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Ein vollständiger Leitfaden zu Edelstahl

Edelstahlsorten, Zusammensetzung, Molekularstruktur, Herstellung und Eigenschaften

In diesem Leitfaden:

Edelstahl ist die gebräuchliche Bezeichnung für eine große Gruppe von rostbeständigen Eisenlegierungen. Im Gegensatz zu anderen Eisenlegierungen besitzt Edelstahl eine stabile Passivierungsschicht, die ihn vor Luft und Feuchtigkeit schützt. Diese Rostbeständigkeit macht es zu einer guten Wahl für viele Anwendungen, einschließlich Anwendungen im Außenbereich, in Wasser, in der Gastronomie und bei hohen Temperaturen.

Wie wird Edelstahl hergestellt?

Edelstahl kann gegossen oder geschmiedet werden. Der Hauptunterschied besteht darin, wie es zu einem Endprodukt geformt wird. Edelstahlguss wird hergestellt, indem flüssiges Metall in einen Formbehälter mit einer bestimmten Form gegossen wird. Edelstahl geschmiedet beginnt in einem Stahlwerk, wo Stranggießer Edelstahl zu Barren, Vorblöcken, Knüppeln oder Brammen verarbeiten. Diese Fertigungsrohstoffe müssen dann durch weitere Arbeit in Form gebracht werden. Sie werden erneut erhitzt und durch Walz- oder Hämmertechniken nachbearbeitet.

Produkte aus geschmiedetem Edelstahl sind häufiger als Produkte aus gegossenem Edelstahl.

Gegossene Edelstahlobjekte werden in der Regel entweder in einer Gießerei oder unter deren Aufsicht hergestellt und veredelt. Wenn es sich um eine kleine Komponente eines größeren Produkts handelt, kann das Gussteil zur Montage an andere Fabriken gehen. Geschmiedeter Edelstahl beginnt in einem Stahlwerk, wird aber in einer anderen Fabrik zum Endprodukt verarbeitet.

Woraus besteht Edelstahl?

Wie jeder Stahl beginnt auch Edelstahl mit einer Mischung aus Eisen und Kohlenstoff. Was diese Legierungsfamilie auszeichnet, ist, dass Edelstahl auch mindestens 10,5 % Chrom enthält. Dieses Element verleiht Edelstahl seine charakteristische Oxidationsbeständigkeit. Wenn Edelstahl der Atmosphäre ausgesetzt wird, verbindet sich das Chrom mit Sauerstoff zu einer dünnen, stabilen Passivierungsschicht aus Chrom(III)-oxid (Cr2). O3 ). Die Passivierungsschicht schützt den inneren Stahl vor Oxidation und bildet sich schnell wieder, wenn die Oberfläche zerkratzt wird.

Diese Passivierungsschicht unterscheidet sich von der Plattierung. Einige Metalle werden zum Schutz der Oberfläche mit Zink, Chrom oder Nickel beschichtet. In diesen Fällen gehen die Vorteile der Beschichtung verloren, sobald ein Kratzer die Beschichtung durchdringt. Das Chrom im Inneren des Edelstahls bietet mehr als diesen Oberflächenschutz. Es bildet seinen Passivfilm immer dann, wenn es der Luft ausgesetzt ist. Daher heilt die Passivierungsschicht selbst bei tiefen Kratzern auf Edelstahl.




EISEN + KOHLENSTOFF =STAHL

+ CHROM =EDELSTAHL
(MINDESTENS 10,5 % CHROM)

Ferritische Legierungen


Chrom
(10,5–18 %)
Kohlenstoff
(0,08–0,15 %)

Ferritische Legierungen

Chrom (10,5–18 %)
Kohlenstoff (0,08–0,15 %)

Martensitische Legierungen

Kohlenstoff
(0,10–1,2 %)
+ Chrom
(12–18 %)

Die Produktion kann Abschrecken oder Lufthärten beinhalten.

Martensitische Legierungen

Kohle (0,10–1,2 %)
+ Chrom (12–18 %)

Die Produktion kann Abschrecken oder Lufthärten beinhalten.

Austenitische Legierungen


+ Chrom
(16 %)
+ Nickel
(8+ %)


Kann Molybdän, Titan oder Kupfer enthalten.

Austenitische Legierungen

+ Chrom (16 %)
+ Nickel (8+%)

Kann Molybdän, Titan oder Kupfer enthalten.

Duplexlegierungen



+ Chrom (19+ %)
+ Molybdän
+ kleine Menge Nickel



Enthält im Allgemeinen Molybdän, Kupfer oder andere Legierungselemente.

