Was ist eine Edelstahl-Oberflächenveredelung?
Die Oberflächenveredelung von Edelstahl beeinflusst weit mehr als nur die Ästhetik – auch Leistung, Zuverlässigkeit und weitere wichtige Faktoren spielen…
Die Nachfrage nach Edelstahl steigt jährlich um beeindruckende 5 %. Im Jahr 2019 erreichte die weltweite Produktion über 52 Millionen Tonnen.
Derzeit nutzen zahlreiche Branchen Edelstahl. Neben dem traditionellen maritimen Bauwesen steigt auch der Einsatz in Haushaltsgeräten stetig an.
Obwohl Edelstahl teurer ist als ichstahl, führen seine herausragenden Eigenschaften zu einer längeren Lebensdauer und geringeren Lebenszykluskosten Die höheren Anschaffungskosten zahlen sich also auf lange Sicht aus.
Dieser Artikel wirft einen genaueren Blick auf dieses Metall und erklärt, warum es in so vielen verschiedenen Industrien so beliebt ist.
Wir wissen, dass Stahl eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff mit einemen Kohlenstoffgehalt von 2,1 % ist. Edelstähle sind eine Gruppe von Stählen, die durch Zugabe von Legierungselementen gegen Korrosion beständig gemacht werden.
Der Begriff Edelstahl beschreibt eine Familie von etwa 200 Stahllegierungen mit bemerkenswerter Hitze- und Korrosionsbeständigkeit. Der Kohlenstoffanteil kann zwischen 0,03 % und 1,2 % liegen.
Das herausragende Merkmal ist der hohe Chromgehalt. Edelstahl enthält mindestens 10,5 % Chrom, was seine Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit verbessert.
Das Chrom in der Legierung bildet bei Kontakt mit Luft eine Passivschicht, die als Schutzschild gegen weitere Korrosion dient und den Stahl im Wesentlichen rostfrei macht. Dieser Mechanismus sorgt dafür, dass Edelstahl unter normalen Arbeitsbedingungen lange Zeit makellos bleibt.
Seit über 70 Jahren wird Edelstahl mit großem Erfolg in verschiedensten Branchen eingesetzt. Jedes Jahr werden weitere Anwendungsbereiche entdeckt, da die Vorteile zunehmend erkannt werden.
Mit der steigenden Nachfrage hat sich auch die Produktion erhöht, wodurch Edelstahl erschwinglicher geworden ist. Die wachsende Nachfrage führt zu einer Verfügbarkeit in Standard- und Sondermaßen. Zudem stehen zahlreiche Edelstahl-Oberflächen zur Auswahl.
Neben polierten Oberflächen gibt es eine Vielzahl von gemusterten und farbigen Varianten, sodass sich für jeden Bedarf die passende Lösung finden lässt.
Edelstahl ist zudem zu 100 Prozent recycelbar. Tatsächlich stammen rund 50 % der Edelstahlproduktion aus Schrott, was ihn zu einem vergleichsweise umweltfreundlichen Material macht.
Edelstahl ist ein äußerst vielseitiges Material. Er wird bevorzugt eingesetzt, wenn die Eigenschaften von Stahl mit Korrosionsbeständigkeit kombiniert werden müssen.
Seine erste Anwendung fand Edelstahl im Besteckbereich – vor allem aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit. Anschließend hielt er Einzug in die chemische Industrie. Heute begegnet uns Edelstahl nahezu überall.
Die Einsatzmöglichkeiten variieren je nach Branche. So werden beispielsweise winzige Bauteile für Uhren gefertigt, während großflächige Paneele mit spezifischer Oberfläche ganze Gebäude verkleiden können.
Walt Disney Concert Hall
Einige Branchen, in denen Edelstahl intensiv genutzt wird:
Je nach Beanspruchung stehen zahlreiche Edelstahlgüten und Oberflächen zur Verfügung. Basierend auf der Mikrostruktur lassen sich vier Hauptkategorien unterscheiden.
Austenitischer Edelstahl besitzt Austenit als primäre Mikrostruktur. Austenit ist eine feste Lösung aus Eisen und Kohlenstoff, die oberhalb der kritischen Temperatur von 723°C auftritt. Diese Edelstahlfamilie zeichnet sich durch hohe Zähigkeit und bemerkenswerte Temperaturbeständigkeit aus.
Etwa 70 % aller Edelstähle sind austenitisch. Sie enthalten mindestens 16 % Chrom und 6 % Nickel.
Austenitbildner sind Elemente, die die Ausbildung der Austenit-Mikrostruktur fördern. Diese Edelstahlgüte ist ein nichtmagnetisches Metall und kann durch Wärmebehandlung nicht gehärtet werden. Die Korrosionsbeständigkeit lässt sich je nach Einsatzumgebung variieren.
