Edelstahl Rostfrei: Oberflächen im Bauwesen

Euro Inox (ed.)

EDELSTAHL ROSTFREI: OBERFLÄCHEN im BAUWESEN

Einleitung

Der Begriff »Edelstahl Rostfrei« bezeichnet eine Gruppe von Stählen mit einzigartigen Eigenschaften. Sie bilden an ihrer Oberfläche eine chromreiche Oxidschicht, die einen weiteren Korrosionsschutz entbehrlich macht. Auch im Fall von Beschädigungen bildet sich diese Passivschicht unter dem Einfluß von Sauerstoff immer wieder neu. Diese Schicht kann auch so verändert werden, daß sie dauerhafte Farbeffekte erzeugt (vgl. S. 13 f.).

Edelstahl Rostfrei eignet sich auch aus weiteren Gründen ideal für Anwendungen im
Bauwesen: Er läßt sich besonders gut umformen und schweißen.
Die europäische Norm EN 10088, Teil 1, beschreibt die physikalischen Eigenschaften
der nichtrostenden Stähle.
Die werksseitigen und durch spezielle Oberflächenbehandlung erzeugten Oberflächen werden in EN 10088, Teil 2, dargestellt. Hierbei wird der warmgewalzte Zustand mit der Zahl 1, der kaltgewalzte mit 2 bezeichnet. Buchstaben spezifizieren den Oberflächenzustand. Dieses System vermittelt technisch relevante Grundinformationen über die Oberflächen, ist jedoch zu einer nuancierten Definition, wie sie in der Architektur häufig gewünscht wird, nicht immer erschöpfend.

Ziel der vorliegenden Publikation ist es,
• Architekten und Planern einen Überblick über die Bandbreite der verfügbaren Oberflächen zu geben,
• die Verfahren der Oberflächenbehandlung in Grundzügen darzustellen sowie
• praxisnahe anwendungsbezogene Hinweise zu geben.

Werksseitige Oberflächen

Kalt- und warmgewalzte Edelstahl-Rostfrei-Bleche werden für zahlreiche gängige
Bauwesen-Anwendungen im Auslieferungszustand eingesetzt. Sie können weiteren Oberflächenbehandlungen unterzogen werden, die auch anspruchsvollsten architektonischen Anwendungen gerecht werden.
Die vier im Bauwesen gängigsten Oberflächenzustände sind 1D, 2D, 2B und 2R.
Um im Auslieferungszustand ein Höchstmaß an Korrosionsbeständigkeit zu erzielen, werden die Bleche und Bänder im Werk gebeizt. Zunder, der im Walz- und Glühprozeß entsteht, wird vollständig entfernt.

1D
Dieses Kürzel bezeichnet eine warmgewalzte, geglühte und entzunderte Oberfläche. Sie findet sich bei dickeren Blechen, weist eine leichte Rauhigkeit auf und reflektiert nur wenig. Sie wird überwiegend in Bereichen eingesetzt, in denen das optische Erscheinungsbild von untergeordneter Bedeutung ist, z.B. für Befestigungen im nicht-sichtbaren Bereich oder für tragende Bauteile.

2D
Diese Oberfläche wird bei kaltgewalztem Material durch Wärmebehandlung und Beizen erzielt. Die eher matte Oberfläche ist insbesondere für technische Anwendungen bestimmt. Für Anwendungen im Sichtbereich ist eine gewisse Empfindlichkeit gegen Fingerabdrücke zu beachten.

2B
Auf der Grundlage der oben beschriebenen 2D-Oberfläche wird das Material leicht nachgewalzt und erhält dadurch eine glatte, spiegelnd-graue Optik. Diese Oberflächenausführung ist am weitesten verbreitet, überwiegend in nicht-griffbeanspruchten Bereichen, da auch auf dieser Oberfläche Griffspuren sichtbar bleiben. Sie ist auch Ausgangsoberfläche für das Schleifen und Bürsten.

