1 rostfrei – zu teuer? perspektiven. 2 c45 – für alles gut? grundsätzlich ist c45 für alles...
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1
Rostfrei – zu teuer?
Perspektiven
2
C45 – für alles gut?
Grundsätzlich ist C45 für alles geeignet – wenn das Bauteil nur Stunden halten soll!
C45 – Der Metallbohrer für 99 Cent von Praktiker lässt grüßen.
C45 – Wenn Ihr Bauteil das Aussehen einer Spundwand hat oder einem Doppel-T-Träger ähnlich sieht.
C45 – nicht besser als Betonstahl!
C45 verzinkt – hält nicht wirklich sehr lang, bei fragwürdigerOptik.
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Unterschiedliche Eigenschaften der Stähle
Härtbarkeit Einsatzhärten Vergüten – was heißt das? Nitrierbarkeit Duktilität Warmfestigkeit / Diffusionsvorgänge Verschleißfestigkeit Scherfestigkeit Biegewechselfestigkeit Korrosionsbeständigkeit Beständigkeit gegen Versprödung Hitzebeständigkeit Verzugsarmut Kaltzähigkeit belastbar gemäß Druckbehälter-Verordnung
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Edelstahl Rostfrei – Werkstoffauswahl
4742 F
4122 M
4735 F
4732 M
4731 M
4724 F
4933
4872
4821
4820
4596
4501
4462
4460
4697
4439
4988
4696
4438
4980
4695
4436
4971
4610
4435
4962
4586
4430
4961
4580
4429
4959
4578
4427
4958
4576
4406
4944
4573
4404
4943
4571
4401
4941
4570
4370
4919
4567
4361
4910
4565
4337
4893
4563
4332
4882
4561
4318
4878
4556
4316
4876
4551
4314
4875
4550
4311
4873
4546
4310
4871
4544
4307
4864
4541
4306
4863
4539
4305
4861
4536
4303
4860
4529
4301
4853
4519
4300
4850
4506
3974
4847
4505
3964
4845
4503
3954
4842
4466
3952
4841
4465
3948
4833
4455
3911
4829
4442
3818
4828
4441
3816
4698
4440
3813
4418 M
4313 M
4125 H
4120 M
4117 H
4116 H
4113 F
4720 F
4112 H
4718 M
4110 M
4713 F
4108 M
4712 F
4106 M
4700 F
4105 F
4594 PH
4104 M
4939 M
4568 PH
4057 M
4938
4564 PH
4044 M
4936 M
4548 PH
4037 H
4934 M
4545 PH
4034 H
4542 PH
4031 H
4926 M
4534 PH
4028 M
4924 M
4532 PH
4024 M
4923 M
4525 F
4021 M
4922 M
4523 F
4016 F
4921 M
4522 F
4015 F
4914 M
4521 F
4006 M
4913 M
4520 F
4005 M
4911 M
4513 F
4003 M
4903 M
4512 F
4002 F
4767 F
4511 F
4000 F
4763 F
4510 F
3892 F
4762 F
4509 F
3543 H
4748 M
4502 F
3541 H
DuplexAusteniteFerrit mit Untergruppen
Alle Werkstoffe 1.xxxxF = Ferrit, M = Martensit, H = härtbar, PH = aushärtbar
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Ausgangssituation:
Austenitische Standard-Stähle sind sehr teuer wegen Legierungszuschlag und Bearbeitungsaufwand(z. B. 1.4404 A4 AISI 316 L)
permanenter Wettbewerb - mit verzinktem oder beschichtetem Stahl- mit Kupfer (z. B. bei Wasser-Armaturen)- mit Guss (bei Schmiedestücken)- wegen erhöhtem Bearbeitungsaufwand bei
austenitischen Stählen mit anderen Werkstoffen, z. B. GFK
Aktueller Stand
Anspruch: Optik + Rostfrei!
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Edelstahl Rostfrei – Korrosionsbeständigkeit
Bedingungen für Spannungsrisskorrosion(SpRk)
Mechanische Beanspruchung
• Betriebsbedingte Zugbeanspruchungstatischer oder dynamischer Art
• Eigenspannungen• Belastungsänderungen
(Dehnraten/Frequenz)
SpRkMedium
• Zusammensetzung(mit Verunreinigungen)
• Temperatur• Strömungsverhältnisse• Elektrochemische
Bedingungen (Redox- u. Korrosionspotential)
Werkstoff
• Typ• Chem. Zusammensetzung• Gefüge- und Ausscheidungs-
zustand (Wärmebehandlung)• Oberflächenzustand
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Edelstahl Rostfrei – Korrosionsbeständigkeit
Einfluss von Chrom und Molybdän auf die Lochfraßbeständigkeit
Edelstahl Rostfrei – Korrosionsbeständigkeit
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Edelstahl Rostfrei – Korrosionsbeständigkeit
Kontaktkorrosion
Verzinkte selbstschneidende Schraube
Rostfrei
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Korrosionsbeständigkeit und PRE Werte
0 5 10 15 20 25 30 35
1.4541
1.4301
1.4307
1.4305
1.4567
1.4429
1.4401
1.4571
1.4021
1.4034
1.4057
1.4418
1.4511
1.4713
Werk
sto
ff N
um
mer
PRE Werte (%Cr + 3.3%Mo + 16%N)
Ferrit
Oxidationsbeständige Güte
Austenite
Martensit
Meerwasser Beständigkeit
Duplex 1.4362
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Korrosionsbeständigkeit von rostfreien Stählen
• PRE Werte oder Wirksumme
PRE = %Cr + 3,3%Mo + 16%N
• Empirisch aus experimentellen Daten abgeleitet
• Verschiedene Formeln, mit Einfluss von Stickstoff zwischen 10 und 30 liegt
• Effekt anderer Legierungselemente ist nicht berücksichtigt
• Effekt der Wärmebehandlung ist nicht berücksichtigt
• Einfluss nichtmetallischer Einschlüsse ist nicht berücksichtigt
Diese Formel ist trotzdem sehr nützlich, um rostfreie Stähle zu vergleichen.
