Vergleichende Analyse von Edelstahl rostfrei und plattiertem/ beschichtetem Kohlenstoffstahl Korrosion und Auswahl des Materials von Befestigungselementen

Der Zweck dieses technischen Papiers ist es, die Korrosion im allgemeinen zu behandeln und nicht um eine umfassende Referenz in Bezug auf alle Arten von Korrosion oder eine detaillierte Analyse der Stärken und Schwächen von bestimmten Legierungen zur Verfügung zu stellen. Die Korrosion von Edelstahl rostfrei und Kohlenstoffstahl ist sehr unterschiedlich. Dieses “Technische Papier” gibt Informationen über einen allgemeinen Korrosionsangriff oder Oberflächenkorrosion, da dieses oft eine Hauptüberlegung bei der Auswahl des Materials von Befestigungselementen ist.

Kohlenstoffstahl und Edelstahl rostfrei sind die gebräuchlichsten Materialien, aus denen Verbindungselemente hergestellt werden, und jeder ist in Hunderten von Legierungen oder Güten mit einer Vielzahl von Eigenschaften erhältlich. Die Anschaffungskosten eines Bauteils aus Edelstahl sind im Allgemeinen höher als die bei Kohlenstoffstahl, jedoch trifft dies nicht immer zu. Zum Beispiel ist das Material bei einem Spiralspannstift “Leichte Ausführung” aus Edelstahl rostfrei nur ein kleinerer Bestandteil des Preises gegenüber einem Vollstift aus Kohlenstoffstahl mit gleichem Durchmesser und Länge. Demzufolge kann der rostfreie Spiralspannstift zu gleichen oder geringeren Kosten erhältlich sein als der aus Kohlenstoffstahl gefertigte Vollstift. Darüber hinaus erhöhen sekundäre Prozesse wie Wärmebehandlung oder Galvanisierung häufig die Kosten für Teile aus Kohlenstoffstahl, die bei rostfreiem Edelstahl nicht anfallen. Die Kosten sind bedeutungslos ohne Rücksicht auf den Wert des Bauteils. Zum Beispiel kann der Hersteller eines hochwertigen Gartengrills Verbindungselemente aus rostfreiem Edelstahl wählen, die der Korrosion viel länger standhalten als die zu erwartende Lebensdauer des Produkts. Mit dieser Auswahl würde man die Zuverlässigkeit des Produkts, das optische Erscheinungsbild und eine lange Lebensdauer unter Beweis stellen. Der “Wert” eines Verbindungselementes, das maximale Qualität bietet, kann die damit verbundenen Kostensteigerungen ausgleichen. Der gleiche Hersteller kann unter einer Discountmarke auftreten, wenn der Endverbraucher mehr Wert auf den Preis als auf Qualität legt. Beides sind gute Gründe, ein beschichtetes Material zu wählen, obwohl bei der Wahl des rostfreien Edelstahls der Kunde dazu aufgefordert wird, den Wert der Ware ebenso zu berücksichtigen wie die Kosten. Konstrukteure müssen bei der Auswahl des geeigneten Befestigungsmaterials Kosten, Nutzen und Risiko gegeneinander abwägen.

SPIROL SPIROL fertigt Spiralspannstifte, geschlitzte Spannhülsen, Zylinderstifte, Gewindeeinsätze, Hülsen und Buchsen, maschinell gefertigte Muttern, Compression Limiter, Passscheiben, laminierte Zwischenlagen und Tellerfedern, um eine Vielzahl von Industrien rund um den Globus zu bedienen. Obwohl SPIROL Teile aus unterschiedlichen Materialien herstellt, sowohl aus Eisen- als auch aus Nichteisenmetallen, beschränkt sich dieses technische Papier auf Eisenmetallprodukte und hier insbesondere auf Edelstahl rostfrei und Kohlenstoffstahl.  SPIROL’s Produkte aus Eisen werden aus vier primären Standardwerkstoffgruppen hergestellt:

• kohlenstoffarmer Stahl
• kohlenstoffreicher Stahl und legierter Stahl
• Martensitischer Chrom-Edelstahl (AISI 410 & 420, MaterialNr. 1.4516, 1.4021 / DIN EN 10088-2 )
• Austenitischer Nickel-Edelstahl (AISI 302, 304, 305 oder Material-Nr. 1.4319, 1.4301, 1.4303 / DIN EN 10088-2)

