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1 Rostfrei – zu teuer? Perspektiven

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Rostfrei – zu teuer?

Perspektiven

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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 %

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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

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Deutsche Edelstahlwerke

Providing special steel solutions

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

Der Spezialist für Rostfrei-Langprodukte- über Strecke 0,8 – 900 mm Ø, bis 12 m Länge- großes Lager in Rostfrei-Standardgüten- über 100 Werkstoffe im Programm- Spezialprodukte (z. B. ESU, VU, Freiformschmiede, Pharma-Teile-Nitrierung …)