Fragen Sie einen Ingenieur: Austenitischen Edelstahl meistern

Vielseitiger und zäher austenitischer Edelstahl – sogar bei kryogenen oder erhöhten Temperaturen

Edelstahl heißt „edelstahl“, wegen seiner Rostbeständigkeit. Stahl enthält Eisen und Kohlenstoff in bestimmten Prozentsätzen: Die Zugabe des Elements Chrom verwandelt ihn von Stahl zu Edelstahl. Ausgehend von diesen drei Grundelementen haben Metallurgen eine riesige Bandbreite an Edelstählen geschaffen. Metallarten in der Legierung, Legierungsanweisungen, Wärmebehandlungen und Nachbearbeitung fließen in die Beschreibung jeder Güte ein. Diese Spezifikationen sortieren sich in vier Hauptuntertypen: austenitisch, ferritisch, martensitisch und duplex. Alle sind nützlich, aber austenitische Stähle stechen durch ihre überlegene Nützlichkeit hervor. 70 % der Edelstahlartikel werden aus austenitischem Edelstahl hergestellt.

Chrom macht Edelstahl korrosionsbeständig, indem es schnell oxidiert. Dies bildet eine Dichtung oder „Passivschicht“, die das eisenbasierte Metall vor Rost schützt. Austenitischer Edelstahl hat ein zusätzliches Legierungselement, Nickel, das ihm Eigenschaften von Festigkeit und Duktilität verleiht.

Eigenschaften von austenitischem Edelstahl

Austenitischer Edelstahl hat viele nützliche Eigenschaften:

• Hoch korrosionsbeständig
• Langlebig
• Formbar
• Schweißbar
• Wird bei kryogenen Temperaturen nicht spröde
• Größerer Warmfestigkeitsbereich als andere Edelstahltypen
• Größere thermische Ausdehnung als martensitische und ferritische Edelstähle
• Geringere Wärmeleitfähigkeit als martensitische Güten
• Usually nicht magnetisch; leicht magnetisch wenn kaltverformt

Diese Eigenschaften machen austenitischen Edelstahl vielseitig und ideal für viele Anwendungen, einschließlich Küchen und Lebensmittelverarbeitungsausrüstung, Labore und Krankenhäuser, Außen-Stadtmöbel und Verkleidungen, Öfen und Brennöfen, Wärmetauscher und mehr. Die kommerziell gängige 300er-Serie, einschließlich der häufigen 304 und 316 Güten, sind austenitische Stähle.

Austenitischer Stahl hat diese nützlichen Eigenschaften wegen seiner molekularen Struktur. Allerdings ist es teuer, die Austenitmoleküle im Stahl zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Diese Stähle werden daher nur dort verwendet, wo ihre verbesserten Eigenschaften notwendig sind.

Austenitische Mikrostruktur

Wenn Metalle aus dem geschmolzenen Zustand erstarren, kristallisieren sie und bilden Körner, die sich in einem Gitter aneinander anlagern. Diese Kristallstruktur bestimmt viele der mechanischen Eigenschaften des Metalls.

Es gibt viele Faktoren, die diese Mikrostruktur beeinflussen: die Materialien im Gitter, wie heiß das Metall wird und wie schnell es abkühlt, und ob das Metall nachträglich wärmebehandelt wird. Austenitische Legierungen haben eine sogenannte „flächenzentriert kubische Mikrostruktur“. Dieses Gitter besteht aus dicht gepackten Zellen. Flächenzentrierte Austenitmoleküle zeigen sich nur in weichen Stählen, wenn Eisen in geschmolzenem Zustand ist. Wenn Metallurgen Nickel zur Legierung hinzufügen, kann diese Struktur auch bei abgekühltem Metall erhalten bleiben.

