Leitfaden für austenitischen Hochleistungs-Edelstahl -- Metallurgische Übersicht

Feb 02, 2023

1. Arten von Edelstahl

Edelstahl ist eine Legierung auf Eisenbasis mit einem Chromgehalt von nicht weniger als 10,5 Prozent. Es wird aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturleistung häufig verwendet. Wenn der Chromgehalt 10,5 Prozent erreicht, bildet sich auf der Stahloberfläche eine Schicht aus chromreichem Oxid, die als Passivierungsschicht oder Passivierungsfilm bezeichnet wird. Dieser Film schützt Edelstahl vor Rost wie gewöhnlichen Stahl. Es gibt viele Arten von rostfreiem Stahl, aber alle rostfreien Stähle sollten die Mindestanforderungen an den Chromgehalt erfüllen.

Edelstahl wird in fünf Kategorien eingeteilt: austenitischer Edelstahl, ferritischer Edelstahl, Duplex-Edelstahl (mit Mischstruktur aus Ferrit und Austenit), martensitischer Edelstahl und ausscheidungshärtender Edelstahl. Die Klassifizierung dieser Kategorien hängt mit der Kristallstruktur (Atomanordnung) und der Wärmebehandlung von Edelstahl zusammen. Eine Gruppe von Kristallen mit gleicher Kristallstruktur in einem Metall wird als Phase bezeichnet. In Edelstahl gibt es drei Hauptphasen: Austenit, Ferrit und Martensit. Die Art und Menge der metallografischen Struktur von rostfreiem Stahl kann durch ein standardmäßiges metallografisches Inspektionsverfahren und ein optisches metallografisches Mikroskop bestimmt werden.

Austenitischer Edelstahl zeichnet sich dadurch aus, dass die metallografische Struktur hauptsächlich austenitisch ist. Die Kristallstruktur der Austenitphase ist eine flächenzentrierte kubische (fcc) Struktur, das heißt, es gibt ein Atom an jeder Ecke und Mitte jeder Fläche des Würfels. Im Gegensatz dazu ist die Kristallstruktur der Ferritphase eine kubisch raumzentrierte (bcc) Struktur mit einem Atom an jeder Ecke und Mitte des Würfels. Die Kristallstruktur der Martensitphase ist eine tetragonale Struktur mit hoher körperzentrierter Spannung.

ffc-bcc-bct

Die Kristallstruktur der Austenitphase ist ein kubisch flächenzentriertes (fcc) Gitter, die Ferritphase ist ein kubisch raumzentriertes (bcc) Gitter und die Martensitphase ist ein tetragonales (bct) Gitter raumzentriert.

 

1.1 Austenitischer Edelstahl:

Austenitischer rostfreier Stahl hat keinen Magnetismus, mittlere Streckgrenze, hohe Kaltverfestigungsrate, hohe Zugfestigkeit, gute Plastizität und ausgezeichnete Tieftemperaturzähigkeit. Im Gegensatz zu anderen rostfreien Stählen nimmt die Zähigkeit von austenitischen rostfreien Stählen mit abnehmender Temperatur langsam ab. Austenitischer Edelstahl hat keine definierte Duktil-Spröd-Übergangstemperatur (DBTT), daher ist er ein ideales Material für Anwendungen bei niedrigen Temperaturen.

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Diagramm der Duktil-Spröd-Übergangstemperatur (DBTT) von austenitischem, ferritischem und Duplex-Edelstahl (austenitisch-ferritisch). Die tatsächliche DBTT hängt von der Schnittdicke, der chemischen Zusammensetzung und der Korngröße ab. Die DBTT von ferritischem Edelstahl beträgt im Allgemeinen 20 bis - 30 Grad C (70 bis - 22 Grad F).

 

Austenitischer Edelstahl hat eine gute Schweißbarkeit und kann in verschiedene komplexe Formen gebracht werden. Diese Reihe von rostfreien Stählen kann nicht durch Wärmebehandlung gehärtet oder verstärkt werden, kann aber durch Kaltumformung oder Kaltverfestigung verstärkt werden (siehe ASTM A666). Austenitischer Edelstahl, insbesondere standardmäßiger austenitischer Edelstahl, hat einen potenziellen Nachteil, nämlich dass er im Vergleich zu ferritischem Edelstahl und Duplex-Edelstahl anfällig für Chlorid-Spannungsrisskorrosion ist.

Die Serie 300 oder standardmäßiger austenitischer Edelstahl enthält im Allgemeinen 8 % ~ 11 % Nickel und 16 % ~ 20 % Chrom. Die metallografische Struktur von standardmäßigem austenitischem Edelstahl besteht hauptsächlich aus austenitischen Körnern und enthält eine kleine Menge (im Allgemeinen 1 bis 5 Prozent) der δ-Ferritphase (Abb. 3). Aufgrund des Vorhandenseins der Ferritphase weisen diese austenitischen rostfreien Stähle einen geringen Magnetismus auf.

