Arten von rostfreiem Stahl: Austenit vs. Martensit vs. Ferrit

Rostfreier Stahl ist ein beliebtes metallisches Material, das in vielen Bereichen eingesetzt wird. CNC-Prototyping. Es gibt verschiedene Arten: austenitisch, martensitisch, ferritisch und andere. Jede von ihnen bietet einzigartige Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit und hohe Festigkeit. Die Kenntnis der verschiedenen Typen und ihrer Unterschiede ist entscheidend für die Wahl des richtigen Typs für verschiedene Anwendungen.

Mikrostruktur von Stahl

Eisen ist das Grundelement von Stahl. In seinem festen Zustand weist Eisen zwei Kristallstrukturen auf. Die eine ist die kubisch-raumzentrierte Struktur (BCC), die in zwei Temperaturbereichen existiert. Sie wird als α-Eisen bezeichnet, wenn sie unter 912 °C vorliegt, und als δ-Fe, wenn sie über 1394 °C liegt. Die andere ist die kubisch-flächenzentrierte Struktur (FCC), die zwischen 912 °C und 1394 °C vorkommt und als γ-Fe bezeichnet wird.

Kohlenstoff ist ein weiteres wichtiges Element in Stahl und spielt eine entscheidende Rolle für dessen Mikrostruktur und Eigenschaften. Im Allgemeinen nimmt mit steigendem Kohlenstoffgehalt die Festigkeit des Stahls zu, während seine Plastizität abnimmt. Kohlenstoff kommt im Stahl hauptsächlich in zwei Formen vor: zum einen in Eisen gelöst, das eine feste Lösung bildet, und zum anderen als Eisenkarbid, bekannt als Zementit (FE3C), das hart und spröde ist.

Wenn sich Kohlenstoff in δ-Fe auflöst, wird es Ferrit genannt und behält die kubisch-raumzentrierte Struktur bei. Wenn sich Kohlenstoff in γ-Fe auflöst, wird es Austenit genannt und behält die kubisch-flächenzentrierte Struktur.

Was ist austenitischer rostfreier Stahl?

Bei Raumtemperatur existiert Austenit nicht unabhängig, und der Austenit-Phasenbereich ist klein. Durch die Zugabe bestimmter metallischer Elemente zum Stahl kann der Austenit-Phasenbereich jedoch erweitert werden, wodurch der Austenit bei Raumtemperatur stabil wird und eine austenitische Stahllegierung entsteht.

Austenitischer rostfreier Stahl ist eine Legierung, die durch Hinzufügen von 17%-25% Chrom und 8%-25% Nickel zu Kohlenstoffstahl entsteht. Sehen wir uns nun an, was rostfreier Stahl ist. Nichtrostender Stahl ist eine Stahlsorte, die ihre Korrosionsbeständigkeit durch die Zugabe von Elementen erhält, wobei das typische Merkmal ist, dass sie mindestens 10,5% Chrom enthält. Austenitische Stahllegierungen sind eine Kategorie von rostfreiem Stahl.

Warum ist austenitischer rostfreier Stahl korrosionsbeständig? Durch den Zusatz von Nickel weist der Stahl bei Raumtemperatur eine austenitische Struktur auf, wodurch die Anzahl der aufgrund von Unterschieden im Mikrogefüge gebildeten Korrosionszellen verringert und die Korrosionsbeständigkeit erhöht wird. Durch den Zusatz von Chrom bildet sich eine dichte Chromoxidschicht auf der Stahloberfläche, die den Stahl weniger anfällig für Rost macht. Ein typisches Beispiel für austenitischen SUS ist rostfreier Stahl 18-8das ist eine Legierung mit mindestens 18% Chrom und mindestens 8% Nickel.

Die nachstehende Mindmap zeigt die Güteklassen von nichtrostendem Austenitstahl.

Eigenschaften von rostfreiem austenitischem Stahl

Nicht-magnetisch. Austenitischer rostfreier Stahl ist bei Raumtemperatur unmagnetisch und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen starke magnetische Störungen auftreten.

Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Austenitischer nichtrostender Stahl verfügt über ein abgerundetes Eigenschaftsspektrum, insbesondere über eine hervorragende Beständigkeit gegen oxidierende Säuren. Er kann der Korrosion durch Schwefelsäure, Phosphorsäure, Ameisensäure, Essigsäure und Harnstoff widerstehen.

Gute Schweißeignung. Der hohe Nickelgehalt in austenitischem nichtrostendem Stahl trägt zur Stabilität und Duktilität beim Schweißen bei. Nickel trägt dazu bei, die Bildung spröder Phasen zu verhindern und verbessert die Fähigkeit des Werkstoffs, thermische Ausdehnungsspannungen ohne Rissbildung zu absorbieren.

Was ist martensitischer rostfreier Stahl?

Martensit ist eine übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in α-Fe. Wenn Stahl auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, um Austenit zu bilden, und dann schnell abgeschreckt wird, entsteht ein sehr hartes kristallines Gefüge, das als Martensit bekannt ist. Die Umwandlung beginnt, wenn der Austenit die Starttemperatur für die martensitische Umwandlung (Ms) erreicht, und dauert an, bis er unter die Umwandlungstemperatur (Mt) fällt. Im Allgemeinen gilt: Je höher der Prozentsatz der Umwandlung in Martensit, desto höher ist die Festigkeit des resultierenden martensitischen Stahls.

