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Korrosion nichtrostender Edelstahle

Erfahren Sie mehr über Korrosionsbeständigkeit und die unterschiedlichen Arten der Korrosion!

 

Korrosionsbeständigkeit

Nichtrostende Stähle zeichnen sich durch besondere Beständigkeit gegen chemisch angreifende, wässrige Medien aus. Sie haben im Allgemeinen einen Masseanteil des Elements Chrom (Cr) von mindestens 12% und einen Masseanteil des Elements Kohlenstoff (C) von höchstens 1,2%. Die hohe Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle beruht auf ihrer Fähigkeit an der Oberfläche eine so genannte Passivschicht zu bilden. Dabei handelt es sich um eine nur wenige Angström dünne, chromreiche Metalloxidbzw. Metalloxidhydratschicht, die das Metall von dem angreifenden Medium trennt. Die Passivschicht eines nichtrostenden Stahles ist nicht etwas Unveränderliches, sondern stellt sich in ihrer Zusammensetzung und ihrem Aufbau im Zeitablauf mit dem umgebenden Medium ins Gleichgewicht. Nach einer mechanischen Verletzung der Metalloberfläche erfolgt die Bildung einer neuen Passivschicht im Allgemeinen selbstständig.

Kann sich in einem Medium keine ausreichende Passivschicht bilden oder wird die vorhandene Passivschicht auf chemischem Wege durchbrochen oder ganz zerstört, können Korrosionsschäden auftreten. Das für die Fähigkeit der Passivschichtbildung entscheidende Legierungselement ist Chrom. Durch Erhöhung des Chromanteils sowie Zulegieren von Molybdän (Mo) und auch anderen Legierungselementen lässt sich die Beständigkeit auf wesentlich aggressivere Einsatzbedingungen erhöhen. Wirksam für die Passivierung ist nur der im Metall gelöste Gehalt an Legierungselementen. Die jeweils höchste Korrosionsbeständigkeit weist daher eine seigerungsfreie Matrix auf, die nicht durch Ausscheidungen oder Bildung intermetallischer Phasen wie Chrom und Molybdän verarmt ist. Nichtrostende Stähle können abtragende Flächenkorrosion und verschiedene Formen örtlicher Korrosion erleiden. Mit abtragender Flächenkorrosion ist primär beim Kontakt mit Säuren und starken Laugen zu rechnen. Für die Praxis wichtiger sind jedoch meistens die verschiedenen Formen örtlicher Korrosion.

 

Interkristalline Korrosion

Interkristalline Korrosion ist ein Angriff entlang der so genannten Korngrenzen, während die Körner selbst nicht oder kaum abgetragen werden. Der Angriff der Korngrenzen kann so weit gehen, dass einzelne Körner aus dem Kornverband herausgelöst werden, wodurch das Gefüge seinen Zusammenhalt verliert. Ursache der Interkristallinen Korrosion bei nichtrostenden Stählen sind Ausscheidungen von chromreichen Karbiden an den Korngrenzen, die eine Chromverarmung in den grenznahen Bereichen zur Folge haben.

Die so gebildeten chromarmen Zonen sind gegen die meisten angreifenden Medien nicht korrosionsbeständig genug und können daher schnell in Lösung gehen. Die Chromkarbidausscheidungen setzen einen bestimmten Kohlenstoffgehalt voraus und finden im Temperaturbereich zwischen etwa 500° C und 800° C statt, wie z.B. bei Wärmebehandlungen oder Schweißvorgängen. Zur Vermeidung einer Chromkarbidausscheidung kann man in nichtrostenden Stählen den Kohlenstoffgehalt auf unter 0,03% absenken oder aber den vorhandenen Kohlenstoff durch so genannte Stabilisierungselemente wie Titan (Ti) oder Niob (Nb), die eine größere Kohlenstoffaffinität als Chrom haben, anbinden.

Sind Chromkarbidausscheidungen aufgetreten, so können diese bei Lösungsglühtemperaturen oberhalb 1050° C wieder aufgelöst werden. Bei unstabilisierten ferritischen Stählen kann eine bestehende Anfälligkeit gegen interkristalline Korrosion durch Glühen bei 800° C - 885° C beseitigt werden. Hierbei wird durch Nachdiffusion von Chrom aus dem Korninneren die Chromverarmungen in den korngrenznahen Bereichen aufgehoben.

 

Loch und Spaltkorrosion

Loch- und Spaltkorrosion werden in der Praxis meistens durch Chloridionen verursacht. Daneben können auch die seltener auftretenden Halogenide Bromid und Jodid Auslöser sein.

Lochkorrosion wird eingeleitet durch eine Wechselwirkung zwischen den Halogenidionen und der Passivschicht, wobei die Passivschicht lokal durchbrochen wird. Es bilden sich nadelstichartige Vertiefungen und durch deren Erweiterung Lochfraßstellen, die eine unterschiedliche Ausprägung haben können. Die Lochkorrosionsgefahr nimmt mit steigernder Konzentration der Halogenidionen, steigender Temperatur und Erhöhung des elektrochemischen Potenzials des Stahls zu. Spaltkorrosion tritt in Spalten auf, in denen der Flüssigkeitsaustausch mit der Umgebung eingeschränkt ist. Solche Spalten sind konstruktions- oder betriebsbedingt und liegen z.B. bei Flanschen, an Rohreinwalzungen, unter Dichtungen, Schraubenköpfen oder auch unter Ankrustungen vor.

