Korrosionsbeständige Stähle

Korrosion ist allgegenwärtig, sie tritt in einer chemischen Fabrik, in der Küche und im Freien auf. Damit sind korrosionsbeständige Stähle sehr wichtig und haben einen breiten Anwendungsbereich. In Abb. 2 können wir eines der unzähligen Anwendungsbeispiele sehen. Wir benötigen hierbei verschiedene Sorten, die an die realen korrosiven Beanspruchungen angepasst sind. Dabei muss unbedingt das Medium, in dem ein Stahl eingesetzt werden soll, beachtet werden. Einen universellen Stahl, der in jedem Medium korrosionsbeständig ist, gibt es nicht.

Ursache der Korrosionsbeständigkeit

Korrosionsbeständige Stähle gehören zu den Metallen, deren Korrosionsbeständigkeit auf der Ausbildung einer schützenden Passivschicht beruht. Bei diesen Stählen entsteht die Passivschicht, sofern bestimmte Voraussetzungen erfüllt sind.
Die wichtigste Voraussetzung ist, dass der Stahl mindestens 12 % Chrom, enthalten muss. Somit sind alle korrosionsbeständigen Stähle hochlegiert. Chrom überträgt seine eigene Fähigkeit zum Passivieren auf Stahl. Die unsichtbare Passivschicht bildet sich selbstständig aus, ist 10 bis 30 nm dick, elektronenleitend und besteht aus Chromoxid.
Eine zweite Voraussetzung ist, dass das Chrom mit dem Eisen Mischkristalle bilden muss. Es dürfen keine Chromkarbide entstehen (Chrom neigt zur Karbidbildung). Daher müssen diese Stähle sehr wenig Kohlenstoff (weniger als 0,1 %, am besten max. 0,01 %) haben. Ein Zusatz anderer Legierungselemente (z. B. Titan), die Karbide bilden, kann ebenfalls hilfreich sein.
Häufig werden weitere Legierungselemente zugesetzt, vor allem Nickel und Molybdän. Sie haben eine die Korrosionsbeständigkeit erhöhende Wirkung. Nickel begünstigt ein austenitisches Gefüge, Molybdän die Korrosionsbeständigkeit in chloridhaltigen Medien. Für die Sicherung der Korrosionsbeständigkeit sind hohe Reinheitsgrade der Stähle notwendig.
Die Erfüllung dieser Voraussetzungen ist nur durch eine aufwendige Herstellung möglich. Oft kommen spezielle Methoden, wie z. B. der VOD-Prozess (Vacuum Oxygen Decarburisation), zum Einsatz.

Für die Bewertung der Korrosionsbeständigkeit dieser Stähle wird in der Praxis der sog. PRE-Wert (Pitting–Resistance–Equivalent) benutzt. Diese Bewertung wird insbesondere beim Einsatz in chlorhaltigen Medien angewandt. Die Kennzahl berechnen wir nach der folgenden Regel:
PRE-Wert = Chromgehalt + 3,3·Molybdängehalt + x·Stickstoffgehalt
Der Faktor „x“ kann je nach Stahlgefüge verschiedene Werte (0, 16 oder 30) annehmen. Der PRE-Wert gibt Anhaltspunkte zur Beständigkeit verschiedener Stähle. Weitere Legierungselemente müssen dennoch beachtet werden. Je höher der PRE-Wert ist, desto besser die Korrosionsbeständigkeit des Stahls. Aus Erfahrung wissen wir, dass erst Werte von 30 und höher die sichere Beständigkeit z. B. im Meerwasser bedeuten.

Einteilung korrosionsbeständiger Stähle

Die Einteilung korrosionsbeständiger Stähle erfolgt nach ihrem Gefüge. Die mögliche Gefügeausbildung ist in Abb. 1 dargestellt. Welches Gefüge sich ausbildet, ist von der Zusammensetzung abhängig. Entscheidend sind die Anteile an Chrom und Nickel.

                   
            Abb. 1 Gefügeausbildung (vereinfacht)                  Abb. 2 Anwendung am Bord eines Schiffes

Im Diagramm ist ein großes Austenit-Feld gut erkennbar. Dies bedeutet, dass ein austenitisches Gefüge auch bei Kombinationen der beiden Elemente Chrom und Nickel entsteht. Das geschieht auch, wenn Nickel als Austenitbildner in einem geringeren Anteil als Chrom vorhanden ist. Diese Erkenntnis ist wichtig, da Nickel zu den teuren Metallen gehört und jede Möglichkeit den Nickelgehalt zu erniedrigen, von wirtschaftlicher Bedeutung ist. Nehmen wir beispielsweise den Punkt 1. Er entspricht der Stahlzusammensetzung von 18 % Chrom und 10 % Nickel und liegt im Austenit-Feld.
Dem Diagramm entnehmen wir auch weitere mögliche Zusammensetzungen, die zu anderen Gefüge führen. Dabei müssen die Chromgehalte – wegen der Ausbildung der Passivschicht – rechts vom Punkt 2 (12 % Chrom) liegen. Entsprechend der möglichen Gefügeausbildung werden folgende Gruppen korrosionsbeständiger Stähle unterschieden:

  • Ferritische Stähle,
  • Austenitische Stähle,
  • Austenitisch-ferritische Stähle (Duplex-Stähle),
  • Martensitische Stähle.

Ferritische, austenitische und ferritisch-austenitische Stähle haben sehr wenig Kohlenstoff und sind umwandlungsfrei, d. h. bei Temperaturänderungen findet keine Gitterumwandlung von Eisen statt. Diese Stähle haben fast im gesamten Temperaturbereich das durch die Zusammensetzung bedingte Gefüge. Somit sind das Härten und alle mit dem Härten verbundenen Wärmebehandlungen (z. B. Vergüten) nicht möglich.
Martensitische Stähle besitzen mehr Kohlenstoff. Dadurch sind sie umwandlungsfähig und zum Härten geeignet. Durch den erhöhten Kohlenstoffgehalt wird die Korrosionsbeständigkeit vermindert und Bauteile oder Gegenstände aus diesen Stählen müssen poliert werden.

Ferritische, austenitische und ferritisch-austenitische Stähle werden im Anlieferungszustand verwendet. Martensitische Stähle werden (als Bauteile) nach dem Härten verwendet.
Das hier dargestellte Diagramm zur Gefügeausbildung ist anschaulich jedoch für praktische Zwecke nicht gut geeignet. Die Fachleute bedienen sich mit dem genaueren Schaeffler-Diagramm, das ständig verbessert und erweitert wird. Bei diesem Diagramm werden sog. Chrom- und Nickel- Equivalente betrachtet, mit denen mehre Ferrit- bzw. Austenitbildner berücksichtigt werden. Das Schaeffler-Diagramm ist in der einschlägigen Literatur zu finden. <<