Ein umfassender Überblick über wetterfesten Stahl

Was ist wetterfester Stahl？

Witterungsbeständiger Stahl, auch bekannt als atmosphärisch korrosionsbeständiger Stahl, ist ein niedrig legierter, hochfester Stahl, der geringe Mengen an Legierungselementen enthält, um seine Korrosionsbeständigkeit unter atmosphärischen Bedingungen zu erhöhen. Seine Korrosionsbeständigkeit ist 2 bis 8 Mal höher als die von gewöhnlichem Kohlenstoffstahl, wobei die Schutzwirkung mit der Zeit immer stärker wird. Neben seiner ausgezeichneten Witterungsbeständigkeit zeichnet sich wetterfester Stahl durch hervorragende mechanische Eigenschaften und Schweißbarkeit aus, was ihn für den Einsatz in Schienenfahrzeugen, Brücken und Schiffscontainern prädestiniert.

Im Gegensatz zu rostfreiem Stahl ist wetterfester Stahl nicht rostfrei. Anfänglich korrodiert er ähnlich wie gewöhnlicher Kohlenstoffstahl, doch mit der Zeit ändert sich sein Verhalten. Nach einer gewissen Zeit des Rostens reichern sich Spurenelemente wie Kupfer (Cu) und Phosphor (P) auf der Stahloberfläche an und bilden eine dichte, amorphe Rostschicht. Diese Schicht verbindet sich fest mit dem Grundmetall und wirkt wie eine Barriere, die es teilweise vor Feuchtigkeit und schädlichen Ionen aus der Atmosphäre schützt und so weitere Korrosion verhindert.

Wetterfester Stahl kann mit Beschichtungen verwendet werden, unbeschichtet bleiben oder einer Stabilisierungsbehandlung unterzogen werden, wobei die Anforderungen an die Beschichtung identisch mit denen für normalen Kohlenstoffstahl sind. Ein herausragender Vorteil ist, dass er unbeschichtet verwendet werden kann, so dass kein Anstrich erforderlich ist. In Gebieten mit geringer Luftverschmutzung oder mäßiger Luftfeuchtigkeit kann wetterfester Stahl ohne Anstrich direkt der Atmosphäre ausgesetzt werden. In der Regel stabilisiert sich die Rostschicht nach etwa einem Jahr, wodurch die weitere Korrosion gestoppt wird und sich ein ästhetisch ansprechender schokoladenbrauner Farbton entwickelt. Dieser Stahl ist frei von Problemen wie der Farbalterung und erfordert keine Instandhaltungsanstriche, was die Instandhaltungskosten erheblich senkt und Verluste vermeidet, die mit anstrichbedingten Unterbrechungen verbunden sind.

Entwicklungsgeschichte

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts haben Länder wie die Vereinigten Staaten, Deutschland, das Vereinigte Königreich und Japan umfangreiche Forschungen über wetterfesten Stahl durchgeführt. Bereits 1916 entdeckten Wissenschaftler in Europa und den USA, dass Kupfer die Korrosionsbeständigkeit von Stahl unter atmosphärischen Bedingungen erhöht. Im selben Jahr initiierte die American Society for Testing and Materials (ASTM) Studien zur atmosphärischen Korrosion. Forscher wie C.P. Larrabee sammelten Korrosionsdaten, identifizierten Muster und erforschten die zugrunde liegenden Mechanismen. In den 1930er Jahren entwickelte die U.S. Steel Corporation Corten-Stahl - einen hochfesten, kupferhaltigen, niedrig legierten Stahl mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit. In den 1960er Jahren wurde Corten-Stahl unlackiert in Gebäuden und Brücken verwendet, wobei die gängigsten Varianten die phosphorreiche Kupfer-Chrom-Nickel-Corten-A-Serie und die Chrom-Mangan-Kupfer-Corten-B-Serie waren. Auch in Europa und Japan hat sich wetterfester Stahl durchgesetzt. Heute wird er international als eine Standardstahlsorte behandelt, deren Entwicklung, Anwendung und Konstruktion durch detaillierte Spezifikationen geregelt ist. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die wichtigsten Meilensteine in der weltweiten Entwicklung von wetterfesten Stählen.

