Edelstahl X5CrNi18-10 – der Allrounder für zahlreiche Einsatzgebiete

Der Stahlwerkstoff 1.4301, synonym auch als X5CrNi18-10, AISI 304 oder V2A bezeichnet, war der erste kommerziell verfügbare nicht rostende Edelstahl. Mit einem Anteil von 33 % der Gesamtproduktion ist er der derzeit am häufigsten eingesetzte rostfreie Stahl. Wegen seiner guten Verarbeitungseigenschaften und seiner attraktiven Optik findet er in zahlreichen Gebieten Verwendung, beispielsweise in der Lebensmitteltechnik, im Armaturenbau und in der Architektur.

Welche Eigenschaften hat Edelstahl X5CrNi18-10?

Bei X5CrNi18-10 handelt es sich um einen relativ weichen, nicht ferromagnetischen Austenit-Stahl mit folgender chemischer Zusammensetzung:

  • ≤ 0,07 % Kohlenstoff
  • ≤ 1 % Silicium
  • ≤ 2 % Mangan
  • ≤ 0,045 % Phosphor
  • ≤ 0,03 % Schwefel
  • 17,5 bis 19,5 % Chrom
  • 8 bis 10,5 % Nickel
  • ≤ 0,11 % Stickstoff

Dieser Werkstoff ist mit elektrischen Verfahren gut schweißbar und dank seines niedrigen Kohlenstoffgehalts auch ohne Wärmebehandlung korrosionsbeständig. Darüber hinaus ist er flexibel formbar und gut polierbar. Vor allem in poliertem Zustand wird er wegen seiner hochwertigen Optik geschätzt. Er ist korrosionsbeständig gegenüber Wasser, Luftfeuchtigkeit, Wasserdampf, Speisesäuren und schwachen organischen und anorganischen Säuren, jedoch nicht gegenüber größeren Chlor- und Salzkonzentrationen.
Das im X5CrNi18-10 enthaltene Nickel kann sich aus der Legierung lösen und in Nahrungsmittel oder die Haut übergehen. Bei empfindlichen Menschen kann dies zu gesundheitlichen Problemen führen. Der Grenzwert für die Nickelfreisetzung beträgt laut Europäischer Richtlinie 94/27/EG 0,5 μg/cm² pro Woche. Mit wöchentlich weniger als 0,03 μg/cm² unterschreitet der Werkstoff 1.4301 diesen Grenzwert deutlich.

Was ist bei der Bearbeitung von X5CrNi18-10 zu beachten?

X5CrNi18-10 ist einer von wenigen Werkstoffen, die sich für Tiefsttemperaturanwendungen bis fast bis zum Nullpunkt eignen. Bei der spangebenden Verarbeitung sind wegen seiner Neigung zur Kaltverfestigung Werkzeuge aus hochlegiertem Schnelldrehstahl oder Hartmetall erforderlich.

Schweißen

Der Stahlwerkstoff 1.4301 lässt sich sowohl mit als auch ohne Schweißzusatzwerkstoff gut schweißen. Bei der Auswahl von Schweißzusätzen sollte die Korrosionsbeanspruchung Berücksichtigung finden. Aufgrund der Gussstruktur des Schweißgutes ist es teilweise erforderlich, einen höherlegierten Schweißzusatz zu verwenden. Das Vorwärmen ist bei diesem Stahl nicht erforderlich, eine anschließende Wärmebehandlung unüblich.
Austenitische Stähle wie X5CrNi18-10 besitzen nur rund ein Drittel der Wärmeleitfähigkeit unlegierter Stähle. Da ihr Schmelzpunkt ebenfalls niedriger ist, müssen sie unter geringerer Wärmezufuhr geschweißt werden als unlegierte Stahlsorten. Um das Überhitzen oder Durchbrennen dünner Bleche zu verhindern, sind hohe Schweißgeschwindigkeiten erforderlich. Zur schnelleren Abführung der Wärme sind Kupferunterlagen zweckmäßig, wobei diese nicht angeschmolzen werden dürfen, um eine Lötrissigkeit zu vermeiden.
Eines der größten Probleme beim Schweißen von 1.4301 ist der mit der schlechteren Wärmeleitfähigkeit verbundene Verzug der Werkstücke. Daher sind Maßnahmen zu ergreifen, welche dem Verzug entgegenwirken, beispielsweise das wechselseitige Schweißen bei X-Nähten, das Pilgerschrittschweißen oder der Einsatz von zwei Schweißern bei sehr großen Bauteilen. Bei Erzeugnisdicken von mehr als 12 mm sollte der X-Naht gegenüber der V-Naht der Vorzug gegeben werden.
In Kombination mit austenitischem Schweißgut und zu großer Hitze besteht die Gefahr der Heißrissbildung. Diese lässt sich mit ferrithaltigem Schweißgut (Deltaferrit) mindern. Günstig sind Ferritgehalte von bis zu 10 %, die sich in aller Regel nicht negativ auf die Korrosionsbeständigkeit auswirken. Das Schweißen muss in möglichst dünnen Lagen erfolgen, da die damit einhergehende höhere Abkühlgeschwindigkeit die Heißrissneigung verringert. Die schnelle Abkühlung verhindert zugleich Versprödungen und die interkristalline Korrosion.
Grundsätzlich eignet sich X5CrNi18-10 für folgende Schweißverfahren:

  • WIG-Schweißen
  • MAG Massiv-Draht
  • Unterpulver-Schweißen
  • Lichtbogenschweißen
  • Laserstrahlschweißen

Für das Gasschmelzschweißen ist dieser Stahl hingegen ungeeignet.

