Austenitische Edelstähle, darunter die Sorten 304, 316, 310, 321, 347 sowie deren kohlenstoffarme Varianten, bilden die wichtigste Familie nichtmagnetischer Edelstähle. Sie weisen im vollständig geglühten Zustand Werte der relativen magnetischen Permeabilität unter 1,02 auf und eignen sich daher für MRT-Geräte, elektronische Instrumente, Schiffsnavigationssysteme sowie alle Anwendungen, bei denen ferromagnetisches Verhalten zu Störungen oder Messfehlern führen würde. Bei MWalloys beliefern wir Hersteller von Medizinprodukten, Rüstungsunternehmen und Präzisionsinstrumentenhersteller mit nichtmagnetischem Edelstahl, die nicht einmal geringste magnetische Reaktionen in ihren Bauteilen tolerieren können.
Das Thema nichtmagnetischer Edelstahl ist technisch gesehen differenzierter, als in den meisten Einkaufsratgebern dargestellt wird. Derselbe Stahlwerkstoff, der im geglühten Plattenzustand tatsächlich nichtmagnetisch ist, kann nach Kaltumformung, Schweißen oder maschineller Bearbeitung eine messbare magnetische Reaktion entwickeln. Zu verstehen, warum dies geschieht, welche Stahlsorten ihr nichtmagnetisches Verhalten unter Verarbeitungsbelastungen beibehalten und wie die magnetische Permeabilität gemessen und spezifiziert wird, ist unverzichtbares Wissen für jeden Ingenieur oder Beschaffungsfachmann, der im Bereich magnetisch sensibler Anwendungen tätig ist.
Warum sind manche Edelstähle nichtmagnetisch und andere stark magnetisch?
Das magnetische Verhalten von Edelstahl wird ausschließlich durch seine Kristallstruktur (Mikrostruktur) bestimmt, die wiederum von der chemischen Zusammensetzung abhängt. Es handelt sich hierbei weder um eine Oberflächeneigenschaft noch um einen Beschichtungseffekt, sondern um ein grundlegendes Merkmal der atomaren Anordnung des Metalls.
Die drei Kristallstrukturen von Edelstahl
Stahl kommt in drei primären Kristallstrukturen vor, die für die Edelstahltechnik von Bedeutung sind:
Flachzentrierte kubische Gitterform (FCC) – Austenit:
Die FCC-Struktur ist der Schlüssel zum nichtmagnetischen Verhalten. In der austenitischen Anordnung besetzen Eisenatome die Ecken und die flächenzentrierten Stellen einer kubischen Elementarzelle. Diese geometrische Anordnung führt dazu, dass sich die magnetischen Momente benachbarter Elektronen paaren und gegenseitig aufheben, wodurch ein Material mit einem sehr geringen oder vernachlässigbaren Netto-Magnetmoment entsteht. Austenitische Edelstähle (die 300er-Serie und einige Sorten der 200er-Serie) weisen diese Struktur bei Raumtemperatur auf, weshalb sie nichtmagnetisch sind.
Kubisch-raumzentriert (BCC) – Ferrit:
Die BCC-Struktur, bei der Eisenatome die Ecken und den Mittelpunkt eines Würfels einnehmen, begünstigt ein starkes ferromagnetisches Verhalten. Ferritische Edelstähle (Sorten der 400er-Reihe wie 430, 444) weisen diese Struktur auf und sind stark magnetisch; ihre magnetische Reaktion ist mit der von Weichstahl vergleichbar.
Körperzentriertes Tetragonalgitter (BCT) – Martensit:
Martensit entsteht, wenn Austenit schnell abgekühlt (geschreckt) oder stark kaltverformt wird. Er ist ebenfalls magnetisch. Martensitische Edelstähle (410, 420, 440C) sind unter allen Bedingungen magnetisch. Wichtig ist, dass auch der durch Verformung induzierte Martensit, der sich in austenitischen Sorten während der Kaltverformung bildet, magnetisch ist; dies ist die Hauptursache für das im Folgenden diskutierte Problem der durch Kaltverformung induzierten magnetischen Reaktion.
Die Rolle von Legierungselementen beim magnetischen Verhalten
Die chemische Zusammensetzung bestimmt, welche Kristallstruktur bei Raumtemperatur stabil ist. Zwei konkurrierende Gruppen von Legierungselementen steuern dieses Gleichgewicht:
| Elementtyp | Beispiele | Auswirkungen auf die Kristallstruktur | Auswirkungen auf den Magnetismus |
|---|---|---|---|
| Austenitstabilisatoren | Nickel (Ni), Mangan (Mn), Stickstoff (N), Kohlenstoff (C), Kupfer (Cu) | FCC-Austenit stabilisieren | Nichtmagnetisches Verhalten fördern |
| Ferrit-Stabilisatoren | Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Silizium (Si), Titan (Ti), Niob (Nb) | Für BCC-Ferrit werben | Magnetisches Verhalten fördern |
Aus diesem Grund ist das Gleichgewicht zwischen Chrom (Ferritstabilisator) und Nickel (Austenitstabilisator) bei der Konstruktion von austenitischem Edelstahl so entscheidend. Die Standardgüte 304 mit 18% Cr und 8% Ni liegt so nahe an der Austenit-Stabilitätsgrenze, dass durch Kaltverformung Teile der Mikrostruktur über diese Grenze hinweg in Martensit umgewandelt werden können. Sorten mit höherem Nickelgehalt wie 310 (25% Ni) liegen weiter von der Grenze entfernt und sind wesentlich widerstandsfähiger gegen eine durch Verformung induzierte Martensitbildung.
Die Schaeffler-DeLong- und WRC-Diagramme
Metallurgen nutzen Zusammensetzungsdiagramme, um die Mikrostruktur von Edelstahl anhand seiner Zusammensetzung vorherzusagen. Die am häufigsten verwendeten Hilfsmittel sind:
Chromäquivalent (Cr_eq) = %Cr + %Mo + 1,5 × %Si + 0,5 × %Nb
Nickeläquivalent (Ni_eq) = %Ni + 30×%C + 0,5×%Mn + 30×%N
Ein im Verhältnis zu Cr_eq höherer Ni_eq-Wert verschiebt das Legierungsverhalten in Richtung eines vollständig austenitischen (nichtmagnetischen) Verhaltens. Diese Äquivalente helfen zu erklären, warum Stickstoff ein so wirkungsvoller nichtmagnetischer Stabilisator ist: Da er pro Gewichtsprozent eine 30-mal höhere Wirksamkeit als Kohlenstoff aufweist, stärken bereits geringe Stickstoffzugaben die Austenitstabilität erheblich.
Wie lautet die vollständige Liste der nichtmagnetischen Edelstahlsorten?
Die folgenden Tabellen bieten die umfassendste Übersicht nach Stahlsorten für nichtmagnetische Edelstähle, die derzeit kommerziell hergestellt werden. Die Stahlsorten sind nach Familien geordnet und enthalten wichtige Angaben zu ihrer Zusammensetzung und ihren magnetischen Eigenschaften.