In China wurde in den 1960er Jahren mit der Erforschung von wetterfestem Stahl und der Prüfung von Witterungseinflüssen begonnen. Im Jahr 1965 wurde der wetterfeste Stahl 09MnCuPTi erfolgreich versuchsweise hergestellt, was zur Entwicklung des ersten Eisenbahnwaggons aus wetterfestem Stahl in China führte. Die Nationale Kommission für Wissenschaft und Technologie und die Natural Science Foundation of China richteten ein landesweites Netz von Korrosionsteststationen ein und starteten 1983 eine 20-jährige, fünfzyklische Datenerhebung. Unter Ausnutzung der Ressourcenvorteile Chinas entwickelten die Forscher mehrere Stahlsorten, darunter die 08CuPVRE-Serie von Ansteel, die 09CuPTi-Serie von Wuhan Steel, 09MnNb von Jinan Steel, 10CrMoAl und 10CrCuSiV von Shanghai No. 3 Steel Plant.

Wetterfeste Stahlsorten

Nachfolgend finden Sie einen Überblick über einige bekannte wetterfeste Stahlsorten, einschließlich internationaler Normen und Beispiele von wichtigen Herstellern, z. B. aus den Vereinigten Staaten, Japan und China.

Cortenstahl (Vereinigte Staaten)

Cortenstahl, der in den 1930er Jahren von der U.S. Steel Corporation entwickelt wurde, ist eine der bekanntesten wetterfesten Stahlmarken. Er wird in zwei Hauptreihen unterteilt:

Corten A

• Zusammensetzung: Hoher Phosphorgehalt (P: 0,07%-0,15%), Kupfer (Cu: 0,25%-0,55%), Chrom (Cr: 0,5%-1,25%), Nickel (Ni: 0,65% max) und Spuren anderer Elemente wie Silizium (Si).
• Merkmale: Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufgrund des hohen Phosphorgehalts, der eine dichte Rostschutzschicht bildet. Außerdem bietet es eine gute Schweißbarkeit und mechanische Festigkeit.

Corten B

• Zusammensetzung: Weniger Phosphor (P: ≤0,025%), Kupfer (Cu: 0,20%-0,40%), Chrom (Cr: 0,40%-0,65%), Mangan (Mn: 0,50%-1,25%) und Vanadium (V: 0,02%-0,10%).
• Merkmale: Der Schwerpunkt liegt eher auf höherer Festigkeit und Zähigkeit als auf extremer Korrosionsbeständigkeit. Durch den geringeren Phosphorgehalt ist es besser für dickere Profile geeignet.

SPA-H (Japan)

• Standard: JIS G3125 (Japanische Industrienorm)
• Zusammensetzung: Kupfer (Cu: 0,25%-0,60%), Phosphor (P: 0,07%-0,15%), Chrom (Cr: 0,30%-1,25%), Nickel (Ni: ≤0,65%), Silizium (Si: 0,25%-0,75%).
• Merkmale: Ein hochfester wetterfester Stahl mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit, der für geschweißte Konstruktionen entwickelt wurde. Er bildet schnell eine stabile Rostschicht und bietet Haltbarkeit in feuchten und industriellen Umgebungen.

Chinesische wetterfeste Stahlsorten

China hat mehrere wetterfeste Stahlsorten entwickelt, die häufig auf die Verfügbarkeit von Ressourcen und den Bedarf der Industrie zugeschnitten sind:

Q235NH

• Zusammensetzung: Mangan (Mn: 0,20-0,60%), Kupfer (Cu: ≤0,15%), Phosphor (P: ≤0,03%).
• Merkmale: Streckgrenze ≥ 235 MPa, Zugfestigkeit 360-510 MPa, Korrosionsbeständigkeit 2-3 mal so hoch wie bei herkömmlichem Kohlenstoffstahl, geeignet für Anwendungen mit geringer Belastung wie Gebäudefassaden und Geländer.

Q295NH

• Zusammensetzung: C≤0.16%、Mn 0.50-1.00%、Cu 0.20-0.60%、Cr 0.30-0.80%.
• Merkmale: Streckgrenze ≥ 295 MPa, Zugfestigkeit 430-570 MPa, mit besserer Witterungsbeständigkeit als Q235NH, wird häufig für Schienenfahrzeuge und allgemeine Strukturteile verwendet.

Q355NH

• Zusammensetzung: C≤0.16%、Mn 0.90-1.50%、Cu 0.25-0.55%、Cr 0.30-1.25%.
• Merkmale: Streckgrenze ≥ 355 MPa, Zugfestigkeit 470-630 MPa, Dehnung ≥ 22%, gute Schweißbarkeit, geeignet für den Behälter- und Maschinenbau.

