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Er ist ein wahres Wunder der Technik. Der Begriff Edelstahl löst ein schimmerndes Bild aus formschönen und langlebigen Bauteilen aus. Doch unter ihm lassen sich sowohl nichtrostende Stähle aber auch unlegierte Stähle besonderer Reinheit unterteilen. Um die Qualitätsangaben von Edelstahl für Präzisionskugeln zu spezifizieren, konzentrieren wir uns auf nichtrostende Stähle.
Diese lassen sich für den Einsatz in der Kugelfertigung mit verschiedenen Werkstoffnummern aufzählen. Darunter fallen Aufteilungen nach feinen und groben Legierungen, nach Beständigkeitsklassen und nach der Härtbarkeit des Edestahls. Werden Kugeln aus Edelstahl ohne diese Qualitätsangaben ausgezeichnet, können sich unter unsachgemäßem Einsatz Probleme für die Konstruktion bzw. die Anwendung ergeben.
Wenn von ungehärtetem Edelstahl in der Kugelfertigung gesprochen wird, stellt sich häufig das nichtrostende, austenitische Stahlgefüge mit bestimmtem Nickel- und/oder Molybdängehalt vor. Austenit enthält gelösten Kohlenstoff und wird durch sehr schnelles Abkühlen erreicht. Dadurch bleibt der Edelstahl bei Korrosions- & Temperaturbelastung äußerst stabil. Wichtig für die Beständigkeit des Werkstoffs ist eine gleichmäßige, also homogene Verteilung zwischen allen Legierungsbestandteilen. Neben dem von Kohlenstoff und Chrom ist auch der Massenanteil von Nickel und Molybdän entscheidend für die Beständigkeit des Edelstahls.
Nichtrostende Stähle enthalten meistens ca. 10 - 12 % Chrom und 1,2 % Kohlenstoff. Der Chrombestandteil ist verantwortlich für die Rostresistenz des Stahlgefüges. Molybdän und Nickel (mit z.B. 18 – 36 %) stabilisieren das Austenit und erhöhen die Beständigkeit der Edelstahlkugel maßgeblich. Durch mechanische Nachbearbeitung wie Hämmern bzw. Walzen oder durch spezielle Wärmebehandlung lassen sich einige Edelstähle härten. Das ermöglicht eine präzisere Oberflächenbeschaffenheit der Kugel. Nicht härtbare Werkstoffe sind zwar korrosionsbeständig, können jedoch nicht mit dem Präzisionsschliff von gehärteten Edelstahlkugeln mithalten. Daher sollte die geeignete Legierung immer nach dem Einsatz gewählt werden.
Werkstoffe für gehärtete, nichtrostende Stähle, die bei der Kugelherstellung eingesetzt werden, sind beispielsweise:
Ungehärtete, nichtrostende Stahlkugeln bestehen zum Beispiel aus folgenden Werkstoffen:
Um die Form- und Oberflächengenauigkeiten zu bestimmen, werden Kugeln nach normativen Ansprüchen gefertigt. Die Norm DIN 5401 gibt bedeutende Richtwerte für die Präzision von Stahlkugeln vor. Für jede Qualitätsklasse bestehen bestimmte Abweichungstoleranzen für beispielsweise die Rauheit, für den Kugeldurchmesser oder für die Oberflächenhärte. Diese Klassen werden mit dem Buchstaben „G“ und einer Klassennummer angegeben. Eine präzise Edelstahlkugel wird dann zum Beispiel richtig mit der Bezeichnung DIN 5401 – 6 G20 – 1.3541 ausgeschrieben.
Den eigentlichen Schutz vor Medien wie Wasser oder feuchter Luft, aber auch Säuren und starken Laugen, erhält die Edelstahlkugel durch eine Passivschicht. Dabei handelt es sich um eine hauchdünne Oxidationsschicht, die sich an die Umgebung anpasst. Dieser Effekt lässt sich beobachten, wenn Edelstahlkugeln frisch nach der Produktion anfangen, eine leicht dunklere Verfärbung anzunehmen. Nach mechanischer Oberflächenverletzung zu Beispiel regeneriert sich die Schicht schnell von alleine.
Korrosionsgefahr bei nichtrostendem Stahl
Eine Korrosion könnte dennoch durch aggressive Medien oder bedingt durch die Konstruktion am Edelstahl auftreten. Kugeln im höherem Einsatzalter tragen dann zum Beispiel charakteristische, nadelstischartige Lochfraßstellen. Die Oberfläche der Kugel ähnelt bei näherer Betrachtung der unseres Mondes. Besonders Chloride und Halogenide (Bromid und Jodid) sind für diese Korrosionsbelastung verantwortlich. Mit steigender Konzentration dieser Elemente in der Umgebung der Kugel und mit steigender Temperatur nimmt auch die Korrosionsanfälligkeit des Edelstahls zu. Gemeinsam mit Oxidationsmitteln stellen diese Faktoren ein erhebliches Risiko für die Beständigkeit des Kugeleinsatzes dar. Darum sollte eine Entscheidung für nichtrostende Stahlkugeln auch diese Kriterien berücksichtigen. Eine sogenannte Beständigkeitsklasse gibt dazu die Anfälligkeit des Edelstahls gegenüber der Flächenkorrosion an.
Die Beständigkeitsstufen gliedern die Oberflächenresistenz von Edelstählen gegenüber Säuren und Laugen auf. Jede Klasse beschreibt eine bestimmte Abtragungsrate des Materials durch Flächenkorrosion. Alle Stufen werden mit dem Buchstaben „L“ angeführt. Je nach Belastung durch Umgebung und Einsatz werden diese Werte variieren.
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