Schmieden

Freiformschmieden ist mit dem Stahlwerkstoff 1.4301 ebenso möglich wie Gesenkschmieden. Üblicherweise wird der Stahl langsam auf etwa 1150 bis 1180 °C erwärmt, um ihn im Temperaturbereich zwischen 1180 bis 950 °C schmieden zu können. Die Abkühlung erfolgt an der Luft oder im Wasser. Da Anlauffarben und Zunder die Korrosionsbeständigkeit reduzieren, müssen sie mithilfe chloridfreier chemischer oder mechanischer Verfahren entfernt werden.

Was bedeutet die Bezeichung V2A?

Rostfreie Edelstähle sind seit Anfang des letzten Jahrhunderts als metallische Werkstoffe verfügbar. Der Name V2A stammt daher, dass anfangs versucht wurde, austenitische Stahlsorten durch die Legierung von Eisen, Chrom und Nickel zu erzeugen. Die ursprüngliche Variante, die namensgebende „Versuchsschmelze 2, Austenit“ mit der Werkstoffnummer 1.4300 und der Legierungskennung X12CrNi18-8 wird nicht mehr produziert.
Heute laufen unter der Bezeichnung V2A vor allem der hier beschriebene X5CrNi18-10 sowie der sehr ähnliche Stahl X2CrNi18-9 (1.4307). Beide Stahlsorten beinhalten deutlich weniger Kohlenstoff als die Ursprungsvariante, dafür aber mehr Nickel. Darüber hinaus werden Stähle mit der Werkstoffnummer 1.4305 (X8CrNiS18-9 und X10CrNiS18-9) als V2A bezeichnet, die etwas mehr Schwefel enthalten, um die Verarbeitung mit Automaten zu erleichtern.

Edelstahl – nicht automatisch rostfrei

Als Edelstähle werden legierte und unlegierte Stähle bezeichnet, die sich durch einen besonderen Reinheitsgrad auszeichnen, beispielsweise Stähle, deren Phosphor- und Schwefelgehalt weniger als 0,025 % beträgt.
Bei der Annahme, Edelstähle wären immer nicht rostend, handelt es sich um ein weit verbreitetes Missverständnis. Die Korrosionsbeständigkeit der verschiedenen Edelstahlsorten wird vielmehr vom Anteil des Chroms bestimmt, das, sofern ausreichend vorhanden, eine natürliche Passivierung verursacht. Rostfreiheit entsteht bei Chromgehalten von mehr als 10 %. Als rostfrei ausgezeichnete Edelstähle beinhalten im Durchschnitt circa 14 % Chrom.
Edelstähle werden in vier Korrosionsbeständigkeitsklassen eingeteilt, die unterschiedliche Anteile an Legierungspartnern haben:

  • KBK 1: weniger als 12 % Chrom
  • KBK 2: 13 bis 18 % Chrom (in trockner Umgebung nicht rostend)
  • KBK 3: 18 bis 20 % Chrom, 8 bis 13 % Nickel (anfällig für Rostfraß
  • KBK 4: 18 bis 20 % Chrom, 8 bis 13 % Nickel, 2 bis 3 % Molybdän (immer rostfrei)

Mit 17,5 bis 19,5 % Chrom und 8 bis 10,5 % Nickel gehört X5CrNi18-10 zur KBK 3. Deutlich erhöhen lässt sich die Korrosionsbeständigkeit durch das Elektropolieren. Anwendung findet dieses Verfahren insbesondere bei der Verarbeitung des Edelstahls in der Pharma-, Medizin- und Lebensmittelindustrie sowie in der Fassadentechnik.

Wofür wird der Stahlwerkstoff 1.4301 verwendet?

Zu den wichtigsten Einsatzgebieten des Edelstahls X5CrNi18-10 gehören:

  • die Nahrungsmittelindustrie und die Getränkeproduktion
  • der Maschinenbau und der chemischer Apparatebau
  • die Pharma- und Kosmetikindustrie
  • die Architektur
  • der Fahrzeugbau
  • Haushaltsgegenstände und -geräte
  • chirurgische Instrumente
  • der Schrank- und Küchenbau
  • Schmuckwaren und Kunstgegenstände
  • Sanitäranlagen
  • Kernreaktoren
  • kryogene Geräte

Weniger geeignet ist diese Edelstahlsorte für die Verwendung in Schwimmbädern. Sie bietet sich lediglich für Bauteile mit glatter Oberfläche an, sofern die Chlorid-Konzentration des Badewassers maximal 200 mg/l beträgt. Weiter verbreitet sind daher im Schwimmbadbereich Werkstoffe wie 1.4539, 1.4529, 1.4565 und 1.4547, die in der Regel auch Konzentrationen von mehr als 500 mg Chlor pro Liter schadlos überstehen.
X5CrNi18-10 ist für eine Temperaturbeanspruchung von bis zu 600 °C zugelassen. Sind die Arbeitstemperaturen höher, empfiehlt sich die Verwendung von titanstabilisiertem Stahl nach Werkstoffnummer 1.4541.

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