Obwohl Kohlenstoffstahl und Edelstahl rostfrei beides Eisenmetalle sind, was bedeutet, dass sie Eisen enthalten, ist ihre Reaktion auf einen korrosiven Angriff sehr unterschiedlich. Edelstahl rostfrei muss gemäß Definition mindestens 10,5% Chrom enthalten. Dieses Legierungselement erzeugt an der Oberfläche, wenn es Sauerstoff ausgesetzt wird, eine Schicht aus Chromoxid, die schnell aufhört zu wachsen und somit “passiv” wird. Diese passive Schicht ist kontinuierlich, gleichmäßig in der Dicke, unlöslich und nicht porös. Die Passivschicht verhindert den Kontakt zwischen Sauerstoff in der Umgebung und dem Grundwerkstoff und behebt von selbst Schäden durch verkratzte Oberflächen oder Abrieb von Oberflächen, solange Sauerstoff verfügbar ist. Die Passivschicht hat nur eine Dicke von 10 bis 100 Atome und somit keine dimensionale Auswirkung auf Bauteile. Obwohl Edelstahl rostfrei korrodieren kann wenn er bestimmten Chemikalien unter bestimmten Bedingungen ausgesetzt wird, wird er nicht durch einen gleichmäßigen oder allgemeinen Korrosionsangriff rosten, wie dies bei Kohlenstoffstahl der Fall ist. Chrom ist als Legierungselement Teil einer homogenen Mischung und gilt als sicher, da es nicht ohne weiteres aus der Legierung freigesetzt werden kann. Eine abschließende Anmerkung bezüglich Edelstahl rostfrei ist die relative Einfachheit, mit der er aufbereitet wird. Edelstahl ist zu 100 % recycelbar und Branchenanalysten schätzen, dass 80-90% der ausrangierten Edelstähle dem Recycling zugeführt werden.

Verbindungselemente aus Kohlenstoffstahl sind im Allgemeinen kostengünstiger als aus Edelstahl rostfrei, zudem stehen Oberflächenbeschichtungen zur Verfügung, die eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bieten. Es ist zu beachten, dass diese Beschichtungen zu einem dimensionalen Wachstum beitragen, das bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss. Kohlenstoffstahl kann durch Lackieren, Plattieren oder Beschichten vor Korrosion geschützt werden. Lackieren ist im Allgemeinen nicht für Verbindungselemente geeignet, da dieses eher in einem Gestell als in einem Massenprozess durchzuführen ist und daher nicht kosteneffizient ist. Die vorherrschenden Verfahren zur Konservierung von Kohlenstoffstahl sind das Galvanisieren und Plattieren, obwohl einige dieser Verfahren aufgrund ihrer Umweltbelastungen in Ungnade gefallen sind. Beispiele für Oberflächen die als gefährlich eingestuft werden, sind Cadmium und sechswertige Chromate. In den letzten zehn Jahren wurden Massenbeschichtungen und Plattierungen entwickelt, die eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bei niedrigen Kosten bieten und gleichzeitig die geltenden Umweltvorschriften erfüllen. Trotz dieser Fortschritte bleibt die Rostanfälligkeit des Basismetalls eine Achillesferse. Die überwiegende Mehrheit der Plattierungen und Beschichtungen sind opferbereit, was bedeutet, dass sie nur Schutz bieten, bis sie aufgebraucht sind. Sobald unedles Metall freigelegt ist, wird es rosten. Einige Beispiele für verfügbare Oberflächen und Beschichtungen sind, ohne darauf beschränkt zu sein:

•  Zinkphosphat-Konversions-Beschichtung - typischerweise mit anschließendem Auftragen von Öl oder anderen Rostschutzmitteln. Die sekundäre Anwendung des Rostschutzes bestimmt die Korrosionsbeständigkeit und diese reicht von minimal bis wettbewerbsfähig mit Plattierungen und anderen Beschichtungen.
• Mechanische-Zink-Beschichtung - minimales Risiko einer Wasserstoffversprödung ist der Hauptvorteil dieser Oberflächenbehandlung. Die Beschichtung kann dicker sein als die galvanische und ist nicht so glatt. Häufig mit sekundärer Chromatierung und/oder Versiegelung versehen, um die Leistung zu verbessern.
• Zink-Beschichtung - typischerweise mit dreiwertiger Chromatierung und oft mit einer abschließenden Versiegelung versehen. Diese Oberflächenbehandlungen bergen die Gefahr der Wasserstoffversprödung bei hochfesten Stählen, obwohl die Teile typischerweise getempert werden, um dieses potenzielle Problem zu beseitigen.
• Zink-Nickel-Beschichtung - höhere Korrosionsbeständigkeit als herkömmliche Zink-Galvanik. Wie bei der Standardverzinkung ist auch bei diesem Verfahren das Tempern von hochfestem Stahl erforderlich, um die Gefahr der Wasserstoffversprödung zu verringern.
• Aluminium-Zink-Lamellenbeschichtungen - Dip-SpinVerfahren mit sehr hoher Korrosionsbeständigkeit ohne Gefahr einer Wasserstoffversprödung.

