Stähle und Legierungen mit besonderen Eigenschaften
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Stähle und Legierungen mit besonderen Eigenschaften entstehen dort, wo die Lebensdauer eines Bauteils nicht mehr primär über klassische Festigkeitskennwerte entschieden wird. Stattdessen steht eine dominante Funktion im Vordergrund, etwa Verschleißwiderstand, Korrosionsbeständigkeit, Stabilität bei hohen Temperaturen oder gezielt ausgeprägte physikalische Merkmale wie definierter elektrischer Widerstand, ein kontrollierter Wärmeausdehnungskoeffizient oder spezifische magnetische Eigenschaften. In solchen Werkstoffen wird Zusammensetzung nicht „allgemein“ optimiert, sondern auf den Wirkmechanismus hin entworfen, der im Betrieb tragen soll. Das Material soll sich unter Last an der Oberfläche verfestigen, in einer bestimmten Umgebung passiv bleiben oder in heißen Gasen eine Schutzschicht ausbilden, die den Grundwerkstoff abschirmt.
Eine Legierung, die in jeder Situation „gegen alles“ unempfindlich wäre, ist die Ausnahme. Korrosionsbeständigkeit ist immer an das Medium gebunden. Verschleiß hängt davon ab, ob abrasive Partikel dominieren oder ob Reibung und Kontaktdruck mit Stoßanteilen wirken. Hochtemperatureigenschaften müssen getrennt bewertet werden: Oxidationsbeständigkeit in Heißgasen ist etwas anderes als Kriechfestigkeit unter langandauernder Last. Wer Spezialstähle sinnvoll auswählt, braucht deshalb weniger Namenslisten als ein klares Bild davon, wodurch der Effekt entsteht und unter welchen Randbedingungen er stabil bleibt.
Abriebfeste Stähle
Ein klassischer Werkstoff mit hoher Verschleißfestigkeit ist der austenitische Manganstahl 11G12, häufig als Hadfield-Stahl bezeichnet. Er enthält etwa 1,0–1,3 % C und 11–14 % Mn; als günstig gilt ein Kohlenstoff-Mangan-Verhältnis nahe 1:10, weil ein ausreichend hoher Kohlenstoffgehalt die Austenitstabilität absichert. Seine Kennwerte wirken auf den ersten Blick widersprüchlich: niedrige Streckgrenze (ungefähr Re ≈ 400 MPa) und moderate Ausgangshärte (etwa 210 HB) stehen einer hohen Zugfestigkeit (Rm ≈ 1050 MPa) sowie außergewöhnlicher Duktilität und Schlagzähigkeit gegenüber. Dehnungen um A ≈ 50 % und hohe Kerbschlagwerte sind für diese Werkstoffklasse typisch.
Der Verschleißwiderstand ergibt sich nicht aus der Anfangshärte, sondern aus dem Verhalten im Kontakt. Weil die Streckgrenze relativ niedrig liegt, setzt eine ausgeprägte Kaltverfestigung früh ein und verläuft deutlich stärker als bei vielen konventionellen Baustählen. Unter hohem Oberflächendruck kann sich der Austenit in der Randzone zusätzlich in Martensit umwandeln. Die Härte steigt lokal, die Oberfläche „schließt“ sich gegen weiteren Abtrag. Genau dieser Mechanismus erklärt, warum Hadfield-Stahl im schlagbeanspruchten Verschleißbereich oft überlegen ist. Klassisch gehärtete Stähle liefern zwar hohe Härten, verlieren bei Stößen jedoch häufig durch Sprödbruch.
Voraussetzung ist eine homogene austenitische Grundstruktur. Bei langsamer Abkühlung scheiden Karbide aus, die Zähigkeit und Verschleißverhalten spürbar verschlechtern. Deshalb wird 11G12 typischerweise bei etwa 950–1000 °C lösungsgeglüht und anschließend in Wasser abgeschreckt, um möglichst einheitlichen Austenit zu erhalten. Ebenso wichtig ist die Einsatzgrenze: Der Werkstoff spielt seine Stärke vor allem bei Verschleiß unter erheblichem Kontaktdruck aus. Rein „schleifende“ Beanspruchung ohne nennenswerten Druck aktiviert die Selbstverfestigung kaum und relativiert den Vorteil. Typische Anwendungen sind Eisenbahnweichen, Brecherbacken oder Schienenfahrzeugkomponenten, also Bauteile mit hohen Druck- und Stoßanteilen. Der Preis ist eine schwierige Zerspanbarkeit, die in der Praxis meist Hartmetallwerkzeuge voraussetzt.
