Werkstofftabelle Metalle

Neue technische Entwicklungen sind ohne den Einsatz von hochwertigen Werkstoffen schwer denkbar. Häufig ist es jedoch schwer, zuverlässige Informationen zu ihrer chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften zu erhalten. Aus diesem Grund haben wir die bei unseren Produkten am häufigsten verwendeten Werkstoffe zu einer Datenbank zusammengetragen.

Übersicht Metalle

Begriffsbestimmung

Nichtrostende Werkstoffe

Als nichtrostend gelten Werkstoffe, die sich durch besondere Beständigkeit gegen chemisch angreifende Stoffe auszeichnen. Sie haben im allgemeinen einen Massenanteil Chrom von mindestens 10,5 % und einen Massenanteil Kohlenstoff von höchstens 1,2%. Da die Korrosionsbeständigkeit der nichtrostenden Stähle nur bei metallisch sauberer Oberfläche gesichert ist, müssen Zunderschichten und Anlauffarben, die bei der Wärmeumformung, Wärmebehandlung oder beim Schweißen entstanden sind, vor dem Einsatz entfernt werden. Fertigteile aus Stahlsorten mit ca. 13% Chromanteil verlangen zur Erzielung ihrer höchsten Korrosionsbeständigkeit beste Oberflächeneigenschaften (z.B. fein geschliffen oder poliert). Fette, Farben oder andere Verunreinigungen mindern ebenfalls die Korrosionsbeständigkeit.

Hitzebeständige Werkstoffe

Als hitzebeständig gelten Werkstoffe, die sich mit guten mechanischen Eigenschaften bei Kurz- und Langzeitbeanspruchung durch besondere Beständigkeit gegen die Einwirkung heißer Gase und Verbrennungsprodukten sowie Salz- und Metallschmelzen bei Temperaturen etwa oberhalb 550°C auszeichnen. Das Ausmaß ihrer Beständigkeit ist jedoch stark von den Angriffsbedingungen abhängig- Die höchsten Anwendungstemperaturen in Luft, die je nach Legierungsanteil bis zu 1150°C reichen, können durch Beimengungen im Gas, z.B. schwefelhaltige Bestandteile, Wasserdampf und Aschebestandteile, stark herabgesetzt werden. Die Beständigkeit gegenüber geschmolzenen Metallen und Salzen ist sehr begrenzt.

Hochkorrosionsbeständige Werkstoffe

Als hochkorrosionsbeständig gelten Werkstoffe, die sich aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung – hohe Legierungsbestandteile an Nickel, Chrom, Molybdän und Kupfer – besonders gut gegen chemisch angreifende Stoffe und Medien auszeichnen. Die Korrosionsbeständigkeit und damit auch der Verwendungszweck hängen in hohem Maße davon ab, ob der Werkstoff in einer für ihn spezifischen Ausführungsart eingesetzt wird.

Gefügearten

Die Gefügeausbildung der nichtrostenden und hitzebeständigen Werkstoffe kann in folgenden Hauptgruppen unterteilt werden:

Martensit

Feinnadeliges, strukturloses und sprödes Härtegefüge. Martensit entsteht bei schneller Abkühlung, so dass der Kohlenstoff nicht die Zeit findet, nach der Umwandlung das Eisengitter zu verlassen und somit das Gefüge verspannt. Beim erneuten Erwärmen (Anlassen) geht Martensit in ein Anlassgefüge über. Hierdurch können unterschiedliche mechanische Eigenschaften (Zugfestigkeit, Härte, Zähigkeit usw.) eingestellt werden.

Ferrit

Mischkristall des Alpha-Eisens. Ferrit kann nur sehr wenig Kohlenstoff aufnehmen, wohl aber eine größere Menge bestimmter Legierungsbestandteile wir Chrom, Mangan, Nickel, die seine Eigenschaften verändern (z.B. die Korrosionsbeständigkeit).

Austenit

Gefüge von Mischkristallen. Durch Legierungszusätze (Nickel und Mangan) ist die Gefügeart auch bei Raumtemperatur beständig. Das Austenitgefüge ist unmagnetisch, zäh und durch Kaltverfestigung (Kaltumformungsverfahren oder mechanische Verarbeitung) „härtbar“.

Mechanische Eigenschaften

Streckgrenze bzw. Dehngrenze

Kurzzeichen Rp 0,2% bzw. Rp 1,0%
An den Anfangsquerschnitt der Zugprobe bezogene Spannung (N/mm²), die eine bleibende plastische Formänderung von 0,2 bzw. 1,0% der Ausgangslänge bewirkt.

