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Warum ist Edelstahl rostfrei?

Warum ist Edelstahl rostfrei?



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1913 entdeckte der englische Metallurge Harry Brearley, der an einem Projekt zur Verbesserung von Gewehrläufen arbeitete, versehentlich, dass die Zugabe von Chrom zu kohlenstoffarmem Stahl ihn schmutzabweisend macht. Neben Eisen, Kohlenstoff und Chrom kann moderner rostfreier Stahl auch andere Elemente wie Nickel, Niob, Molybdän und Titan enthalten.

Nickel, Molybdän, Niob und Chrom verbessern die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl. Es ist die Zugabe von mindestens 12% Chrom zum Stahl, die ihn rostbeständig macht oder weniger Flecken hinterlässt als andere Stahlsorten. Das Chrom im Stahl verbindet sich mit Sauerstoff in der Atmosphäre, um eine dünne, unsichtbare Schicht aus chromhaltigem Oxid zu bilden, die als passiver Film bezeichnet wird. Die Größen der Chromatome und ihrer Oxide sind ähnlich, so dass sie sich auf der Oberfläche des Metalls ordentlich zusammenlagern und eine stabile Schicht bilden, die nur wenige Atome dick ist. Wenn das Metall zerschnitten oder zerkratzt wird und der passive Film zerstört wird, bildet sich schnell mehr Oxid und die freiliegende Oberfläche wird wiederhergestellt, wodurch sie vor oxidativer Korrosion geschützt wird.

Eisen rostet andererseits schnell, da atomares Eisen viel kleiner als sein Oxid ist, so dass das Oxid eine lockere Schicht bildet und nicht dicht gepackt ist und abplatzt. Der passive Film benötigt Sauerstoff, um sich selbst zu reparieren, sodass rostfreie Stähle in sauerstoffarmen Umgebungen und in Umgebungen mit schlechter Zirkulation eine schlechte Korrosionsbeständigkeit aufweisen. In Meerwasser greifen Chloride aus dem Salz den passiven Film schneller an und zerstören ihn, als es in sauerstoffarmer Umgebung repariert werden kann.

Arten von Edelstahl

Die drei Hauptarten rostfreier Stähle sind austenitisch, ferritisch und martensitisch. Diese drei Stahltypen werden anhand ihrer Mikrostruktur oder der vorherrschenden Kristallphase identifiziert.

  • Austenitisch: Austenitische Stähle haben Austenit als primäre Phase (flächenzentrierter kubischer Kristall). Dies sind Legierungen, die Chrom und Nickel (manchmal Mangan und Stickstoff) enthalten und um die Zusammensetzung Typ 302 aus Eisen, 18% Chrom und 8% Nickel herum strukturiert sind. Austenitische Stähle sind durch Wärmebehandlung nicht härtbar. Der bekannteste rostfreie Stahl ist wahrscheinlich Typ 304, manchmal auch T304 oder einfach 304 genannt. Der chirurgische rostfreie Stahl Typ 304 ist austenitischer Stahl, der 18-20% Chrom und 8-10% Nickel enthält.
  • Ferritisch: Ferritische Stähle haben Ferrit (kubisch raumzentrierter Kristall) als Hauptphase. Diese Stähle enthalten Eisen und Chrom, basierend auf der Typ 430-Zusammensetzung von 17% Chrom. Ferritischer Stahl ist weniger duktil als austenitischer Stahl und kann durch Wärmebehandlung nicht gehärtet werden.
  • MartensitischDie charakteristische orthorhombische Martensit-Mikrostruktur wurde erstmals um 1890 vom deutschen Mikroskopiker Adolf Martens beobachtet. Martensitische Stähle sind kohlenstoffarme Stähle, die um die Zusammensetzung Typ 410 aus Eisen, 12% Chrom und 0,12% Kohlenstoff herum aufgebaut sind. Sie können angelassen und gehärtet sein. Martensit verleiht Stahl eine große Härte, verringert aber auch seine Zähigkeit und macht ihn spröde, so dass nur wenige Stähle vollständig gehärtet sind.

Es gibt auch andere rostfreie Stähle, wie ausscheidungsgehärtete, Duplex- und gegossene rostfreie Stähle. Edelstahl kann in einer Vielzahl von Oberflächen und Texturen hergestellt und über ein breites Farbspektrum getönt werden.

Passivierung

Es ist umstritten, ob die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl durch den Prozess der Passivierung verbessert werden kann. Passivierung ist im Wesentlichen die Entfernung von freiem Eisen von der Oberfläche des Stahls. Dies erfolgt durch Eintauchen des Stahls in ein Oxidationsmittel wie Salpetersäure oder Zitronensäurelösung. Da die obere Eisenschicht entfernt wird, verringert die Passivierung die Verfärbung der Oberfläche.

Während die Passivierung weder die Dicke noch die Wirksamkeit der passiven Schicht beeinflusst, ist sie nützlich, um eine saubere Oberfläche für die weitere Behandlung wie Plattieren oder Streichen herzustellen. Wenn andererseits das Oxidationsmittel nicht vollständig vom Stahl entfernt wird, wie dies manchmal bei Stücken mit engen Verbindungen oder Ecken der Fall ist, kann es zu Spaltkorrosion kommen. Die meisten Untersuchungen zeigen, dass eine Verringerung der Korrosion von Oberflächenpartikeln die Anfälligkeit für Lochfraß nicht verringert.


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