Obergrenze der Normvorgabe.

Die Bildung von Titankarbiden und Titankarbonitriden im Gefüge führt durch den Mischkristall verfestigenden Effekt zu erhöhten Härten und reduziert die Kerbschlagzähigkeit, Duktilität und Zerspanbarkeit des nichtrostenden Stahls. Beim Schweißen können titanstabilisierte Stähle in Kombination mit stickstoffhaltigem Spülgas zu gelblichen Schweißnähten führen. Zudem sind titanstabilisierte Stähle für das mechanische Hochglanzpolieren nicht geeignet, weil die Anwesenheit von Titankarbiden und Titankarbonitriden im Gefüge zur Bildung von
Titanschlieren auf der Oberfläche führt.

Der Einsatz titanstabilisierter nichtrostender Stähle ist dann gerechtfertigt, wenn eine höhere Anwendungstemperatur von über 300 °C bis etwa 400 °C vorliegt. Im Vergleich zu nicht stabilisierten Güten erreichen die stabilisierten Werkstoffe dann eine höhere Warmdehngrenze und Warmzugfestigkeit im Vergleich zu den nicht stabilisierten Vergleichswerkstoffen wie zum Beispiel den ELC-Güten 1.4307 oder 1.4404. Zudem wird Titan bei ferritischen nichtrostenden Stählen gerne als Stabilisator verwendet, um ein unerwünschtes Kornwachstum und die damit einhergehende Versprödung des Stahls zu vermeiden.