Zugfestigkeit

Kurzzeichen Rm
Auf den Ausgangsquerschnitt der Zugprobe bezogene Spannung, die den Bruch des Materials bewirkt.

Bruchdehnung

Kurzzeichen A
Bleibende Verlängerung nach dem Bruch einer Probe im Zugversuch. Sie wird auf die Ausgangsmesslänge bezogen und in Prozent angegeben.

Brucheinschnürung

Kurzzeichen Z
Die beim Zugversuch gemessene Querschnittsverminderung gegenüber dem ursprünglichen Probenquerschnitt, ermittelt in Prozent.

Kerbschlagarbeit

Kurzzeichen KV
Die beim Kerbschlagbiegeversuch verbrauchte Energie, gemessen in Joule.

Härte

Kurzzeichen HB, HV, HR
Härte ist der Widerstand einer Werkstückoberfläche gegen einen eindringenden härteren Körper (z.B. einer Stahlkugel oder Diamantspitze).

Wärmebehandlungsarten

Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Stähle hängen weitgehend von der Wärmebehandlung zum Abschluss der Formgebungsverfahren ab. Die geeignete Wärmebehandlung richtet sich jeweils nach der Stahlsorte und dem angestrebten Ziel.
Die spezifische Wärmebehandlung der martensitischen Stähle besteht aus einer Abkühlung von hoher Temperatur (Härten) und einem anschließenden Anlassen (Vergüten).
Ferritische Stähle werden üblicherweise geglüht, mit dem Ziel, eine Rekristallisation nach einer Kaltverfestigung günstig zu beeinflussen. Ferritische Stähle sind aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehaltes nicht härtbar.
Das Losglühen der austenitischen Stähle ist ein Abschrecken von hohen Temperaturen, um ein möglichst austenitisches Gefüge guter Zähigkeit zu erzielen, das auch bei Raumtemperatur stabil ist. Erst dieser Zustand verleiht den austenitischen Stählen ihre besondere Eigenschaften. Durch diese Wärmebehandlung wir keine Härtezunahme wie bei matensitischen Stählen erreicht.
Durch Ausscheidungen aus übersättigten Mischkristallen lassen sich beim Auslagern, im Anschluss an eine Losglühung, die Festigkeitseigenschaften der ausscheidungshärtbaren Stahlsorten einstellen.

Warmformgebung

Die Warmformgebung der martensitischen Stähle wirft generell keine besonderen Probleme auf. Lediglich beim Erwärmen und späteren Abkühlen sind die werkstoffspezifischen Festlegungen zu beachten.
Ferritische Stähle werden bei den üblichen Formgebungstemperaturen sehr weich und neigen zur „Faltenbildung“. Das Kornwachstum tritt sehr schnell eine und kann nur durch einen starken Verformungsgrad günstig beeinflusst werden.
Zu Erwärmung der austenitischen Stähle ist eine gleichmäßige Temperatursteigerung ratsam. Die Atmosphäre darf weder schwefelhaltig sein noch aufkohlende Wirkung aufweisen. Dies muss im besonderen bei hochnickelhaltigen Sorten unbedingt beachtet werden.

Kaltumformung

Grundsätzlich sind nichtrostende Werkstoffe zur Kaltumformung geeignet. Der jeweils zulässige Verformungsgrad ist jedoch werkstoffspezifisch. Kalt umgeformte Erzeugnisse weisen nachfolgende Wärmebehandlung, insbesondere bei austenitischen Werkstoffsorten, je nach Umformungsgrad, wesentlich gesteigerte Zugfestigkeitseigenschaften auf.
Die Magnetisierbarkeit austenitischer Werkstoffe kann mit steigender Kaltumformung zunehmen. Diese physikalische Veränderung kann durch eine dem Werkstoff entsprechende Wärmebehandlung rückgängig gemacht werden.

Schweißen

Nichtrostende Stähle mit einem Chromgehalt oberhalb von 10,5% neigen im aufgeschmolzenen Zustand stark zur Oxidation
Fehlerhafte Schutzmaßnahmen beim Schweißen an Luft führen zu einem Abbrand des Elementes Chrom und zur unkontrollierten Oxidbildung, welche die Homogenität und die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht beeinträchtigt.

