Rostfrei – zu teuer? Perspektiven.

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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 fragwürdiger Optik.

3 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

4 Edelstahl Rostfrei – Werkstoffauswahl
Ferrit mit Untergruppen Austenite Duplex 3541 H 4122 M 4724 F 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 4301 4307 4401 4404 4571 4567 4362 4821 4820 4596 4501 4462 4460 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 4731 M 4732 M 4462 4735 F 4742 F 4003 4016 4872 4529 4933 F = Ferrit, M = Martensit, H = härtbar, PH = aushärtbar Alle Werkstoffe 1.xxxx

5  Anspruch: Optik + Rostfrei!
Aktueller Stand Ausgangssituation: Austenitische Standard-Stähle sind sehr teuer wegen Legierungszuschlag und Bearbeitungsaufwand (z. B  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  Anspruch: Optik + Rostfrei!

6 Mechanische Beanspruchung
Edelstahl Rostfrei – Korrosionsbeständigkeit Bedingungen für Spannungsrisskorrosion (SpRk) Werkstoff Typ Chem. Zusammensetzung Gefüge- und Ausscheidungs- zustand (Wärmebehandlung) Oberflächenzustand Medium Zusammensetzung (mit Verunreinigungen) Temperatur Strömungsverhältnisse Elektrochemische Bedingungen (Redox- u. Korrosionspotential) Mechanische Beanspruchung Betriebsbedingte Zugbeanspruchung statischer oder dynamischer Art Eigenspannungen Belastungsänderungen (Dehnraten/ Frequenz) SpRk

7 Edelstahl Rostfrei – Korrosionsbeständigkeit
Einfluss von Chrom und Molybdän auf die Lochfraßbeständigkeit

8 Edelstahl Rostfrei – Korrosionsbeständigkeit
Kontaktkorrosion Verzinkte selbstschneidende Schraube Rostfrei

9 Korrosionsbeständigkeit und PRE Werte
Meerwasser Beständigkeit Martensit Austenite Duplex

10 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.

11 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 , )

12 Ersatz des Legierungselementes Chrom bei rostfreien Stählen
Ausgangssituation: Durch steigende Preise des Legierungselementes Chrom steigt der LZ, trotz fallender Nickel- und Molybdänpreise Wirkungsweise des Chroms: Cl- O2 H+ Stahl (min. 10,5%Cr) Passivschicht (CrxOy) 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

13 Weltweite Chromproduktion (HC + Charge Chrom): 7.979.000 t/Jahr
Brasilien to (3 %) Sonstige to (11 %) Südafrika to (43 %) Finnland to (4 %) Russland to (5 %) Indien to (9 %) China to (10 %) Kasachstan to (17 %) Quelle: U. S. Geological Survey (USGS) Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)

14 Edelstahl Rostfrei – Verarbeitung Der Widerspruch zwischen Verarbeitung und Einsatz an zwei Beispielen Verfahrensschritt Stahlherstellung Warmverformen Wärmebehandeln Mech. Bearbeitung Fügen Oberflächen- behandeln Beschaffungskosten 1) Beispiel Stab Ø 20 mm 2) Stand Juni ) Stand November 2008 W.-Nr. 1.4404 1.4529 Ja Strangguss Nein 1-hitzig Walzen Lösungsglühen / abkühlen aus Schmiedehitze Gut spanbar Mit SZW einfach schweißbar Einfach Beizen nach Schweißen Schwierig 1770 1) Basis Preis (€/t) 6100 1) 3960 2) ) LZ-Zuschlag (€/t) 8620 2) )

15 Edelstahl Rostfrei – Verarbeitung Verarbeitung vor Einsatz
Arbeitsschritt Günstiger Werkstoff-Nr. Ungünstige Schmieden (F) (A) (F) (A) Stanzen 1.4003 1.4713 Fügen (+SZW) 1.4016 1.4034 Bohren 1.4112 Zerspanen 1.4104 1.4539 Polieren 1.4116 1.4571 Biegen Glühen 1.4301 1.4542

16 Optimierte Eigenschaften
Einteilung der nichtrostenden Stähle und Entwicklungsbereiche Optimierte Eigenschaften Familien-Stammbaum Duplex 1.4462 1.4460 Ferrit (C) 1.4016 1.4511 1.4512 Austenit (V2A) 1.4305 1.4307 1.4541 1.4301 Ni-arme Werkstoffe Ersatz für Ni Basis Sonder Eigenschaften Martensit (C) 1.4006 1.4021 1.4057 1.4418 Austenit (V4A) 1.4435 1.4404 1.4571 1.4401 Baum EN DIN 10088 Cu, Ti, Nb, S, N, ..... Mo Ni Cr

17 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

18 Edelstahl Rostfrei Die martensitischen Stähle besitzen folgende Eigenschaften:
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 mit martensitischem Gefüge (Cr, C, Ni) Beispiele: , , Werkstoff-Datenblätter s.

19 Edelstahl Rostfrei Die ferritischen Stähle besitzen folgende Eigenschaften:  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 mit ferritischem Gefüge (Cr) Beispiele: , , Werkstoff-Datenblätter s.

20 Einsatz alternativer Werkstoffe – exemplarischer Kostenvergleich
Austenit 1.4541 1.4511 Basispreis LZ 11/07 Einsparung Ferrit Deutliche Vorteile bei Beschaffungspreisen von Ferriten

21 Typische Entwicklung der Werkstoffgruppen bei rostfreien Langprodukten
67 % 62 % 47 % 36 % 25 % 22 % 14 % 10 % 11 % 1 % 2 % 3 %

22 Edelstahl Rostfrei – Verfestigungsverhalten
Auszug aus Bauaufsichtlicher Zulassung Z

23 Verfestigungsschaubild – 1.4362 (Duplex-Stahl)

24 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 Duplex > 450 MPa > 700 MPa Ferrit > 350 MPa > 480 MPa Austenit > 175 MPa > 460 MPa Martensit > 600 MPa > 800 MPa  Gewichtsersparnis konstruktiv bis 40 %

25 Ersatz von teurem Rostfrei-Austenit durch:

26 Deutsche Edelstahlwerke Providing special steel solutions
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