Q460NH

• Zusammensetzung: C≤0,18%、Mn 1,00-1,60%、Cu 0,25-0,55%、Cr 0,40-1,25%.
• Merkmale: Streckgrenze ≥ 460 MPa, Zugfestigkeit 570-730 MPa, Korrosionsbeständigkeit 3-4 mal so hoch wie bei normalem Kohlenstoffstahl, für schwere Maschinen und hochbelastete Strukturen.

Q295GNH

• Zusammensetzung: C ≤ 0,12%, P 0,07-0,15%, Cu 0,25-0,55%, Cr 0,30-1,25%
• Merkmale: Die Korrosionsbeständigkeit ist 4-6 Mal so hoch wie die von normalem Kohlenstoffstahl, mit einer dichten Rostschicht, die sich für exponierte Anwendungen wie Skulpturen und Außenanlagen eignet.

Q345GNH

• Zusammensetzung: C ≤ 0,12%, P 0,07-0,15%, Cu 0,25-0,55%, Ni ≤ 0,25%
• Merkmale: Streckgrenze ≥ 345 MPa, Zugfestigkeit 490 - 630 MPa, hervorragende Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion im Meer, Verwendung in Küstengebäuden und Windkraftanlagen.

Q460GNH

• Zusammensetzung: C ≤ 0,12%, P 0,07-0,15%, Cu 0,25-0,55%, Cr 0,50-1,50%
• Merkmale: Streckgrenze ≥ 460MPa, Zugfestigkeit 570- 730 MPa, hoher Phosphorgehalt beschleunigt die Stabilisierung der Rostschicht, geeignet für Chemikalienbehälter.

Europäische Normen (EN 10025-5)

Die europäische Norm EN 10025-5 spezifiziert wetterfeste Stähle unter der Bezeichnung "S" (Baustahl) mit einem "W" für wetterfeste Eigenschaften:

S355J2W

• Zusammensetzung: Kupfer (Cu: 0,25%-0,55%), Chrom (Cr: 0,40%-0,80%), Phosphor (P: ≤0,035%), Mangan (Mn: 0,50%-1,50%).
• Merkmale: Bietet eine Streckgrenze von 355 MPa und hervorragende Bewitterungseigenschaften, die im Laufe der Zeit eine stabile Rostschicht bilden.

S355K2W

• Zusammensetzung: Ähnlich wie S355J2W, mit leicht angepasster Legierung zur Verbesserung der Zähigkeit (K2 bedeutet höhere Schlagzähigkeit).
• Merkmale: Verbesserte Leistung bei niedrigen Temperaturen und Korrosionsbeständigkeit.

ASTM-Normen (Vereinigte Staaten)

Die ASTM bietet Spezifikationen für wetterfeste Stähle, die sich oft mit den Corten-Güten überschneiden:

ASTM A588

• Klassen: A588 Klasse A, B, C, K
• Zusammensetzung: Variiert je nach Sorte; typischerweise Cu: 0,25%-0,40%, Cr: 0,40%-0,70%, Ni: ≤0,50%, P: ≤0,04%, mit Vanadium oder Niob in einigen Sorten.
• Merkmale: Hochfester, niedrig legierter Stahl mit einer Mindeststreckgrenze von 345 MPa. Die Sorte K enthält zusätzliche Elemente für eine bessere Korrosionsbeständigkeit.

ASTM A242

• Zusammensetzung: Kupfer (Cu: 0,20% min), Chrom (Cr: 0,50%-1,25%), Phosphor (P: ≤0,15%).
• Merkmale: Eine der ersten wetterfesten Stahlnormen, die eine gute Korrosionsbeständigkeit für dünnere Profile bietet.

Hauptmerkmale für alle Klassenstufen

Korrosionsbeständigkeit: Alle Sorten entwickeln eine schützende Rostpatina, die die weitere Korrosion verlangsamt, wobei es je nach Legierungsgehalt Unterschiede gibt (z. B. höherer P-Gehalt bei Corten A, höherer Cr-Gehalt bei S355J2W).

Mechanische Eigenschaften: Die Streckgrenzen liegen typischerweise zwischen 235 MPa (z. B. SPA-H) und 355 MPa (z. B. S355J2W, A588), wobei einige Güten für Zähigkeit oder Schweißbarkeit optimiert sind.

Personalisierung: Sorten wie der chinesische 08CuPVRE enthalten seltene Erden, während andere wie 10CrMoAl auf bestimmte Umgebungen (z. B. Industrieatmosphäre) ausgerichtet sind.

