Edelstähle werden sowohl in Fahrzeugen als auch in Flugzeugen zum Teil sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die mechanischen Festigkeiten, ausgedrückt in der Zugfestigkeit und Bruchdehnung, mit der Temperatur ändern. Zugleich unterscheiden sich die Kosten zur Herstellung der rostfreien Stähle. Verglichen wurden die Eigenschaften der Stähle 1.4301 und 1.4510. Besonders bei Einsatztemperaturen unter 123 K und besonders bei hohen Formänderungsgeschwindigkeiten empfiehlt sich trotz seines höheren Preises der Einsatz des Stahles 1.4301.
Low-temperature Behaviour of Stainless Steels
When used in aircraft and vehicle manufacture, stainless steel components can be exposed to very low temperatures. Under such conditions, their mechanical strength in terms of tensile strength and fracture, can suffer. The cost of different grades of stainless steel can vary. A comparison is provided for the properties of stainless steel 1.4301 and 1.4510. In particular, for service at temperatures below 123 Kelvin and also when the component has been rapidly forged, 1.4301 is recommended, notwithstanding its higher cost.
1 Motivation
Stähle, die für einen Einsatz bei Minustemperaturen vorgesehen sind, müssen neben einer funktionsgerechten Festigkeit bei der jeweiligen Temperatur zur Vermeidung von sprödem Bauteilversagen eine hinreichende Bruchdehnung aufweisen. Extrembeispiele hierfür sind Komponenten für die Raumfahrt, Luftverflüssigungstechnik oder sogar zur Kühlung von supraleitenden Baugruppen von Teilchenbeschleunigern. Weniger extrem sind die Bedingungen bei Pkw-Abgasanlagen, die bei Minustemperaturen der umgebenden Atmosphäre ihren Betrieb aufnehmen und unter Umständen noch in der Kaltphase mit hohen Geschwindigkeiten verformt werden (Abb. 1).
Wegen der hohen Betriebstemperaturen von teilweise bis zu 600 °C in der Warmphase kommen für Pkw-Abgasanlagen ausschließlich Edelstähle und wegen der angestrebten langen Lebensdauer rostfreie Edelstähle in Frage. Im Kostenwettbewerb stehen die preisgünstigeren ferritischen mit den höherpreisigen austenitischen rostfreien Edelstählen.
2 Untersuchungen
Untersucht wurden der gewalzte, lösungsgeglühte austenitische Stahl X10CrNi18-10 (1.4301; 1 mm dick) und der gewalzte und lösungsgeglühte ferritische Stahl X3CrTi17 (1.4510; 1 mm dick), zwischen Raumtemperatur und -196 °C im Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-11). Zur Darstellung des Einflusses hoher Verformungsgeschwindigkeit wurden die Zugversuche mit Geschwindigkeiten von 5 mm/min, 50 mm/min und 200 mm/min durchgeführt. Abbildung 2 zeigt in einer schematischen Darstellung die Anordnung zur Temperierung und Prüfung der Proben.
3 Ergebnisse
3.1 Stahl 1.4301
Bei Raumtemperatur zeigt der Stahl 1.4301 keine ausgeprägte Streckgrenze. Mit abnehmender Temperatur kommt es aber sukzessive zum Übergang mit ausgeprägter Streckgrenze und zum Portevin-LeChatelier-Effekt (Abb. 3).
Gleichzeitig nehmen die 0,2-%-Dehngrenze Rp0,2 beziehungsweise die obere Streckgrenze ReH und die Zugfestigkeit Rm zu und die Bruchdehnung A50 ab (Abb. 4 bis 6). Eine zunehmende Formänderungsgeschwindigkeit führt zu einem Festigkeitsanstieg und einer Bruchdehnungsabnahme. Querproben zeigen hinsichtlich der Festigkeit geringfügig geringere und hinsichtlich der Bruchdehnung geringfügig höhere Werte.
3.2 Stahl 1.4510
Auch dieser Stahl zeigt bei Raumtemperatur keine ausgeprägte Streckgrenze. Mit abnehmender Temperatur bildet sich jedoch eine ausgeprägte Streckgrenze vergleichsweise schwach aus, was dem im Vergleich zum Stahl 1.4301 deutlich geringeren Kohlenstoffgehalt zuzuschreiben ist (Abb. 7). Parallel steigen die Dehngrenze Rp0,2 beziehungsweise obere Streckgrenze ReH sowie die Zugfestigkeit Rm an (Abb. 8 und 9).