2R
Durch Blankglühen unter Luftabschluß und anschließendes leichtes Nachwalzen mit polierten
Walzen wird eine hochglänzende, spiegelnde Oberfläche erzielt. Die äußerst glatte Oberfläche ist besonders reinigungsfreundlich, denn Luftverschmutzungen und Wasserspuren können kaum anhaften.


Schleifen, Bürsten und Polieren

Für eine weitergehende Oberflächenbehandlung wird zunächst eine werksseitige Oberflächenausführung gewählt, die der gewünschten Wirkung bereits möglichst nahe kommt.
Die Bearbeitung wirkt sich unmittelbar auf das Erscheinungsbild und das Reinigungsverhalten der Bauteile aus und sollte beanspruchungsgerecht ausgewählt werden. Das Schleifen und Bürsten erfolgt mit abrasiven Mitteln, die den nichtrostenden Stahl in gewissem Maße aufrauhen.
Gerichtete Schliffe sind in einer Vielzahl von Varianten verfügbar, die von der Ausgangsoberfläche, der Art der Schleifbänder und Bürsten sowie den Verarbeitungsverfahren abhängig sind.
Um genau die gewünschte Oberfläche zu erhalten, empfiehlt es sich, mit dem Lieferanten eine detaillierte Beschreibung zu vereinbaren – ggf. unter Einschluß der Rauhheit Ra. Auch das Kontrollverfahren sollte vorab festgelegt werden. Zu den vereinbarten Oberflächen werden häufig sogenannte „Grenzmuster“ einbehalten.

Naß- und Trockenschliff sind mechanische Oberflächenverfahren. Naßschliff ergibt einen höheren Reflexionsgrad und geringere Rauhheit, Trockenschliff erzeugt eine seidenmatte Reflexwirkung. In der Tendenz sind naß geschliffene Oberflächen glatter. Sie zeichnen sich ferner durch eine gute Gleichmäßigkeit auch bei Verwendung von Material aus mehreren Fertigungslosen aus. Allerdings sind häufig Mindest-Abnahmemengen einzuhalten.

2G
Der gleichmäßige, gerichtete Schliff vermindert die Reflexwirkung. Wegen der Rauhigkeit werden geschliffene Bleche überwiegend im Innenbereich verwendet.

2J
Diese Oberfläche wird durch Schleifbänder oder Bürsten erzielt. Der Schliff ist gerichtet, matt und wird für Innenanwendungen bevorzugt.

2K
Diese glatte, reflektierende Ausführung ist für architektonische Anwendungen besonders geeignet, insbesondere im Außenbereich, wo schmutzabweisende Oberflächen gewünscht werden. Hierfür werden besonders feine Schleifbänder oder Bürsten eingesetzt, so daß die Rauhheit Ra maximal 0,5 µm beträgt.

2P
Eine spiegelartig hochglänzende Oberfläche, auch als „Mirror Polish“ bezeichnet, wird durch mechanisches Polieren mit weichen Textilien und speziellen
Polituren erzielt.


Strukturieren

Herstellerspezifische Muster werden durch Musterwalzen erzielt. Zu unterscheiden sind
• einseitig gewalzte (dessinierte) Bleche, bei denen die Rückseite glatt bleibt (Bezeich- nung 2M), und
• beidseitig gewalzte Bleche, bei denen die Struktur auch auf der Rückseite sichtbar wird (Bezeichnung 2W).

Die beidseitige Musterwalzung erhöht auch die Steifigkeit der Bleche, so daß dünnere Abmessungen und geringeres Gewicht möglich werden. Strukturierte Oberflächen sind besonders für großflächige Bekleidungen geeignet, bei denen die optische Planheit von besonderer Bedeutung ist.
In Bereichen mit starkem Publikumsverkehr, z.B. Eingangshallen, Aufzugskabinen und Flughäfen, sind die Oberflächen besonders beschädigungsgefährdet. Bei strukturierten Blechen bleiben kleinere Beschädigungen optisch unauffällig.

2F
Diese matte Oberflächenausführung wurde erzielt,
indem ein blankgeglühtes Material beidseitig mit
einer glasperlengestrahlten Walze leicht nachgewalzt (walzmattiert) wurde.