Mechanische Eigenschaften von wetterfestem Stahl

Die mechanischen Eigenschaften von wetterfestem Stahl, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind, sind mit denen von hoch- oder niedriglegiertem Stahl vergleichbar. Allerdings muss wetterfester Stahl eine gute Kaltverformungsfähigkeit aufweisen.

Das Mikrogefüge von wetterfestem Stahl besteht typischerweise aus Ferrit und Perlit. Der Gehalt an Oxideinschlüssen darf den Wert 2 nicht überschreiten, Sulfideinschlüsse sollten den Wert 2,5 nicht überschreiten, und die Korngröße sollte nicht gröber als Wert 7 sein.

Legierungselemente von wetterfestem Stahl

Im Vergleich zu gewöhnlichem Kohlenstoffstahl bietet wetterfester Stahl eine bessere Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion, da die Legierungselemente die Leitfähigkeit der Rostschicht verringern und das schnelle Wachstum von Korrosionsprodukten verhindern. Seine Korrosionsbeständigkeit wird nach längerer Einwirkung deutlich. Legierungselemente, die die atmosphärische Korrosionsbeständigkeit verbessern, müssen: (1) eine höhere Löslichkeit in Eisen haben als in der Rostschicht, (2) eine feste Lösung bilden mit Eisenund (3) die Erhöhung des elektrochemischen Potenzials des Stahls. Studien zeigen unterschiedliche Auswirkungen verschiedener Legierungselemente auf die Bewitterungsleistung.

Kohlenstoff

Kohlenstoff wirkt sich negativ auf die atmosphärische Korrosionsbeständigkeit aus und beeinträchtigt die Schweißbarkeit, Kaltbrüchigkeit und Stanzen Eigenschaften. Normalerweise ist sein Massenanteil in wetterfestem Stahl auf unter 0,12% begrenzt.

Kupfer und Schwefel

Die Zugabe von 0,2%~0,4% Kupfer erhöht die Korrosionsbeständigkeit in ländlicher, industrieller oder maritimer Atmosphäre im Vergleich zu gewöhnlichem Kohlenstoffstahl erheblich. Kupfer wirkt insbesondere den schädlichen Auswirkungen von Schwefel entgegen, wobei seine Wirksamkeit mit steigendem Schwefelgehalt aufgrund der Bildung unlöslicher Sulfide zunimmt. Eine Verringerung des Restschwefelgehalts auf 0,01% erhöht die Bewitterungseigenschaften von Kohlenstoffstahl in die Nähe von Corten B und von allgemeinem legiertem Stahl in die Nähe von Corten A.

Phosphor

Phosphor ist eines der wirksamsten Elemente zur Erhöhung der atmosphärischen Korrosionsbeständigkeit. Es löst sich gleichmäßig im Stahl auf und bildet einen dichten Schutzfilm auf der Oberfläche. Optimale Korrosionsbeständigkeit wird bei einem Phosphorgehalt von 0,08%-0,15% erreicht.

Chrom

Chrom bildet eine dichte Oxidschicht auf der Stahloberfläche, die die Passivierung verbessert und das Rostwachstum verlangsamt. In der Regel liegt der Chromgehalt zwischen 0,4% und 1,0% (bis zu 1,3%), wobei die Wirkung in Kombination mit Kupfer besonders ausgeprägt ist.

Nickel

Nickel, ein stabiles Element, verschiebt das Selbstkorrosionspotenzial des Stahls positiv und verbessert die Stabilität. Atmosphärische Belastungstests zeigen, dass etwa 4% Nickel die Korrosionsbeständigkeit in küstennahen Umgebungen deutlich erhöht.

Kalzium

Spuren von Kalzium verbessern die allgemeine atmosphärische Korrosionsbeständigkeit und verhindern das Auslaufen von Rost während des Gebrauchs. Kalzium bildet CaO und CaS, die sich im Oberflächenelektrolytfilm auflösen, die Alkalität erhöhen, die Korrosivität verringern und die Bildung einer dichten, schützenden α-FeOOH-Rostphase fördern.

Mangan

Die Meinungen über die Wirkung von Mangan auf die Korrosionsbeständigkeit gehen auseinander. Die meisten Forscher sind sich einig, dass Mangan die Widerstandsfähigkeit in Meeresatmosphären erhöht, in industriellen Umgebungen jedoch kaum Auswirkungen hat. Der Mangangehalt liegt in der Regel zwischen 0,5% und 2,0%.

