Edelstahl der Serie 400: Eigenschaften und wichtige Anwendungen

Die 400-Serie Edelstahl ist eine Kategorie von Edelstahl, die hauptsächlich aus ferritischen und martensitischen Edelstahlen besteht. Diese Legierungen zeichnen sich durch ihren hohen Chromgehalt aus, der typischerweise zwischen 11 % und 30 % liegt, was eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und hohe Temperaturfestigkeit bietet. Die primären Legierungselemente in der 400-Serie umfassen Chrom, Kohlenstoff und in einigen Fällen Nickel. Das Vorhandensein von Chrom ist entscheidend, da es eine passive Schicht auf der Stahloberfläche bildet, die seine Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion verbessert.

Umfassende Übersicht

Die 400-Serie wird in zwei Haupttypen klassifiziert: ferritische und martensitische Edelstähle. Ferritische Grades, wie 430, sind bekannt für ihre gute Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit, während martensitische Grades, wie 410 und 420, höhere Festigkeit und Härte bieten, aber weniger korrosionsbeständig sind. Das Gleichgewicht von Chrom und Kohlenstoff in diesen Stählen beeinflusst ihre mechanischen Eigenschaften und macht sie für verschiedene Anwendungen geeignet.

Bedeutende Merkmale:
- Korrosionsbeständigkeit: Im Allgemeinen gut, variiert jedoch je nach spezifischer Klasse.
- Festigkeit und Härte: Martensitische Grades zeigen eine höhere Festigkeit und Härte aufgrund ihres Kohlenstoffgehalts.
- Schweißbarkeit: Varriert erheblich; ferritische Grades sind schweißbarer als martensitische Grades.
- Magnetische Eigenschaften: Ferritische Grades sind magnetisch, während martensitische Grades je nach Wärmebehandlung magnetisch sein können.

Vorteile:
- Hohe Festigkeit und Härte (insbesondere martensitische Grades).
- Gute Beständigkeit gegen Oxidation und Bildung von Belägen bei erhöhten Temperaturen.
- Kosteneffektiv im Vergleich zu austenitischen Edelstählen.

Beschränkungen:
- Eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu austenitischen Grades.
- Anfälligkeit für Spannungskorrosionsrissbildung in bestimmten Umgebungen.
- Geringere Zähigkeit und Sprödigkeit, insbesondere bei martensitischen Grades.

Historisch gesehen war die 400-Serie in Anwendungen von Bedeutung, die eine moderate Korrosionsbeständigkeit und hohe Festigkeit erforderten, wie z. B. Automobilkomponenten, Küchenutensilien und industrielle Ausrüstungen.

Alternative Namen, Standards und Äquivalente

Normungsorganisation	Bezeichnung/Grad	Land/Region des Ursprungs	Hinweise/Anmerkungen
UNS	S41000	USA	Martensitisch, gute Härte
AISI/SAE	410	USA	Häufig verwendet für Besteck
ASTM	A240	USA	Standard-Spezifikation für Edelstahlplatten
EN	1.4006	Europa	Ferritische Grade, gute Formbarkeit
DIN	X20Cr13	Deutschland	Ähnlich wie AISI 410, mit geringfügigen Zusammensetzungsunterschieden
JIS	SUS410	Japan	Entsprechend AISI 410
GB	0Cr13	China	Entsprechend AISI 410

Die Unterschiede zwischen diesen Klassen können die Auswahl je nach spezifischen Leistungsanforderungen beeinflussen. Beispielsweise sind UNS S41000 und AISI 410 in Bezug auf mechanische Eigenschaften gleichwertig, die spezifische Bearbeitung und Wärmebehandlung können jedoch zu Abweichungen in der Leistung führen.

Wesentliche Eigenschaften

Chemische Zusammensetzung

Element (Symbol und Name)	Prozentsatzbereich (%)
Cr (Chrom)	11,5 - 13,5
C (Kohlenstoff)	0,08 max
Ni (Nickel)	0,75 max
Mn (Mangan)	1,0 max
Si (Silizium)	1,0 max
P (Phosphor)	0,04 max
S (Schwefel)	0,03 max

Chrom ist das primäre Legierungselement, das die Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit erhöht. Kohlenstoff erhöht die Härte und Festigkeit, insbesondere bei martensitischen Grades. Nickel, obwohl in geringen Mengen vorhanden, kann die Zähigkeit und Verformbarkeit verbessern.