Duplexlegierungen

+ Chrom (19+ %)
+ Molybdän
+ kleine Menge Nickel

Enthält im Allgemeinen Molybdän, Kupfer oder andere Legierungselemente.

Ausscheidungshärtende Legierungen


+ Chrom
+ Nickel
+ Kupfer und/oder andere Elemente


Die Produktion muss Wärmebehandlungstechniken beinhalten.

Ausscheidungshärtende Legierungen

+ Chrom
+ Nickel
+ Kupfer und/oder andere Elemente


Die Produktion muss Wärmebehandlungstechniken beinhalten.


Arten von Edelstahl

Es gibt mehrere „Familien“ von Edelstahl. Jede dieser Familien hat unterschiedliche Anteile an Eisen, Chrom und Kohlenstoff. Einige enthalten andere Elemente wie Nickel, Molybdän, Mangan oder Kupfer. Die Eigenschaften dieser Stähle variieren je nach Inhalt, was sie zu einer vielseitigen Gruppe von Legierungen macht.

Edelstahlsorten

Sorten geben einen Hinweis auf die Familie eines bestimmten Edelstahls. Die häufigsten Noten sind:

Manchmal wählen Ingenieure zwischen Legierungen derselben Familie, wie bei den beiden beliebten kommerziellen Sorten von austenitischem Edelstahl, 304 vs. 316. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Autoauspuffanlagen wählen oft zwischen 304 und 409. Grills können aus 304 oder 430 hergestellt werden.

Ist Edelstahl magnetisch?

Die Verwendung eines Magneten, um festzustellen, ob das Metall vor Ihnen rostfrei ist, wird Ihnen keine endgültige Antwort geben. Einige Güten und Arten von Edelstahl sind magnetisch und andere nicht – alles hängt von den verschiedenen Elementen in der Legierung ab.

Austenitische rostfreie Stahlsorten (Serie 3xx) sind nicht magnetisch. Ihr rostfreier Kühlschrank, der frei von Magneten und Kühlschrankkunst ist? Austenitischer Edelstahl aufgrund der Mikrostrukturen der Kristalle. (Lesen Sie weiter unten in unserem technischen Abschnitt mehr.)

Martensitische und die gebräuchlicheren ferritischen Edelstahlsorten wie 430 sind magnetisch. Duplexstähle, die eine Mischung aus austenitischen und ferritischen Stählen sind, sind in der Regel schwach magnetisch. Ein Magnet am ferritischen Stahl hält fest. Auf dem Duplex ist es möglicherweise einfacher, ihn zu stören und abzurutschen.

Mechanische Eigenschaften von Edelstahl

Edelstahl wird normalerweise gewählt, weil es korrosionsbeständig ist – aber es wird auch gewählt, weil es Stahl ist. Eigenschaften wie Festigkeit, Streckgrenze, Zähigkeit, Härte, Reaktion auf Kaltverfestigung, Schweißbarkeit und Hitzetoleranz machen Stahl zu einem unglaublich nützlichen Metall in Technik, Konstruktion und Fertigung, insbesondere angesichts seiner Kosten. Ein Ingenieur berücksichtigt die Betriebslast und die atmosphärischen Bedingungen des Edelstahls, bevor er sich für eine Sorte entscheidet.

Zugeigenschaften

Zugeigenschaften von Metallen werden durch Ziehen gemessen. Ein repräsentativer Zugstab wird einer Zugkraft ausgesetzt, die auch als Zugbelastung bezeichnet wird. Beim Versagen werden Zugfestigkeit, Streckgrenze, Dehnung und Querschnittsverringerung gemessen.

Härte

Härte ist die Fähigkeit von Stahl, Eindrücken und Abrieb zu widerstehen. Die beiden gebräuchlichsten Härteprüfungen sind Brinell und Rockwell. Beim Brinell-Test wird eine kleine gehärtete Stahlkugel durch eine Standardlast in den Stahl gedrückt und der Durchmesser des entstehenden Eindrucks gemessen. Der Rockwell-Test misst die Tiefe des Eindrucks. Die Härte kann bei einigen Metallen durch Kaltverformung, auch Kaltverfestigung genannt, erhöht werden. Bei einigen Metallen kann die Härte durch Wärmebehandlung erhöht werden.

Zähigkeit

Zähigkeit ist die Fähigkeit von Stahl, unter sehr lokalisierter Belastung plastisch nachzugeben. Ein zäher Stahl ist widerstandsfähig gegen Rissbildung, was Zähigkeit zu einer äußerst wünschenswerten Eigenschaft macht, die in technischen Anwendungen verwendet wird. Die Zähigkeit wird mit einem dynamischen Test ermittelt. Ein Probenstab wird eingekerbt, um die Spannung zu lokalisieren, und dann von einem schwingenden Pendel getroffen. Die beim Brechen des Probenstabs absorbierte Energie wird dadurch gemessen, wie viel Energie das Pendel verliert. Zähe Metalle absorbieren mehr Energie, während spröde Metalle weniger absorbieren.