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Einfluss einzelner Legierungselemente auf die Korrosionsbeständigkeit
• Chrom: Bildet zusammen mit Sauerstoff eine Chromoxidschicht und schützt dadurch den Werkstoff vor abtragender Flächenkorrosion• Molybdän: Schützt den Werkstoff vor chloridinduzierter Lochfraßkorrosion und Spaltkorrosion• Nickel: Reichert sich unterhalb der Chromoxidschicht an und reduziert so die Abtragsrate bei auftretender Korrosion (Ferrite/Manganaustenite)• Kohlenstoff: Bildet zusammen mit Chrom Chromkarbide und reduziert so den gegen Korrosion wirkenden Chromgehalt des Stahls (Martensite)• Schwefel: Bildet zusammen mit Mangan Mangansulfide und kann dadurch Fehlstellen in der schützenden Chromoxidschicht verursachen (z. B. 1.4305, 1.4104)
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Ersatz des Legierungselementes Chrom bei rostfreien Stählen
Wirkungsweise des Chroms:
Ausgangssituation:
Durch steigende Preise des Legierungselementes Chrom steigt der LZ, trotz fallender Nickel- und Molybdänpreise
Die Oxidschicht oder auch Passivschicht trennt Werkstoff und Medium voneinander und behindert so die an der Korrosion beteiligten Prozesse
Substitution des Legierungselementes Chrom:
Eine Substitution ist nicht möglich, da es kein vergleichbar wirkendes Legierungselement gibt.
=> Reduzierung des Cr-Gehaltes => Reduzierung der Korrosionsbeständigkeit
Cl-O2 H+
Stahl (min. 10,5%Cr)
Passivschicht (CrxOy)
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Weltweite Chromproduktion (HC + Charge Chrom): 7.979.000 t/Jahr
Quelle: U. S. Geological Survey (USGS) Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)
Sonstige 898.000 to (11 %)
Finnland 260.000 to (4 %)
Südafrika 3.393.000 to (43 %)
Brasilien 210.000 to (3 %)
Kasachstan 1.340.000 to (17 %)
China 800.000 to (10 %)
Russland 355.000 to (5 %)
Indien 723.000 to (9 %)
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Edelstahl Rostfrei – Verarbeitung
Der Widerspruch zwischen Verarbeitung und Einsatz an zwei Beispielen
W.-Nr.1.4404
W.-Nr.1.4529
Ja Strangguss Nein
Ja 1-hitzig Walzen Nein
JaLösungsglühen / abkühlen aus Schmiedehitze
Nein
Ja Gut spanbar Nein
JaMit SZW einfach schweißbar
Nein
Einfach Beizen nach Schweißen
Schwierig
1770 1) Basis Preis (€/t) 6100 1)
3960 2)
3405 3)
LZ-Zuschlag (€/t) 8620 2)
7300 3)
Verfahrensschritt
Stahlherstellung
Warmverformen
Wärmebehandeln
Mech. Bearbeitung
Fügen
Oberflächen-behandeln
Beschaffungskosten
1) Beispiel Stab Ø 20 mm
2) Stand Juni 2008
3) Stand November 2008
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Edelstahl Rostfrei – Verarbeitung
Verarbeitung vor Einsatz
ArbeitsschrittGünstiger
Werkstoff-Nr.Ungünstige
Werkstoff-Nr.
Schmieden1.4006 (F)1.4301 (A)
1.4112 (F)1.4529 (A)
Stanzen 1.4003 1.4713
Fügen (+SZW) 1.4016 1.4034
Bohren 1.4003 1.4112
Zerspanen 1.4104 1.4539
Polieren 1.4116 1.4571
Biegen 1.4016 1.4713
Glühen 1.4301 1.4542
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Einteilung der nichtrostenden Stähle und Entwicklungsbereiche
Familien-Stammbaum
EN DIN 10088
CrNi
MoCu, Ti, Nb, S, N, .....
