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Edelstahl, Chromstahl, INOX
Edelstahl, auch Rostfreier Stahl oder nichtrostender Stahl genannt, ist die Bezeichnung für eine Gruppe von korrosions- und säurebeständigen Stahlsorten. Als Erfinder gilt im angelsächsischen Raum Harry Brearley, der sein Patent 1913 anmeldete (erst 1919 erteilt). Im Deutschen Reich liessen jedoch Eduard Maurer und Benno Strauss aus dem Unternehmen Krupp schon im Herbst 1912 durch den Beamten Clemens Pasel ein Patent auf rostfreien Stahl anmelden (ebenfalls 1919 erteilt). Die Germaniawerft hatte bereits 1908 für Krupp die Yacht Germania auch mit rostfreiem Stahl gebaut, doch es sollte noch ein paar Jahre dauern, bis sich das Material auch kostengünstig im grosstechnischen Massstab herstellen liess. Die weltweite Produktion von rostfreiem Stahl lag 2012 bei 35 Mio t.
Synonyme für nichtrostenden („rostfreien“) Stahl sind
- Edelstahl rostfrei, allgemein auch nur Edelstahl genannt; fachsprachlich wird die Bezeichnung Edelstahl nur für Stahlsorten mit besonders hoher Reinheit verwendet, die nicht zwangsläufig hochlegiert und rostfrei sein müssen.
- Inox (vom französischen inoxydable gebildet, was soviel bedeutet wie „nicht oxidierbar“ oder „rostfrei“)
- Cromargan, Handelsname von WMF
- Nirosta, Markenname der ThyssenKrupp Nirosta wird selten auch Nieroster oder Niroster geschrieben. Der Name leitet sich von der Verkürzung der Bezeichnung Nicht Rostender Stahl ab.
- VA-Stahl
In Europa sind für die folgenden zwei Edelstahlsorten besondere Bezeichnungen gebräuchlich, die jedoch keine Synonyme für rostfreien Stahl sind, sondern eine bestimmte Stahlsorte bezeichnen:
V2A (Versuchsschmelze 2 Austenit, entstand 1912 für Legierungs-Typ X12CrNi18-8 oder auch 1.4300 genannt), wird heute nicht mehr hergestellt. (Die Bezeichnung V2A wird heute für den Nachfolger 1.4301 (X5CrNi18-10) verwendet).
V4A (ähnlich V2A, jedoch zusätzlich mit 2 % Molybdän (Mo) legiert, was diesen Stahl widerstandsfähiger gegen Korrosion durch chloridhaltige Medien macht – Salzwasser, Schwimmbäder, chemische Industrie etc.) Die allgemeine Bezeichnung für V4A ist 1.4401 (X5CrNiMo17-12-2)
Auch VA-Stahl leitet sich von diesen Bezeichnungen ab. Weniger verwendet werden die Stahlsorten V1A, V3A und V5A.
Beschreibung
Nichtrostender („rostfreier“) Stahl zeichnet sich durch einen Anteil von mehr als 10,5 Prozent Chrom[4] aus, der im austenitischen oder ferritischen Mischkristall gelöst sein muss. Durch diesen hohen Chromanteil bildet sich eine schützende und dichte Passivschicht aus Chromoxid an der Werkstoffoberfläche aus. Diese Passivschicht kann nach Spezialbehandlung gleichzeitig zur Färbung der Stahloberfläche eingesetzt werden.[5] Weitere Legierungsbestandteile wie Nickel, Molybdän, Mangan und Niob führen zu einer noch besseren Korrosionsbeständigkeit oder günstigeren mechanischen Eigenschaften. Da Chrom als Legierungselement preisgünstiger ist als Nickel, wird ein höherer Chromanteil bei kleinerem Nickelanteil (gleiche Korrosionsbeständigkeit vorausgesetzt) bevorzugt.
Eigenschaften
Die rostfreien Stähle zeichnen sich hauptsächlich durch die folgenden gemeinsamen Eigenschaften aus:
erhöhte Beständigkeit gegen Korrosion und Säuren
hohe Zähigkeit und damit schlechte Zerspanbarkeit (zum Beispiel beim Bohren, Drehen) und erhöhte Neigung zum „Festfressen“ bei Gewinden (letzteres vor allem, wenn diese erhitzt werden, beispielsweise bei Behältern der chemischen und pharmazeutischen Industrie)
schlechte elektrische und Wärmeleitfähigkeit
Stähle ohne Nickelzusatz bilden ferritische Kristalle und haben folgende Eigenschaften:
magnetisch (aber weniger Sättigungspolarisation als unlegierte Stähle)
Wärmeausdehnungskoeffizient eher tiefer als bei unlegiertem Stahl (10,0 … 10,5 × 10−6 K−1)
Die meisten Sorten sind härtbar.