Standard-austenitische Edelstahlsorten (300er-Reihe)
| Klasse | UNS | Cr (%) | Ni (%) | Mo (%) | N (%) | Relative Permeabilität (geglüht) | Nichtmagnetische Stabilität bei Kaltumformung |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 301 | S30100 | 16-18 | 6–8 | - | - | <1,02 | Niedrig (sehr martensitempfindlich) |
| 302 | S30200 | 17-19 | 8-10 | - | - | <1,02 | Gering-Mäßig |
| 303 | S30300 | 17-19 | 8-10 | - | - | <1,02 | Niedrig (gut zerspanbar, höherer S-Wert) |
| 304 | S30400 | 18-20 | 8-10.5 | - | - | <1,02 | Mäßig |
| 304L | S30403 | 18-20 | 8-12 | - | - | <1,02 | Mäßig |
| 304N | S30451 | 18-20 | 8-10.5 | - | 0.10–0.16 | <1,02 | Mäßig-gut |
| 305 | S30500 | 17-19 | 10.5–13 | - | - | <1,02 | Gut (höherer Ni-Gehalt) |
| 308 | S30800 | 19-21 | 10-12 | - | - | <1,02 | Gut |
| 309 | S30900 | 22–24 | 12–15 | - | - | <1,02 | Sehr gut |
| 310 | S31000 | 24-26 | 19-22 | - | - | <1,01 | Ausgezeichnet |
| 310S | S31008 | 24-26 | 19-22 | - | - | <1,01 | Ausgezeichnet |
| 314 | S31400 | 23–26 | 19-22 | - | - | <1,01 | Ausgezeichnet |
| 316 | S31600 | 16-18 | 10-14 | 2-3 | - | <1,02 | Mäßig-gut |
| 316L | S31603 | 16-18 | 10-14 | 2-3 | - | <1,02 | Mäßig-gut |
| 316N | S31651 | 16-18 | 10-14 | 2-3 | 0.10–0.16 | <1,02 | Gut |
| 316LN | S31653 | 16-18 | 10-14 | 2-3 | 0.10–0.16 | <1,02 | Gut |
| 317 | S31700 | 18-20 | 11–15 | 3–4 | - | <1,02 | Gut |
| 317L | S31703 | 18-20 | 11–15 | 3–4 | - | <1,02 | Gut |
| 321 | S32100 | 17-19 | 9–12 | - | - | <1,02 | Mäßig |
| 347 | S34700 | 17-19 | 9–13 | - | - | <1,02 | Mäßig |
| 348 | S34800 | 17-19 | 9–13 | - | - | <1,02 | Mäßig |
Hochleistungsstähle der austenitischen und superaustenitischen Gütesorten
| Klasse | UNS | Cr (%) | Ni (%) | Mo (%) | N (%) | Besonderes Element | Durchlässigkeit (geglüht) | Stabilitätsrating |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 904L | N08904 | 19–23 | 23-28 | 4–5 | - | Cu 1–2% | <1,01 | Ausgezeichnet |
| 254 BBS | S31254 | 19.5–20.5 | 17.5–18.5 | 6–6.5 | 0.18–0.22 | Cu 0,5–1% | <1.005 | Ausgezeichnet |
| AL-6XN | N08367 | 20–22 | 23.5-25.5 | 6–7 | 0.18-0.25 | - | <1.005 | Ausgezeichnet |
| 654 SMO | S32654 | 24–25 | 21–23 | 7–8 | 0.45–0.55 | Cu 0,3–0,6% | <1,003 | Herausragend |
| 020 (Legierung 20) | N08020 | 19-21 | 32–38 | 2-3 | - | Cu 3–4%, Nb | <1.005 | Ausgezeichnet |
| 330 | N08330 | 17-20 | 34–37 | - | - | Si 0,75–1,51 TP3T | <1,01 | Ausgezeichnet |
| 800 (Incoloy) | N08800 | 19–23 | 30-35 | - | - | Ti, Al | <1,01 | Ausgezeichnet |
| 825 (Incoloy) | N08825 | 19.5-23.5 | 38-46 | 2.5-3.5 | - | Cu, Ti | <1.005 | Herausragend |
Mit Stickstoff verstärkte austenitische Stahlsorten (200er-Reihe und Varianten)
Bei der 200er-Serie werden Mangan und Stickstoff eingesetzt, um Nickel bei der Stabilisierung der austenitischen Struktur teilweise zu ersetzen, wodurch die Kosten gesenkt werden, während das nichtmagnetische Verhalten erhalten bleibt.
| Klasse | UNS | Cr (%) | Ni (%) | Mn (%) | N (%) | Durchlässigkeit (geglüht) | Kaltverformungsbeständigkeit |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 201 | S20100 | 16-18 | 3.5–5.5 | 5.5–7.5 | 0,25 max | <1,02 | Gering-Mäßig |
| 202 | S20200 | 17-19 | 4–6 | 7.5–10 | 0,25 max | <1,02 | Gering-Mäßig |
| 205 | S20500 | 16.5–18 | 1–1.75 | 14–15.5 | 0.32–0.40 | <1,02 | Mäßig |
| Nitronic 40 (216) | S21600 | 17.5–22 | 5–7 | 7.5–9 | 0.25–0.50 | <1,01 | Gut |
| Nitronic 50 (XM-19) | S20910 | 20.5–23.5 | 11.5-13.5 | 4–6 | 0.20–0.40 | <1.005 | Ausgezeichnet |
| Nitronic 60 (218) | S21800 | 16-18 | 8–9 | 7-9 | 0.08–0.18 | <1,02 | Gut |
| Nitronic 33 (219) | S21900 | 18-20 | 5.5–7.5 | 8-10 | 0.15-0.40 | <1,02 | Mäßig-gut |
| P-900 (210 N) | S21000 | 19–21.5 | 5–7 | 9-11 | 0.15-0.40 | <1,01 | Gut |
Aushärtende Stahlsorten mit nichtmagnetischen Eigenschaften
Die meisten ausscheidungsgehärteten (PH) Edelstähle sind halb-austenitisch und werden nach der bei ihrer Härtungsbehandlung stattfindenden martensitischen Umwandlung magnetisch. Die vollständig austenitische PH-Sorte A-286 behält jedoch unter allen Wärmebehandlungsbedingungen ihre nichtmagnetischen Eigenschaften bei:
| Klasse | UNS | Zustand | Magnetisches Verhalten | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|
| A-286 | S66286 | Alle Bedingungen | Nicht-magnetisch | Austenitischer PH; Permeabilität <1,02 |
| 17-4 PH | S17400 | Lösungsgeglüht | Schwach magnetisch | Wird nach einer gewissen Zeit stark magnetisch |
| 17-7 PH | S17700 | Zustand A | Austenitisch, nichtmagnetisch | Wird nach der CH900-Alterung magnetisch |
| PH 15-7 Mo | S15700 | Zustand A | Austenitisch, nichtmagnetisch | Wird nach dem Aushärten magnetisch |
A-286 ist ein entscheidender Werkstoff für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen sowohl hohe Festigkeit als auch ein zuverlässiges nichtmagnetisches Verhalten unter allen Bedingungen erforderlich sind. Seine austenitische Stabilität durch die Alterungsbehandlung (Ausscheidung der Gamma-Prime-Phase) unterscheidet ihn von den semi-austenitischen PH-Sorten, die während der Härtung in Martensit umwandeln.
Wie verändert die Kaltumformung die magnetischen Eigenschaften von austenitischem Edelstahl?
Dies ist wohl das praktisch wichtigste Thema im Bereich der nichtmagnetischen Edelstähle, das in den meisten Einkaufsleitfäden jedoch stark vernachlässigt wird. Die Tatsache, dass eine Sorte im geglühten Zustand nichtmagnetisch ist, garantiert nicht, dass sie auch nach Ihrem Fertigungsprozess nichtmagnetisch bleibt.
Der Mechanismus der verformungsinduzierten Martensitbildung
Wenn austenitischer Edelstahl kaltverformt wird (durch Ziehen, Walzen, Biegen, Stanzen, Pressen oder zerspanende Bearbeitung), kann die Verformungsenergie eine Umwandlung von Austenit in Martensit auslösen. Diese Umwandlung erfordert weder hohe Temperaturen noch Abschrecken: Sie wird ausschließlich durch mechanische Arbeit bei Raumtemperatur oder darunter ausgelöst. Der dabei entstehende Martensit wird als spannungsinduzierter Martensit oder verformungsinduzierter Martensit (DIM) bezeichnet und ist ferromagnetisch.
Der Volumenanteil des gebildeten DIM hängt ab von:
- Der Grad der Kälteverringerung (mehr Arbeit = mehr DIM)
- Die Verformungstemperatur (je kälter, desto mehr DIM; deshalb werden manche austenitischen Stahlsorten im Winter magnetischer)
- Die Austenitstabilität der Legierung (Md30-Temperatur, siehe unten)
- Der Verformungsweg (einige Verformungsmodi sind bei der Martensitbildung effizienter als andere)
Die Md30-Temperatur: Vorhersage der Anfälligkeit
Die Md30-Temperatur ist die Temperatur, bei der sich 50%-Martensit bildet, wenn eine Probenstück aus einem standardmäßigen austenitischen Edelstahl einer echten Zugdehnung von 30% ausgesetzt wird. Sie wird anhand der Zusammensetzung unter Verwendung der Angel-Gleichung berechnet:
Md30 (°C) = 413 – 462(%C + %N) – 9,2(%Si) – 8,1(%Mn) – 13,7(%Cr) – 29(%Ni + %Cu) – 18,5(%Mo) – 68(%Nb) – 1,42(Korngröße nach ASTM – 8)
| Legierung | Ungefährer Md30 (°C) | DIM-Anfälligkeit | Für kritische nichtmagnetische Anwendungen empfohlen? |
|---|---|---|---|
| 301 | +60 bis +80 | Sehr hoch | Nein |
| 304 | -10 bis +20 | Hoch | Nur im geglühten Zustand |
| 304LN | -20 bis +10 | Mäßig-hoch | Mit Vorsicht |
| 316 | -30 bis -10 | Mäßig | Mit Vorsicht |
| 316LN | -45 bis -20 | Mäßig | Mit Vorsicht |
| 305 | -70 bis -50 | Niedrig | Ja, bei mäßiger Kaltarbeit |
| 310 | < -100 | Sehr niedrig | Ja |
| 904L | < -100 | Sehr niedrig | Ja |
| 254 BBS | < -120 | Vernachlässigbar | Ja |
| Nitronic 50 | < -120 | Vernachlässigbar | Ja |
| AL-6XN | < -130 | Vernachlässigbar | Ja |
Legierungen, deren Md30-Temperaturen deutlich unter der Mindestbetriebstemperatur liegen, sind unter allen praktischen Fertigungsbedingungen im Wesentlichen immun gegen verformungsinduzierten Martensit. Aus diesem Grund sind die Werkstoffe 310, 904L, 254 SMO und Nitronic 50 die Materialien der Wahl, wenn durch intensive Kaltumformung ein nichtmagnetisches Verhalten gewährleistet werden muss.
