Dichte von rostfreiem Stahl: Sichtungstabellen, Messung

Nichtrostender Stahl hat normalerweise eine Schüttdichte zwischen 7,5 und 8,0 g/cm³ (7.500-8.000 kg/m³). Die einzelnen Sorten weisen kleine, aber wichtige Unterschiede auf: Typ 304 ist etwa 7,93-8,00 g/cm³, Typ 316 bei 7,98-8,00 g/cm³und Duplex-Sorten fallen in der Regel in die Nähe von 7,8 g/cm³. Diese Werte dienen zur Schätzung des Gewichts, der Konstruktion, der Transportkosten, der Auftriebskontrolle und der Qualitätsprüfung.

Was "Dichte" für nichtrostenden Stahl bedeutet

Die Dichte ist gleich der Masse geteilt durch das Volumen. Bei Legierungen hängt diese physikalische Konstante von der Menge und der Atommasse der Bestandteile sowie von etwaigen inneren Hohlräumen ab. In der täglichen technischen Praxis wandelt die Dichte das Volumen eines Teils in Masse um und umgekehrt. Konstrukteure verwenden die Dichte, um Strukturen zu dimensionieren, das Transportgewicht abzuschätzen und zu prüfen, ob eine eingehende Charge der erwarteten Chemie und Verarbeitung entspricht. Typische technische Einheiten sind g/cm³, kg/m³ und lb/in³.

Typische Dichtebereiche nach Familie der nichtrostenden Stähle und gängigen Güten

Kurzübersicht - Dichten bei ~20 °C (typische Nennwerte)

Anmerkungen zur Tabelle

• Bei den Werten handelt es sich um typische technische Nennwerte, die zur Berechnung und Beschaffung verwendet werden. Die realen Werte variieren je nach genauer Zusammensetzung und Wärmebehandlung.

• In vielen Datenblättern von Lieferanten und nationalen Normen sind "typische" Dichten aufgeführt. Für rückverfolgbare Spezifikationen fordern Sie das MTR oder Datenblatt des Lieferanten an.

Warum die Zusammensetzung die Dichte verändert

Das Atomgewicht spielt eine Rolle. Nickel (Atommasse ~58,7) und Molybdän (~95,9) sind schwerer als Eisen (~55,8) und Chrom (~52,0). Wenn eine Sorte einen höheren Ni- oder Mo-Gehalt aufweist, steigt die Schüttdichte in der Regel leicht an. Umgekehrt können ferritische Güten mit niedrigem Ni-Gehalt oder Güten mit höheren Anteilen an leichten Elementen (z. B. Stickstoff in einigen technischen Legierungen) eine geringere Dichte aufweisen. Auch die Phasenfraktion wirkt sich auf die Dichte aus: Im kubisch-raumzentrierten Ferritgitter sind die Atome etwas anders angeordnet als im kubisch-flächenzentrierten Austenit, was bei gleicher Chemie zu subtilen Dichteverschiebungen führt.

Kurze Zusammensetzung → Dichtetabelle (illustrativ)

Temperaturabhängigkeit und thermische Ausdehnung

Die Dichte ist temperaturabhängig, da die Wärmeausdehnung das Volumen vergrößert. Bei nichtrostenden Stählen liegen die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten typischerweise bei ~10-17 ×10-⁶ /K. In bescheidenen Temperaturbereichen (Raumtemperatur bis einige hundert °C) sinkt die Dichte mit der Temperatur entsprechend dem Gesetz der Volumenausdehnung. Für schnelle technische Überprüfungen verwenden Sie:

​ρT​=ρT0/1+3α(T-T0​)​​​​​

wobei ρ die Dichte, α der lineare Koeffizient, T in °C, T₀ die Referenz (üblicherweise 20 °C) ist. Für genaues Arbeiten verwenden Sie die gemessenen Wärmeausdehnungskurven aus dem Datenblatt der Sorte. Die typische Dichteänderung ist gering: einige Zehntausendstel bei einem Temperaturanstieg von 300 °C.