Rostfreie, säurebeständige und wetterbeständige Stähle
Korrosion ist eine von außen ausgelöste Zerstörung, die an der Oberfläche beginnt und je nach Mechanismus gleichmäßig oder lokal fortschreitet. Man unterscheidet chemische Korrosion, typisch für trockene Heißgase, und elektrochemische Korrosion, die in Flüssigkeiten, meist wässrigen Elektrolyten, über lokale Elementbildung und Stromfluss abläuft. Entscheidend ist: Der Prozess lässt sich bremsen, wenn sich eine dichte, fest haftende, in der Umgebung stabile Schicht bildet, die das Metall zuverlässig abdeckt. Diese Schicht darf nicht unterwandert werden, sie muss bei Temperaturwechseln intakt bleiben und darf sich nicht rasch auflösen. Daraus folgt das Grundprinzip rostfreier Stähle: Beständigkeit beruht auf einer stabilen Passivschicht, nicht auf „Unangreifbarkeit“ des Metalls an sich.
Chrom ist dabei der zentrale Legierungsbestandteil. Erst ein ausreichend hoher Cr-Gehalt ermöglicht eine dauerhaft wirksame Passivierung. Im Fe–Cr–C-System führt der Kohlenstoffgehalt zu deutlich unterschiedlichen Grundgefügen. Bei sehr niedrigem Kohlenstoff (unter etwa 0,1 %) kann sich ein ferritisches Gefüge über weite Temperaturbereiche stabilisieren. Bei mittleren Kohlenstoffgehalten treten nach dem Erhitzen Austenitanteile auf, aus denen beim Abkühlen Ferrit-Martensit-Gemische entstehen. Bei höheren Kohlenstoffgehalten kann der Stahl vollständig austenitisieren und anschließend martensitisch werden. Vor diesem Hintergrund werden Chromstähle wie 0H13 als ferritisch, 1H13 als halbferritisch und 2H13 bis 4H13 als martensitisch eingeordnet. Die Wärmebehandlung umfasst häufig Härten bei etwa 950–1000 °C und Anlassen um 600–700 °C; damit lassen sich je nach Kohlenstoffgehalt breite Festigkeitsbereiche einstellen. Ihre Beständigkeit zeigt jedoch die Grundregel der Korrosionstechnik: Sie sind in Wasserdampf und in bestimmten Säuren, etwa Salpeter- oder Essigsäure, relativ zuverlässig, reagieren aber empfindlich auf Salzsäure und Schwefelsäure. „Rostfrei“ ist damit keine absolute Aussage, sondern eine Aussage über Medien.
In der Praxis existieren auch höherchromhaltige Varianten, etwa mit 16–18 % Cr und rund 0,1 % C, häufig ferritisch oder ferritisch-martensitisch, verbreitet in der Lebensmitteltechnik und in Alltagsanwendungen. Stähle mit 25–28 % Cr bilden meist ferritische Strukturen, sind weniger duktil, können aber als hitzebeständige Werkstoffe eingesetzt werden. Ferritische Edelstähle haben zugleich eine grundlegende Einschränkung: Sie durchlaufen keine allotrope Umwandlung und lassen sich daher nicht über klassische Härt- und Anlassrouten „aufwerten“. Gefügefeinung entsteht hier vor allem über Umformung und die damit verbundene Rekristallisation.
Die höchste Korrosionsbeständigkeit in vielen Anwendungsfeldern liefern austenitische Chrom-Nickel-Stähle. Typisch sind 18–25 % Cr und 8–20 % Ni; der 18/8-Typ ist aufgrund seiner breiten Medienbeständigkeit besonders verbreitet. Zusätze dienen der gezielten Anpassung: Molybdän, etwa 1,5–2,5 %, verbessert die Beständigkeit in schwefelsauren Umgebungen; Kupfer um 3 % kann die Neigung zur Spannungsrisskorrosion senken; Silizium im Bereich 2–3 % kann die Resistenz gegenüber Salzsäure erhöhen. Um eine homogene austenitische Struktur zu sichern, werden diese Stähle häufig bei etwa 1050–1100 °C lösungsgeglüht und anschließend in Wasser abgeschreckt. Diese Prozessführung ist kein Detail, sondern ein Kernbestandteil der Edelstahltechnologie.