Einfluss der Kaltverformung auf die magnetische Permeabilität
Die folgende Tabelle veranschaulicht, wie sich die relative magnetische Permeabilität von Edelstahl 304 im Vergleich zu stabileren Sorten mit zunehmender Kaltverformung verändert:
| Kältereduzierung (%) | 304 SS Permeabilität | 316 SS – Permeabilität | 310 SS Permeabilität | 904L Permeabilität |
|---|---|---|---|---|
| 0 (geglüht) | 1.003 | 1.002 | 1.001 | 1.001 |
| 10% | 1.02 – 1.10 | 1.01 – 1.05 | 1.001 | 1.001 |
| 20% | 1.10 – 1.50 | 1.03 – 1.15 | 1.002 | 1.001 |
| 30% | 1.50 - 3.00 | 1.10 - 1.40 | 1.003 | 1.001 |
| 50% | 3.00 – 8.00 | 1.20 – 2.50 | 1.005 | 1.002 |
| 70% | 5.00 – 15.00 | 1.50 – 4.00 | 1.008 | 1.003 |
Die Werte entsprechen typischen Bereichen aus der Fachliteratur; die tatsächlichen Werte hängen von der genauen chemischen Zusammensetzung und den Verformungsbedingungen ab.
Diese Zahlen sprechen dafür, die Werkstoffauswahl eher anhand des Endzustands als anhand des geglühten Zustands vorzunehmen. Ein Bauteil, das aus 304-Stangenmaterial gefertigt und durch Drehbearbeitung im Querschnitt auf 30% reduziert wurde, kann eine Permeabilität von 3 oder höher aufweisen, was für Geräte in MRT-Räumen oder kompassempfindliche Navigationsgeräte eindeutig inakzeptabel ist.
Wiederherstellung des nichtmagnetischen Verhaltens nach der Kaltumformung
Wenn ein Bauteil aus einer anfälligen Stahlsorte wie 304 durch Kaltverformung magnetische Eigenschaften entwickelt hat, können die vollständig nichtmagnetischen Eigenschaften durch Lösungsglühen (Erhitzen auf 1010 – 1120 °C, gefolgt von einer schnellen Abkühlung) wiederhergestellt werden. Dadurch wird der durch Verformung entstandene Martensit wieder in Austenit umgewandelt. Allerdings beseitigt diese Behandlung auch jegliche Kaltverfestigung, macht das Material weicher und kann zu Maßabweichungen führen, was sie für fertige oder fast fertige Bauteile unpraktisch macht. Aus diesem Grund ist die Auswahl der richtigen Güteklasse vor der Fertigung weitaus praktischer als der Versuch, das magnetische Verhalten nachträglich zu korrigieren.
Welche nichtmagnetischen Edelstahlsorten behalten unter Verarbeitungsbedingungen ihre magnetische Stabilität bei?
Bei Anwendungen, bei denen das Endbauteil in erheblichem Maße kaltverformt, mechanisch bearbeitet oder umgeformt wird, muss bei der Wahl der Güte die Austenitstabilität Vorrang vor den magnetischen Eigenschaften im geglühten Zustand haben.
Bewertung der Stabilitätsklasse für Fertigungsumgebungen
| Anwendungsszenario | Zulässige Noten | Zu vermeidende Noten | Grund |
|---|---|---|---|
| Präzisionsgefertigte Komponenten | 310, 316LN, 904L, Nitronic 50 | 301, 304, 303 | Starker Materialabtrag führt zu DIM |
| Tiefgezogene Teile (>30%-Reduktion) | 310, 904L, 254 SMO, 305 | 304, 316 | Starke Arbeitshärtung |
| Kaltgeformte Verbindungselemente | 316LN, Nitronic 50, A-286 | 304, 302 | Arbeit bei extremer Kälte am Kopfende |
| Schweißkonstruktionen | 308L, 316L, 310, 347 | 301 (hoher DIM-Wert) | HAZ-Ferrit aus dem Schweißwärmezyklus |
| Kältetechnische Anwendungen | 316LN, 310, 904L | 304 (geringe Md30-Marge) | Eine niedrigere Temperatur erhöht die DIM-Rate |
| Federn (stark kaltverformt) | 316LN, federgehärtet, 305 | 301 (im gespannten Zustand stark magnetisch) | Maximale Kälteverringerung |
| Leicht bearbeiteter Stab/Platte | 304, 316, 321 | - | Leichte Bearbeitung zulässig |
Güteklasse 305: Der unterschätzte nichtmagnetische Federwerkstoff
Besondere Beachtung verdient die Güte 305 (S30500) mit einem Nickelgehalt von 10,5 – 13%. Der erhöhte Nickelgehalt senkt die Md30-Temperatur deutlich unter -50 °C, wodurch das Material bei Raumtemperatur äußerst widerstandsfähig gegen verformungsinduzierten Martensit ist. Diese Eigenschaft macht 305 zum Standardwerkstoff für kaltgepresste Schrauben und Federn in Anwendungen, bei denen nach der Umformung ein garantiert nichtmagnetisches Verhalten erforderlich ist. Es wird viel seltener spezifiziert als 304 oder 316, einfach weil weniger Ingenieure damit vertraut sind, nicht wegen etwaiger Leistungsmängel.
Bei MWalloys beliefern wir seit vielen Jahren Federhersteller im Bereich der MRT-Geräte mit 305-Blechen und -Draht. Das durchgängige Feedback lautet, dass 305 die Probleme mit Nacharbeit und Ausschuss beseitigt, die bei kaltverformten 304-Federn auftreten, wenn diese die Abnahmetests zur magnetischen Permeabilität nicht bestehen.
Wie wird die magnetische Permeabilität gemessen und welche Spezifikationen gelten?
Zur Quantifizierung des magnetischen Verhaltens sind spezielle Messgeräte und Prüfverfahren erforderlich. Der qualitative Test, bei dem man einfach einen Magneten daran hält, ist für technische Spezifikationszwecke völlig unzureichend.
Verfahren zur Messung der magnetischen Permeabilität
Relative magnetische Permeabilität (µr):
Dies ist der wichtigste technische Parameter zur Beschreibung des nichtmagnetischen Verhaltens. Er entspricht dem Verhältnis der Permeabilität des Materials zur Permeabilität des freien Raums. Ein Wert von genau 1,000 würde eine vollständige Nichtmagnetizität bedeuten. In der Praxis:
| µr-Wert | Klassifizierung | Typisches Material |
|---|---|---|
| 1.000 – 1.002 | Nichtmagnetisch (vernachlässigbare Reaktion) | Geglühtes 310, 904L, Kupfer, Aluminium |
| 1.002 – 1.010 | Im Wesentlichen nichtmagnetisch | geglühtes 316LN, Nitronic 50 |
| 1.010 – 1.100 | Leicht magnetisch (schwach paramagnetisch bis leicht ferromagnetisch) | Kaltverformter 316, geglühter 304 |
| 1.100 – 2.000 | Schwach magnetisch | Kaltverformter 304 |
| 2.000 – 100 | Mäßig magnetisch | Stark kaltverformtes 301, 304 |
| > 100 | Stark magnetisch (ferromagnetisch) | 430, 410, Kohlenstoffstahl |
Messgeräte:
| Instrumententyp | Funktionsprinzip | Genauigkeit | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| Feritscope (Fischer) | Magnetische Induktion | ±0,11 TP3T-Ferrit (FN) | Qualitätskontrolle in der Fertigung, Schweißnahtprüfung |
| Permeameter | Messung an toroidförmigen Proben | ±1% µr | Labor, Forschung |
| Fluxgate-Magnetometer | Misst die Verzerrung des Umgebungsfeldes | Hohe Empfindlichkeit | Abnahmeprüfung des MRT-Raums |
| Vibrationsmagnetometer (VSM) | Misst die Magnetisierung in Abhängigkeit vom Magnetfeld | Sehr hoch | Forschung, Materialentwicklung |
| Prüfung von Seltenerdmagneten im Handgerät | Nur qualitativ | Keine | Nur vorläufige Sortierung |
Gängige Permeabilitätsspezifikationen nach Branchen
| Industrie / Anwendung | Typische Permeabilitätsangabe | Auf Normen bezogen |
|---|---|---|
| MRT-Geräte (ohne Implantate) | µr < 1,005 | ASTM F2503 |
| Implantierbare medizinische Geräte | µr < 1,003 | ASTM F2503, ISO 10993 |
| Schutz für magnetische Schiffskompasse | µr < 1,05 | ISO 25862, IMO MSC.36(63) |
| Nukleare Messtechnik | µr < 1,02 | Spezifikation des Kunden |
| Wissenschaftliche Instrumente | µr < 1,01 | Spezifikation des Kunden |
| Verteidigung / entmagnetisierte Schiffe | µr < 1,02 | MIL-S-23190 |
| Gehäuse für elektronische Geräte | µr < 1,05 | Spezifikation des Kunden |
| Allgemeine nichtmagnetische Anwendungen | µr < 1,10 | Spezifikation des Kunden |
Ferritzahl vs. Permeabilität: Die Zusammenhänge verstehen
In der Schweißindustrie werden austenitische Schweißmetalle häufig anhand der Ferritzahl (FN) und nicht anhand der Permeabilität charakterisiert. Diese beiden Parameter stehen zwar in Zusammenhang, sind jedoch nicht identisch:
- FN = 0 entspricht in etwa µr = 1,000 – 1,005 (vollständig austenitisch)
- FN = 3 entspricht in etwa µr = 1,01 – 1,05
- FN = 10 entspricht in etwa µr = 1,15 – 1,50
Bei Schweißmetallen für nichtmagnetische Anwendungen sollte FN < 3 angegeben werden, bei besonders kritischen Anwendungen idealerweise FN = 0. Es sind vollständig austenitische Schweißzusätze (308L, 316L, 309L ohne Ferrit) erhältlich, die in Anwendungen wie dem Bau von MRT-Räumen erforderlich sind, wo selbst die Schweißnähte die Permeabilitätsanforderungen erfüllen müssen.