Wie die Dichte gemessen wird - praktische Methoden und Normen

Wichtigste praktische Techniken:

a) Archimedische Auftriebsmethode (in Luft wiegen, in Flüssigkeit wiegen)

• Weit verbreitet für Schüttgut und Laborproben. Voraussetzungen: genaue Waage, temperaturgeregelte Flüssigkeit, gute Entgasung, Probe frei von oberflächengebundenen offenen Porositäten, die Flüssigkeit aufnehmen können. Für die Pulvermetallurgie und poröse Teile gibt es modifizierte Methoden. Eine gängige Norm, die die archimedische Praxis für PM-Teile abdeckt, ist ASTM B311.

b) Gaspyknometrie

• Nützlich bei Pulvern und porösen Materialien. Die Volumenmessung durch verdrängtes Gas führt zu hoher Präzision.

c) Geometrisches Volumen + Masse

• Messen Sie bei einfachen regelmäßigen Formen die Abmessungen genau, berechnen Sie das Volumen und teilen Sie dann die Masse durch das Volumen.

d) Röntgen- und CT-basierte Volumetrie

• Bei komplexen Formen oder bei der Darstellung der inneren Porosität kann die Computertomografie genaue Volumenangaben liefern. Diese Methode wird häufig in der Forschung und Entwicklung sowie bei der Qualifizierung für die additive Fertigung eingesetzt.

Normen und praktische Hinweise

• Für PM-Teile mit möglicher Porosität befolgen Sie ASTM B311 oder verwandte ASTM-Methoden, die Imprägnierungsoptionen für offene Poren beinhalten. Für AM-Teile wird in der Fachliteratur empfohlen, die Eintauchbedingungen sorgfältig zu kontrollieren.

Schnelles Berechnen des Gewichts - Formeln und praktische Beispiele

Grundlegende Formel

Masse (kg)=ρ(kg/m³)×Band (m³)

Gemeinsame Umrechnung von Einheiten

Arbeitsbeispiel 1 - flache Platte

• Abmessungen der Platte: 2,0 m × 1,0 m × 6,0 mm (0,006 m)

• Volumen = 2 × 1 × 0,006 = 0,012 m³

• Verwendung 304 Nenndichte 7,930 kg/m³

• Masse = 7,930 × 0,012 = 95,16 kg

Arbeitsbeispiel 2 - Rohrsegment

• Rohrlänge: 3 m, Außendurchmesser 0,200 m, Wandstärke 6 mm (0,006 m)

• Außenradius rₒ = 0,100 m; Innenradius rᵢ = 0,094 m

• Volumen pro Meter = π (rₒ² - rᵢ²) × Länge

• Volumen = π × (0,0100 - 0,008836) × 3 ≈ π × 0,001164 × 3 ≈ 0,01098 m³

• Masse (304) ≈ 7,930 × 0,01098 ≈ 87,1 kg

Schnellreferenz - Gewicht pro Kubikmeter

• 1 m³ von 304 ≈ 7,930 kg

• 1 m³ von 316 ≈ 7.980 kg

Fügen Sie diese Rechner in Tabellenkalkulationen für Beschaffungsangebote und Logistik ein.

Toleranzen bei Herstellung, Porosität, Oberflächenbeschaffenheit und Dichte

• Massiv gewalzte oder geschmiedete ProdukteDichte: normalerweise nahe dem theoretischen Schüttgutwert. Abweichungen ergeben sich aus kleinen Unterschieden in der Zusammensetzung und geringer Restporosität (<0,1%), die bei technischen Gewichtskontrollen in der Regel vernachlässigbar sind. In den Datenblättern der Lieferanten wird in der Regel eine einzige "typische" Dichte angegeben.

• Gegossene oder additive TeileInnere Schwindungsporen können die effektive Dichte verringern. Bei Gussstücken wird häufig eine Spezifikation der Festigkeit oder eine gemessene Dichteprüfung verwendet.

• PulvermetallurgieDie Normen verlangen die Angabe des Verdichtungsanteils oder der scheinbaren Dichte, gemessen nach ASTM-Methoden.

• Oberflächenbeschichtungen und PlattierungenMasse hinzufügen; Beschichtungsmasse pro Fläche in die endgültigen Berechnungen einbeziehen.

Empfohlene Beschaffungspraxis

• Verlangen Sie MTRs (Mühlenprüfberichte), die die chemische Zusammensetzung und, falls kritisch, die gemessene Dichte oder das spezifische Gewicht enthalten. Wenn die Gewichtstoleranz kritisch ist, verlangen Sie ein Prüfmuster oder ein Dichteprüfzertifikat.

Wenn Dichte wichtig ist - praktische Fälle

• Strukturelle KomponentenGewicht: Das Gewicht beeinflusst Lastwege und Verbindungen.

• Rotierende GeräteMasse und Massenverteilung beeinflussen das Gleichgewicht.

• Druckrohrleitungen und TanksGenaues Gewicht, das für die Planung und die Logistik der Unterstützung erforderlich ist.

• Marine und schwimmende SystemeRumpfbeschläge, Ballast und Verdrängungskontrolle hängen von der Dichte ab.

• Additiv gefertigte TeileGemessene Dichte, die häufig als Qualitätsmerkmal für eine akzeptable Porosität verwendet wird.