2M
Optisch ansprechende, einseitig gewalzte Oberflächen stehen für die unterschiedlichsten architektonischen und innenarchitektonischen Anforderungen zur Verfügung.

2W
Beidseitig mustergewalzte Bleche zeichnen sich durch höhere Steifigkeit und stärkere Reliefbildung aus.


Strahlen

Strahlen ergibt eine gleichmäßige, richtungslos matte Oberfläche. Für die Herstellung werden unterschiedliche Strahlmittel verwandt: Edelstahlgranulat, Keramik- oder Glasperlen und Aluminiumoxid ergeben jeweils verschiedene Effekte.
Die Strahlmittel müssen frei von ferritischen Bestandteilen sein. Auf keinen Fall dürfen Stahlkugeln verwendet werden. Auch Sand kann Eisen enthalten und sollte daher für Edelstahl Rostfrei nicht verwendet werden.
Das Strahlen bringt in das Material Spannungen ein, die bei dünnen Blechen zu Welligkeit führen können. Abhilfe schafft beidseitiges Strahlen. Unternehmen, die auf das Strahlen für optisch anspruchsvolle architektonische Anwendungen spezialisiert sind, erteilen detailliert Auskunft.


Elektropolieren
Das Elektropolieren ist ein elektrochemischer Prozeß, der sich sowohl bei Blechen als auch bei fertigen Bauteilen anwenden läßt und der die Mikrorauhigkeit der Oberfläche vermindert. Auch nichtmetallische Einschlüsse werden entfernt. Die Oberfläche wird gegenüber dem Ausgangszustand glatter und damit auch reflektierender. Eine spiegelartige Politur wie beim mechanischen Polieren wird jedoch nicht erzielt.
Die besonders glatte Oberfläche verbessert auch die Korrosionsbeständigkeit. Die Anhaftung von Schmutzpartikeln wird deutlich vermindert, und auch die Reinigung wird erleichtert.

Färben

Elektrolytisches Färben

Die chromreiche Passivschicht an der Oberfläche von Edelstahl Rostfrei ist ursächlich
für die Korrosionsbeständigkeit dieser Werkstoffgruppe. Bei Beschädigung bildet
sie sich unter dem Einfluß von Sauerstoff immer wieder neu.
Durch gezielten Aufbau dieser Schicht lassen sich Farbeffekte erzeugen. Dazu wird das
Material in einem Säurebad elektrolytisch behandelt. In Abhängigkeit von der Einwirkungszeit baut sich die Passivschicht auf. Durch Interferenzeffekte, d.h. durch Überlagerung des auftreffenden und des reflektierten Lichts, entstehen intensive Farbwirkungen. Je nach Dicke der Passivschicht durchlaufen sie eine Skala von Bronze über Gold, Rot, Purpur und Blau bis Grün.
Die so verstärkte Passivschicht, deren Dicke zwischen 0,02 und 0,36 µm liegen kann, ist selbst farblos und kann daher auch unter dem Einfluß starker ultravioletter Strahlung nicht ausbleichen. Da sie keinerlei Pigmente erhält, ist eine nachträgliche Umformung des Bauteils möglich. Beim Abkanten wird durch das Strecken des Passivfilms allenfalls im Bereich der Kante die Farbtiefe geringfügig vermindert.
Die ursprüngliche metallische Oberflächenwirkung bleibt vollständig erhalten, d.h. matte Teile bleiben reflexarm, hochglanzpolierte bleiben spiegelnd.
Das Verfahren führt zu dauerhaften Farbwirkungen. Eine spätere Erneuerung ist nicht nötig – aber auch nicht möglich. Beschädigungen sind zu vermeiden, da keine Reparaturmöglichkeit besteht. Im Bereich von Schweißnähten wird die Farbwirkung zerstört. Edelstahl Rostfrei läßt sich auch schwarz färben.
Besondere Aufmerksamkeit ist bei der Reinigung von gefärbtem Edelstahl Rostfrei erforderlich. Stahlwolle oder Scheuermittel beschädigen die Farbschicht. Auch chloridhaltige Reinigungsmittel sind zu vermeiden.