Der Korrosionsmechanismus entspricht im Wesentlichen dem der Lochkorrosion. Als zusätzliche Einflussfaktoren treten noch die Spaltgeometrie und die Art der spaltbildenden Materialien in Erscheinung. Da Spaltkorrosion schon bei bedeutend schwächerer Korrosionsbeanspruchung auftritt als Lockkorrosion, sollte in chloridhaltigen Medien durch konstruktive Maßnahmen das Auftreten von Spalten möglichst vermieden werden. Bei homogener Legierungselementverteilung kann die relative Loch- und Spaltkorrosionsbeständigkeit eines nichtrostenden Stahles in etwa über die Wirksumme „W“

W = % Cr + 3,3 x % Mo + 30 x % N oder W = % CR + 3,3 x % Mo

abgeschätzt werden. Der Einfluss des Legierungselementes Stickstoff ist allerdings komplexer als diese Beziehung ausdrückt. Die im Faktor 30 zum Ausdruck kommende hohe Wirksamkeit dürfte nur bei hochlegierten Stählen mit erhöhten Molybdängehalten voll zum Tragen kommen. Nichtmetallische Verunreinigungen, vor allem sulfidische Ausscheidungen, fördern Loch- und Spaltkorrosion, wenn sie an die Oberfläche treten.

Von Vorteil kann eine möglichst glatte Oberfläche sein, welche ein Anhaften von Ablagerungen die zur Spaltkorrosion führen können erschweren. Eine hohe Loch- und Spaltkorrosionsbeständigkeit wird nur bei einwandfreier Oberflächenbeschaffenheit d.h. metallisch blanker Oberfläche, erreicht. Deshalb sind Anlauffarben und Zunderreste nach dem Schweißen, dmetallabrieb, Fremdrost, Schleifmittelrückstände etc. gründlich zu entfernen.

 

Fremdrost

Unter Fremdrost versteht man Ablagerungen von Rostteilchen, die nicht an der betreffenden Stelle entstanden, sondern von irgendwo her hinzu getragen wurden. Fremdrost tritt bevorzugt bei nicht getrennter Lagerung und Verarbeitung von „schwarzem“ und „weißem“ Stahl auf. Aber auch Werkzeugabrieb kann zu Fremdrost führen. Durch Ablagerung von Fremdrost können die Bedingungen für Spaltkorrosion erfüllt sein.

 

Spannungsrisskorrosion

Medien mit spezifisch wirkenden Komponenten – Besonders Chloridionen – können bei gleichzeitiger Einwirkung von Zugspannungen zu einem Korrosionsangriff unter Rissbildung bei nichtrostenden Stählen führen, auch wenn der Stahl ohne mechanische Beanspruchung in dem Medium ausreichend beständig ist. Diese als Spannungsrisskorrosion bezeichnete Erscheinung kann nicht nur durch von außen aufgebrachte betriebsbedingte Zugspannungen ausgelöst werden. Häufig liegt die Ursache vielmehr auch in Eigenspannungen, die bei der Verarbeitung eingebracht werden, wie z. B. beim Schweißen, Schleifen oder Kaltumformen. Die Gefahr von chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion nimmt wie bei der Loch- und Spaltkorrosion mit steigender Temperatur und Chloridkonzentration zu. Werkstoffseitig sind dazu andere Einflussgrößen wirksam. So sind austenitische Stähle des Typs 18/10 – CrNi und 18/10/2 – CrNiMo bei Temperaturen oberhalb von etwa 50°C durch chlorinduzierte Spannungsrisskorrosion besonders gefährdet. Durch Erhöhen des Molybdän- und besonders des Nikkelgehaltes lässt sich die Beständigkeit aber erheblich steigern. Auch ferritische und ferritisch – austenitische, nichtrostende Stähle sind vergleichsweise wenig empfindlich.

 

Schwingungskorrosion

Die Schwingungsfestigkeit aller nichtrostenden Stähle wird durch zusätzlichen chemischen Angriff mehr oder weniger stark herabgesetzt. Die Abnahme der Schwingungsfestigkeit hängt vom Angriffsmittel und von der Mehrachsigkeit der auftretenden Wechselbelastungen ab.

 

Kontaktkorrosion

Die Möglichkeit von Kontaktkorrosion besteht dann, wenn in einem Korrosionsmedium zwei Metalle mit unterschiedlichem freien Korrosionspotenzial leitend miteinander verbunden sind. Das Metall mit dem niedrigeren freien Korrosionspotenzial kann zumindest zu höheren Potenzialen hin polarisiert und dadurch verstärkt angegriffen werden. Auch bei großen Unterschieden zwischen den freien Korrosionspotenzialen der beteiligten Metalle tritt Kontaktkorrosion aber nicht notwendigerweise auf. Dies hängt von dem elektrochemischen Verhalten der beiden Metalle ab. Von Bedeutung ist auch die Leitfähigkeit des Mediums und das Oberflächenverhalten der beteiligten Metalle.

Wenn das „unedlere“ Metall eine sehr viel größere Fläche aufweist als das „edlere“, und das Korrosionsmedium eine hohe Leitfähigkeit aufweist, ist die Gefahr eines Korrosionsschadens geringer. Zu vermeiden ist jedoch die Verbindung zwischen einem „unedlen“ Metall mit kleiner Oberfläche und einem „edleren“ Metall mit großer Oberfläche. Nichtrostende Stähle nehmen im Allgemeinen hohe freie Korrosionspotenziale ein und unterliegen daher kaum der Gefahr, durch Kontaktkorrosion verstärkt angegriffen zu werden. Wesentlich häufiger ist der Fall, dass bei anderen Metallen mit niedrigem freien Korrosionspotenzial durch die Verbindung mit einem nichtrostenden Stahl Kontaktkorrosion auftritt.

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