Ferritisch

Ferritische Edelstähle enthalten Eisen, Kohlenstoff und 10,5–18 % Chrom. Sie können andere Legierungselemente wie Molybdän oder Aluminium enthalten, jedoch normalerweise in sehr geringen Mengen. Sie haben eine kubisch-raumzentrierte (BCC) Kristallstruktur – die gleiche wie reines Eisen bei Umgebungstemperatur.

Ferritische Edelstähle sind aufgrund ihrer Kristallstruktur magnetisch. Ihr relativ geringer Kohlenstoffgehalt ergibt eine entsprechend geringe Festigkeit. Andere Schwächen des ferritischen Typs umfassen eine schlechte Schweißbarkeit und eine verringerte Korrosionsbeständigkeit. Sie sind jedoch wegen ihrer überlegenen Zähigkeit für technische Anwendungen wünschenswert. Ferritische Edelstähle werden häufig für Fahrzeugauspuffrohre, Kraftstoffleitungen und architektonische Verkleidungen verwendet.

Austenitisch

Austenitische Edelstähle haben eine kubisch flächenzentrierte (FCC) Kristallstruktur und bestehen aus Eisen, Kohlenstoff, Chrom und mindestens 8 % Nickel. Aufgrund ihres hohen Chrom- und Nickelgehalts sind sie sehr korrosionsbeständig und nicht magnetisch. Wie ferritische Edelstähle können austenitische Edelstähle nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden. Sie können jedoch durch Kaltverformung gehärtet werden. Der hohe Nickelgehalt in austenitischen Edelstählen macht sie in der Lage, in Niedertemperaturanwendungen gut zu funktionieren.

Die beiden am häufigsten verwendeten Edelstähle – 304 und 316 – sind beide austenitische Sorten. Der Hauptgrund für die Beliebtheit von austenitischen Edelstählen ist die Leichtigkeit, mit der sie geformt und geschweißt werden können, was sie ideal für eine hocheffiziente Fertigung macht. Es gibt viele Untergruppen von austenitischen Edelstählen mit großen Variationen im Kohlenstoffgehalt. Durch die Zugabe von Legierungselementen wie Molybdän, Titan und Kupfer werden die Eigenschaften weiter abgestimmt. Austenitische Edelstähle werden häufig zur Herstellung von Küchenspülen, Fensterrahmen, Lebensmittelverarbeitungsgeräten und Chemikalientanks verwendet. Sie werden auch häufig für Außenmobiliar wie Bänke, Edelstahlpoller und Fahrradständer verwendet.

Martensitisch

Martensitische Edelstähle haben eine raumzentrierte tetragonale (BCT) Struktur. Sie enthalten 12–18 % Chrom und einen höheren Kohlenstoffgehalt (0,1–1,2 %) als austenitische oder ferritische Edelstähle. Wie die ferritische BCC-Struktur ist BCT magnetisch. Martensitische Edelstähle sind sehr nützlich in Situationen, in denen die Festigkeit des Stahls wichtiger ist als seine Schweißbarkeit oder Korrosionsbeständigkeit. Der Hauptunterschied besteht darin, dass martensitischer Edelstahl aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts durch Wärmebehandlung gehärtet werden kann. Dies macht sie für eine Reihe von Anwendungen nützlich, darunter Luft- und Raumfahrtteile, Besteck und Klingen.

Duplex

Duplex-Edelstähle sind die neueste Edelstahlsorte. Sie enthalten mehr Chrom (19–32 %) und Molybdän (bis zu 5 %) als austenitische Edelstähle, aber deutlich weniger Nickel. Duplex-Edelstähle werden manchmal als austenitisch-ferritisch bezeichnet, da sie eine hybride ferritische und austenitische Kristallstruktur aufweisen. Die etwa hälftige Mischung aus austenitischer und ferritischer Phase in Duplex-Edelstählen verleiht ihm einzigartige Vorteile. Sie sind widerstandsfähiger gegen Spannungsrisskorrosion als austenitische Sorten, zäher als ferritische Sorten und ungefähr doppelt so fest wie eine reine Form von beiden. Der Hauptvorteil von Duplex-Edelstählen ist die Korrosionsbeständigkeit, die der austenitischen Güten bei Chloridbelastung entspricht oder diese übertrifft.