Musterwalzen und Färben
Durch Kombination von Struktur und Farbe lassen sich besonders ausdrucksstarke
Oberflächenvarianten erzielen. Eine weitere Verfeinerung ist durch anschließendes Überschleifen möglich. Hierbei tritt im Bereich der Kuppen die ursprüngliche blanke Oberfläche des Edelstahls in Erscheinung. Solche Oberflächen haben sich als besonders robust bewährt.

Beschichten

Organische Beschichtungen sind auf kaltgewalztem Edelstahl Rostfrei entweder als Grundierung oder als Grundierung mit Deckschicht erhältlich. Eine besondere Oberflächenbehandlung schafft die Voraussetzungen für gute und bleibende Haftung der Farbschicht.
Organisch beschichtete Edelstahl-Rostfrei-Bleche wurden ursprünglich für Bedachungen und Wandbekleidungen entwickelt und stehen heute in zahlreichen Farben zur Verfügung.
Für die Rollnaht-Schweißtechnik wurden Beschichtungen mit eingelagerten Metallpartikeln entwickelt, die für die erforderliche elektrische Leitfähigkeit sorgen.
Grundierungen können auch auf die Nicht-Sichtseite aufgebracht werden, um die Verbindung mit anderen Materialien zu erleichtern, z.B. bei Sandwich-Paneelen.

Sonderverfahren

Spezielle Oberflächen nach Kundenwunsch lassen sich mit photochemischen Verfahren durch Ätzen, Strahlen, Musterwalzen, Schleifen und Polieren erzielen.
Auf dekorative Oberflächenbehandlungen spezialisierte Unternehmen wenden diese Techniken einzeln oder in Kombination an und eröffnen dadurch eine praktisch unbegrenzte Variationsbreite. Durch Abdecken können Bleche z.B. selektiv geschliffen oder gestrahlt werden.
Einige Beispiele zeigen die Möglichkeiten derartiger Oberflächenbehandlungen.

Mit Hilfe von Siebdruck- und photochemischen Verfahren lassen sich nahezu alle
Muster durch Ätzen auf Edelstahl Rostfrei übertragen.
Beim Ätzen wird die Oberfläche des Werkstoffs abgetragen. Die geätzten Bereiche weisen eine matte und leicht rauhe Oberfläche auf und kontrastieren hierdurch mit den unbehandelten, z.B. geschliffenen oder polierten Oberflächen. Elektrolytisches Färben ist vor und nach dem Ätzen möglich.

Anhang A: Technische und praktische Hinweise

Bauteile aus Edelstahl Rostfrei zeichnen sich durch lange Lebensdauer, große Robustheit und geringe Unterhaltsaufwendungen aus. Voraussetzung dafür ist die richtige Wahl von Werkstoffsorte, Oberfläche, Bauweise und Reinigungstechnik.
Detaillierte Auskünfte über Kriterien der Sortenauswahl, Verarbeitungstechniken und Pflege erteilen die Edelstahl-Hersteller sowie Gemeinschaftsorganisationen der Edelstahl Rostfrei-Branche. Nachstehend werden lediglich einige für den Architekten relevante Punkte angesprochen.

Sortenauswahl

Chrom verleiht Edelstahl Rostfrei seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Molybdän erhöht die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere die Lochkorrosionsbeständigkeit in aggressiver Umgebung. Nickel verbessert neben der Korrosionsbeständigkeit die allgemeinen Verarbeitungseigenschaften wie Umformbarkeit und Schweißbarkeit.
Die gängigsten Sorten im Bauwesen sind der austenitische Chrom-Nickel-Stahl 1.4301 sowie die zusätzlich mit Molybdän legierten Sorten 1.4401 oder 1.4404. Letztere sind insbesondere bei Industrieatmosphäre oder in Meeresnähe erforderlich. Ferritische, im wesentlichen nur mit Chrom legierte nichtrostende Stähle kommen überwiegend im Innenbereich für dekorative Zwecke zum Einsatz, einige spezielle Sorten sind aber auch auf die Verwendung im Außenbereich ausgelegt. Duplex-Stähle mit einem Mischgefüge vereinen die Festigkeit ferritischer Stähle mit der Korrosionsbeständigkeit und Umformbarkeit austenitischer Stähle und werden zunehmend für statisch beanspruchte Teile eingesetzt.
Umformen

