Welchen Einfluss haben Legierungselemente auf Edelstahl?

Die chemische Zusammensetzung hat einen großen Einfluss auf die Mikrostruktur, die mechanischen Eigenschaften, die physikalischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit von Stahl. Chrom, Molybdän, Nickel und andere Legierungselemente können den Scheitelpunkt des Austenitgitters und die Mitte der sechs Seiten des Würfels ersetzen. Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff befinden sich aufgrund ihres geringen Volumens in der Lücke zwischen den Gitteratomen (Lückenposition), erzeugen enorme Spannungen im Gitter und werden so zu wirksamen Härtungselementen. Verschiedene Legierungselemente haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Eigenschaften von Stahl, manchmal vorteilhaft und manchmal schädlich. Die wichtigsten Legierungselemente von austenitischem Edelstahl haben folgende Auswirkungen:

 

Cr

Chrom ist ein Legierungselement, das Edelstahl „rostfrei“ macht. Mindestens 10,5% Chrom sind erforderlich, um den für Edelstahl charakteristischen Oberflächenpassivierungsfilm zu bilden. Der Passivierungsfilm kann Edelstahl wirksam widerstandsfähig gegen korrosives Wasser, verschiedene Säurelösungen und sogar starke Oxidation durch Hochtemperaturgaskorrosion machen. Wenn der Chromgehalt 10,5% übersteigt, wird die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl verbessert. Der Chromgehalt von 304 Edelstahl ist 18% und einige hochwertige austenitische Edelstahlsorten haben einen Chromgehalt von bis zu 20% bis 28%.

 

Ni

Nickel kann die austenitische Phase bilden und stabilisieren. 8%Ni macht 304 Edelstahl, wodurch es die mechanischen Eigenschaften, Festigkeit und Zähigkeit erhält, die Austenit erfordert. Hochleistungsfähige austenitische rostfreie Stähle enthalten hohe Konzentrationen an Chrom und Molybdän, und Nickel wird hinzugefügt, um die austenitische Struktur aufrechtzuerhalten, wenn dem Stahl mehr Chrom oder andere ferritbildende Elemente hinzugefügt werden. Die austenitische Struktur kann durch einen Nickelgehalt von etwa 20% gewährleistet werden, und die Spannungskorrosionsbruchfestigkeit von rostfreiem Stahl kann erheblich verbessert werden.

Nickel kann außerdem die Kaltverfestigungsrate bei der Kaltverformung verringern, weshalb die zum Tiefziehen, Drücken und Kaltstauchen verwendeten Legierungen im Allgemeinen einen hohen Nickelanteil aufweisen.

 

Mo

Molybdän verbessert die Lochfraß- und Spaltkorrosionsbeständigkeit von Edelstahl in einer Chloridumgebung. Die Kombination von Molybdän und Chrom, insbesondere Stickstoff, verleiht dem Hochleistungs-Austenit-Edelstahl eine hohe Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion. Mo kann auch die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl in reduzierenden Umgebungen wie Salzsäure und verdünnter Schwefelsäure verbessern. Der Mindestmolybdängehalt von Austenit-Edelstahl beträgt etwa 2%, wie beispielsweise Edelstahl 316. Hochleistungs-Austenit-Edelstähle mit dem höchsten Legierungsgehalt enthalten bis zu 7,5% Molybdän. Molybdän trägt zur Bildung der Ferritphase bei und beeinflusst das Phasengleichgewicht. Es ist an der Bildung mehrerer schädlicher Sekundärphasen beteiligt und bildet instabile Hochtemperaturoxide, die sich negativ auf die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit auswirken. Die Verwendung von Molybdän-haltigem Edelstahl muss berücksichtigt werden.

 

C

Kohlenstoff stabilisiert und stärkt die austenitische Phase. Kohlenstoff ist ein nützliches Element für Edelstahl, der in Hochtemperaturumgebungen wie Kesselrohren verwendet wird, kann sich jedoch in einigen Fällen nachteilig auf die Korrosionsbeständigkeit auswirken. Der Kohlenstoffgehalt der meisten austenitischen Edelstahlsorten ist normalerweise auf das niedrigste praktikable Niveau begrenzt. Der Kohlenstoffgehalt von Schweißsorten (304L, 201L und 316L) ist auf 0,030% begrenzt. Der Kohlenstoffgehalt einiger hochlegierter Hochleistungssorten ist sogar auf 0,020% begrenzt.

