Eisenlegierungen oder Metalle sind Metalle, die hauptsächlich aus Eisen (Fe) bestehen. Stahl ist eine Legierung auf Eisenbasis und enthält in der Regel weniger als 1 % Kohlenstoff, während Eisen häufig 2 % oder mehr Kohlenstoff enthält. Eisen und Stahl sind weithin verfügbar, fest, billig und können durch Gießen geformt werden. Die Eigenschaften von Eisenlegierungen lassen sich durch Wärmebehandlung und, im Falle von Stählen, durch Bearbeitung (d. h. Walzen oder Schmieden) verbessern. Nichtrostende Stähle wurden entwickelt, um korrosionsbeständig zu sein, und enthalten im Allgemeinen 12 % oder mehr Chrom und können je nach den gewünschten mechanischen Eigenschaften und dem Verwendungszweck Nickel in beliebiger Menge bis zum Chromgehalt oder sogar darüber hinaus enthalten.
Es gibt mehrere Arten von nichtrostendem Stahl. Wenn diese Legierungen für den Einsatz in einer korrosiven Umgebung in Betracht gezogen werden, besteht die am häufigsten verwendete Methode für die erste Auswahl darin, die PREn-Werte (Pitting Resistance Equivalent Number) der verschiedenen Materialien zu vergleichen. Dieser Wert wird anhand der Gewichtsprozente der wichtigsten Legierungselemente berechnet, die in einer bestimmten Edelstahlsorte enthalten sind. Die Formel lautet:
PREn = % Cr + (3,3 x % Mo) + (16 x % N)
Es liegt auf der Hand, dass Legierungen mit den höchsten Gehalten an Chrom, Molybdän und Stickstoff eine bessere Beständigkeit gegen Lochfraß aufweisen. Dies kann mit einer entsprechenden Erhöhung der Zugfestigkeit und der Streckgrenze einhergehen.
Ferritische nichtrostende Stähle
Edelstähle verdanken ihre Korrosionsbeständigkeit in erster Linie dem Vorhandensein eines passiven Films auf ihrer Oberfläche. Für die Bildung dieses Passivfilms ist vor allem Chrom verantwortlich. Eisen hört bei einem Chromgehalt von etwa 12 % auf zu rosten. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber oxidierenden Korrosionsmitteln steigt mit dem Chromgehalt rasch bis auf etwa 20 % an. Darüber hinaus nimmt die Beständigkeit jedoch allmählich und mit abnehmender Tendenz zu. Daher enthalten nur sehr wenige nichtrostende Legierungen mehr als 27 % Chrom. Diese Legierungen bestehen hauptsächlich aus Chrom und Eisen mit einem geringen Kohlenstoffgehalt. Die Legierungen werden häufig nach ihrer Kristallstruktur eingeteilt, die durch die Chemie und die Verarbeitung, einschließlich der Wärmebehandlung, beeinflusst wird. Ferritische nichtrostende Stähle haben eine Kristallstruktur, die hauptsächlich aus Ferrit besteht.
Martensitische nichtrostende Stähle
Der Zusatz von ausreichend Kohlenstoff zu Legierungen aus Chrom und Eisen führt zu Legierungen, die gehärtet und angelassen werden können. Die Korrosionsbeständigkeit wird durch den Kohlenstoffgehalt etwas verringert, aber die Verringerung wird minimiert, wenn diese Legierungen vollständig gehärtet und angelassen werden. Daher werden die Legierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt (über 0,15 % C) normalerweise nur im vollständig gehärteten und angelassenen Zustand verwendet. Ihr Gefüge bei schneller Abkühlung von Temperaturen über 870°C / 1600°F ist hauptsächlich martensitisch.
Gebräuchliche martensitische Sorten sind: MTEK 410, MTEK 416, MTEK 420, MTEK 431 und MTEK 440.