Edelstahl Rostfrei läßt sich nach den üblichen Verfahren verarbeiten, z.B. durch Abkanten, Biegen, Rollformen oder auch Tiefziehen.
Zu den charakteristischen Eigenschaften der austenitischen, d.h. der Chrom-Nickel-(Molybdän-)Stähle gehört, daß sie sich beim Umformen verfestigen. So ist z.B beim Biegen von Edelstahl Rostfrei rund 50% mehr Kraft aufzubringen als bei der Bearbeitung von Teilen aus unlegiertem Stahl mit gleicher Dicke. Austenitische nichtrostende Stähle neigen zur Rückfederung und müssen gegenüber dem gewünschten Biegeradius um rund 5° stärker gebogen werden.
Die verwendeten Werkzeuge sollten ausschließlich für Edelstahl Rostfrei eingesetzt oder aber gründlich gereinigt werden, um
jegliche Verunreinigung der Edelstahloberfläche mit Partikeln von unlegiertem Stahl zu vermeiden.

Bohren

Beim Bohren ist auf scharfe Bohrer, gegenüber unlegiertem Stahl geringere Geschwindigkeit und langsameren Vorschub zu achten.

Verbinden

Edelstahl Rostfrei läßt sich durch Schweißen, Hartlöten, mechanische Verbindungen und Kleben verbinden – auch mit anderen Materialien. Die Auswahl hängt von der Anwendung, den Festigkeitsanforderungen, den Umgebungsbedingungen und der Oberfläche ab.

Mechanische Verbindungen
Verbindungsmittel aus nichtrostendem Stahl stehen in großer Vielzahl zur Verfügung, z.B. als Bolzen, Schrauben, Unterlegscheiben oder Niete. Bei feuchter Umgebung sollte das Verbindungsmittel mindestens so korrosionsbeständig sein wie die zu verbindenden Teile.
Sofern andere metallische Befestigungselemente eingesetzt werden, sind diese ggf. durch nichtleitende Trennelemente gegenüber dem nichtrostenden Stahl zu isolieren.
Für die Befestigung von Flächenbauteilen werden häufig rückseitig Bolzen aufgeschweißt. Bei Blechdicken ab 1 mm bilden sich auf der Vorderseite keine Anlauffarben. Bolzenschweißen erfordert keine Vorbehandlung der Schweißstelle und schlägt nicht auf die Vorderseite durch. Bei der Befestigung auf der Unterkonstruktion kann es jedoch durch zu festes Anziehen zu Welligkeit auf der Außenseite kommen.

Kleben
Edelstahl Rostfrei kann – auch mit anderen Werkstoffen – erfolgreich mit Epoxydharz, Acryl und Polyurethanharz gefügt werden. Die Wahl des geeigneten Klebers hängt von einer Reihe von Faktoren ab: Partnerwerkstoff, Umgebungsbedingungen und Belastung.
In jedem Fall empfiehlt sich die Kontaktaufnahme mit dem Klebemittelhersteller ebenso wie mit den Werkstofflieferanten, um eine geeignete Oberfläche zu wählen. Grundsätzlich sind rauhere Oberflächen geeigneter als glatte. Zuweilen ist auch eine Vorbehandlung nötig, z.B. Entfetten, Schleifen oder chemische Vorbehandlung. Allerdings sind moderne Kleber vergleichsweise tolerant gegenüber Feuchtigkeit und Verschmutzungen.