Austenitische Chrom-Nickel-Stähle besitzen jedoch eine typische „Betriebsfalle“: interkristalline Korrosion nach Temperaturbeanspruchung im Bereich etwa 450–700 °C. In diesem Fenster können Chromkarbide an Korngrenzen ausscheiden. Die angrenzenden Bereiche verarmen an Chrom, die Passivschicht verliert lokal ihre Grundlage, und die Korngrenzen werden angreifbar. Gegenmaßnahmen sind gut etabliert: sehr niedriger Kohlenstoffgehalt (etwa 0,02–0,03 %), Stabilisierung mit Titan oder Niob, stabilisierendes Glühen um 850 °C sowie erneutes Lösungsglühen. Dieses Beispiel zeigt, wie stark das Ergebnis bei Spezialstählen von der thermischen Vorgeschichte abhängt.
Zwischen Edelstahl und Baustahl liegen wetterbeständige Stähle für atmosphärische Korrosion. Ihr Ziel ist nicht vollständige Rostfreiheit, sondern eine Rostschicht, die sich verdichtet, gut haftet und die Sauerstoff- und Feuchtigkeitsdiffusion bremst. Diese Patina wirkt als Schutz. Kupfer im Bereich 0,20–0,50 % ist hier besonders wirksam; ergänzend werden Chrom bis etwa 1,3 % und Nickel eingesetzt. Phosphor kann in Kombination mit diesen Zusätzen die Schutzwirkung weiter erhöhen, weshalb sein Gehalt teils bewusst angehoben wird. Bekannte Vertreter sind Cor-ten A und vergleichbare Güten wie 10HNAP. Der Werkstoff „lebt“ von stabiler Oxidbildung, nicht von ihrer Vermeidung.
Hochtemperaturverhalten – Oxidation, Kriechen und Werkstoffwahl
Hohe Temperaturen stellen zwei getrennte Anforderungen. Die erste ist Hitzebeständigkeit im Sinne von Oxidations- und Zunderbeständigkeit in Heißgasen, typischerweise oberhalb von 550 °C. In diesem Bereich bildet Kohlenstoffstahl rasch Zunder, und die Oxidationsgeschwindigkeit steigt stark mit der Temperatur. Legierungselemente wie Chrom, Silizium und Aluminium erhöhen die Beständigkeit, weil sie bevorzugt oxidieren und dichte, fest haftende Oxidschichten ausbilden. Als praktische Orientierung gilt: Ab etwa 10 % Cr sind Einsatztemperaturen um 900 °C erreichbar; für ungefähr 1100 °C werden häufig 20–25 % Cr benötigt. Wichtig ist außerdem, dass der Werkstoff im Einsatzbereich möglichst keine allotropen Umwandlungen durchläuft. Volumenänderungen können Schutzschichten aufreißen und den Oxidationsschutz zerstören.
Die zweite Anforderung ist Warmfestigkeit, also Widerstand gegen zeitabhängige Verformung unter Last. Hier steht Kriechen im Zentrum. Unter konstanter Spannung nimmt die Dehnung mit der Zeit zu; besonders aussagekräftig ist der Abschnitt mit annähernd konstanter Kriechgeschwindigkeit. Kriechen lässt sich als Konkurrenz zweier Prozesse verstehen: Verfestigung durch Versetzungsaufbau und Entfestigung durch Rückbildung und Rekristallisation bei hoher Temperatur. Warmfeste Werkstoffe müssen so aufgebaut sein, dass sie diese Entfestigungsmechanismen möglichst lange hemmen.
Zusätze wie Molybdän, Wolfram und Vanadium sind hierfür wichtig, liefern allein aber keinen Oxidationsschutz. Deshalb werden warmfeste Stähle in der Praxis mit hitzebeständigkeitssteigernden Elementen kombiniert, vor allem Chrom, ergänzt durch Silizium oder Aluminium. Wenn ein austenitisches Grundgefüge benötigt wird, kommen Nickel und teilweise Mangan hinzu. Hochtemperaturkennwerte werden zudem grundsätzlich zeitbezogen angegeben: relevant ist nicht „die Festigkeit“ als Zahl, sondern die Spannung, die nach einer bestimmten Zeit bei einer bestimmten Temperatur zu einer definierten bleibenden Dehnung führt, oder die Spannung, die nach einer bestimmten Zeit zum Bruch führt. Warmfestigkeit ist immer eine Funktion der Einsatzdauer.
Die Werkstoffauswahl folgt daher klaren Temperaturklassen. Grob lässt sich unterscheiden: etwa 350–500 °C für ferritische oder ferritisch-perlitische legierte Stähle, 500–650 °C häufig für austenitische Stähle, 650–900 °C typischerweise für Nickel- und Kobaltbasislegierungen, darüber hinaus für Legierungen hochschmelzender Metalle. Diese Einteilung erklärt, warum Cr-Mo-Stähle im Kessel- und Kraftwerksbau dominieren, während Turbinen und Strahltriebwerke Werkstoffe benötigen, deren Kriech- und Oxidationsstabilität in einer anderen Größenordnung liegt.