Wie sehen die vollständigen mechanischen und Korrosionseigenschaften der wichtigsten nichtmagnetischen Stahlsorten aus?
Bei der Auswahl einer nichtmagnetischen Sorte geht es nicht nur um die magnetische Permeabilität. Das Material muss auch die Anforderungen an mechanische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit für die jeweilige Anwendung erfüllen.
Vergleich der mechanischen Eigenschaften
| Klasse | Zugfestigkeit (MPa) | Streckgrenze (MPa) | Dehnung (%) | Härte (HRB) | Charpy-Schlagzähigkeit (J, -196 °C) |
|---|---|---|---|---|---|
| 304 | 515 Min. | 205 Min. | 40 min | 92 max | >100 |
| 316L | 485 Min. | 170 Min. | 40 min | 95 max | >100 |
| 310 | 515 Min. | 205 Min. | 40 min | 95 max | >80 |
| 305 | 480 Minuten | 170 Min. | 40 min | 88 max | >100 |
| 321 | 515 Min. | 205 Min. | 40 min | 92 max | >100 |
| 347 | 515 Min. | 205 Min. | 40 min | 92 max | >100 |
| 904L | 490 Min. | 220 Min. | 35 Min. | max. 90 | >100 |
| 254 BBS | 650 Minuten | 300 Min. | 35 Min. | maximal 100 | >100 |
| Nitronic 50 | 690 Min. | 380 min | 35 Min. | maximal 100 | >100 |
| AL-6XN | 655 Min. | 310 Min. | 30 min | maximal 100 | >100 |
| A-286 | 895 Min. (gereift) | 585 Min. (gereift) | 15 min | - | >60 |
Korrosionsbeständigkeit im Vergleich
| Klasse | Lochfraßbeständigkeit (PREN) | SCC-Widerstand | Allgemeine Korrosionsbeständigkeit | Maximale Betriebstemperatur (°C) |
|---|---|---|---|---|
| 304 | ~18 | Mäßig | Gut | 870 (zeitweise) |
| 316L | ~24 | Gut | Sehr gut | 870 (zeitweise) |
| 310 | ~22 | Sehr gut | Gut | 1150 |
| 305 | ~18 | Gut | Gut | 870 (zeitweise) |
| 321 | ~17 | Mäßig | Gut | 900 |
| 347 | ~17 | Mäßig | Gut | 900 |
| 904L | ~36 | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | 400 (wässrig) |
| 254 BBS | ~43 | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | 400 (wässrig) |
| Nitronic 50 | ~35 | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | 650 |
| AL-6XN | ~46 | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | 400 (wässrig) |
| A-286 | ~17 | Gut | Mäßig | 700 (oxidierend) |
In welchen Branchen wird nichtmagnetischer Edelstahl benötigt und welche spezifischen Anwendungsanforderungen gelten dabei?
Die Nachfrage nach nichtmagnetischem Edelstahl kommt aus einer überraschend vielfältigen Bandbreite von Branchen, von denen jede ganz eigene Leistungsanforderungen hat, die über die bloße Permeabilität hinausgehen.
Medizinische Bildgebungs- und Gesundheitsgeräte
MRT-Geräte (Magnetresonanztomographie) arbeiten mit Magnetfeldern im Bereich von 1,5 Tesla (klinischer Standard) bis 7 Tesla (Forschung) und in experimentellen Systemen zunehmend mit Werten von über 10 Tesla. Jedes ferromagnetische Material im oder in der Nähe des MRT-Tunnels kann:
- Erleben Sie heftige Projektilkräfte (den "Raketeneffekt"), die lebensbedrohliche Situationen hervorrufen.
- Es entstehen Bildartefakte, die die diagnostische Qualität beeinträchtigen.
- Den Betrieb der Gradientenspule beeinträchtigen.
Die Norm ASTM F2503 klassifiziert Medizinprodukte und -artikel anhand ihres magnetischen Verhaltens als „MR-sicher“, „MR-bedingt“ oder „MR-unsicher“. Für Edelstahlkomponenten, die als „MR-sicher“ eingestuft werden, ist in der Regel eine Permeabilität von unter 1,003 erforderlich.
| Komponente des MRT-Raums | Bevorzugte Klasse | Anforderung an die Durchlässigkeit | Wichtige zusätzliche Eigenschaft |
|---|---|---|---|
| Tragwerkskonstruktion | 316LN, 310 | µr < 1,010 | Festigkeit, Schweißbarkeit |
| Schrankbeschläge | 316LN | µr < 1,005 | Korrosionsbeständigkeit |
| Befestigungselemente und Schrauben | Nitronic 50, A-286 | µr < 1,005 | Hohe Festigkeit |
| Chirurgische Instrumente im Operationssaal | 316LN, 310 | µr < 1,005 | Kompatibilität der Sterilisation |
| Infusionsständer und -gestelle | 316LN | µr < 1,010 | Gewicht, Ästhetik |
| Komponenten des Patiententisches | 316LN, 310 | µr < 1,005 | Tragfähigkeit |
Ferromagnetische Materialien an Bord von Schiffen verzerren das Erdmagnetfeld lokal und verursachen Kompassabweichungen, die für die Navigation sicherheitskritisch sein können. Internationale Schifffahrtsvorschriften schreiben vor, dass innerhalb des Kompass-Sicherheitsabstands nichtmagnetische Materialien verwendet werden müssen; dieser Abstand ist definiert als der Radius, innerhalb dessen die Kompassanzeige um mehr als den zulässigen Fehler (typischerweise 1° bis 3°) abweicht.
| Anwendung in der Schifffahrt | Erforderliche Note | Durchlässigkeitsgrenze | Geltende Norm |
|---|---|---|---|
| Gehäuse für Kompassgehäuse | 316L, 310 | µr < 1,05 | ISO 25862 |
| Rahmenkonstruktion der Brückenkonsole | 316L | µr < 1,05 | IMO-Anforderungen |
| Magnetische Minenabwehrmaßnahmen | 310, 904L | µr < 1,02 | MIL-S-23190 |
| U-Boot-Rumpfabschnitte | Nichtmagnetischer Stahl (HY) | µr < 1,01 | Verteidigungsspezifikationen |
| Entmagnetisierte Schiffsarmaturen | 316LN, 310 | µr < 1,02 | Marinespezifikationen |
Elektronik, Messtechnik und Halbleiterfertigung
Empfindliche elektronische Messgeräte, Teilchenbeschleuniger, Elektronenmikroskope und Lithografieanlagen für Halbleiter werden in Umgebungen betrieben, in denen Streumagnetfelder von Baumaterialien Messungen verfälschen oder die Flugbahnen geladener Teilchen verändern können.