Stähle mit höheren Nickelanteilen (ca. 70% der Produktion) bilden austenitische Gefüge und haben folgende Eigenschaften:
- höhere Korrosionsfestigkeit als nickelarme Chromstähle (insbesondere Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion)
- im spannungsfreien Zustand weitgehend unmagnetisch
- vergleichsweise niedrige Streckgrenze (200–300 N/mm²) bei relativ hoher Zugfestigkeit (700–1300 N/mm²)
- hoher Wärmeausdehnungskoeffizient (zum Beispiel ein Wert von 16,0 × 10−6 K−1 für den Werkstoff 1.4301 im Vergleich zu einem Wert von 10,5 × 10−6 K−1 für Kohlenstoffstahl)
- Dichte 1.4301 (V2A): 7,9 g/cm3, 1.4401 (V4A): 8,0 g/cm3[4]
- nicht durch Glühen und anschliessendes Abschrecken härtbar
- Oberflächenhärtung nur durch Plasmanitrieren, Kolsterisieren oder Kaltverformung möglich
- gut durch Schweissen zu verbinden
Verwendung
Die Aussenverkleidung der Walt Disney Concert Hall besteht aus rostfreiem Stahl.
Wegen der guten Umformbarkeit von Blechen aus rostfreiem Stahl finden Teile aus diesem Material eine immer grössere Verbreitung in der Industrie, im Haushalt oder auch in medizinischen Geräten. Obwohl sich die meisten rostfreien Stähle nur sehr schlecht zerspanen lassen, bietet ihr Einsatz überwiegend Vorteile. Hier sind beispielsweise neben hygienischen Aspekten (im Brauereiwesen, der Lebensmittelindustrie und Pharmazie erfolgt die Sterilisierung mit Dampf) auch die Langlebigkeit der produzierten Teile und Vorteile im Umweltschutz zu nennen. Nachteil gegenüber anderen Stählen ist jedoch die zumeist geringe Zugfestigkeit und oft fehlende Härtbarkeit (siehe weiterer Text). Bemerkenswert ist auch die im Vergleich zu Kupfer und seinen Legierungen geringere antibakterielle Wirkung, auch bekannt als oligodynamischer Effekt (Oligodynamie).
Ohne rostfreien Stahl wären viele Kryostaten nicht realisierbar. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit und dünne Wandungen (zum Beispiel Rohre mit weniger als 0,3 mm Wandstärke) ermöglichen eine gute Isolation zwischen Kryoflüssigkeit und Raumtemperatur. Weitere Vorteile sind UHV-Dichtheit von Schweiss-Verbindungen und geringer Magnetismus.
Seit der Patenterteilung auf Stähle mit „hoher Widerstandskraft gegen Korrosion“ im Jahr 1912 an die Firma Friedrich Krupp AG in Essen hat die Produktion von rostfreiem Stahl einen gewaltigen Aufschwung genommen. Auslöser für die Entwicklung eines solchen Stahls war die aufstrebende chemische Industrie im Deutschen Reich. Die damaligen Syntheseverfahren mit Heissdampf, säurehaltigen Medien und sehr hohen Temperaturen liessen herkömmliche Stähle spröde (Wasserstoffsprödigkeit) und rissig werden. Viele damalige Reaktoren waren bis dahin aus Granit gefertigt, um diese Nachteile zu umgehen. Die 1913 anlaufende Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren) konnte nur durch den Einsatz von austenitischen CrNi-Stählen, wie sie Krupp ein Jahr zuvor entwickelt hatte, realisiert werden. Die parallele Entwicklung der Stahl- und Chemieindustrie, insbesondere dieser beiden Ereignisse, war deshalb kein Zufall.
Warmfeste nichtrostende Stähle werden als hitzebeständige Stähle vermarktet und können teilweise bei Temperaturen bis 900 °C eingesetzt werden.