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Die typische metallografische Struktur von geschmiedetem Edelstahl 304L besteht aus austenitischen Körnern und einzelnen Ferritstreifen © TMR Stainless.

 

Verglichen mit Edelstahl der Serie 300 hat austenitischer Edelstahl der Serie 200 einen geringeren Ni-Gehalt, aber einen höheren Mn- und N-Gehalt. Die Festigkeit und der Kaltverfestigungskoeffizient von Edelstahl der Serie 200 sind höher als die von Edelstahl der Serie 300. Aufgrund des niedrigen Nickelgehalts wird Edelstahl der Serie 200 manchmal als billiger Ersatz für Edelstahl der Serie 300 verwendet.

Die Mikrostruktur von austenitischem Hochleistungs-Edelstahl besteht vollständig aus austenitischer Phase ohne Ferromagnetismus (Abb. 4). Im Vergleich zu austenitischem Standard-Edelstahl enthält austenitischer Hochleistungs-Edelstahl mehr Nickel-, Chrom- und Molybdänelemente und im Allgemeinen Stickstoff. Diese Edelstähle haben eine starke Korrosionsbeständigkeit in korrosiven Umgebungen wie starken Säuren, starken Alkalien und Medien mit hohem Chloridgehalt, einschließlich Brackwasser, Meerwasser und Salzwasser. Im Vergleich zu austenitischem Standard-Edelstahl weist austenitischer Hochleistungs-Edelstahl eine höhere Festigkeit und eine bessere Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion auf.

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Metallografische Struktur von austenitischem Hochleistungs-Edelstahl mit 6 % Mo, der vollständig aus austenitischen Körnern besteht © TMR Stainless.

 

1.2 Ferritischer Edelstahl:

Die Mikrostruktur von ferritischem Edelstahl ist die Ferritphase. Ferritischer Edelstahl hat einen geringen oder keinen Nickelgehalt und ist ferromagnetisch. Es kann nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden. Die ferromagnetischen Eigenschaften dieser Edelstahlsorte ähneln denen von Kohlenstoffstahl. Ferritischer Edelstahl hat eine gute Festigkeit und Beständigkeit gegen Chlorid-Spannungskorrosionsrisse ist viel besser als standardmäßiger austenitischer Edelstahl der Serie 300. Ihre Formbarkeit und Schweißbarkeit sind jedoch schlecht. Ihre Zähigkeit ist nicht so gut wie bei austenitischem Edelstahl und nimmt mit zunehmender Querschnittsdicke ab. Mit abnehmender Temperatur zeigt ferritischer rostfreier Stahl einen deutlichen duktil-spröden Übergang. Begrenzt durch diese Faktoren beschränkt sich die Verwendung von ferritischem Edelstahl in der Regel auf Produkte mit dünneren Wandstärken, wie dünne Bleche, Bänder und dünnwandige Rohre.

 

1.3 Duplex-Edelstahl:

Duplex-Edelstahl besteht aus der Ferritphase und der Austenitphase, die jeweils etwa die Hälfte ausmachen. Duplex-Edelstahl hat viele Eigenschaften von austenitischem und ferritischem Edelstahl. Obwohl eine Wärmebehandlung solche Stähle nicht härten kann, ist ihre Streckgrenze normalerweise doppelt so hoch wie die von standardmäßigem austenitischem Edelstahl, und ihre magnetische Anziehung ist proportional zum Volumenanteil der Ferritphase. Die Duplex-Eigenschaft der metallografischen Struktur von Duplex-Edelstahl macht seine Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion besser als die von Standard-Austenit-Edelstahl.

 

1.4 Martensitischer Edelstahl:

Die Mikrostruktur von martensitischem rostfreiem Stahl besteht hauptsächlich aus Martensit, der eine geringe Menge an Sekundärphasen wie Ferrit, Austenit und Karbid enthalten kann. Martensitischer Edelstahl ist ferromagnetisch und ähnlich wie Kohlenstoffstahl. Die Endhärte hängt von der spezifischen Wärmebehandlung ab. Martensitischer rostfreier Stahl hat eine hohe Festigkeit, eine gute Verschleißfestigkeit, eine schlechte Zähigkeit und eine hohe Duktil-Spröd-Übergangstemperatur. Sie sind schwierig zu schweißen und erfordern im Allgemeinen eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen. Daher ist martensitischer Edelstahl im Allgemeinen auf nicht schweißende Anwendungen beschränkt. Der Chromgehalt von martensitischem Edelstahl ist nicht zu hoch. Einige Chromelemente scheiden sich in Form von Karbiden aus, was zu einer geringen Korrosionsbeständigkeit führt, die im Allgemeinen geringer ist als die des standardmäßigen austenitischen Edelstahls 304/304L. Aufgrund seiner geringen Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit wird martensitischer Edelstahl im Allgemeinen für Anwendungen verwendet, die eine hohe Festigkeit und Härte erfordern, wie z. B. Werkzeuge, Befestigungselemente und Wellen.