Die Anforderungen an den Salzsprühnebeltest bestehen in der Regel aus zwei einfachen Kriterien, der Anzahl der Stunden, die für die Bildung von Weißrost erforderlich sind und der Anzahl der Stunden, die für den Beginn des Angriffs auf Rotrost (Grundmetallkorrosion) erforderlich sind. Der Salzgehalt, die Temperatur und die Zeit werden sorgfältig kontrolliert. Die meisten Beschichtungen und Plattierungen basieren auf einer Nichteisenmetallschicht, die auf das Grundmetall aufgetragen wird, gefolgt von einer Chromatierung und je nach Leistungsanforderungen einer organischen oder anorganischen Versiegelung. Wenn diese Beschichtungen versagen, tun sie dies entgegen der Reihenfolge, in der sie aufgetragen wurden. Sobald die korrosive Umgebung die äußeren Versiegelungs- und Chromatschichten durchbricht, beginnt sie, das darunter liegende Nichteisenmetall anzugreifen. Nichteisenmetalle wie Zink, Nickel, Aluminium und Magnesium enthalten kein Eisen und werden auch keinen „Rotrost“ verursachen. Rotrost wird erst sichtbar, wenn das Opfermetall aufgebraucht ist (siehe Abbildung 2).

Von den beiden von SPIROL angebotenen Edelstählen bietet der austenitische (nickelhaltig) Edelstahl die beste Korrosionsbeständigkeit, während martensitische (chromhaltig) Edelstähle leichter angegriffen werden können. Nickel-Edelstahl hat zwei Vorteile: 1. Der Chromgehalt wird von 12% auf 18% erhöht 2. Um die Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe von Mineralsäuren zu erhöhen, wird 8% Nickel hinzugefügt. Die Verbindung von Chrom und Nickel im richtigen Verhältnis ermöglicht die Bildung eines austenitischen Gefüges. Martensitischer ChromEdelstahl kann weniger korrosionsbeständig sein, er kann jedoch wärmebehandelt werden, um eine höhere Festigkeit zu erreichen und die daraus resultierende niedrige Kaltverfestigung bietet eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Ermüden.

Um den Unterschied zwischen Edelstahl rostfrei und beschichtetem Kohlenstoffstahl zu demonstrieren, wurden aus jedem Material je zwei massive Stifte mit identischer Geometrie hergestellt. Der Stift aus rostfreiem Edelstahl wurde passiviert, während der Stift aus kohlenstoffarmem Stahl mit einem Zinklamellenprodukt beschichtet wurde (siehe Abbildung 5). Nach 720 Stunden zeigte das beschichtete Teil ein zufrieden stellendes Ergebnis, obwohl Weißrost leicht erkennbar ist. Sobald das Zink verbraucht ist, beginnt das Grundmetall zu rosten. Im Gegensatz dazu erscheinen die austenitischen Edelstahlstifte nahezu unverändert (siehe Abbildung 6). Ein ordnungsgemäß passivierter Spiralspannstift der Serie 300 kann bis zu 2.500 Stunden Schutz im Salzsprühnebeltest erzielen.

Wie bereits erwähnt, ist martensitischer Edelstahl weniger korrosionsbeständig als austenitischer Edelstahl und wird aus diesem Grund in der Regel nicht im Salzsprühnebel getestet. Martensitischer Edelstahl AISI 410 & 420 bietet gute Korrosionsbeständigkeit in normaler Atmosphäre, Süßwasser, Körperflüssigkeiten und gastronomischen Umgebungen sowie gegenüber milden oxidierenden Säuren wie Chrom- und Salpetersäure. Die folgenden martensitischen Edelstahlstifte wurden in Salzsprühnebel gelegt und über einen Zeitraum von 300 Stunden beobachtet. Nach 48 Stunden zeigte sich eine Verfärbung, wobei sich kleinere Vertiefungen zu bilden begannen. Nach 300 Stunden war die Lochfraßbildung schwerwiegend und in den nachfolgenden Fotos leicht zu erkennen (siehe Abbildungen 7, 8, 9 und 10).