Korrosiosarten

Loch- und Spaltkorrosion

Beim Lochfraß handelt es sich um einen lokalen, teilweise nur punktförmig begrenzten Korrosionsangriff mit großer Tiefenwirkung. Bei der Lochkorrosion entsteht eine nadelstichgroße Aktivierung der ansonsten passiven Stahloberfläche. Die einmal aktivierten Stellen bleiben dauernd aktiv, so dass der Werkstoff an dieser Stelle nach und nach zerstört wird. Die Lochkorrosion nimmt zu mit

  • steigender Konzentration der Halogenidionen
  • steigender Temperatur
  • Erhöhung des elektrochemischen Potentials, hervorgerufen etwa durch Oxidationsmittel

Nichtrostende Chrom-Nickel-Stähle werden durch das Zulegieren von Molybdän widerstandsfähiger gegen die Bildung von Lochfraßkorrosion.

Als Spaltkorrosion wird ein Korrosionsangriff bezeichnet, der unter Dichtungen, gefalzten Blechen, Flanschen, Rohreinwalzungen und sogar unter Ankrustungen durch eingeschränkten Flüssigkeitsaustausch mit der Umgebung entsteht. Diese Spalten sind häufig konstruktions- oder betriebsbedingt. Da Spaltkorrosion schon bei bedeutend schwächerer Korrosionsbeanspruchung auftritt als Lochkorrosion, sollte in chloridhaltigen Medien durch konstruktive Maßnahmen das Auftreten von Spalten vermieden werden.

Die Beständigkeit gegenüber Loch- und Spaltkorrosion eines nichtrostenden Stahles kann anhand der nachfolgend aufgeführten Wirksumme in gewisser Weise abgeschätzt werden:
W = % Cr (Chrom) + 3,3 x % Mo (Molybdän) + 30 x % N (Stickstoff)

  • Wirksumme für 1.4301 = 18,5
  • Wirksumme für 1.4571 = 24,9
  • Wirksumme für 1.4529 = 48,0

Die aufgeführten Wirksummen basieren auf den mittleren Analysewerten.

Spannungsrisskorrosion

Medien, besonders Chlorionen, können bei gleichzeitiger Einwirkung von Zugspannungen zu dieser Korrosionsform führen, selbst wenn der Stahl ohne mechanische Beanspruchung im gleichen Medium beständig ist.
Ursache sind nicht nur betriebsbedingte, äußere Spannungen, sondern in vielen Fällen auch Eigenspannungen, die bei der Verarbeitung, z.B. durch Schweißen, Schleifen oder Kaltumformung usw., eingebracht wurden.
Wie bei der Loch- und Spaltkorrosion nimmt die Gefahr von Spannungskorrosion bei steigender Temperatur und Konzentration zu. Die Beständigkeit ist jedoch im Wesentlichen von der chemischen Zusammensetzung abhängig. Sind die Werkstoffe 1.4301 und 1.4404 im Temperaturbereich über 50°C besonders gefährdet, wird die Beständigkeit beim Einsatz von Werkstoffen mit erhöhten Molybdän- und Nickelgehalten wesentlich gesteigert. Auch austenitisch-ferritische nichtrostende Stähle sind vergleichsweise weniger empfindlich.

Interkristalline Korrosion

Bedingt durch Überhitzungen, z.B. beim Schweißen, oder die Verwendung austenitischer Werkstoffe in kritischen Temperaturbereichen, kann es zu Gefügeausscheidungen in Form von Chromkarbiden kommen. Die Verbindung der Elemente Chrom und Kohlenstoff führt dazu, dass die Umgebung der Karbide eine niedrigere Chromkonzentration aufweist und dadurch ein geringeren Korrosionswiderstand bietet.
Dir kritische Temperatur liegt bei den austenitischen Werkstoffsorten zwischen 450 und 900°C.

Die Ablagerung der Chromkarbide entlang der Korngrenzen sorgt bei chemischer Beanspruchung für die Aktivierung der Korngrenzbereiche, während die Kornfläche passiv bleibt. Der chemische Angriff schreitet entlang der Korngrenzen, also interkristallin, fort und führt schließlich zum Herauslösen von Gefügekörnern und zum Bruch des Materials.

Die Bildung der Chromkarbide läßt sich durch folgende Maßnahmen verhindern:

  • Außreichend schnelle Abkühlung nach dem Schweißen, nach thermischer Behandlung oder Warmformgebung
  • Einsatz von Werkstoffen mit Kohlenstoffgehalten unter 0,03%
  • Verwendung titan- bzw. niobstabilisierter Stähle
Quelle: STAPPERT SPEZIAL-STAHL Handel GmbH, Düsseldorf

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