Martensit (C)
1.4006
1.4021
1.4057
1.4418
Duplex
1.4462
1.4460Austenit
(V2A)1.4305
1.43071.4541
1.4301
Ferrit (C) 1.4016
1.4511 1.4512
Austenit (V4A)1.4435
1.4404
1.45711.4401
Baum
Ersatz für Ni Basis
Ni-arme Werkstoffe
Optimierte Eigenschaften
Sonder Eigenschaften
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Edelstahl Rostfrei
Vor- und Nachteile der Mangan-Austenite:
o preiswert
hohe Festigkeit
- schlechte Kaltumformbarkeit
- hoher Oberflächenaufwand bei der Stahlherstellung
- schlechte Zerspanbarkeit
- inhomogene Werkstoffeigenschaften über den Stabquerschnitt
- oft hohe Phosphor-Gehalte
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Edelstahl Rostfrei Die martensitischen Stähle besitzen folgende Eigenschaften:
1.4313mit martensitischem Gefüge (Cr, C, Ni)
hohe Verschleißfestigkeit und Schneidhaltigkeit
gute Umformbarkeit
hohe Festigkeit
härtbar bzw. vergütbar
ansprechende, optimierte Korrosionsbeständigkeit
verbesserte Duktilität
verbesserte Zerspanbarkeit gegenüber früher erzeugten Standardmartensiten
verbesserte Tieftemperatureigenschaften bei – 40 °C bei entsprechender Behandlung
sichere spannungsarme Fertigung
international genormt
+ geringere Legierungszuschläge als Austenite Preis
- hoher Aufwand beim Kaltumformen
- Wärmebehandlungsaufwand, speziell nach dem Schweißen
Beispiele:1.4057, 1.40211.4313, 1.4418
Werkstoff-Datenblätter s. www.dew-stahl.com
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Edelstahl Rostfrei
Die ferritischen Stähle besitzen folgende Eigenschaften:
1.4511mit ferritischem Gefüge (Cr)
bedingt schweißbar
geringe Festigkeit
nicht härt- und vergütbar
Grobkorngefahr
bedingt zerspanbar
gute Warm- und Kaltumformbarkeit
preiswert
hohe Beständigkeit gegen chloridinduzierte Spannungsrisskorrosion.
je nach Analyse gute Korrosionsbeständigkeit
⅃ magnetisch
Beispiele:1.4016, 1.45091.4512, 1.4105
Werkstoff-Datenblätter s. www.dew-stahl.com
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Einsatz alternativer Werkstoffe – exemplarischer Kostenvergleich
1.4541 1.4511
Basispreis LZ 11/07
Deutliche Vorteile bei Beschaffungspreisen von Ferriten
Austenit
Ferrit
Einsparung
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Typische Entwicklung der Werkstoffgruppen bei rostfreien Langprodukten
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
2000 2004 2007Jahr
Austenit
Martensit
Ferrit
Duplex
67 %
22 %
10 %
1 %
62 %
25 %
11 %
2 %
47 %
36 %
14 %
3 %
22
S235 S275 S355 S460 S690
1.4003 X2CrNi12 X X X X
1.4016 X6Cr17 X
1.4301 X5CrNi18-10 X X X X
1.4541 X6CrNiTi18-10 X X X X
1.4318 X2CrNiN18-7 X X
1.4567 X3CrNiCu18-9-4 X X X X
1.4401 X5CrNiMo17-12-2 X X X X
1.4404 X2CrNiMo17-12-2 X X X X X
1.4571 X6CrNiMoTi17-12-2 X X X X X
1.4439 X2CrNiMoN17-13-5 X
1.4539 X1NiCrMoCuN25-20-5 X X X
1.4462 X2CrNiMoN22-5-3 X X
1.4565 X3CrNiMnMoNbN23-18-5-4 X X
1.4529 X1NiCrMoCuN25-20-7 X X X X
1.4547 X1CrNiMoCuN20-18-6 X X
Werkstoff-Nr.
Kurzname
Korrosions-beständigkeits-
klasse /Anforderungen
IImäßig
IIImittel
IVstark
Igering
Festigkeitsklassen( mindest Streckgrenze )
Edelstahl Rostfrei – Verfestigungsverhalten
Auszug aus Bauaufsichtlicher Zulassung Z 30.3-6
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Verfestigungsschaubild – 1.4362 (Duplex-Stahl)
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Möglichkeiten der Substitution aufgrund steigender LZ-Preise bei Edelstahl-Langprodukten
Rostfrei Reduzierung des Einsatzgewichtes durch Erhöhung der mechanischen Eigenschaften
Werkstoff Gruppe Streckgrenze Streckgrenze Norm optimiert
1.4462 Duplex > 450 MPa > 700 MPa
1.4003 Ferrit > 350 MPa > 480 MPa
1.4301 Austenit > 175 MPa > 460 MPa
1.4057 Martensit > 600 MPa > 800 MPa
Gewichtsersparnis konstruktiv bis 40 %
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Ersatz von teurem Rostfrei-Austenit durch:
Festigkeit Korr.- Aufwand universeller KostenWiderstand Bearbeitung Einsatz
(Austenit) ("V2A-Stahl")
Ferrit
Martensit
Duplex
ungünstiggünstig
26
Deutsche Edelstahlwerke
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