 

1.5 Ausscheidungsgehärteter Edelstahl:

Ausscheidungshärtender (PH) Edelstahl kann auch durch Wärmebehandlung verstärkt werden. Das grundlegende Merkmal dieser Art von rostfreiem Stahl ist, dass seine teilweise Verfestigung durch einen Ausscheidungsmechanismus erreicht wird. Feine intermetallische Ausscheidungen werden durch Alterungshärtungswärmebehandlung erzeugt, um die Festigkeit zu verbessern. Aufgrund des hohen Chromgehalts hat ausscheidungshärtender Edelstahl eine bessere Korrosionsbeständigkeit als martensitischer Edelstahl und eignet sich für hochfeste Anwendungen, die eine gute Korrosionsbeständigkeit erfordern. Ausscheidungshärtender Edelstahl wird hauptsächlich für Federn, Befestigungselemente, Flugzeugteile, Wellen, Zahnräder, Faltenbälge und Strahltriebwerksteile verwendet.

 

2. Phasenzusammensetzung:

Die Legierungselemente beeinflussen das Phasengleichgewichtsverhältnis und haben einen starken Einfluss auf die Stabilität von Austenit-, Ferrit- und Martensitphasen. Dem Edelstahl zugesetzte Elemente können in ferritphasenbildende Elemente oder austenitphasenbildende Elemente unterteilt werden. Das Phasengleichgewicht hängt von der chemischen Zusammensetzung, der Glühtemperatur und der Abkühlgeschwindigkeit des Stahls ab. Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Zähigkeit, Schweißbarkeit und Formbarkeit werden alle vom Phasengleichgewicht beeinflusst.

Ferritbildende Elemente tragen zur Bildung einer Ferritphase bei, während austenitbildende Elemente die Bildung einer Austenitphase fördern. Tabelle 3 listet übliche phasenbildende Elemente aus Ferrit und Austenit auf. Die Güte des Edelstahls und seine Anwendung bestimmen das erforderliche Phasengleichgewicht. Die meisten austenitischen Standard-Edelstähle haben beim Lösungsglühen eine geringe Menge an Ferritphase. Lösungsglühen kann die Schweißbarkeit und Zähigkeit bei hoher Temperatur verbessern. Wenn jedoch der Gehalt an Ferritphase zu hoch ist, werden andere Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit verringert. Austenitischer Hochleistungs-Edelstahl wird gemäß allen austenitischen Phasen unter Lösungsglühbedingungen ausgelegt.

 

Um die Phasenzusammensetzung von Stahl und damit die Eigenschaften von Stahl zu steuern, ist es notwendig, die Legierungselemente im Gleichgewicht zu halten. Das Schaeffler-Strukturschaubild (Abb. 5) spiegelt den Zusammenhang zwischen der chemischen Zusammensetzung des Edelstahls und der erwarteten Phasenstruktur im Erstarrungszustand wider, wie sie sich aus dem Schweißnahtgefüge ergibt. Auf diese Weise können Anwender das Phasengleichgewicht basierend auf der gegebenen chemischen Zusammensetzung vorhersagen. Berechnen Sie aus der chemischen Zusammensetzung das „Nickel-Äquivalent“ und das „Chrom-Äquivalent“ und tragen Sie diese in die Abbildung ein. Die Formel der gemeinsamen Parameter des Schaeffler-Organigramms lautet wie folgt:

Nickeläquivalent {{0}} Prozent Ni plus 30 Prozent C plus 0,5 Prozent Mn plus 30 Prozent N

Chromäquivalent {{0}} Prozent Cr plus Prozent Mo plus 1,5 Prozent Si plus 0,5 Prozent Nb

Der typische austenitische Hochleistungs-Edelstahl enthält etwa 20 Prozent Cr, 6 Prozent Mo, 20 Prozent Ni und 0,2 Prozent N, das sich in der Abbildung in der einphasigen austenitischen Phasenzone in der Nähe des "ferritischen" befindet "-Linie mit einem Nickeläquivalent von etwa 24 und einem Chromäquivalent von etwa 26. Im Gegensatz dazu entspricht die chemische Zusammensetzung von Standard-Edelstahl (z. B. 304) der Duplexzone von Austenit plus Ferrit (A plus F) mit einem geringen Anteil an Ferrit Phase. Ferritischer Edelstahl befindet sich in der Ferritphasenzone in der Figur, und Duplex-Edelstahl befindet sich in der Duplexzone aus Austenit plus Ferrit (A plus F).

Mechanical composition

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