Molybdän

Mit 0,4%-0,5% reduziert Molybdän die Korrosionsraten um über 50% unter atmosphärischen Bedingungen, insbesondere in industriellen Umgebungen.

Elemente der Seltenen Erden

Seltene Erden (RE), die in einer Menge von ≤0,2% zugesetzt werden, werden in chrom- und nickelfreien verwitternden Stählen verwendet. Sie sind hochreaktiv und wirken als Desoxidations- und Entschwefelungsmittel, verfeinern die Körner, reduzieren schädliche Einschlüsse und verbessern die Korrosionsbeständigkeit durch Minimierung der Korrosionsausgangsstellen.

Anwendungen für wetterfesten Stahl

Wetterfestes Stahlblech hat nicht nur eine gute Witterungsbeständigkeit, sondern auch ein gewisses Maß an Verarbeitbarkeit. Es kann geschnitten, geschweißt, graviert und andere Verarbeitungstechniken, um eine Vielzahl von komplexen Design-Anforderungen zu erfüllen. Vor allem in der modernen Konstruktion und, die Anwendung von wetterfesten Stahlblech hat eine breite Perspektive.

Bauwesen

Wetterfeste Stähle werden hauptsächlich im Bauwesen zur Herstellung von Stahlkonstruktionen, Brücken, Leitplanken usw. verwendet. Aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit kann wetterfester Stahl die Lebensdauer dieser Konstruktionen erheblich verlängern, die Häufigkeit der Wartung und des Austauschs verringern und die Wartungskosten senken. Gleichzeitig kann das einzigartige Aussehen von wetterfestem Stahl dem Gebäude eine einzigartige Ästhetik verleihen.

Eisenbahn und Verkehr

Im Eisenbahn- und Verkehrssektor werden wetterfeste Stähle hauptsächlich bei der Herstellung von Schienen, Fahrzeugen, Containern usw. verwendet. Diese Anlagen sind häufig rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Diese Anlagen sind oft rauen Umweltbedingungen wie Regen, Schnee, Wind, Sand usw. ausgesetzt. Witterungsbeständige Stähle bieten einen ausgezeichneten Korrosionsschutz, um den langfristigen stabilen Betrieb der Anlagen zu gewährleisten.

Landwirtschaft

Zu den Anwendungen von wetterfestem Stahl in der Landwirtschaft gehören vor allem landwirtschaftliche Maschinen und Gewächshauskonstruktionen. Da wetterfester Stahl eine gute Korrosionsbeständigkeit und Alterungsbeständigkeit aufweist, kann er sich an verschiedene raue Umweltbedingungen anpassen und die landwirtschaftliche Produktion und Einrichtungen zuverlässig unterstützen und schützen.

Petrochemischer Bereich

In der petrochemischen Industrie wird wetterfester Stahl hauptsächlich zur Herstellung von Lagertanks, Rohrleitungen, Ventilen und anderen Anlagen verwendet. Diese Anlagen sind häufig korrosiven Medien wie Säuren, Laugen, Salzen usw. ausgesetzt. Wetterfester Stahl kann einen guten Korrosionsschutz bieten und die Lebensdauer der Anlagen verlängern.

Schlussfolgerung

Die Korrosionsbeständigkeit und Kosteneffizienz von wetterfestem Stahl machen ihn zu einem unverzichtbaren Werkstoff mit dauerhafter Bedeutung. Die künftige Forschung sollte sich auf globales Fachwissen stützen und gleichzeitig die einzigartigen Ressourcen und technischen Stärken Chinas nutzen. Der Schwerpunkt sollte auf der Entwicklung hocheffizienter, hochwertiger wetterfester Stähle liegen, die auf Chinas ökologische und regionale Bedürfnisse zugeschnitten sind, sowie auf schnellen Roststabilisierungstechniken für Oberflächenschichten.

Über SogaWorks

SogaWorks ist eine All-in-One-Online-Plattform für kundenspezifische mechanische Teile, die über 1.000 erstklassige Fabriken verbindet, um Start-ups und große Unternehmen zu bedienen. Wir bieten flexible Fertigungslösungen für Rapid Prototyping, Kleinserien und Großserien mit Dienstleistungen wie CNC-Bearbeitung, 3D-Druck, Blechfertigung, Urethanguss und Spritzguss. Mit unserer KI-gesteuerten Angebotserstellung kann SogaWorks innerhalb von 5 Sekunden Angebote erstellen, die beste Kapazität ermitteln und jeden Schritt verfolgen. Dies verkürzt die Lieferzeiten und steigert die Produktqualität.