Austenitische Edelstähle
Von allen Elementen, die der Grundlegenden Legierung aus Chrom und Eisen hinzugefügt werden, ist Nickel das wichtigste. Es verbessert nicht nur die Korrosionsbeständigkeit, sondern verändert auch die Struktur und die mechanischen Eigenschaften der Legierung. Wenn einer ferritischen Eisen-Chrom-Legierung Nickel in zunehmenden Mengen zugesetzt wird, ändert sich das Gefüge der Legierung von Ferrit über gemischten Ferrit und Austenit bis hin zu fast ausschließlichem Austenit. Die meisten „18-8-Sorten“ (eine gängige Bezeichnung für rostfreien Stahl 304, der zu etwa 18 % aus Chrom und zu 8 % aus Nickel besteht) werden mit kontrollierten Ferritanteilen hergestellt, um die Schweißeigenschaften und die Festigkeit zu verbessern. Die Veränderung der Struktur geht mit einer deutlichen Steigerung der Duktilität und Zähigkeit einher. Nichtrostende Legierungen, die überwiegend eine austenitische Struktur aufweisen, bilden eine Familie nichtrostender Stähle, die bei weitem am häufigsten verwendet werden.
Superaustenitische nichtrostende Stähle
Unter bestimmten aggressiven Bedingungen sind die allgemeinen austenitischen nichtrostenden Stahlsorten anfälliger für Lochfraß, Spaltkorrosion und Spannungsrisskorrosion. Dies hat zur Entwicklung und Ergänzung der Austenitfamilie geführt, die als superaustenitischer rostfreier Stahl bezeichnet wird.
Die Verwendung von Superaustenit nimmt aufgrund der sich ändernden Bedingungen in der heutigen Prozessindustrie rasch zu. Nach dem Motto „einbauen und vergessen“ werden Legierungen verwendet, die nicht ständig und regelmäßig ausgetauscht werden müssen, z. B. in der Tiefsee und in Hochtemperaturanlagen mit geschlossenem Kreislauf.
Superaustenitische nichtrostende Stähle enthalten einen hohen Anteil an Chrom und Nickel sowie erhebliche Zusätze von Molybdän und Stickstoff. Das Ergebnis ist eine Reihe von Austenitstählen. Sie sind bis zu 30 % fester als herkömmliche rostfreie Stähle der Serie 300 und bieten eine hervorragende Beständigkeit gegen Lochfraß, Spaltkorrosion und Spannungsrisskorrosion. Ein austenitischer rostfreier Stahl wird als superaustenitisch bezeichnet, wenn sein PREn-Wert 40 übersteigt.
Zu den üblichen superaustenitischen Sorten gehören: MTEK 20, MTEK 20M, MTEK 6XN und 254SMO®.
Duplex-Edelstähle
Duplex-Edelstähle sind Legierungen, deren Gefüge im Allgemeinen zu annähernd gleichen Teilen aus Austenit und Ferrit besteht, wobei eine 60/40-, 40/60-Phasenverteilung allgemein als akzeptabel gilt.
Durch die Kombination von Austenit/Ferrit entstehen Legierungen mit einer doppelt so hohen Festigkeit wie herkömmliche austenitische nicht rostende Stähle.
Duplex-Stähle sind praktisch immun gegen Spannungsrisskorrosion (die Achillesferse herkömmlicher austenitischer nicht rostender Stähle) und weisen eine hohe Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion auf. Aufgrund dieser Eigenschaften ist es nicht verwunderlich, dass die meisten (aber bei weitem nicht alle) Anwendungen mit Meerwasser zu tun haben. Nichtrostende Duplexstähle werden häufig in der Offshore-Öl- und Gasförderung und in der Schiffsausrüstung verwendet, insbesondere unter der Wasseroberfläche.
Gängige Duplexsorten sind: MTEK 2205, MTEK 29MN / CD4MCuN, Ferralium® 255, Zeron® 100
Ausscheidungshärtende (alterungsgehärtete) nichtrostende Stähle
Der Bedarf an nichtrostenden Stählen, die die hervorragende Korrosionsbeständigkeit der austenitischen Typen mit der Fähigkeit, durch Wärmebehandlung gehärtet zu werden, kombinieren, führte zur Entwicklung einer Familie von nichtrostenden Stählen, die als PH-Typen bekannt sind. Sie können durch Ausscheidung (Alterung) bei niedrigen Temperaturen (900°F / 480°C) gehärtet werden, was die Verformung minimiert.
Gängige Sorten sind: MTEK 17-4PH®, MTEK 15-5PH®, MTEK und 14-4PH®.
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