Martensitischer nichtrostender Stahl hat eine tetragonale (BCT) Kristallstruktur mit Körperschwerpunkt. Sein Hauptbestandteil ist Chrom (10,5%-18%), aber diese Art von rostfreiem Stahl enthält höhere Mengen an Kohlenstoff, und seine mechanischen Eigenschaften können durch Wärmebehandlungsverfahren wie Abschrecken und Anlassen angepasst werden. Martensitischer rostfreier Stahl wird in martensitischen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (0,05-0,25% Kohlenstoff) und martensitischen Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (0,61-1,20% Kohlenstoff) unterteilt. Martensitischer Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bietet eine bessere Korrosionsbeständigkeit, während martensitischer Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt eine höhere Festigkeit aufweist, aber spröder ist.

Die folgende Mindmap veranschaulicht die wichtigsten Legierungssorten von martensitischem nichtrostendem Stahl.

Eigenschaften von martensitischem rostfreiem Stahl

Magnetismus. Viele Arten von martensitischem Stahl sind magnetisch. Dies ist auf den Eisengehalt zurückzuführen, der der kristallinen Molekularstruktur magnetische Eigenschaften verleiht. Der Magnetismus erleichtert zwar die Klassifizierung des Metalls, erschwert aber das Schweißen und andere Fertigungsverfahren. Martensitischer Stahl bleibt magnetisch, egal ob im geglühten oder gehärteten Zustand.

Hohe Festigkeit. Die Härte hängt in erster Linie vom Kohlenstoffgehalt im Martensit ab. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt auch die Härte zu und erreicht nach dem Abschrecken nahezu den Höchstwert, wenn der Kohlenstoffgehalt etwa 0,6% beträgt.

Schlechte Korrosionsbeständigkeit. Das liegt daran, dass martensitischer nicht rostender Stahl einen geringeren Anteil an Chrom und Nickel enthält. Obwohl er korrosionsbeständig ist, ist martensitischer Edelstahl in rauen Umgebungen weniger widerstandsfähig als sein austenitisches Gegenstück.

Einstellbar durch Wärmebehandlung. Durch Abschrecken kann die Härte erhöht werden, während das Anlassen die Sprödigkeit verringert und die Zähigkeit erhöht. Durch die Steuerung von Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung können die Hersteller die Festigkeit, Härte und Zähigkeit des Stahls anpassen.

Was ist ferritischer rostfreier Stahl?

Wenn sich Kohlenstoff in δ-Fe auflöst, nennt man es Ferrit. Es hat eine kubisch-raumzentrierte Struktur. Seine Kohlenstofflöslichkeit ist sehr gering, nur 0,0008% bei Raumtemperatur, und die maximale Kohlenstofflöslichkeit beträgt 0,02% bei 727 °C.

Ferritischer rostfreier Stahl hat eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur (BCC). Er hat einen hohen Chromgehalt, der von 11% bis 27% reicht, enthält aber wenig oder kein Nickel und einen niedrigen Kohlenstoffgehalt (etwa 0,03%).

Die folgende Mindmap veranschaulicht die wichtigsten Legierungssorten von ferritischem nichtrostendem Stahl.

Eigenschaften von ferritischem rostfreiem Stahl

Magnetisch. Unter den Legierungszusammensetzungen ist Chrom (Cr) die Komponente, die den nichtrostenden Stahl magnetisch macht. Im Gegensatz dazu hemmt Nickel (Ni) die Entstehung dieses Magnetismus. Ferritischer nichtrostender Stahl hat Chrom als Hauptlegierungsbestandteil und enthält kein Nickel, daher ist er magnetisch.

Gute Korrosionsbeständigkeit. Ferritischer rostfreier Stahl enthält eine große Menge an Chrom, das eine schützende Oxidschicht auf der Oberfläche bilden kann, um Korrosion zu verhindern. Seine Korrosionsbeständigkeit ist jedoch nicht so gut wie die des austenitischen Edelstahls. Da ferritischer Stahl eine kubisch-raumzentrierte Struktur (BCC) aufweist, ist seine Korrosionsbeständigkeit etwas höher als die FCC-Struktur des austenitischen Stahls.

Schlechte Schweißbarkeit. Ferritische nichtrostende Stähle haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Das bedeutet, dass sie Wärme effizienter ableiten, und die Aufrechterhaltung der zum Schweißen erforderlichen Wärme kann eine Herausforderung darstellen. Darüber hinaus weisen ferritische nicht rostende Stähle bei niedrigeren Temperaturen eine geringere Duktilität auf, und der Schweißprozess beinhaltet eine örtlich begrenzte Erwärmung und Abkühlung. Solche Temperaturschwankungen können zur Versprödung der Schweißverbindung führen und die Zähigkeit verringern.

Vergleich: Austenit vs. Martensit vs. Ferrit

Zum Schluss wollen wir anhand einer Tabelle die Unterschiede zwischen ferritischem, martensitischem und austenitischem nichtrostendem Stahl aufzeigen.