Schneller Vergleich mit anderen gängigen Metallen (nominal bei 20 °C)

FAQs

1. Wie hoch ist das spezifische Gewicht von rostfreiem Stahl?
   Das spezifische Gewicht ist das Verhältnis der Dichte zu Wasser (1 g/cm³). Bei nichtrostendem Stahl liegt das spezifische Gewicht normalerweise zwischen 7,5 und 8,0.

2. Ist Edelstahl 304 schwerer als 316?
   Geringfügig. 316 hat in der Regel eine geringfügig höhere Nenndichte als 304, was hauptsächlich auf Molybdän und etwas höheres Ni zurückzuführen ist.

3. Wie genau sind die typischen Zahlen zur Anbieterdichte?
   Die typischen Dichten der Lieferanten sind für Beschaffung und Logistik geeignet. Für eine präzise Konstruktion oder Qualitätssicherung messen Sie die Dichte an einer Probe mit Archimedes oder Gaspyknometrie.

4. Verändert eine Wärmebehandlung die Dichte?
   Die Wärmebehandlung bewirkt eine vernachlässigbare direkte Änderung der chemischen Dichte. Mikrostrukturelle Veränderungen wirken sich geringfügig auf den Packungsanteil aus, aber die Volumenänderungen sind in der Regel winzig im Vergleich zu den durch die Zusammensetzung bedingten Unterschieden.

5. Wie rechne ich die Dichte in das Gewicht pro Quadratmeter für Platten um?
   Gewicht pro m² = Dichte (kg/m³) × Dicke (m). Beispiel: 1,0 mm 304 Blech: 7,930 kg/m³ × 0,001 m = 7,93 kg/m².

6. Kann die Dichte helfen, eine falsche Legierung zu erkennen?
   Ja. Große Abweichungen von der erwarteten Dichte können auf eine falsche Chemie oder Porosität hinweisen, aber die Prüfung der Zusammensetzung bestätigt besser die Identität der Legierung.

7. Welchen Messstandard sollte ich bei Pulvern oder porösen Teilen verwenden?
   ASTM B311 umfasst Methoden zur Dichtemessung bei pulvermetallurgischen Teilen. Für dichte Schüttgutteile sind das Archimedes-Verfahren und andere ASTM-Methoden üblich.

8. Wiegen nichtrostende Duplexstähle weniger als austenitische Stähle?
   Duplex-Sorten wiegen oft etwas weniger pro Volumeneinheit als schwere Austenite wie 316, was meist auf unterschiedliche Legierungsgleichgewichte zurückzuführen ist. Verwenden Sie für einen genauen Vergleich die Nummern im Datenblatt der Sorte.

9. Ist die Dichte von Anbieter zu Anbieter unterschiedlich?
   Geringfügige Abweichungen können auftreten, weil die Zusammensetzungen innerhalb der Standardbereiche variieren. Fordern Sie bei kritischen Projekten MTR-Werte an oder messen Sie Proben.

10. Welche Fehlerquellen beeinflussen die archimedische Dichtemessung?
    Blaseneinschluss, Temperaturdrift, oberflächengebundene Porosität, ungenaue Kalibrierung der Waage und Auftriebskraft der Probenauflage. Befolgen Sie Normen und gute Laborpraxis, um Fehler zu reduzieren.

Maßgebliche Referenzen

• Rostfreier Stahl AISI Typ 304 - MatWeb / ASM Werkstoffdaten
• Rostfreier Stahl AISI Typ 316 - MatWeb / ASM Werkstoffdaten
• Nickel Institute - Konstruktionsrichtlinien für die Auswahl und Verwendung von nichtrostenden Stählen (PDF)
• ASTM B311 - Prüfverfahren für Dichtemessungen in der Pulvermetallurgie und verwandte Verfahren

Schlussbemerkungen und praktische Checkliste für Ingenieure und Einkäufer

• Für routinemäßige Gewichtsschätzungen sind die Nenndichten in Abschnitt 2 zu verwenden. Für die Endabnahme oder das vertragskritische Gewicht ist die gemessene Dichte zu verlangen oder ein vereinbartes Prüfverfahren in die Bestellung aufzunehmen.

• Wenn Sie bei gewichtssensiblen Konstruktionen die Sorte wechseln, führen Sie die Schnellberechnung in Abschnitt 6 durch und prüfen Sie die Wärmeausdehnung, wenn Sie bei erhöhten Temperaturen arbeiten.

• Bei additiv gefertigten oder gegossenen Bauteilen sollten Sie die Dichtemessung in Ihren Prüfplan einbeziehen. Archimedes und Gaspyknometrie sind nach wie vor die beiden praktischsten Methoden.