| Anwendung des Geräts | Bevorzugte Klasse | Zentrale Anforderung |
|---|---|---|
| Komponenten eines Elektronenmikroskops | 316LN, 310 | µr < 1,002, ultrareine Oberfläche |
| Vakuumkammern für Teilchenbeschleuniger | 316LN, 304LN | µr < 1,01, extrem geringe Ausgasung |
| Rahmen für die Halbleiterlithografie | 316LN, Invar (kein Edelstahl) | µr < 1,005, Formstabilität |
| Komponenten eines Massenspektrometers | 316LN | µr < 1,002, für Ultrahochvakuum geeignet |
| Geräte zur nuklearen Zählung | 310, 316LN | µr < 1,02, Strahlungsbeständigkeit |
| Kalibriergeräte für Magnetometer | 310, 904L | µr < 1,005 |
Öl- und Gasindustrie sowie chemische Verarbeitung
Bestimmte Messgeräte für den Einsatz im Bohrloch, darunter elektromagnetische LWD-Geräte (Logging-while-Drilling) und Instrumente zur Formationsauswertung, erfordern nichtmagnetische Bohrkragenabschnitte, um zu verhindern, dass das eigene Magnetfeld des Geräts die für die Richtbohrung verwendeten geomagnetischen Messungen stört.
| O&G-Anwendung | Erforderliche Note | Schlüsselanforderung |
|---|---|---|
| Nichtmagnetische Bohrkragen | Nitronic 50, P530 | µr 758 MPa) |
| Gehäuse für Bohrlochmessgeräte | 316LN, Nitronic 50 | µr < 1,005, H₂S-Beständigkeit |
| Armaturen für Bohrlochköpfe | 316LN, Duplex – Vorsicht | µr < 1,01 |
| Chemikalien-Einspritzsysteme | 316L, 904L | Korrosionsbeständigkeit – vorrangig |
Nichtmagnetische Bohrkragen stellen eine der anspruchsvollsten Einzelanwendungen dar: Sie müssen gleichzeitig einen µr-Wert < 1,005, eine Streckgrenze von über 758 MPa (110 ksi), eine für mechanische Stöße im Bohrloch ausreichende Zähigkeit sowie Beständigkeit gegen aggressive Betriebsbedingungen aufweisen. Nitronic 50 (XM-19) ist der vorherrschende Werkstoff für diese Anwendung, wobei auch einige spezielle, firmeneigene Legierungen zum Einsatz kommen.
Wie schneiden nichtmagnetische Edelstähle im Vergleich zu anderen nichtmagnetischen metallischen Alternativen ab?
Edelstahl ist nicht das einzige verfügbare nichtmagnetische Metall. Ein Verständnis dafür, wie er sich im Vergleich zu Alternativen verhält, hilft Ingenieuren dabei, die am besten geeignete Wahl zu treffen, wenn Kompromisse zwischen verschiedenen Eigenschaften eingegangen werden müssen.
Vergleichsmatrix für nichtmagnetische Werkstoffe
| Material | Relative Permeabilität | Zugfestigkeit (MPa) | Korrosionsbeständigkeit | Kosten im Vergleich zu 316L | Gewicht im Vergleich zu 316L |
|---|---|---|---|---|---|
| Edelstahl 316L | <1,02 | 485 | Sehr gut | 1.0× | 1.0× |
| Edelstahl 310 | <1,01 | 515 | Gut | 1.3× | 1.0× |
| Edelstahl 904L | <1.005 | 490 | Ausgezeichnet | 2.5× | 0.98× |
| Nitronic 50 | <1.005 | 690 | Sehr gut | 2.8× | 0.99× |
| Inconel 625 | <1.005 | 830 | Herausragend | 8.0× | 0.95× |
| Titan Grad 2 | <1,00001 | 345 | Herausragend | 5.0× | 0.57× |
| Aluminium 5083 | <1,00001 | 290 | Gut (Marine) | 0.4× | 0.36× |
| Kupfer (C11000) | <1,00001 | 220 | Gut | 1.2× | 1.14× |
| Monel 400 | <1,002 | 480 | Ausgezeichnet | 5.0× | 1.12× |
| Messing (C26000) | <1,00001 | 340 | Mäßig | 0.8× | 1.09× |
Die wichtigste Erkenntnis aus dieser Tabelle ist, dass Titan und Aluminium selbst den stabilsten austenitischen Edelstählen in magnetischer Hinsicht überlegen sind. Ihre relative Permeabilität beträgt im Wesentlichen genau 1,00000, da sie paramagnetisch und nicht diamagnetisch oder ferromagnetisch sind. Allerdings können sie in vielen Anwendungsbereichen nicht mit der Festigkeit, der Verschleißfestigkeit oder der Hochtemperaturbeständigkeit austenitischer Edelstähle mithalten.
Für Anwendungen, bei denen absolute Nichtmagnetizität in Verbindung mit struktureller Festigkeit erforderlich ist, stellen Nitronic 50 und Inconel 625 das praktische Optimum unter den metallischen Werkstoffen dar. Wenn Gewichtsreduzierung im Vordergrund steht, bietet Titan der Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V) ein deutlich höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis als jeder nichtmagnetische Edelstahl.
Welche Spezifikationen und Normen gelten für die Lieferung von nichtmagnetischem Edelstahl?
Um nichtmagnetischen Edelstahl korrekt zu spezifizieren, müssen die geltende Werkstoffnorm sowie etwaige zusätzliche Anforderungen an die Permeabilität ermittelt werden, die über die Standardvorgaben für die Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften hinausgehen.
Wichtige Normen für nichtmagnetischen Edelstahl
| Standard | Ausstellende Stelle | Umfang | Wichtige Bestimmung zur Nichtmagnetizität |
|---|---|---|---|
| ASTM A240 | ASTM International | Bleche und Platten (alle Güteklassen) | Keine Anforderungen an die Durchlässigkeit; Ergänzung erforderlich |
| ASTM A276 | ASTM International | Stab und Formen | Keine Anforderungen an die Durchlässigkeit; Ergänzung erforderlich |
| ASTM F2503 | ASTM International | Kennzeichnung von MRT-Medizinprodukten | Definiert die Kriterien für „MR-sicher“, „bedingt sicher“ und „MR-unsicher“ |
| MIL-S-23190 | US-Verteidigungsministerium | Nichtmagnetisches Stahlblech | µr < 1,10 für Schiffsanwendungen |
| ISO 25862 | ISO | Magnetkompasse für die Schifffahrt | Anforderungen an nichtmagnetische Werkstoffe |
| ASTM A480 | ASTM International | Allgemeine Anforderungen an flachgewalzte Edelstahlprodukte | Nur Basisstandard |
| NACE MR0175 / ISO 15156 | AMPP / ISO | Materialien zum Thema „Sauer“ | Gibt die zugelassenen Güteklassen mit Härtegrenzen an |
| ASTM A193 | ASTM International | Materialien für die Verschraubung | Gilt für B8M-Schrauben (316SS); Ergänzung zur Durchlässigkeit |
Erstellung einer korrekten Spezifikation für nichtmagnetischen Edelstahl
Eine vollständige Beschaffungsspezifikation für nichtmagnetischen Edelstahl muss Folgendes enthalten:
- Güteklasse und UNS-Nummer: Verlassen Sie sich nicht allein auf Markennamen
- Standard-Produktform: ASTM A240 (Blech/Platte), A276 (Stab), A312 (Rohr), A167 (Blech/Band)
- Zustand: Geglüht (Lösungsglühen + Abschrecken)
- Zusätzliche Anforderung an die Durchlässigkeit: Maximaler µr-Wert angeben (z. B. "µr < 1,010 gemäß ASTM A342 oder einer gleichwertigen Norm")
- Prüfverfahren und Prüfgerät: Messverfahren angeben (Permeameter, Feritscope usw.)
- Abtastfrequenz: 100%-Prüfung, auf Chargenbasis oder pro Stück.
- Zertifizierung: EN 10204 Typ 3.1 einschließlich der Ergebnisse der Durchlässigkeitsprüfung.
- Weitere Einschränkungen: "Kein Kaltrichten nach dem Schlussglühen" oder "Nur im Endzustand geglüht", falls prozessbedingter Magnetismus ein Problem darstellt.
Wie wählen Sie die richtige nichtmagnetische Edelstahlsorte für Ihre spezifische Anwendung aus?
Bei der Werkstoffauswahl müssen vier Schlüsselvariablen gegeneinander abgewogen werden: Anforderungen an die magnetische Permeabilität, Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit sowie Budgetvorgaben. Das folgende Schema veranschaulicht, wie wir bei MWalloys bei dieser Auswahl vorgehen.
Entscheidungsbaum zur Auswahl nichtmagnetischer Sorten
Schritt 1: Festlegen der maximal zulässigen Durchlässigkeit
- µr < 1,002: Erforderlich sind 310, 904L, 254 SMO, AL-6XN oder Nitronic 50
- µr < 1,010: 316LN, 310, 904L oder Sorten mit höherem Nickelgehalt
- µr < 1,050: 316L, 316LN, 310 – alle geeignet
- µr < 1,100: Die meisten geglühten austenitischen Stahlsorten sind zulässig.