Ferritische Stähle enthalten in der Regel nur Chrom als Legierungselement. Der Chromgehalt liegt zwischen 10,5 und 18 %. Sie verfügen über eine durchschnittliche Korrosionsbeständigkeit und eingeschränkte Verarbeitbarkeit. Auch durch Wärmebehandlung kann die Härte nicht gesteigert werden.
Sie bieten meist bessere konstruktive Eigenschaften als austenitische Güten und sind im Gegensatz zu diesen magnetisch. Zudem weisen sie eine gute Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit auf, was zu geringerem korrosivem Materialverschleiß führt.
Duplex-Edelstahl ist eine Kombination aus austenitischem und ferritischem Edelstahl und vereint somit die Eigenschaften beider Gruppen. Er weist einen hohen Chrom- und niedrigen Nickelgehalt auf. Mit hoher Zugfestigkeit und guter Schweißbarkeit bietet Duplexstahl besondere Vorteile.
Er zeigt gute Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion, jedoch nicht so stark wie ferritische Güten. Die Zähigkeit liegt über der von ferritischen, aber unter der von austenitischen Stählen.
Diese Edelstahlsorte enthält einen hohen Kohlenstoff- und einen niedrigen Chromgehalt. Wie ferritische Güten ist sie magnetisch. Zwar ist die Schweißbarkeit im Vergleich zu anderen Güten geringer, dafür besitzt sie eine höhere Härtbarkeit und kann durch Wärmebehandlung optimiert werden.
Martensitischer Edelstahl hat eine geringere Korrosionsbeständigkeit als austenitische und ferritische Güten mit vergleichbarem Chrom- und Legierungsgehalt.
Diese Untergruppe vereint Eigenschaften von austenitischen und martensitischen Stählen. Die Härtung erfolgt durch Zugabe von Elementen wie Aluminium, Molybdän, Niob, Titan und Kupfer.
Durch Wärmebehandlung können hohe Zugfestigkeiten erreicht werden. Chrom und Nickel sind die Hauptlegierungselemente. Einsatzgebiete sind Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Turbinenschaufeln.
Es gibt heute Hunderte von Edelstahlgüten auf dem Markt. Die richtige Auswahl für die jeweilige Anwendung ist entscheidend, da sich die Eigenschaften erheblich unterscheiden können.
Das AISI-System (American Iron and Steel Institute) zur Benennung von Edelstahl wird weiterhin verwendet. Es arbeitet mit dreistelligen Nummern, die mit 2, 3 oder 4 beginnen.
Diese Serie umfasst austenitische Edelstähle mit Mangan. Diese Chrom-Mangan-Stähle enthalten wenig Nickel (unter 5 %).
Einsatzgebiete der 200er Serie:
Diese Serie steht für austenitische Edelstähle mit Kohlenstoff, Nickel und Molybdän als Legierungselemente. Molybdän erhöht die Korrosionsbeständigkeit in sauren Medien, Nickel verbessert die Duktilität.
Die Güten AISI 304 und 316 sind die bekanntesten dieser Serie. AISI 304 ist auch als 18/8-Stahl bekannt, da er 18 % Chrom und 8 % Nickel enthält.
Heißes Essen in Edelstahlbehältern
Anwendungen der 300er Serie:
Ferritische und martensitische Legierungen bilden die 400er Serie. Diese Stähle können wärmebehandelt werden und bieten eine gute Kombination aus Festigkeit und hoher Verschleißfestigkeit. Die Korrosionsbeständigkeit ist jedoch geringer als bei der 300er Serie.
Einsatzgebiete der 400er Serie:
Das SAE-System verwendet eine Kombination aus einem Buchstaben und fünf Ziffern (UNS-Nummer) zur Kennzeichnung von Edelstahl. Die gängige AISI-Güte 304 trägt als SAE-Bezeichnung S30400. Während die meisten Güten eine solche Kennung haben, können neu entwickelte und exklusive Sorten abweichende Bezeichnungen ohne SAE-Code haben.
Falls Sie mit den nachfolgenden Eigenschaften nicht vertraut sind, finden Sie in unserer Materialeigenschaften-Übersicht ausführlichere Erklärungen.
Je nach Güte kann Edelstahl hohe Festigkeit bei geringer Dehnung oder niedrige Festigkeit bei hoher Dehnung aufweisen. In Bezug auf die Streckgrenze schneiden sie im Vergleich zu Kohlenstoffstählen sehr gut ab.
Edelstahl behält bei erhöhten Temperaturen bessere Eigenschaften als andere Kohlenstoffstähle. Durch den hohen Festigkeitsbehalt bei Temperaturen über 500°C zeigt er eine herausragende Feuerbeständigkeit, zudem bleibt auch die Steifigkeit über 300°C besser erhalten.