Schweißen
Edelstahl Rostfrei läßt sich mit artgleichen Werkstoffen, aber auch mit unlegiertem Stahl, verschweißen. Wichtig ist die Wahl der jeweils geeigneten Zusatzwerkstoffe. Bei der Verarbeitung ist zu beachten, daß Edelstahl Rostfrei eine geringere Wärmeleitfähigkeit und eine stärkere Wärmeausdehnung aufweist als unlegierter Stahl.
Die meisten gängigen Schweißverfahren, z.B. WIG-, Plasma-Lichtbogenschweißen, MIG- und Widerstandsschweißen, sind auch für nichtrostende Stähle geeignet. Das Bolzenschweißen wird vorwiegend für die Befestigung von dickwandigeren Flächenbauteilen eingesetzt.
Die Wiederherstellung einer nicht nur technisch, sondern auch optisch einwandfreien Oberfläche steht im Bauwesen im Vordergrund. Anlauffarben sind durch Beizen zu entfernen. Im Bereich sichtbarer Schweißnähte läßt sich durch Schleifen und Polieren die Oberfläche des Ausgangszustandes wiederherstellen, so daß optische Nahtlosigkeit erreicht wird.

Reinigung

Die natürliche Bewitterung kann zur Selbstreinigung von Edelstahl-Rostfrei-Oberflächen beitragen. Schliffe sollten stets senkrecht verlaufen, damit Wasser besser ablaufen kann. Spalten und horizontale Fugen, in denen sich Schmutz ansammeln kann, sollten vermieden werden. Nach Fertigstellung von Edelstahl-Arbeiten ist eine Grundreinigung erforderlich, um Baustellenschmutz, Folien- und Klebereste sowie ggf. Flugrost vollständig zu entfernen. Für die gelegentliche Reinigung sind milde, chloridfreie Reinigungsmittellösungen in der Regel ausreichend. Nach dem Reinigen soll mit klarem Wasser nachgespült und gegebenenfalls mit einem trockenen Tuch nachgerieben werden. Die Häufigkeit der Reinigung hängt von den Standortbedingungen und von den jeweiligen Ansprüchen an das optische Erscheinungsbild ab.
Auf keinen Fall dürfen eisenhaltige scheuernde Materialien wie z.B. Stahlwolle zur Anwendung kommen. Auch chloridhaltige Reiniger sind zu meiden. Für hartnäckigen Schmutz stehen spezielle Flüssigreiniger mit mild abrasiven Komponenten zur Verfügung.
Es empfiehlt sich, Reinigungsverfahren und -intervall verbindlich festzuschreiben.

Vermeidung von Kontaktkorrosion

Werden andere metallische Materialien im Außenbereich gemeinsam mit Edelstahl Rostfrei eingesetzt, sollen sie elektrisch gegeneinander isoliert werden, z.B. durch Neopren- oder Nylonhülsen, um Kontaktkorrosion auszuschließen. Edelstahl Rostfrei ist edler als verzinkter Stahl, Zink oder Aluminium. Unter dem Einfluß von Feuchtigkeit bildet sich ein galvanisches Element, bei dem das weniger edle Metall korrodiert. Dies gilt insbesondere, wenn der Flächenanteil des edleren metallischen Werkstoffs im Verhältnis zu dem weniger edlen vergleichsweise groß ist. Aus diesem Grund dürfen keine Befestigungsmittel aus verzinktem Stahl oder Aluminium verwendet werden, um großflächige Bauteile aus Edelstahl Rostfrei zu befestigen. Der korrodierende unlegierte Stahl beeinträchtigt durch Fremdrost auch die Edelstahloberfläche und kann schließlich versagen. Für Bauteile aus Edelstahl Rostfrei müssen daher auch Befestigungsmittel aus Edelstahl Rostfrei eingesetzt werden.

Gleichmäßigkeit der Oberflächen

Werden Bleche großflächig verwendet, ist darauf zu achten, daß sie aus demselben Produktionsdurchgang stammen. Trotz einheitlicher Bezeichnung können die Oberflächen von Charge zu Charge voneinander abweichen.
Die Verlegung sollte ferner stets einheitlich in bezug auf die Walzrichtung verlaufen, da die Oberflächen ansonsten bei bestimmten Lichtverhältnissen unterschiedlich erscheinen können. Mit Materiallieferanten und Bauteilhersstellern sollte vereinbart werden, die Walzrichtung auf der Nicht-Sichtseite oder auf der Verpackung anzugeben.

Anhang B: EN 10088/2




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