Flächenzentriert kubische Strukturen haben Atome an jeder Ecke der Zelle plus Atome im Zentrum jeder Fläche des Würfels. Es sind die Atome auf der Fläche jedes Würfels, die austenitischem Stahl seine Eigenschaften geben. Die Dichte der Atome pro Zelle gibt ihm Festigkeit. Viele andere Formen von Stahl und Edelstahl haben lockerere Strukturen ohne das Atom im Zentrum jeder Fläche.

Austenitischer Edelstahl ist nicht magnetisch, weil jedes Atom in der Zelle ein Paar mit entgegengesetzter Ladung finden kann.

Austenitischer Edelstahl: geeignet für Kryotechnik

Flächenzentriert kubische Strukturen sind bei extremen Temperaturen härter aufgrund der zusätzlichen Festigkeit der zusätzlichen Atome pro Zelle.

Austenitische Edelstähle sind die einzigen Edelstahltypen, die in kryogenen Anwendungen nicht spröde und leicht brechend werden. Selbst unter -180 °C (-292 °F) behält dieses Material seine Zähigkeit und Dehnung. Beim Schlag können die Moleküle aneinander vorbeigleiten, ohne zu zerspringen.

Im Vergleich zeigen körperzentriert kubische Strukturen üblicherweise eine „Übergangs“-Temperatur, unter der das Material bei mechanischer Beanspruchung zerspringt. Dies wird als Tieftemperaturversprödung bezeichnet.

Hitzetoleranz oder Warmfestigkeit

Wenn Metalle erhitzt werden, werden sie weicher, bis sie ihre Schmelzpunkte erreichen. Diejenigen, die weniger schnell weich werden, haben größere Warmfestigkeit. Austenitischer Edelstahl beginnt zwischen 480–540 °C (900–1.000 °F) an Festigkeit zu verlieren, aber nicht so schnell wie andere Edelstahltypen. Kontinuierliche Betriebstemperaturen in zwei Typen, martensitischen und ferritischen Edelstählen, liegen zwischen 700–815 °C (1.300–1.500 °F). Die maximale kontinuierliche Betriebstemperatur für austenitischen 310 Edelstahl beträgt 1.150 °C (2.100 °F).

Die Komplexität der Metalle

Metalle erhalten ihre einzigartigen Materialeigenschaften aus ihrer atomaren Kristallgitterbildung. Diese Körner werden von vielen verschiedenen Aspekten der Metallproduktion beeinflusst.

Stahl entsteht, wenn Eisen mit Kohlenstoff legiert wird, was eine starke, duktile, aber rostempfindliche Legierung erzeugt. Chrom wird hinzugefügt, um eine passive Oxidschicht zu schaffen und Rost zu verhindern. Bei Wärmebehandlung zwischen 910–1.395 °C (1.674–2.541 °F) permeiert Kohlenstoff durch das Gitter und der Edelstahl hat nun größere Duktilität und Festigkeit. Der einzige Weg, diese Struktur bei Raumtemperatur aufrechtzuerhalten, ist Nickel und/oder Mangan in der Legierung zu haben. Diese Zusätze bieten chemisches Gerüst für die flächenzentriert kubischen Zellen. Mit all diesen Elementen wird austenitischer Edelstahl geschaffen: nicht magnetisch, hitze- und kältebeständig, duktil und schweißbar.

Resistente austenitische Edelstähle arbeiten in vielen industriellen Umgebungen weiter. Ihre mechanischen Eigenschaften machen sie bei weitem zur beliebtesten Wahl in Edelstahlgüten. Allerdings machen zugesetztes Nickel und Mangan austenitische Stähle teurer: neue Duplex-Stähle, die Austenit und Ferrit interleaven, tendieren dazu, einige Eigenschaften von beiden zu haben. Sie sind ein günstigerer Weg, einige austenitische Stahlvorteile in nicht-extremen Umgebungen zu haben. Für kryogene Anwendungen und hitzeintensive wie Kessel, Wärmetauscher und Dampfleitungen wird austenitischer Edelstahl jedoch die beliebteste Wahl bleiben.