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Vor etwa hundert Jahren wurde bei Krupp in Essen eine systematische Untersuchung von Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen durchgeführt. Nach Abschluss der Arbeiten wurden die Proben auf einen Schrotthaufen geworfen. Dort rostete alles friedlich vor sich hin – mit Ausnahme einiger Blechstreifen, die auch nach Monaten vollkommen blank blieben.
Dies fiel zwei aufmerksamen Krupp-Mitarbeitern auf. Sie meldeten die Sache ihrem Vorgesetzten, der die Weisung gab, die durch einen glücklichen Zufall ans Licht gekommene Korrosionsfestigkeit eingehend zu untersuchen. Es zeigte sich, dass es sich bei den blank geblieben Proben um Chromnickelstähle mit einem relativ hohen Chromgehalt handelte. Dies führte zur Entwicklung der heute weit verbreiteten nichtrostenden Stähle. Das Grundpatent wurde 1912 angemeldet. Ein Jahr später beantragte auch der britische Metallurge Harry Brearly ein Patent für nichtrostenden Chromnickelstahl.
Man kann es nicht oft genug sagen: Der Ausdruck „rostfreier Stahl“ bezeichnet nichts anderes als irgendeinen Stahl (es gibt unzählige Sorten), der aus irgendeinem Grund nicht angerostet, also rostfrei ist. Wenn man aber die korrosionsfesten Nickel-Chromstähle des V-Typs (Europa) beziehungsweise der 300er Serie (USA) meint, sollte man von „nichtrostendem Stahl“ sprechen. Die Franzosen sind in dieser Hinsicht viel konsequenter und sagen „acier inoxydable“ oder „inox“, während die Anglophonen nicht einmal eine Alternative zum Ausdruck „stainless steel“ haben – die wörtliche englische Version von „rostfreier Stahl“. Bisher hat es sich als unmöglich erwiesen, diese schlechte Wortwahl zu eliminieren.
Ein passivierender Film von Chromoxid
Bei allen nichtrostenden Stählen ist Eisen das Grundmetall; Nickel verbessert die Festigkeit, während Chrom zum Korrosionsschutz dient. Dazu kommen je nach Legierung noch kleine Mengen Mangan, Titan, Niob, Molybdän und/oder Aluminium. Chrom ist von absolut essenzieller Bedeutung: Stähle mit bis zu 10,5 Prozent Chrom verhalten sich gegenüber feuchter Luft, Wasser und Säuren nicht signifikant besser als gewöhnlicher Stahl. Nur ein halbes Prozent mehr Chrom hat spektakuläre Konsequenzen: Mit elf Prozent Chrom wird die Legierung äusserst korrosionsbeständig und verhält sich fast wie ein Edelmetall, darum spricht man auch von Edelstahl.
Dieser Effekt ist auf einen spontan entstehenden und sich an der Luft selbständig regenerierenden, äusserst dünnen, aber hochfesten und gut haftenden Chromoxidfilm zurückzuführen, einen sogenannten Passivfilm. Im Kontakt mit oxidierenden Säuren wird dieser Film noch verstärkt. Man arbeitet aber vorsichtigerweise nicht am unteren Chrom-Limit. Der am weitesten verbreitete nichtrostende Stahl (18/8, V2A, 304) enthält 18 Prozent Chrom und 8 Prozent Nickel; der Rest ist Eisen und bis zu 2 Prozent Mangan. Um die Beständigkeit gegenüber Meerwasser, Salz- und Schwefelsäure, organischen Säuren wie Essigsäure und sämtlichen Körperflüssigkeiten zu verbessern, lässt man den Chromgehalt bei 18 Prozent, erhöht aber den Nickelgehalt auf 10 bis 13 Prozent und gibt noch 2 bis 3 Prozent Molybdän zu.
V4A-Stahl kann poliert werden
Um die intergranulare Korrosion zu verhindern ist es wichtig, den Kohlenstoffgehalt niedrig zu halten (er darf höchstens 0,03 Prozent betragen). Diese Zusammensetzung hat der kostspieligere nichtrostende Stahl (18/10, V4A, 316L), der auch als Medizinalstahl bezeichnet wird, obwohl er in der Medizin schon lange nicht mehr verwendet wird, zumindest im Körper. Doch werden aus dieser Legierung Stahlschmuck sowie Gehäuse und Armbänder für Uhren gefertigt. Sie sind durch ein angenehm wirkendes, helles Grau gekennzeichnet. V4A-Stahl lässt sich auch gut spiegelblank polieren.
Korrosionsfeste Chromnickelstähle (es gibt etwa 150 Sorten, 15 davon sind kommerziell wichtig) weisen zwar eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und Zerspanbarkeit auf, doch lassen sie sich gut verschweissen und auf preiswerten Kohlenstoffstahl plattieren. Aus hygienischen Gründen werden sie in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie auf breitester Basis eingesetzt: Tanks, Behälter und Rohre aus Edelstahl lassen sich leicht reinigen und mit Dampf sterilisieren.
Nichtallergisierendes Nickel
Weitere wichtige Anwendungen haben die Edelstähle zur Fertigung von Besteck, Pfannen, Haushaltmaschinen, chirurgischen Instrumenten, Waffen, Möbeln, Flugzeug- und Satellitenstrukturen, Brücken, Eisenbahnwaggons und Schiffen. Besonders spektakulär sind architektonische Anwendungen wie beispielsweise der „Helm“ des Chrysler Buildings in New York oder die 160 Meter hohe „Gateway Arch“ in St. Louis.
Angesichts des hohen Nickelgehalts der nichtrostenden Stähle und der enormen Verbreitung von Stahluhren und Stahlschmuck erstaunt es, dass in den letzten hundert Jahren kein einziger Fall einer auf Medizinalstahl zurückzuführenden Nickelallergie aufgetreten ist. Dank der verblüffenden Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs liegt die Nickelfreisetzung tatsächlich weit unter dem behördlich tolerierten Grenzwert.
Lucien F. Trueb