Mechanische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Testtemperatur	Typischer Wert/Bereich (metrisch)	Typischer Wert/Bereich (imperial)	Referenzstandard für Testmethode
Zugfestigkeit	Weichgeglüht	Raumtemperatur	480 - 620 MPa	70 - 90 ksi	ASTM E8
Streckgrenze (0,2%-Offset)	Weichgeglüht	Raumtemperatur	275 - 410 MPa	40 - 60 ksi	ASTM E8
Dehnung	Weichgeglüht	Raumtemperatur	20 - 30%	20 - 30%	ASTM E8
Härte (Rockwell C)	Weichgeglüht	Raumtemperatur	20 - 30 HRC	20 - 30 HRC	ASTM E18
Zähigkeit	Weichgeglüht	-20 °C (-4 °F)	30 - 50 J	22 - 37 ft-lbf	ASTM E23

Die Kombination dieser mechanischen Eigenschaften macht die 400-Serie für Anwendungen geeignet, die hohe Festigkeit und moderate Korrosionsbeständigkeit erfordern, wie z. B. in der Automobil- und Luftfahrtindustrie.

Physikalische Eigenschaften

Eigenschaft	Zustand/Temperatur	Wert (metrisch)	Wert (imperial)
Dichte	Raumtemperatur	7,75 g/cm³	0,28 lb/in³
Schmelzpunkt/-bereich	-	1400 - 1450 °C	2550 - 2642 °F
Wärmeleitfähigkeit	Raumtemperatur	25 W/m·K	14,5 BTU·in/h·ft²·°F
Spezifische Wärmekapazität	Raumtemperatur	500 J/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Elektrische Widerstandsfähigkeit	Raumtemperatur	0,73 µΩ·m	0,0000013 Ω·in
Wärmeausdehnungskoeffizient	20 - 100 °C	10,5 x 10⁻⁶/K	5,8 x 10⁻⁶/°F

Wichtige physikalische Eigenschaften wie Dichte und Schmelzpunkt sind entscheidend für Anwendungen, die hohe Temperaturbedingungen erfordern. Die Wärmeleitfähigkeit zeigt, wie gut das Material Wärme ableiten kann, was in Anwendungen wie Abgassystemen entscheidend ist.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosionsmittel	Konzentration (%)	Temperatur (°C/°F)	Widerstandsbewertung	Hinweise
Chloride	3-10	20-60 / 68-140	Ausreichend	Risiko von Lochkorrosion
Schwefelsäure	10-20	20-40 / 68-104	Schlecht	Nicht empfohlen
Essigsäure	5-10	20-60 / 68-140	Gut	Moderate Beständigkeit
Atmosphärisch	-	-	Ausgezeichnet	Gute Beständigkeit

Die 400-Serie zeigt unterschiedliche Grade von Korrosionsbeständigkeit, abhängig von der Umgebung. Während sie in atmosphärischen Bedingungen gut abschneidet, ist sie anfällig für Lochkorrosion in Chloridumgebungen und sollte in sauren Bedingungen vermieden werden. Im Vergleich zu austenitischen Grades wie 304 weist die 400-Serie eine geringere Beständigkeit gegen korrosive Mittel auf, was sie weniger geeignet für raue Umgebungen macht.

Hitzebeständigkeit

Eigenschaft/Grenze	Temperatur (°C)	Temperatur (°F)	Bemerkungen
Maximale kontinuierliche Betriebstemperatur	815	1500	Geeignet für Hochtemperaturanwendungen
Maximale intermittierende Betriebstemperatur	870	1600	Nur kurzfristige Exposition
Skalierungstemperatur	600	1112	Risiko von Ablagerungen über dieser Temperatur
Kriechfestigkeit	600	1112	Beginnt, bei dieser Temperatur abzubauen

Bei erhöhten Temperaturen behält die 400-Serie ihre Festigkeit, kann jedoch von Oxidation und Ablagerungen betroffen sein. Die maximale kontinuierliche Betriebstemperatur zeigt die obere Grenze für langanhaltende Exposition an, während die Skalierungstemperatur das Risiko von Oberflächenverschlechterung hervorhebt.

Bearbeitungseigenschaften

Schweißbarkeit

Schweißprozess	Empfohlenes Zusatzmaterial (AWS-Klassifikation)	Typisches Schutzgas/Flux	Hinweise
TIG	ER410	Argon	Vorwärmen empfohlen
MIG	ER308L	Argon + CO2	Gut für dünne Bereiche
Stabelektrode	E410	-	Geeignet für Außenarbeiten

Die Schweißbarkeit variiert erheblich innerhalb der 400-Serie. Ferritische Grades sind im Allgemeinen schweißbarer als martensitische Grades, die möglicherweise Vorwärmen erfordern, um Risse zu vermeiden. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann die Eigenschaften des Schweißens verbessern.