 

N

Stickstoff stabilisiert und stärkt die Austenitphase und verlangsamt die Karbidsensibilisierung und die Bildung der Sekundärphase. Sowohl Standard-Austenit-Edelstähle als auch Hochleistungs-Austenit-Edelstähle enthalten Stickstoff. In der kohlenstoffarmen Güte (L) kann eine kleine Menge Stickstoff (bis zu 0,1%) den Festigkeitsverlust aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehalts ausgleichen. Stickstoff trägt auch zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Chloridlochfraß und Spaltkorrosion bei, sodass einige der korrosionsbeständigsten Hochleistungs-Austenit-Edelstähle einen Stickstoffgehalt von bis zu 0,5% aufweisen.

 

Mn

Stahlwerke verwenden Mangan, um geschmolzenen Stahl zu desoxidieren, sodass in allen Edelstahlsorten eine kleine Menge Mangan verbleibt. Mangan kann auch die austenitische Phase stabilisieren und die Stickstofflöslichkeit in Edelstahl verbessern. Daher kann Mangan in Edelstahl der Serie 200 verwendet werden, um einen Teil des Nickels zu ersetzen und so den Stickstoffgehalt zu erhöhen sowie die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Einigen Hochleistungs-Austenit-Edelstählen wird Mangan zugesetzt, um denselben Effekt zu erzielen.

 

Cu

Kupfer kann die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl in reduzierenden Säuren, wie beispielsweise einigen Mischlösungen aus Schwefel- und Phosphorsäure, verbessern.

 

Si

Im Allgemeinen ist Silizium ein nützliches Element in austenitischem Edelstahl, da es die Korrosionsbeständigkeit von Stahl in konzentrierter Säure und Umgebungen mit hoher Oxidationsrate verbessern kann. Es wird berichtet, dass UNS S30600 und andere spezielle rostfreie Stähle mit hohem Siliziumgehalt eine hohe Beständigkeit gegen Lochkorrosion aufweisen. Silizium kann wie Mangan auch zum Desoxidieren von geschmolzenem Stahl verwendet werden, sodass im Stahl immer kleine Oxideinschlüsse verbleiben, die Silizium, Mangan und andere desoxidierende Elemente enthalten. Zu viele Einschlüsse beeinträchtigen jedoch die Oberflächenqualität des Produkts.

 

Nb und Ti

Diese beiden Elemente sind starke karbidbildende Elemente und können anstelle von kohlenstoffarmen Güten verwendet werden, um die Sensibilisierung zu verringern. Niobkarbid und Titankarbid können die Hochtemperaturfestigkeit verbessern. 347 und 321 rostfreie Stähle, die Nb und Ti enthalten, werden häufig in Kesseln und Raffinationsanlagen verwendet, um die Anforderungen an Hochtemperaturfestigkeit und Schweißbarkeit zu erfüllen. Sie werden auch in einigen Desoxidationsprozessen als Restelemente in hochleistungsfähigen austenitischen rostfreien Stählen verwendet.

 

S und P

Schwefel ist sowohl gut als auch schlecht für Edelstahl. Er kann die Bearbeitungsleistung verbessern, schadet aber der Verringerung der thermischen Verarbeitbarkeit und der Erhöhung der Anzahl von Mangansulfideinschlüssen, was zu einer verringerten Lochkorrosionsbeständigkeit von Edelstahl führt. Hochwertiger austenitischer Edelstahl lässt sich nicht leicht erhitzen, daher sollte der Schwefelgehalt so niedrig wie möglich gehalten werden, etwa 0,0011 TP3T. Hochleistungs-austenitischem Edelstahl wird normalerweise kein Schwefel als Legierungselement zugesetzt. Der Schwefelgehalt von Edelstahl in Standardqualität ist jedoch oft hoch (0,0051 TP3T ~ 0,0171 TP3T), um die Eindringtiefe der Schweißnaht beim Selbstschmelzschweißen zu verbessern und die Schneidleistung zu verbessern.

Phosphor ist ein schädliches Element und kann die Warmumformungseigenschaften beim Schmieden und Warmwalzen beeinträchtigen. Beim Abkühlen nach dem Schweißen fördert es außerdem die Entstehung von thermischen Rissen. Daher sollte der Phosphorgehalt auf einem Mindestniveau gehalten werden.