Schritt 2: Ermittlung des Kaltbearbeitungsanteils in der Fertigung
- Starke Kaltverformung (> 30%-Reduktion): 304, 301, 302 vermeiden; 310, 305, 904L, Nitronic 50 verwenden
- Leichte Kaltumformung (10 – 30%): 301 streichen; 316LN und 305 prüfen
- Nur leichte Kaltbearbeitung oder maschinelle Bearbeitung: 316L, 316LN sind grundsätzlich zulässig, jedoch mit Vorsicht zu behandeln.
Schritt 3: Die Korrosionsbeständigkeit an die Umgebung anpassen
- Milde Umgebungsbedingungen: 304, 316L ausreichend
- Meerwasser oder aggressive Chloridlösung: 254 SMO, AL-6XN, Nitronic 50, 904L
- Säurebeständiger Stahl: 904L, Nitronic 50
- Hochtemperatur-Oxidation: 310, 314.
Schritt 4: Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften prüfen
- Standardwerkstoffe: 304, 316L, 310 – alle geeignet
- Erfordert hohe Festigkeit: Nitronic 50, A-286 (gealtert), kaltgezogenes 316LN
- Federstähle: 305, 316LN (federgeschliffen)
Schritt 5: Verfügbarkeit und Kosten der Lieferungen prüfen
Übersichtstabelle zur schnellen Auswahl
| Anmeldung | Empfohlene Note | Alternative | Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| Aufbau des MRT-Raums | 316LN | 310 | Überprüfen Sie bei jeder Charge, ob µr < 1,010 ist. |
| MRT-Chirurgieinstrumente | 316LN, 310 | Nitronic 50 | Muss Sterilisationszyklen überstehen |
| Nichtmagnetische Befestigungselemente | Nitronic 50, A-286 | 316LN kaltgezogen | A-286 für höchste Festigkeit |
| Seekompasszone | 316L | 310 | Glühzustand überprüfen |
| Nichtmagnetische Bohrkragen | Nitronic 50 | Eigenentwickelte Legierungen | µr 758 MPa |
| Elektronische Abschirmgehäuse | 316LN | 310 | Ziehen Sie Mu-Metall für eine bessere Abschirmung in Betracht |
| Kaltgeformte, nichtmagnetische Teile | 310, 305, 904L | 316LN | Für DIM-Resistenz ausgewählte Sorte |
| Einsatz bei hohen Temperaturen, nichtmagnetisch | 310, 314 | Incoloy 800 | Betrieb bei Temperaturen über 500 °C |
| Preisgünstig, nichtmagnetisch, allgemein | 316L (geglüht) | 304 (geglüht, für leichte Beanspruchung) | Glühzustand bestätigen |
| Chemiewerk, nicht magnetisch | 904L, 254 SMO | Nitronic 50 | Korrosion + nichtmagnetisch |
Häufig gestellte Fragen: Alles, was Sie über nichtmagnetischen Edelstahl wissen müssen
1: Ist Edelstahl 316 wirklich nichtmagnetisch?
Edelstahl 316 ist im vollständig geglühten Zustand nichtmagnetisch und weist eine typische relative Permeabilität von 1,002 bis 1,010 auf; nach Kaltverformung, maschineller Bearbeitung oder Ziehen kann er jedoch eine messbare und mitunter erhebliche magnetische Reaktion entwickeln. Der Austenit in 316 ist mäßig stabil: Seine Md30-Temperatur liegt bei etwa -20 °C, was bedeutet, dass sich bei Raumtemperatur und einer Verformung von 30% etwa 50%-Martensit bilden würde. In der praktischen Fertigung kann kaltgezogener 316-Stabmaterial Permeabilitätswerte von 1,5 bis 4,0 aufweisen, was in empfindlichen Anwendungen eindeutig magnetisch ist. Für Anwendungen, bei denen µr < 1,010 vorgeschrieben ist, ist 316 im geglühten Zustand als Blech oder Platte in der Regel ausreichend; 316 in Stabform (das typischerweise zur Verbesserung der Maßtoleranz kaltgezogen wird) sollte jedoch nach dem Ziehen und vor der Verwendung lösungsgeglüht werden, wenn ein nichtmagnetisches Verhalten erforderlich ist. Die kohlenstoffarme Variante 316L verhält sich ähnlich. Für kritische nichtmagnetische Anwendungen sind 316LN (stickstoffstabilisiert) oder Sorten mit höherer Stabilität wie 310 oder Nitronic 50 zuverlässigere Wahlmöglichkeiten als Standard-316.
2: Warum haftet Edelstahl manchmal an einem Magneten, obwohl er eigentlich nicht magnetisch sein sollte?
Edelstahl zieht Magnete an, wenn durch Kaltumformung während der Herstellung ein Teil seiner nichtmagnetischen austenitischen Mikrostruktur in ferromagnetischen Martensit umgewandelt wurde oder wenn die Sorte selbst von Natur aus magnetisch ist (ferritische oder martensitische Familie). Dies ist eine der häufigsten Ursachen für Verwirrung im Zusammenhang mit Edelstahl. Wenn jemand sagt, "Edelstahl ist nicht magnetisch", bezieht er sich dabei speziell auf geglühte austenitische Sorten (300er-Serie). Doch dasselbe 304-Blech, das im flachgeglühten Zustand nichtmagnetisch ist, wird nach dem Biegen, Stanzen, Tiefziehen oder Kaltwalzen deutlich magnetisch. Die Verformungsenergie wandelt Austenit lokal in Martensit um, und dieser Martensit ist ferromagnetisch. Zudem sind ferritische Sorten der 400er-Serie (430, 439, 444) und martensitische Sorten (410, 420, 440C) unabhängig von der Wärmebehandlung stets magnetisch. Wenn Sie einen Gegenstand aus Edelstahl in die Hand nehmen und dieser stark an einem Magneten haftet, handelt es sich entweder um eine Sorte der 400er-Serie oder um eine stark kaltverformte Sorte der 300er-Serie. Wenn er kaum oder gar nicht reagiert, handelt es sich um eine geglühte Sorte der 300er-Serie.
3: Welcher im Handel erhältliche Edelstahl ist am wenigsten magnetisch?
Unter den Standard-Edelstählen erreichen die Sorten 654 SMO (S32654), AL-6XN (N08367) und 254 SMO (S31254) die niedrigsten relativen Permeabilitätswerte nach der Bearbeitung; diese bleiben aufgrund ihres sehr hohen Nickel- und Stickstoffgehalts in der Regel auch nach mäßiger Kaltverformung unter µr 1,003. Diese superaustenitischen Werkstoffe weisen Md30-Temperaturen unter -120 °C auf, wodurch eine verformungsinduzierte Martensitbildung unter allen praktischen Fertigungsbedingungen bei Raumtemperatur praktisch unmöglich ist. Für noch anspruchsvollere Anforderungen erreichen nicht-rostfreie Nickellegierungen wie Inconel 625 oder Hastelloy C276 Permeabilitäten, die im Wesentlichen nicht von 1,000 zu unterscheiden sind. Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen sind im strengen Sinne technisch gesehen "nichtmagnetischer" (ihre Permeabilität beträgt im Wesentlichen genau 1,000000, da sie rein paramagnetisch sind), aber sie sind keine rostfreien Stähle. Innerhalb der Edelstahlfamilie sind 654 SMO oder AL-6XN die praktische Lösung für technische Anwendungen, wenn es um die absolut niedrigste Permeabilität in Verbindung mit einer Korrosionsbeständigkeit auf Edelstahlniveau geht. Beide sind teuer und im Vergleich zu Standardgüten nur begrenzt verfügbar, sodass ihr Einsatz durch einen echten Anwendungsbedarf gerechtfertigt sein sollte.
4: Kann durch Schweißen nichtmagnetischer Edelstahl magnetisch werden?
Ja, beim Schweißen kann auf zwei Arten ein magnetisches Verhalten entstehen: durch Delta-Ferrit im Schweißgut (das während des Schweißens gezielt gesteuert wird, um Heißrisse zu verhindern) und durch Veränderungen der Mikrostruktur in der Wärmeeinflusszone. Beim Schweißen von austenitischem Edelstahl wird das Schweißzusatzmaterial in der Regel so zusammengestellt, dass im Schweißgut eine geringe Menge an Delta-Ferrit entsteht (Ferritzahl 3–8 FN), um Erstarrungsrisse zu verhindern. Dieses Ferrit ist ferromagnetisch und bewirkt einen messbaren Anstieg der Permeabilität in der Schweißnaht. Für Anwendungen, die nichtmagnetische Schweißnähte erfordern, müssen vollständig austenitische Schweißzusätze (AWS ER308L, ER316L oder ER310 mit FN = 0) spezifiziert werden. In der an die Schweißnaht angrenzenden Wärmeeinflusszone (HAZ) können sich bei anfälligen Stahlsorten wie 304 je nach thermischem Zyklus auch Sigma-Phase oder Martensit bilden. Bei kritischen nichtmagnetischen Schweißkonstruktionen muss die gesamte Schweißbaugruppe (nicht nur das Grundmetall) nach der Fertigung auf Permeabilität geprüft werden, und es kann ein Lösungsglühen der fertigen Schweißkonstruktion erforderlich sein, um durchgehend eine vollständig austenitische Mikrostruktur wiederherzustellen.