Bearbeitungsfähigkeit

Bearbeitungsparameter	[400-Serie]	AISI 1212	Hinweise/Tipps
Relativer Bearbeitungsindex	60	100	Geringere Bearbeitungsfähigkeit als 1212
Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen)	30 m/min	50 m/min	Werkzeug anpassen für bessere Leistung

Die Bearbeitungsfähigkeit ist in der 400-Serie moderat, wobei martensitische Grades aufgrund ihrer Härte schwerer zu bearbeiten sind. Geeignetes Werkzeug und Schnittgeschwindigkeiten sind entscheidend für optimale Leistung.

Formbarkeit

Die 400-Serie zeigt eine begrenzte Formbarkeit, insbesondere bei martensitischen Grades, die während der Kaltbearbeitung zu Rissen neigen. Ferritische Grades bieten eine bessere Formbarkeit und können mit geeigneten Techniken kalt geformt werden.

Wärmebehandlung

Behandlungsprozess	Temperaturbereich (°C/°F)	Typische Haltezeit	Kühlmethode	Primärer Zweck / Erwünschtes Ergebnis
Glühen	800 - 900 / 1472 - 1652	1 - 2 Stunden	Luft	Stress abbauen, Zähigkeit verbessern
Härten	1000 - 1100 / 1832 - 2012	30 Minuten	Öl	Härte und Festigkeit erhöhen
Anlassen	400 - 600 / 752 - 1112	1 Stunde	Luft	Brittlertigkeit reduzieren, Zähigkeit verbessern

Wärmebehandlungsprozesse beeinflussen erheblich die Mikrostruktur und Eigenschaften der 400-Serie. Glühen kann die Zähigkeit verbessern, während Härten die Festigkeit erhöht, was es wichtig macht, die geeignete Behandlung basierend auf der gewünschten Anwendung auszuwählen.

Typische Anwendungen und Endverwendungen

Industrie/Sektor	Beispiel für spezifische Anwendung	Wesentliche Stahleigenschaften, die in dieser Anwendung genutzt werden	Gründe für die Auswahl (kurz)
Automobil	Abgassysteme	Hochtemperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit	Haltbarkeit und Leistung
Küchenutensilien	Besteck	Härte, Kantenbeständigkeit	Schärfe und Langlebigkeit
Öl und Gas	Ventilkomponenten	Festigkeit, Beständigkeit gegen hohe Temperaturen	Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen
Bau	Befestigungselemente	Hohe Festigkeit, moderate Korrosionsbeständigkeit	Strukturelle Integrität

Weitere Anwendungen umfassen:
- Industrieausrüstung
- Marinehardware
- Architektonische Anwendungen

Die Auswahl der 400-Serie für diese Anwendungen beruht oft auf ihrem Gleichgewicht von Festigkeit, Härte und moderater Korrosionsbeständigkeit, was sie für Umgebungen geeignet macht, in denen diese Eigenschaften entscheidend sind.

Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weitere Einblicke

Merkmal/Eigenschaft	[400-Serie]	[AISI 304]	[AISI 316]	Kurznotiz zu Pro/Contra oder Abwägungen
Wesentliche mechanische Eigenschaft	Moderat	Hoch	Hoch	304 und 316 bieten bessere Korrosionsbeständigkeit
Wesentliche Korrosionsaspekte	Ausreichend	Ausgezeichnet	Ausgezeichnet	400-Serie ist weniger beständig gegen Chloride
Schweißbarkeit	Moderat	Gut	Gut	400-Serie kann Vorwärmen erfordern
Bearbeitungsfähigkeit	Moderat	Gut	Ausreichend	400-Serie ist schwerer zu bearbeiten
Formbarkeit	Begrenzt	Gut	Gut	Ferritische Grades sind formbarer
Ungefährer relativer Preis	Geringer	Höher	Höher	Kosteneffektiv für moderate Anwendungen
Typische Verfügbarkeit	Gewöhnlich	Sehr gewöhnlich	Gewöhnlich	400-Serie ist weit verbreitet verfügbar

Bei der Auswahl der 400-Serie sind Überlegungen wie Kosteneffektivität, Verfügbarkeit und spezifische Anforderungen an mechanische und Korrosionsbeständigkeit entscheidend. Während sie möglicherweise nicht mit der Leistung austenitischer Grades in korrosiven Umgebungen mithalten kann, machen ihre Festigkeit und Härte sie für viele Anwendungen geeignet, in denen diese Eigenschaften priorisiert werden. Darüber hinaus können die magnetischen Eigenschaften von ferritischen Grades in bestimmten Anwendungen, wie in elektrischen Komponenten, vorteilhaft sein.

Zusammenfassend bietet die 400-Serie Edelstahl eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, die ihn für eine Vielzahl von Ingenieuranwendungen geeignet machen. Ihr Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Härte und moderater Korrosionsbeständigkeit, zusammen mit ihrer Kosteneffektivität, positioniert sie als wertvolles Material in der Edelstahlfamilie.