Für den Langzeitbetrieb bis etwa 500–550 °C werden häufig ferritische oder ferritisch-perlitische Cr-Mo-Stähle eingesetzt, etwa mit 0,1–0,2 % C, 1–2 % Cr und 0,5–1 % Mo. Sie sind schweißbar, verlangen jedoch meist Vorwärmen. Nach dem Schweißen werden Verbindungen üblicherweise normalisiert und bei hohen Temperaturen angelassen, etwa um 700 °C, um eine stabile Struktur zu erzielen. Hier wird sichtbar, dass Fügetechnik bei Hochtemperaturbauteilen nicht „nachgeordnet“ ist, sondern Bestandteil des Werkstoffkonzepts.
Zu den hitzebeständigen Stählen zählen Chrom-Aluminium-, Chrom-Silizium- und Chrom-Nickel-Stähle. Für Bauteile wie Motorventile werden etwa Silchrom-Stähle eingesetzt, typischerweise mit 0,4–0,5 % C, 8–10 % Cr und 2–3 % Si. Übliche Wärmebehandlungsrouten kombinieren Austenitisieren bei hohen Temperaturen, etwa 1050 °C, mit Anlassen um 680–700 °C, um Oxidationsschutz durch Cr/Si mit ausreichender Bauteilfestigkeit zu verbinden.
Für die anspruchsvollsten Einsatzbedingungen werden Superlegierungen eingesetzt, darunter austenitische Fe-Cr-Ni-Legierungen, komplexe Cr-Ni-Co-Fe-Systeme, Kobaltlegierungen und Nickelbasislegierungen wie Nimonic. Ihre Eigenschaftsphilosophie unterscheidet sich von klassischen Baustählen: Der Kern liegt in kontrollierter Ausscheidungshärtung und Kriechfestigkeit. Typisch sind Lösungsglühen im Bereich etwa 1050–1200 °C und anschließendes Auslagern um 700 °C; die konkrete Temperaturführung hängt von der Legierungsfamilie ab.
Besondere physikalische Eigenschaften
spezifischen Widerstand besitzen, dessen Temperaturabhängigkeit begrenzen und gleichzeitig thermisch sowie oxidativ stabil bleiben. Dazu kommen geringe Wärmeausdehnung und ein hoher Schmelzpunkt. Feste Lösungen sind hier besonders vorteilhaft, weil sie den elektrischen Widerstand stärker erhöhen als grobe Phasenmischungen. In der Praxis dominieren zwei Werkstofffamilien: Nickel-Chrom-Legierungen (Nichrome) beziehungsweise austenitische Cr-Ni-Stähle ähnlicher Zusammensetzung sowie ferritische Chrom-Aluminium-Werkstoffe, die unter Handelsnamen wie Kanthal oder Alchrom bekannt sind.
Eine eigene Gruppe bilden Legierungen mit gezielt eingestelltem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Besonders ausgeprägt ist der Zusammenhang in Fe-Ni-Legierungen. Invar, mit etwa 36 % Ni, zeigt zwischen ungefähr −80 und +150 °C eine sehr geringe Längenausdehnung; außerhalb dieses Fensters steigt der Koeffizient deutlich an. Superinvar reduziert die Ausdehnung in einem bestimmten Temperaturbereich nochmals, typischerweise bei etwa 30–32 % Ni, 4–6 % Co und sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt. Solche Legierungen werden in Mess- und Präzisionssystemen eingesetzt, bei denen Maßhaltigkeit über Temperaturänderungen entscheidend ist, sowie in Komponenten der Gasverdichtung.
Eine zweite Fe-Ni-Familie wird auf Ausdehnungsanpassung an Glas ausgelegt. Platinit, mit etwa 46 % Ni und niedrigem Kohlenstoffgehalt, dient als Einschmelzwerkstoff in Glaskörpern, etwa bei Lampen oder Elektronenröhren. Im gleichen Umfeld werden Bimetalle genutzt, also zweischichtige Bänder aus Werkstoffen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung. Beim Erwärmen krümmt sich das Bauteil durch die Differenz der Ausdehnung. Diese definierte Biegung wird in Temperaturmess- und Regeltechnik, Schaltern, Relais und Wärmeschutzsystemen technisch genutzt.