Bezüglich der Zugfestigkeit ist Edelstahl Materialien wie Aluminium, Messing oder Weichstahl überlegen.
Die höchsten Zugfestigkeiten erreichen ausscheidungshärtende und martensitische Güten – sie können doppelt so hohe Werte erreichen wie die verbreiteten 304- und 316-Güten. Besonders Duplexstahl zeichnet sich durch ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Duktilität aus.
Einige Edelstahlgüten sind besonders für extreme Temperaturbereiche geeignet. Austenitische Stähle zeigen außergewöhnliche Zähigkeit und erhöhte Zugfestigkeit bei Temperaturen unter Null. Dadurch erweitern sich die Einsatzmöglichkeiten erheblich und es entstehen neue Anwendungsfelder.
Ferritische, martensitische und ausscheidungshärtende Güten sind hingegen bei tiefen Temperaturen weniger geeignet, da ihre Zähigkeit stark abnimmt.
Die Duktilität der verschiedenen Edelstahlgüten variiert deutlich. Einige Güten sind sehr duktil und ermöglichen anspruchsvolle Tiefziehprozesse.
Diese Eigenschaft beschreibt die Fähigkeit eines Metalls, seine Festigkeit durch Kaltverformung zu erhöhen. Edelstahl kann geglüht und kaltverformt werden, um die gewünschte Festigkeit zu erreichen.
Das bedeutet, dass dieselbe Güte für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden kann – so kann derselbe Werkstoff als Feder oder biegsamer Draht verwendet werden.
Wie alle Metalle leitet auch Edelstahl Strom, allerdings ist diese Leitfähigkeit – wie bei allen Stählen – sehr gering.
In Bereichen mit hohen Hygieneanforderungen oder bei elektrischen Geräten, die korrosiven oder feuchten Umgebungen ausgesetzt sind, werden Edelstahlgehäuse als Schutz verwendet.
Austenitische Edelstähle sind nicht magnetisch; durch Kaltverformung können jedoch magnetische Eigenschaften induziert werden. Alle anderen Typen sind magnetisch.
Die chemischen Eigenschaften machen Edelstahl zu einem besonderen Werkstoff und verleihen ihm seine Einzigartigkeit.
Diese herausragende Eigenschaft ermöglicht viele spezielle Anwendungen in der Industrie. Die hohe Oxidationsbeständigkeit resultiert aus dem Chromgehalt im Edelstahl – je nach Sorte kann der Chromanteil bis zu 26 % betragen.
Andere Metalle werden oft durch Beschichtungen oder spezielle Lacke geschützt, deren Wirkung jedoch mit der Zeit nachlässt. Beim Edelstahl bildet sich nach einer Beschädigung der natürlichen Chromoxidschicht sofort eine neue, die die weitere Korrosion verhindert.
Edelstahl ist biologisch inert und daher ideal für medizinische Geräte wie chirurgische Instrumente, Schrauben und Platten. Diese Eigenschaft macht ihn auch zur ersten Wahl für Besteck und Küchengeräte.
Edelstahl ist gegen eine Vielzahl chemischer Verbindungen beständig – gegenüber Säuren, Basen und organischen Stoffen. Die Säurebeständigkeit hängt von der jeweiligen Güte ab: Manche Sorten widerstehen hochkonzentrierten Säuren, andere sind nur gegenüber schwachen Säuren beständig.
Ähnliche Nichtreaktivität zeigt Edelstahl gegenüber Basen und organischen Verbindungen. Dies macht ihn zu einem idealen Werkstoff für die chemische Industrie – sei es für Lagerung, Transport oder andere Prozesse.
Auch Feuchtigkeit, Salz, Schwefel, Kohlendioxid und Chloridverbindungen können Edelstahl kaum etwas anhaben, sodass er in vielen rauen Umgebungen länger hält als die meisten anderen Metalle.
Die wichtigsten Eigenschaften sind nicht auf die mechanischen und chemischen beschränkt. Es gibt weitere Vorteile, die in verschiedenen Anwendungen von Nutzen sind.
Wie bereits erwähnt, kann Edelstahl für neue Produkte recycelt werden. Dies schont die Umwelt, weil weniger Rohstoffe benötigt und Abfälle reduziert werden.
Da Edelstahl nicht biologisch abbaubar ist, belastet er zudem keine Ressourcen, da er sich weder im Boden noch im Wasser zersetzt.
Edelstahl lässt sich hervorragend bearbeiten und ermöglicht die Herstellung komplexer Formen und Produkte. Laserschneiden von Edelstahl, CNC-Bearbeitung, Biegen usw. sind ohne spezielle Ausrüstung möglich.
Edelstahlprodukte lassen sich mit haushaltsüblichen, ungiftigen Mitteln wie Reinigungsmitteln, Seifen oder Flüssigreinigern leicht säubern. Dadurch behalten sie lange ihr neuwertiges Aussehen, was die Lebensdauer erhöht.
