Werkstoffkunde: Was macht das Legierungselement Chrom im Stahl?

Chrom zählt zu den vielseitigsten Legierungselementen im Stahl. Es beeinflusst Festigkeit, Verschleißverhalten, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Wir erläutern die metallurgischen Mechanismen hinter diesen Effekten – von Chromkarbiden über Passivschichten bis zur Diffusionshemmung.

Chrom ist ein richtiger „Tausendsassa“. Chrom ist in der Stahlmetallurgie ein richtiger „Tausendsassa“. Die Legierung mit Chrom (Cr) beeinflusst eine Vielzahl technischer Eigenschaften. Mit steigendem Chromgehalt lassen sich unter anderem erzielen:

• höhere Zugfestigkeit,
• bessere Verschleißbeständigkeit,
• gesteigerte Einhärtbarkeit,
• verbesserte Vergütbarkeit,
• höhere Zunderbeständigkeit,
• erhöhte Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit,
• verbesserte Korrosionsbeständigkeit,
• höhere Randschichthärte beim Nitrieren,
• größere Druckwasserstoffbeständigkeit,
• geringere Wärme- und elektrische Leitfähigkeit.

Angesichts dieser Liste stellen sich folgende Fragen: Welche metallurgischen Mechanismen stehen hinter dieser Vielzahl an Effekten? Lassen sich die Wirkungen auf wenige grundlegende Eigenschaften des Chroms zurückführen? Zur Beantwortung lohnt zunächst ein Blick auf den unlegierten Stahl.

Ausgangspunkt: Unlegierter Stahl

Unlegierter Stahl besteht aus Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C). Die allermeisten C-Atome verbinden sich mit den Fe-Atomen zu Eisenkarbiden. Der überwiegende Teil des Kohlenstoffs verbindet sich mit dem Eisen zu Eisenkarbiden. Deren Form, Größe und Verteilung im vergleichsweise weichen Eisenkristallgitter bestimmen maßgeblich die mechanischen Eigenschaften.

Die harten Eisenkarbide behindern die Bewegung von Versetzungen und erhöhen dadurch die Festigkeit. Gleichzeitig verbessern sie die Verschleißbeständigkeit. Bei höheren Temperaturen verändern sich jedoch Morphologie und Stabilität der Eisenkarbide; oberhalb von etwa 720 °C beginnen sie sich vollständig aufzulösen. Damit sind unlegierte Stähle bei erhöhten Temperaturen nur eingeschränkt einsetzbar.

In oxidierender Atmosphäre reagiert Eisen zudem mit Sauerstoff. Bei niedrigen Temperaturen und in Anwesenheit von Feuchtigkeit entsteht Rost, bei hohen Temperaturen – etwa im Schmiedeofen – bildet sich Zunder.

Chrom und Kohlenstoff: Bildung stabiler Karbide

Eine der zentralen Eigenschaften von Chrom ist seine hohe Affinität zu Kohlenstoff. Chrom bildet mit Kohlenstoff Chromkarbide, die härter und temperaturbeständiger sind als Eisenkarbide. Damit lassen sich mehrere Effekte erklären:

• Erhöhung von Festigkeit und Verschleißbeständigkeit,
• Steigerung von Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit,
• Verbesserung der Druckwasserstoffbeständigkeit.

Gerade Letzteres ist technisch bedeutsam: Unter hohen Temperaturen und Drücken kann Wasserstoff in den Stahl eindiffundieren und mit Kohlenstoff Methan bilden. Wird Kohlenstoff auf diese Weise entzogen, verliert der Stahl an struktureller Integrität. Chrom bindet Kohlenstoff stabil in Karbiden und reduziert damit diese Gefahr.

Chrom und Sauerstoff: Passivierung und Korrosionsschutz

Chrom besitzt außerdem eine höhere Affinität zu Sauerstoff als Eisen. Ab einem Gehalt von etwa 12% gelöstem Chrom bildet sich an der Oberfläche eine dünne, dichte Chromoxidschicht. Diese wirkt als Passivschicht und verhindert die weitere Oxidation.

Nichtrostende Stähle enthalten daher mindestens rund 12% Chrom. Dabei ist entscheidend, dass ausreichend Chrom im metallischen Zustand vorliegt. Da Chrom ebenfalls Karbide bildet, wird der Chromgehalt in der Praxis meist höher gewählt, um trotz Karbidbildung genügend „freies“ Chrom für die Passivierung sicherzustellen. Diese Mechanismen erklären sowohl die Korrosions- als auch die Zunderbeständigkeit chromlegierter Stähle.

Chrom und Stickstoff: Nitride und Randschichthärte

Chrom zeigt zudem eine hohe Affinität zu Stickstoff. Beim Nitrieren diffundieren Stickstoffatome in die Randschicht des Bauteils und bilden unter anderem sehr harte Chromnitride. Diese sind sehr hart und erhöhen die Randschichthärte deutlich. Aus diesem Grund sind Nitrierstähle häufig chromlegiert.

Chrom beeinflusst aber nicht nur chemische Bindungen, sondern auch Diffusionsprozesse im Eisenkristallgitter. Chromatome behindern die Diffusion von Eisen- und Kohlenstoffatomen – unabhängig davon, ob sie frei gelöst oder in Karbiden gebunden sind.

Da die Gefügeumwandlungen bei der Wärmebehandlung wesentlich diffusionsgesteuert sind, führt diese Diffusionshemmung zu einer erhöhten Einhärtbarkeit. Es können Gefüge entstehen, die ohne Diffusion gebildet werden, etwa Martensit. Damit erklären sich Verbesserungen von Festigkeit, Einhärtbarkeit und Vergütbarkeit.

Elektronenbewegung und Leitfähigkeit

Chrom behindert nicht nur die atomare Diffusion, sondern auch die Beweglichkeit freier Elektronen. Da elektrische und thermische Leitfähigkeit in Metallen maßgeblich durch freie Elektronen bestimmt werden, sinken beide Eigenschaften mit zunehmendem Legierungsgehalt.

Dieser Effekt ist nicht ausschließlich chromspezifisch, sondern tritt bei Legierungselementen generell auf. Hochlegierte austenitische Stähle – etwa mit etwa 18 % Chrom und 10 % Nickel – besitzen deshalb eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit. Das ist einer der Gründe, warum sie sich für Anwendungen eignen, bei denen eine reduzierte Wärmeübertragung erwünscht ist – beispielsweise Kaffeebecher.

Zusammenfassung: Chrom im Stahl

Die vielfältigen Wirkungen des Chroms lassen sich im Wesentlichen auf drei grundlegende Eigenschaften zurückführen:

• hohe Affinität zu Kohlenstoff (Karbide),
• hohe Affinität zu Sauerstoff (Passivschicht),
• hohe Affinität zu Stickstoff (Nitride),
• sowie die Hemmung von Diffusions- und Elektronenbewegungen.

Soll die Verschleiß- oder Warmfestigkeit über das Niveau chromlegierter Stähle hinaus gesteigert werden, kommen Elemente zum Einsatz, deren Karbide noch härter und temperaturbeständiger sind – beispielsweise Wolfram, Vanadium oder Molybdän, wie sie in Schnellarbeitsstählen verwendet werden.

Chrom bleibt jedoch eines der zentralen Legierungselemente der Stahltechnik – nicht wegen einer einzelnen Eigenschaft, sondern aufgrund seines breit gefächerten metallurgischen Wirkungsprofils.

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