Magnetische Eigenschaften: weich, hart, nichtmagnetisch
Für elektrotechnische Anwendungen werden Werkstoffe in magnetisch weiche, magnetisch harte und nichtmagnetische Materialien eingeteilt. Magnetisch weiche Werkstoffe sollen sich leicht magnetisieren und entmagnetisieren lassen. Dafür sind geringe Koerzitivfeldstärken und niedrige Verluste entscheidend. Strukturell ist ein grobkörniger Zustand nahe am Gleichgewicht günstig. Gleichzeitig müssen Kohlenstoff und schädliche Verunreinigungen wie Schwefel, Phosphor, Sauerstoff und Stickstoff so niedrig wie möglich gehalten werden, da sie Verluste erhöhen und die magnetische Weichheit verschlechtern. Technisch reines Eisen ist der klassische Vertreter für Elektromagnete und Relaiskerne, daneben werden kohlenstoffarme Stähle eingesetzt. Besonders bedeutsam sind Siliziumstähle, in denen Silizium in fester Lösung vorliegt; sie bilden die Basis für Elektrobleche.
Fe-Ni-Legierungen können außergewöhnlich hohe magnetische Permeabilitäten erreichen. Permalloy, eine Fe-Ni-Legierung mit hohem Nickelgehalt, ist ein typisches Beispiel und erklärt die Verwendung solcher Werkstoffe in präzisen magnetischen Baugruppen. Bei Permanentmagneten, also magnetisch harten Materialien, kehrt sich die Zielsetzung um: Nach der Magnetisierung soll die Magnetisierung stabil erhalten bleiben. Dazu sind andere Gefügeprinzipien und häufig andere Legierungskonzepte erforderlich. Kobalthaltige Stähle liefern sehr gute Permanentmagneteigenschaften, ihre Anwendung ist jedoch durch Kosten und Verfügbarkeit von Kobalt begrenzt.
Zu den wichtigsten Legierungsmagneten zählen Fe-Ni-Al-Co-Systeme, bekannt als Alnico. Typisch sind etwa 14–28 % Ni, 6–12 % Al und 5–35 % Co. Die Eigenschaften entstehen nicht allein über die Zusammensetzung, sondern über eine definierte Wärmebehandlung: Homogenisieren bei hoher Temperatur, Lösungsglühen mit Abschrecken und anschließendes Auslagern im mittleren Temperaturbereich. So lassen sich starke Magnete mit geringer Baugröße und niedrigem Gewicht realisieren.
Umgekehrt werden in manchen Anwendungen ausdrücklich nichtmagnetische Werkstoffe benötigt, die im Magnetfeld neutral bleiben. Beispiele sind Chrom-Nickel-Mangan-Stähle wie H12N11G6 oder Chrom-Mangan-Stähle wie G18H3. Sie werden lösungsgeglüht, ihre Festigkeit lässt sich durch Kaltverformung weiter steigern. Das Spektrum „magnetischer Werkstoffe“ reicht damit von gezielter Maximierung bis zur bewussten Unterdrückung magnetischer Effekte.
Stähle und Legierungen mit besonderen Eigenschaften: Zusammenfassung
Werkstoffe mit besonderen Eigenschaften werden auf einen dominanten Einsatzmechanismus hin konstruiert, nicht auf „durchschnittliche“ Festigkeit. Verschleißstähle wie Hadfield-Stahl nutzen Selbstverfestigung und gegebenenfalls martensitische Randumwandlung, erreichen so Abrieb- bei hoher Schlagbeanspruchung, verlangen jedoch passende Druckbedingungen und stellen hohe Anforderungen an die Bearbeitung. Rost- und säurebeständige Stähle basieren auf stabiler Passivierung, deren Wirksamkeit von Chrom, Gefüge und thermischer Vorgeschichte abhängt. Interkristalline Korrosion in austenitischen Stählen nach Temperaturbeanspruchung ist ein klassisches Beispiel für diese Abhängigkeit. Hochtemperatureinsatz verlangt eine getrennte Betrachtung von Oxidationsschutz und Kriechfestigkeit; daraus ergibt sich ein Werkstoffspektrum von Cr-Mo-Stählen bis zu Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen. Schließlich zeigen Werkstoffe für elektrische, thermische und magnetische Funktionen, dass Legierungen nicht nur tragende Bauteile ermöglichen, sondern gezielt als funktionale Komponenten ausgelegt werden können, von Widerstandselementen über Ausdehnungsanpassungen bis hin zu Permanentmagneten und nichtmagnetischen Stählen für den Einsatz in Magnetfeldern.