Duplex-Edelstähle sind auch sehr kostengünstig. Die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Duplex-Edelstahl wird mit einem geringeren Legierungsgehalt erreicht als vergleichbare austenitische Sorten. Duplex-Edelstähle werden regelmäßig zur Herstellung von Teilen für chloridexponierte Anwendungen in der Entsalzungs- und petrochemischen Industrie verwendet. Sie werden auch in der Bau- und Konstruktionsindustrie für Brücken, Druckbehälter und Zugstangen verwendet.

Ausscheidungshärtung

Ausscheidungshärtende rostfreie Stähle können eine Reihe von Kristallstrukturen aufweisen, sie enthalten jedoch alle sowohl Chrom als auch Nickel. Ihre gemeinsamen Eigenschaften sind Korrosionsbeständigkeit, einfache Herstellung und extrem hohe Zugfestigkeit bei Wärmebehandlung bei niedriger Temperatur.

Austenitische ausscheidungshärtende Legierungen wurden größtenteils durch höherfeste Superlegierungen ersetzt. Halbaustenitische ausscheidungshärtende rostfreie Stähle werden jedoch weiterhin in Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet und sogar auf neue Formen angewendet. Martensitische ausscheidungshärtende Edelstähle sind fester als normale martensitische Güten und werden häufig zur Herstellung von Stäben, Stäben und Drähten verwendet.

Ein technischer Look:die molekulare Mikrostruktur von Edelstahl

Wenn Metalle aus dem geschmolzenen Zustand gefrieren, kristallisieren sie und bilden Körner. Diese Kristallstruktur bestimmt viele der mechanischen Eigenschaften des Metalls. Viele Faktoren beeinflussen diese Mikrostruktur.

Die Arten von Atomen in einer Legierung verändern die Struktur aufgrund der Moleküle, die von diesen Atomarten gebildet werden. Die Prozentsätze jedes Materials bestimmen auch, welche Anordnungen die Atome bilden.

Die Temperatur hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Form des Kristallgitters eines Metalls. Bei bestimmten Temperaturen beginnen sich unterschiedliche Strukturen zu bilden. Legierungen haben Phasentabellen, die zeigen, welche Arten von Körnern bei unterschiedlichen Temperaturen und mit unterschiedlichen Prozentsätzen wichtiger Elemente üblich sind.

Unser Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm veranschaulicht, wie Temperatur und Kohlenstoff die Bildung von Körnern in Stahl beeinflussen. Es zeigt drei Phasen der Eisenbildung:

Die Zugabe von Kohlenstoff beeinflusst, wie die Grundkörner des Stahls kristallisieren, sich stabilisieren und miteinander interagieren. Die Temperatur beeinflusst, wie der Kohlenstoff absorbiert wird. Die Hochtemperatur-Austenitphase ist mit Kohlenstoff gesättigt, mit dicht gepackten Metallmolekülen. Bei anderen Temperaturen wird nicht der gesamte Kohlenstoff absorbiert. Es schafft andere molekulare Strukturen. Beispielsweise ist es üblich, dass eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung Fe3 enthält C Zementitmoleküle. In reiner Form gehört Zementit zu den Keramiken:Er ist hart und spröde und verleiht dem fertigen Metall diese Eigenschaften. Graphit kann sich auch auf molekularer Ebene bilden. Die Form dieses Graphits kann beeinflussen, wie sich das Metall verhält, wenn es geschlagen wird. Runde Graphitknollen können beim Auftreffen aneinander vorbeigleiten, sich verformen, aber nicht brechen. Im Vergleich dazu kann ein Metall mit viel flockigem Graphit beim Schlagen entlang der Flockengrenzen abscheren. Wie schnell ein Metall abgekühlt wird und ob es wärmebehandelt oder bearbeitet wird, wirkt sich ebenfalls auf Korngröße und -form aus.

Austenitische Stähle sind solche, die ein Austenitgitter mit γ-Eisen aufweisen. Im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm findet man dieses Gitter normalerweise bei hohen Temperaturen. Die Zugabe von Nickel und/oder Mangan ermöglicht jedoch, dass Austenit verbleibt, während der Stahl abkühlt. Die Austenit-Mikrostruktur ist als „flächenzentriert kubisch“ bekannt. Kubisch flächenzentrierte Moleküle verleihen Metall besondere Eigenschaften.

Körperzentrierte vs. flächenzentrierte kubische Mikrostrukturen

Metall ist ein Kristall aus einem Molekülgitter. Jede Zelle eines Gitters besteht aus Atomen. Die Anzahl der Atome in jeder Gitterzelle und wie sie sich miteinander verbinden, verändern das Verhalten dieses Gitters unter Belastung. Die Grundgitter sind primitiv, körperzentriert und flächenzentriert.