Dies reduziert letztlich den Abfall und macht die anfänglich höheren Kosten auf Dauer wett.
Edelstahlprodukte zeichnen sich durch hohen Glanz aus und sind daher ideal für sichtbare Oberflächen. Sie sind in einer großen Auswahl an Oberflächen von hochglänzend bis matt erhältlich. Sie können gebürstet, graviert, geprägt oder eingefärbt werden.
Bei Edelstahl stehen zahlreiche Güten zur Auswahl. Je nach zugesetztem Legierungselement können sich die Eigenschaften deutlich unterscheiden. Die Wahl des passenden, wirtschaftlichen Werkstoffs hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
Sehen wir uns an, welche Legierungselemente zugesetzt werden können und wie sie das Endprodukt beeinflussen.
Chrom ist das entscheidende Legierungselement im Edelstahl. Es verleiht dem Stahl seine „Rostfreiheit“. Die Passivschicht aus Chromoxid schützt die Oberfläche und verhindert das Eindringen von Sauerstoff in das Metall – so bleibt die innere Struktur vor Korrosion bewahrt.
Chromoxid-Ionen sind ähnlich groß wie Stahlmoleküle, was eine starke Bindung zwischen beiden ermöglicht. Dadurch bleibt die Schutzschicht unter normalen Bedingungen fest mit der Oberfläche verbunden.
Mindestens 10,5 % Chrom sind erforderlich, damit Stahl als „rostfrei“ gilt. Für eine noch höhere Korrosionsbeständigkeit wird meist mehr Chrom zugesetzt.
Chrom wirkt zudem als Ferritbildner und fördert die Ausbildung der Ferrit-Mikrostruktur.
Nickel wird zugesetzt, um die Korrosionsbeständigkeit weiter zu erhöhen. Es ist außerdem ein Austenitbildner und begünstigt die Ausbildung der austenitischen Struktur.
Mit 8–9 % Nickelgehalt entsteht eine vollständig austenitische Struktur mit hervorragenden Schweißeigenschaften. Ein noch höherer Nickelanteil verbessert die Verarbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit zusätzlich.
Kupfer wirkt als Austenitbildner und steigert die Korrosionsbeständigkeit sowie die Kaltverfestigungseigenschaften.
Durch Kupferzusatz entstehen Edelstähle, die für Kaltumformungsprozesse – etwa bei Schrauben und Nägeln – geeignet sind.
Silizium erhöht die Beständigkeit von Edelstahl gegenüber hochkonzentrierter Salpeter- und Schwefelsäure. Es begünstigt außerdem die Bildung von Ferrit und erhöht die Oxidationsbeständigkeit.
Stickstoff ist ein Austenitbildner und verbessert Festigkeit sowie lokale Korrosionsbeständigkeit. Lokale Korrosion umfasst Erscheinungen wie Lochfraß, Spaltkorrosion und interkristalline Korrosion.
Molybdän und Wolfram verbessern die allgemeine und lokale Korrosionsbeständigkeit. Molybdän ist ein Ferritbildner und muss bei austenitischen Legierungen durch Austenitbildner ausgeglichen werden, um die austenitische Struktur zu erhalten.
Molybdän erhöht zudem die Hochtemperaturfestigkeit martensitischer Edelstähle. In Kombination mit Wolfram werden die genannten Eigenschaften weiter verbessert.
Mangan steigert Festigkeit, Zähigkeit und Härtbarkeit. Die Zugabe von Mangan verbessert das Verhalten des Metalls bei Warmumformungsprozessen.
Außerdem begünstigt Mangan die Lösung von Stickstoff in Edelstahl und kann daher eingesetzt werden, um Nickel durch Stickstoff zu ersetzen.
Edelstahl verbindet Korrosions- und Hitzebeständigkeit mit den klassischen Eigenschaften von Stahl. Er bietet alle Vorteile des Stahls und noch einige zusätzliche. Edelstahl ist unempfindlich gegenüber Korrosion, hält rauen Umgebungen besser stand und hat eine längere Lebensdauer.
Allerdings ist Edelstahl nicht völlig fleckenresistent. Die Korrosionsbeständigkeit hängt maßgeblich von der Güte ab. Unter ungünstigen Bedingungen wie Sauerstoffmangel, schlechter Durchlüftung oder hoher Salzkonzentration kann es zu irreversiblen Verfärbungen kommen.
Trotz dieser Risiken ist Edelstahl ein bemerkenswerter Werkstoff mit äußerst positiver Wirkung auf die gesamte Industrie. Aufgrund der Vielzahl an Güten mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt es für nahezu jede Anwendung den passenden Edelstahl. Die sorgfältige Auswahl der Güte ist entscheidend für eine wirtschaftliche Investition.