Die Dehngrenze beziehungsweise obere Streckgrenze erreicht dabei Werte, die denen des Stahls 1.4301 vergleichbar sind. Die Zugfestigkeit des Stahls 1.4510 liegt über den gesamten betrachteten Temperaturbereich nur geringfügig über seiner Dehngrenze beziehungsweise oberen Streckgrenze, zeigt also mit abnehmender Temperatur keinen so deutlichen Anstieg wie der Stahl 1.4301. Die Bruchdehnung des Stahls 1.4510 nimmt bis 173 K leicht zu, liegt aber bei etwa der Hälfte des Wertes, die der Stahl 1.4301 erreicht (Abb. 10).
Bei Temperaturen unterhalb von 173 K fällt die Bruchdehnung des Stahls 1.4510, wie es für ferritische Stähle typisch ist, kontinuierlich ab und erreicht bei 77 K sehr niedrige Werte. Bei diesen Temperaturen liegt die Bruchdehnung des Stahls 1.4301 immer noch bei über 30 %. Eine zunehmende Formänderungsgeschwindigkeit führt auch beim Stahl 1.4510 zu einem Festigkeitsanstieg und zu einer Bruchdehnungsabnahme. Querproben zeigen hinsichtlich der Festigkeit geringfügig geringere und hinsichtlich der Bruchdehnung geringfügig höhere Werte.
4 Fazit
Bis hinab zu einer Temperatur von 223 K, die bei Pkw-Abgasanlagen in der Kaltphase selten unterschritten wird, liegen die Werte für die Dehngrenze beziehungsweise obere Streckgrenze der beiden untersuchten Stähle dicht beieinander, während die Zugfestigkeit des Stahls 1.4301 deutlich über der des Stahls 1.4510 liegt. Die Bruchdehnung des Stahls 1.4301 sinkt von 55 % bei 293 K auf 45 % bei 223 K ab, während die Bruchdehnung des Stahls 1.4510 nahezu konstant bei 35 % liegt. Diesen Vorteil hinsichtlich der Bruchdehnung bei Stahl 1.4301 gilt es mit den höheren Kosten abzuwägen.
Bei Temperaturen, die 223 K unterschreiten, liegen die Werte für die Dehngrenze beziehungsweise obere Streckgrenze beim Stahl 1.4510 leicht über denen des Stahls 1.4301, während die Zugfestigkeit des Stahls 1.4510 bei etwa der Hälfte der Zugfestigkeit des Stahls 1.4301 liegt. Während die Bruchdehnung des Stahls 1.4301 nur mäßig auf 35 % bei 77 K abfällt, geht die Bruchdehnung des Stahles 1.4510 rasch auf 5 % bei 77 K zurück. Besonders bei Einsatztemperaturen unter 123 K und besonders bei hohen Formänderungsgeschwindigkeiten empfiehlt sich daher trotz seines höheren Preises der Einsatz des Stahls 1.4301.
DOI: 10.7395/2015/Heine3
1) Die Legierungen wurden freundlicherweise von Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH, Augsburg, zur Verfügung gestellt
Abb. 1: Pkw-Abgasanlage Foto: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Abb. 2: Anordnung zur Temperierung und Prüfung der Proben
Abb. 3: Spannungs-Dehnungs-Kurven des Stahls 1.4301 bei 77 K und unterschiedlichen Formänderungsgeschwindigkeiten
Abb. 4: Temperaturabhängigkeit der 0,2-%-Dehngrenze Rp0,2 beziehungsweise der oberen Streckgrenze ReH des Stahls 1.4301
Abb. 5: Temperaturabhängigkeit der Zugfestigkeit Rm des Stahls 1.4301
Abb. 6: Temperaturabhängigkeit der Bruchdehnung A50 des Stahls 1.4301
Abb. 7: Spannungs-Dehnungs-Kurve des Stahls 1.4510 bei 77 K und unterschiedlichen Formänderungsgeschwindigkeiten
Abb. 8: Temperaturabhängigkeit der 0,2-%-Dehngrenze Rp0,2 beziehungsweise der oberen Streckgrenze ReH des Stahls 1.4510
Abb. 9: Temperaturabhängigkeit der Zugfestigkeit Rm des Stahls 1.4510
Abb. 10: Temperaturabhängigkeit der Bruchdehnung A50 des Stahls 1.4510
