Sensormaterialien moderner Prozessphotometer

Rostfreier Stahl

Rostfreier Stahl als Sensormaterial, auch bekannt als Nirosta, ist ein allgemeinsprachlicher Ausdruck für rost- und säurebeständigen Stahl. Dieser Stahl zeichnet sich durch einen Anteil von mindestens 10,5 bis 13 Prozent Chrom aus, der im austenitischen oder ferritischen Mischkristall gelöst sein muss. 

Der Effekt beruht darauf, dass sich durch diesen hohen Chromanteil eine schützende und dichte Passivschicht aus Chromoxid an der Werkstoffoberfläche ausbildet. Weitere Legierungsbestandteile wie Nickel, Molybdän, Mangan und Niob führen zu einer noch besseren Korrosionsbeständigkeit oder günstigeren mechanischen Eigenschaften. Da Chrom als Legierungselement allgemein günstiger ist als Nickel, wird ein höherer Chromanteil bei kleinerem Nickelanteil (gleiche Korrosionsbeständigkeit vorausgesetzt) bevorzugt.

Korrosionsverhalten

Rostfreier Stahl kann unter gewissen Rahmenbedingungen, z. B. in der chlorgashaltigen Luft in Hallenbädern oder im Offshorebereich, durchaus erhebliche Korrosionserscheinungen zeigen (Spannungsrisskorrosion). Hier ist die richtige Werkstoffwahl (Zusammensetzung der Legierung) von entscheidender Bedeutung. Meist erreicht man die Beständigkeit in chloridhaltigen Medien durch Zulegieren von mindestens 2 Prozent Molybdän (z. B. X2CrNiMnMoNbN25-18-5-4). Edelstahl wie X5CrNi18-8 ist bei bestimmten Säuren, etwa Salzsäure (34 %), nicht beständig. 

Das Metall löst sich mit der Zeit völlig auf. Seit der Patenterteilung auf Stähle mit „hoher Widerstandskraft gegen Korrosion“ im Jahr 1912 durch die Firma Friedrich Krupp AG in Essen hat die Produktion von rostfreiem Stahl einen gewaltigen Aufschwung genommen. 

Auslöser für die Entwicklung eines solchen Stahls war die aufstrebende chemische Industrie im Deutschen Reich. Die damaligen Syntheseverfahren mit Heißdampf, säurehaltigen Medien und sehr hohen Temperaturen ließen herkömmliche Stähle spröde (Wasserstoffsprödigkeit) und rissig werden. Viele damalige Reaktoren waren bis dato aus Granit gefertigt, um diese Nachteile zu umgehen.

Die 1913 anlaufende Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren) konnte nur durch den Einsatz von austenitischen CrNi-Stählen, wie sie Krupp ein Jahr zuvor entwickelt hatte, realisiert werden. Die parallele Entwicklung der Stahl- und Chemieindustrie, insbesondere dieser beiden Ereignisse, war deshalb kein Zufall.

Eigenschaften und Anwendung

Obwohl sich die meisten rostfreien Stähle nur sehr schlecht zerspanen lassen, bietet ihr Einsatz als Sensormaterial überwiegend Vorteile. Hier sind beispielsweise neben hygienischen Aspekten auch die Langlebigkeit der produzierten Teile und Vorteile im Umweltschutz zu nennen. Nachteil gegenüber anderen Stählen ist jedoch die zumeist geringe Zugfestigkeit und oft fehlende Härtbarkeit.

Bemerkenswert ist auch die im Vergleich zu Kupfer und seinen Legierungen geringere antibakterielle Wirkung. Dazu ein US-amerik. Testergebnis, auch bekannt als oligodynamischer Effekt (Oligodynamie). Weitere Vorteile sind UHV-Dichtheit von Schweiß-Verbindungen und geringer Magnetismus. Für Werkzeuge und Messer werden jedoch härtbare martensitisch-ferritische Stähle verwendet, die neben Chrom oft auch Vanadium und Molybdän enthalten und magnetisch sind. Typische Stahlsorten hierfür sind X30Cr13 und die hochwertigere Legierung X50CrMoV15 (vgl. Messerstahl).

Im Offshorebereich finden auch ferritisch-austenitische Duplex-Stähle, z. B. 1.4462 (X2CrNiMoN22-5-3) Anwendung. Anstelle von Nickel kann für austenitische Stähle auch das billigere Mangan als Legierungselement verwendet werden, aber die allgemeine Qualität dieser Stähle ist niedriger. Für den Offshorebereich sind Bauteile aus dem Sonderwerkstoff X2CrNiMoN17-13-5 (Werkstoffnummer 1.4439/Alloy 317 LN) zu bevorzugen. Schraubenwerkstoffe aus nichtrostenden Stählen und deren Bezeichnungen sind in der EN ISO 3506 genormt. 

Beim Ersetzen von Schrauben mit konventionellem Werkstoff durch Niro-Schrauben ist zu beachten, dass die Werkstoffkennwerte (Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Dehngrenze etc.) dieser Niro-Schrauben meist unter denen konventioneller Schrauben mit Festigkeitsklasse größer gleich 5.6 liegt. Ein einfaches Ersetzen nach dem 1:1-Prinzip ist gerade bei sicherheitsrelevanten Verbindungen genau zu prüfen.

Normierung

In der europäischen Norm DIN EN 10088, Teil 1-3 sind die technischen Lieferbedingungen für nichtrostende Stähle allgemein geregelt. Zum Abschätzen der Korrosionsbeständigkeit eines rostfreien Stahls kann die Wirksumme (auch PRE-Wert) dienen. Je höher diese ist, desto beständiger ist die Legierung gegen Lochfrass oder Spaltkorrosion. Legierungen mit einer Wirksumme über 33 gelten als seewasserbeständig.

International Organization for Standardization: ISO im Internet 

Deutsches Institut für Normung E. V.: DIN/EN im Internet

Interkristalline Korrosion

Die Beständigkeit gegenüber Korrosion sinkt mit steigendem Kohlen-. stoffgehalt, da Chrom eine hohe Kohlenstoffaffinität besitzt und sich hartes, sprödes Chromkarbid vorwiegend an den Korngrenzen bildet, zu Lasten von schützendem Chromoxid. Außerdem neigen dann die Stähle zur inter- kristallinen Korrosion. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und damit auch die Schweißbarkeit zu verbessern, wird der Kohlenstoffgehalt niedrig gehalten und die entsprechenden Stahlsorten noch durch Zugabe von Niob oder Titan (die eine höhere Affinität zum Kohlenstoff als Chrom haben), stabilisiert.