5: Was ist der Unterschied zwischen nichtmagnetischem und paramagnetischem Edelstahl?
Alle nichtmagnetischen Edelstähle sind technisch gesehen paramagnetisch (sie weisen eine geringe positive magnetische Suszeptibilität auf und richten sich nur sehr schwach an einem angelegten Magnetfeld aus), doch ist der Unterschied zu ferromagnetischen Werkstoffen so groß, dass in der Praxis der Begriff "nichtmagnetisch" verwendet wird. Beim Ferromagnetismus kommt es zu einer sehr starken Ausrichtung der magnetischen Domänen an ein angelegtes Feld, wodurch Permeabilitäten im Bereich von Hunderten bis Tausenden entstehen. Beim Paramagnetismus kommt es zu einer sehr schwachen, temperaturabhängigen Ausrichtung ohne Domänenbildung, was zu Permeabilitäten von knapp über 1,000 führt (typischerweise 1,001 – 1,003 bei austenitischen Edelstählen). Im ingenieurtechnischen Alltag werden die Begriffe "nichtmagnetisch" und "paramagnetisch" für austenitische Edelstähle synonym verwendet, da ihr praktisches magnetisches Verhalten (sie ziehen Permanentmagnete nicht merklich an, behalten keine Magnetisierung bei und verzerren Magnetfelder nicht wesentlich) identisch ist. Die theoretische Unterscheidung ist in der physikalischen Forschung von Bedeutung, nicht jedoch in den meisten technischen Anwendungen. Für Spezifikationszwecke ist der tatsächliche numerische Wert der relativen Permeabilität entscheidend, nicht die Terminologie, die zur Klassifizierung des magnetischen Verhaltens verwendet wird.
6: Wie kann ich prüfen, ob mein Edelstahlbauteil für eine MRT-Umgebung ausreichend nichtmagnetisch ist?
Bei der korrekten Prüfung zur Eignungsprüfung für die MRT-Umgebung wird mithilfe eines Handpermeameters oder eines Feritscopes die relative magnetische Permeabilität am fertigen Bauteil gemessen; das Ergebnis wird dann mit dem projektspezifischen Permeabilitätsgrenzwert verglichen (in der Regel µr < 1,005 für Bauteile, die in den Scannerraum gelangen). Ein Permanentmagnet-Test ist völlig unzureichend: Ein Material, das kaum auf einen Permanentmagneten reagiert, kann dennoch eine Permeabilität von 1,10 oder höher aufweisen, was in der Nähe eines MRT-Scanners inakzeptabel ist. Die Norm ASTM F2503 liefert den Klassifizierungsrahmen, doch das Prüfprotokoll für bestimmte Gegenstände sollte den Empfehlungen des Herstellers und den MRT-Sicherheitsrichtlinien der Einrichtung entsprechen. Bei Gegenständen, die dauerhaft im Scannerraum installiert werden (Bauteile, Einbauten), ist die Prüfung jedes einzelnen Stücks aus jeder Materialcharge der konservative und empfohlene Ansatz. Bei entfernbaren Gegenständen (Werkzeuge, Ausrüstung) ist es sinnvoll, repräsentative Proben zu prüfen und ein Materialkontrollprogramm einzuführen, das eine Vermischung von magnetischen und nichtmagnetischen Gegenständen verhindert. Führen Sie die Prüfung stets unter den Bedingungen durch, unter denen der Gegenstand verwendet wird: Ein geglühter Blech, der die Prüfung vor der Fertigung besteht, besteht sie möglicherweise nach der Kaltumformung nicht mehr.
7: Werden durch eine Wärmebehandlung die nichtmagnetischen Eigenschaften von kaltverfestigtem austenitischem Edelstahl wiederhergestellt?
Ja, durch Lösungsglühen bei 1010–1120 °C, gefolgt von einer schnellen Wasserabschreckung, wird das nichtmagnetische Verhalten von austenitischen Edelstählen vollständig wiederhergestellt, indem der durch Verformung entstandene Martensit aufgelöst und eine vollständig austenitische Mikrostruktur wiederhergestellt wird. Die Temperatur beim Lösungsglühen muss hoch genug sein, um den gesamten Martensit und etwaige Karbidausscheidungen vollständig aufzulösen, und die Abkühlgeschwindigkeit muss hoch genug sein, um eine erneute Ausscheidung zu verhindern. Bei den Güten 304 und 316 ist das Abschrecken mit Wasser oder mit Gebläseluft nach dem Glühen Standard. Diese Behandlung beseitigt jegliche Kaltverfestigung und versetzt das Material wieder in seinen Zustand mit minimaler Festigkeit. Bei Bauteilen, bei denen neben nichtmagnetischem Verhalten spezifische mechanische Eigenschaften durch Kaltverformung erforderlich sind, entsteht ein unüberbrückbarer Konflikt, der durch die Auswahl einer Sorte mit inhärent stabilem Austenit (wie Nitronic 50, 310 oder 904L) gelöst werden muss, die die erforderliche Festigkeit durch ihre Zusammensetzung und nicht durch Kaltverformung erreicht. Eine Spannungsentlastung bei Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur (unterhalb von ca. 800 °C) stellt das nichtmagnetische Verhalten nicht wieder her: Dies wird nur durch eine vollständige Rekristallisation mittels Lösungsglühen erreicht.
8: Sind nichtmagnetische Edelstahlsorten für Anwendungen im Lebensmittel- und Pharmabereich geeignet?
Ja, alle gängigen austenitischen, nichtmagnetischen Edelstahlsorten (304, 316L, 310, 321 und andere) erfüllen die Anforderungen für den Kontakt mit Lebensmitteln gemäß den FDA-Vorschriften und der Europäischen Verordnung (EG) Nr. 1935/2004; für Anwendungen im pharmazeutischen Bereich werden in der Regel die Sorten 316L oder 316LN verwendet, die den ASME-BPE-Standards für die Oberflächenbeschaffenheit entsprechen. Die nichtmagnetische Eigenschaft austenitischer Edelstähle ist eine Begleiterscheinung ihrer herausragenden Eigenschaften im Lebensmittel- und Pharmabereich: chemische Beständigkeit gegenüber Reinigungsmitteln, durch Elektropolieren erreichbare geringe Oberflächenrauheit sowie das Fehlen reaktiver Elemente, die die Prozessströme verunreinigen könnten. Für pharmazeutische Reaktoren und Behälter, die CIP- (Clean-in-Place) und SIP- (Steam-in-Place) Verfahren unter Verwendung oxidierender Desinfektionsmittel unterliegen, ist 316L die Standardausführung gemäß ASME BPE. Wenn die Anlagen zudem in der Nähe empfindlicher Messgeräte eingesetzt werden, bei denen magnetische Störungen vermieden werden müssen, erfüllen dieselben Werkstoffgüten 316L oder 316LN beide Anforderungen gleichzeitig. Elektropoliertes 316L mit einer Rauheit von Ra < 0,5 µm ist die Grundvoraussetzung für die meisten pharmazeutischen Anwendungen, wobei für die anspruchsvollsten biotechnologischen Anlagen ein Wert von Ra < 0,25 µm vorgeschrieben ist.
9: Was ist Nitronic 50 und warum wird es für nichtmagnetische Bohrkragen bevorzugt?