GRUNDLEGENDE ZELLFORMEN

Primitiv
Kubisch

Körper-
Zentriert
Kubik (BCC)

Face-Centered
Cubic (FCC)


Steel, without nickel or manganese, achieves a stable face-centered cubic (FCC) structure between 1,674—2,541°F. At these temperatures, carbon in the steel permeates each cell.

However, this steel, cooled in a regular (unquenched) fashion, will become ferritic and body-centered cubic (BCC). It will not maintain the FCC structure.

BCC lattices are more vulnerable to some types of mechanical strain than more densely-packed FCC structures. They don’t have the same number of atoms in each cell holding the lattice together. Keeping the FCC structure even at room temperatures helps maintain its extra strength. This is usually done with extra elements added to the alloy.

Microstructures of ferritic, austenitic, martensitic, and duplex steels

Ferritic steel is a common BCC steel. It becomes brittle at cryogenic temperatures, loses strength quickly in elevated temperatures, and is magnetic. These properties are due to the body-centered cubic (BCC) form.

Within each “loosely” packed BCC cell, not all electrons are able to find and pair with electrons of the opposite spin. It is these unattached electrons that create the magnetism of the ferritic steel. With only two atoms adding strength to each cell, ferritic steel is also easier to break, especially in hot or cold environments.

Austenitic steel is FCC at room temperature due to an addition of nickel in the alloy. Austenitic steel is more ductile than FCC, even at cryogenic temperatures. It has more heat-strength. It is also not magnetic. These properties are due to its face-centered (FCC) form.

All lattices have “slip systems,” or lines of shear, where the lattice can slide when struck without the cells being ripped apart. Cubic lattices have lots of symmetry and therefore more slip planes. Perhaps counterintuitively, the more densely packed FCC crystal has more lines of shear than the loosely packed BCC crystals. Densely packed crystals slide more easily past each other. Each cell has more atomic weight and strength and holds together more easily.

Plastic deformation at the micro level supports the material’s ductility at the macro level. This is why there is a wider range of resilience in face-centered cubic structures. Ferritic structures are more likely to shatter on impact, or fracture when stretched, especially in challenging environments.

Austenitic stainless steels are the only stainless types that do not become brittle and easily fractured in cryogenic applications. Austenitic steel keeps most of its toughness and elongation even below -292°F. Low-temperature embrittlement is characteristic of ferritic and duplex steels. After a transition temperature they become likely to shatter under stress.

Martensitic steels are another type of steel with a very different type of grain at the surface. These steels do not have a simple cubic microstructure. Martensite is formed by quenching:a rapid cooling of the surface. The environmental shock causes the lattice to heave as it freezes. Martensitic microstructures are under strain, in a body-centered tetragonal shape, and do not line up evenly. This allows martensitic surfaces to be harder, but they are also more brittle, even at room temperature.

Duplex steels are a relatively new addition to the varieties of stainless steels. These steels have a blend of microstructures. Interleaved layers of ferrite and austenite give the final material properties of both. The lower percentages of nickel and/or manganese needed for duplex stainless lowers the cost compared to austenitic stainless.

Care and maintenance of stainless steel

Although stainless steel is rust-resistant, it is not impervious. Its corrosion resistance is based on its passivation layer, which can be disturbed chemically. Salts, acids, scratches that hold moisture, and iron deposits can cause stainless steel to become vulnerable to rust.

Care must be taken when installing stainless:steel tools can change the surface chemistry of the steel by leaving behind iron deposits that make the surface vulnerable. Any place that has come into contact with steel should be cleaned. Deep scratches that could hold moisture should be avoided.

Maintenance of stainless surfaces is not difficult but should be undertaken regularly if the steel is exposed to bumps, scratches, salt, iron, or other chemicals. Outdoor site furniture should be attended to twice per year.

The way to clean stainless steel depends on the type of issue at hand. Different strategies are necessary for different types of marks. Our in-depth cleaning post describes steps for discoloration, rust, grease, fingerprints, cement, or limestone. It is good to deal with corrosion quickly. When caught early, WD-40 or another lubricant may be all that is necessary to remove rust.

With proper maintenance and care, the properties of stainless steel that make it so attractive—steel’s toughness wedded to chromium’s corrosion resistance and luster—can continue to be a stress-free asset for years.

For more information on stainless steel, or to request a quote for a custom project, please contact us.




Metall

  1. Wie Edelstahl hergestellt wird
  2. Eine Einführung in den austenitischen Edelstahl
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