Nitronic 50 (UNS S20910, auch bekannt als XM-19) ist ein mit Stickstoff verfestigter austenitischer Edelstahl mit 22% Cr, 12,5% Ni, 5% Mn und 0,30% N, der eine einzigartige Kombination aus µr < 1,005, einer Streckgrenze von über 760 MPa (im kaltverformten Zustand) sowie die Konformität mit NACE MR0175 für den Einsatz in saurer Umgebung bietet – eine Kombination, die kein anderer einzelner Werkstoff vollständig erfüllt. Nichtmagnetische Bohrkragen, die bei Richtbohrungen und in MWD-Geräten (Measurement-While-Drilling) zum Einsatz kommen, müssen gleichzeitig die Anforderungen an die magnetische Transparenz (damit elektromagnetische Messungen nicht durch das Material des Bohrkragens verfälscht werden), an die strukturelle Festigkeit (um den mechanischen Belastungen und Drehmomenten im Bohrloch standzuhalten) sowie an die Korrosionsbeständigkeit (H₂S und CO₂ in sauren Formationen). Standardmäßige austenitische Stahlsorten wie 304 oder 316L weisen entweder eine zu geringe Festigkeit oder eine unzureichende Austenitstabilität auf, um nach den bei der Bohrkragenherstellung erforderlichen Umform- und Bearbeitungsschritten einen Wert von µr < 1,005 aufrechtzuerhalten. Nitronic 50 erfüllt alle drei Anforderungen und verfügt über jahrzehntelange, dokumentierte Praxiserfahrung bei Richtbohrungsanwendungen weltweit. Für extreme Anforderungen kommen auch leistungsstärkere, firmeneigene Legierungen sowie bestimmte Kobalt-Nickel-Chrom-Legierungen zum Einsatz, doch Nitronic 50 bleibt der branchenübliche Referenzstandard.
10: Wie wirkt sich die Temperatur auf die magnetische Permeabilität von nichtmagnetischem Edelstahl aus?
Eine Senkung der Temperatur erhöht die magnetische Permeabilität (magnetische Reaktion) von austenitischen Edelstählen, da niedrigere Temperaturen die verformungsinduzierte Martensitbildung begünstigen und die thermische Energie verringern, die die Austenitphase stabilisiert. Dieser Temperatureffekt ist insbesondere in zwei Anwendungsbereichen von Bedeutung: kryogene Anwendungen (flüssiger Stickstoff bei -196 °C, flüssiger Sauerstoff bei -183 °C, flüssiges Helium bei -269 °C) und Außenanwendungen in kalten Klimazonen, in denen Wintertemperaturen unter -30 °C das magnetische Verhalten bei anfälligen Stahlsorten messbar beeinflussen können. Bei -196 °C kann selbst 316L unter Verformung erhebliche Mengen an Martensit bilden, während Werkstoffe wie 310, 904L und Nitronic 50 im Wesentlichen vollständig austenitisch bleiben. Aus diesem Grund werden für kryogene Anwendungen Werkstoffe mit sehr niedrigen Md30-Temperaturen (deutlich unter -100 °C) vorgeschrieben, um das nichtmagnetische Verhalten über den gesamten Betriebstemperaturbereich hinweg aufrechtzuerhalten. Bei erhöhten Temperaturen kehrt sich die Situation um: Oberhalb der Raumtemperatur wird Austenit thermodynamisch stabiler, und das Risiko einer verformungsinduzierten Martensitbildung nimmt ab. Erhöhte Temperaturen bewirken zudem einen Curie-Effekt in eventuell vorhandenem Martensit: Oberhalb der Curie-Temperatur (etwa 770 °C für Martensit auf Eisenbasis) verlieren ferromagnetische Werkstoffe unabhängig von ihrer Mikrostruktur ihren Magnetismus.
Fazit: Die Auswahl der richtigen nichtmagnetischen Edelstahlsorte erfordert mehr als nur das Ankreuzen eines Kästchens
Nichtmagnetischer Edelstahl ist keine einfache Produktkategorie, in der jede Sorte der 300er-Serie geeignet ist. Die Kombination aus Legierungssorte, Wärmebehandlungszustand und Herstellungsverfahren entscheidet darüber, ob ein fertiges Bauteil die für die jeweilige Anwendung erforderlichen Anforderungen an die Permeabilität tatsächlich erfüllt.
Die wichtigsten Erkenntnisse aus dieser technischen Überprüfung:
- Das nichtmagnetische Verhalten von Edelstahl setzt eine austenitische Mikrostruktur voraus, die durch einen ausreichenden Gehalt an Nickel, Mangan und Stickstoff erreicht wird.
- Durch Kaltumformung, maschinelle Bearbeitung und Tiefziehen kann bei anfälligen Stahlsorten nichtmagnetischer Austenit in ferromagnetischen Martensit umgewandelt werden.
- Die Wahl der Körnung muss sich nach den Anforderungen an die Durchlässigkeit des fertigen Bauteils in seinem endgültigen Fertigungszustand richten und darf sich nicht nur auf das geglühte Walzprodukt beziehen.
- Für kritische nichtmagnetische Anwendungen bieten die Werkstoffe 310, 904L, 254 SMO, AL-6XN und Nitronic 50 die zuverlässigste Permeabilitätsstabilität während des gesamten Fertigungsprozesses.
- Die magnetische Permeabilität muss mit kalibrierten Messgeräten gemessen werden; die Prüfung mit Permanentmagneten ist kein zulässiges Qualifizierungsverfahren.
- Die vollständigen Spezifikationen müssen die Permeabilitätsgrenzwerte, das Messverfahren, die Prüfhäufigkeit und die Anforderungen an die Zustände (nur geglüht) enthalten.
Sind Sie bereit, nichtmagnetischen Edelstahl zu beziehen?
MWalloys führt und liefert nichtmagnetischen Edelstahl in der gesamten Palette austenitischer Güteklassen, darunter 304L, 316L, 316LN, 310, 321, 347, 904L, 254 SMO, Nitronic 50 und A-286, erhältlich als Platten, Bleche, Stangen, Rohre, Röhren und Formstücke mit vollständiger Zertifizierung gemäß EN 10204 Typ 3.1.
Unser technisches Team bietet:
- Beratung zur Wahl der Gesteinsart bei spezifischen Anforderungen an die Durchlässigkeit.
- Prüfung der magnetischen Permeabilität und Zertifizierung auf Anfrage.
- Lieferung im vollständig geglühten Zustand mit dokumentierten Wärmebehandlungsnachweisen.
- Lieferung von MRT-sicheren Bauteilen mit Konformitätsnachweis gemäß ASTM F2503.
- Präziser Zuschnitt und kundenspezifische Bearbeitung.
- Angebote für Standardqualitäten ab Lager noch am selben Tag.
Kontaktieren Sie MWalloys noch heute um Ihre Anforderungen an nichtmagnetischen Edelstahl zu besprechen. Senden Sie uns eine technische Anfrage über unsere Website oder wenden Sie sich direkt an unsere Werkstoffingenieure, um anwendungsspezifische Empfehlungen und umgehend Preisangaben zu erhalten.
Geprüfte und maßgebliche Quellen
- ASM International – ASM-Handbuch, Band 2: Eigenschaften und Auswahl: Nichteisenlegierungen und Spezialwerkstoffe. ASM International. ISBN 978-0-87170-378-1.
- ASM International – ASM Specialty Handbook: Edelstahl. Herausgegeben von J.R. Davis. ASM International. ISBN 978-0-87170-503-7.
- ASTM International – ASTM F2503: Standardverfahren zur Kennzeichnung von Medizinprodukten und anderen Gegenständen im Hinblick auf die Sicherheit in der Magnetresonanzumgebung.
- ASTM International – ASTM A240/A240M: Norm für Platten, Bleche und Bänder aus Chrom- und Chrom-Nickel-Edelstahl für Druckbehälter und allgemeine Anwendungen.
- ASTM International – ASTM A342/A342M: Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Permeabilität schwach magnetischer Werkstoffe.
- Angel, T. (1954) – "Martensitbildung in austenitischen rostfreien Stählen". Journal of the Iron and Steel Institute, Band 177, S. 165–174.
- Bain, E.C., Aborn, R.H., Rutherford, J.J.B. (1933) – "Die Natur und die Verhütung der interkristallinen Korrosion in austenitischen nichtrostenden Stählen." Transactions of the American Society for Steel Treating, Bd. 21, S. 481–509.
- Outokumpu Stainless – Outokumpu-Korrosionshandbuch, 11. Auflage. Outokumpu Oyj, Helsinki, Finnland.
- Spezialstahlindustrie Nordamerikas (SSINA) – Designer-Handbuch: Edelstahl.
- ISO 25862:2009 – Schiffe und Schifffahrtstechnik – Schiffsmagnetkompasse, Kompasskästen und Azimutmessgeräte.
- NACE International (AMPP) – NACE MR0175 / ISO 15156: Erdöl- und Erdgasindustrie – Werkstoffe für den Einsatz in H₂S-haltigen Umgebungen.
- Carpenter Technology Corporation – Technisches Datenblatt zur Legierung Nitronic 50.
- Beddoes, J., Parr, J.G. – „Einführung in den Edelstahl“, 3. Auflage. ASM International. ISBN 978-0-87170-673-7.
- Europäische Norm EN 10088-1:2014 – Rostfreie Stähle: Liste der rostfreien Stähle. CEN, Brüssel.
- Lula, R.A. – Edelstahl. American Society for Metals. ISBN 978-0-87170-173-3.
- MIL-S-23190 – US-Militärspezifikation: Stahlblech, nichtmagnetisch, für den Bau. Verteidigungsministerium.
