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Korrosion bei Stählen

Die Korrosion bei rost- und säurebeständigen Stählen

Unter Korrosion wird im allgemeinen die von der Oberfläche eines Stahls ausgehende Veränderung des Werkstoffes durch chemische oder elektrochemische Angriffe verstanden. Die dabei entstehenden, durch Färbung erkennbaren oxydischen Korrosionsprodukte werden als Rost bezeichnet. Man stellt dabei im Normalfall eine mehr oder weniger gleichmässige Abtragung der Stahloberfläche fest, welche stets eine Gewichtsabnahme zur Folge hat. Wie uns bekannt ist, wird durch die hohen Gehalte an den Legierungsmetallen Chrom, Nickel und Molybdän der Korrosionswiderstand der austenitischen Stähle derart erhöht, dass man von säurebeständigen Stählen sprechen darf. Dabei muss aber ausdrücklich festgehalten werden, dass es keinen säurebeständigen Stahl gibt, der gegen stark reduzierend wirkende Angriffsmittel wie z.B. Salz-, Fluss- und Schwefelsäure beständig ist (Beizsäuren).
Ein Stahl wird dann als beständig gegen bestimmte Säuren, Laugen oder Salze bezeichnet, wenn er nach Prüfung in einem dieser Angriffsmittel, während einer bestimmten Zeit und bei einer bestimmten Temperatur, keinen oder nur einen sehr geringen Gewichtsverlust in Gramm pro Quadratmeter und Stunde erleidet.

Leider wird bei Korrosion eher selten eine gleichmässige Abtragung auf der Stahloberfläche festgestellt, es kann auch, je nach Erscheinungsform, ein örtlich beschränkter Angriff erfolgen.

Es gibt also verschiedene Korrosionsarten.

Bei rostsicheren Stählen unterscheidet man nachfolgende Korrosionsarten:

- Die gleichmässige Abtragung über die ganze Stahloberfläche.
Fazit: der eingesetzte Stahl ist gegen das vorliegende Angriffsmittel nicht beständig.

- Die Lochfrasskorrosion
Beim Lochfrass handelt es sich um einen lokalen, teilweise nur punktförmig begrenzten Korrosionsangriff mit grosser Tiefenwirkung. Zwischen den angegriffenen Stellen können Flächen liegen, die in keiner Weise angegriffen bzw. zerstört sind.
Bei der Lochfrasskorrosion entsteht also eine lokale Aktivierung einer ansonsten sehr passiven Stahloberfläche.
Die einmal aktivierten Stellen bleiben dauernd aktiv, sodass der Stahl an dieser Stelle völlig zerstört wird. Lochfrass wird vorwiegend durch das vorhandensein von Halogenverbindungen (Salzbildner) wie Chlor, Brom und Jod verursacht. Mo-haltige Stähle sind widerstandsfähiger gegen Lochfrasskorrosion als die Chrom-Nickel-Stähle.

- Die Spannungsriss-Korrosion
Sie kann besonders bei den austenitischen Cr-Ni-Stählen auftreten, wenn diese unter äusseren und inneren Spannungen Korrosionsmitteln ausgesetzt sind. Ausgelöst wird die Spannungsriss-Korrosion meist durch chloridhaltige Salzlösungen oder feuchte Chlorverbindungen, feuchtes Kochsalz, Beizbäder etc. Die Risse sind meist stark verästelt und verlaufen senkrecht zur Spannungsrichtung.
Durch ein Spannungsfreiglühen kaltverformter Teile bei ca. 480° C können innere Spannungen im Stahl etwas abgebaut werden, wobei die mechanischen Werte noch steigen, falls ein Weichglühen bei 1050°C nicht mehr möglich ist. Im übrigen sind die V4A-Qualitäten mit Mo- Zusatz etwas weniger anfällig gegen die transkristalline Spannungsrisskorrosion. Bei den ferritischen Chromstählen ist diese Korrosionsart so gut wie unbekannt.

- Die Kontaktkorrosion
Werden metallische Werkstoffe mit unterschiedlichem elektrochemischem Verhalten (Potentialdifferenz) metallisch leitend verbunden und einem Elektrolyt ausgesetzt, so bildet sich ein galvanisches Element aus. Dabei wird das unedlere Metall zur Anode und geht in Lösung. Rost- und säurebeständige Stähle weisen in passivem Zustand ein hohes Elektrodenpotential auf und werden bei Kontakt mit unedleren Metallen und Legierungen wie Kupfer, Bronze, Messing oder Aluminium zur Kathode und aus diesem Grund nicht angegriffen. Verschraubte Messingarmaturen an rostfreien Rohrleitungen sind also zulässig, vorausgesetzt, dass Messing selbst genügend beständig ist gegen das vorliegende Angriffsmittel. Bei Anwesenheit von reduzierenden Angriffsmitteln kann die Passivität des säurebeständigen Stahls verlorengehen, d. h. sein Elektrodenpotential wird unedler. In diesem Fall können diese Stähle bei unterschiedlichen elektrochemischen Verhalten angegriffen werden. Es empfiehlt sich also, für Verbindungselemente stets artgleiche Werkstoffe zu verwenden. Wenn dies aus konstruktiven Gründen nicht möglich ist, sollte man den unmittelbaren Kontakt durch eine Isolierschicht verhindern.

-  Die Spaltkorrosion
Als Spaltkorrosion bezeichnet man einen Korrosionsangriff, der unter Dichtungen, an gefalzten Blechteilen oder an solchen Stellen auftritt, die durch Punktschweissung miteinander verbunden sind. Bei dieser Korrosionsform ist ein Spalt zwischen zwei Teilen aus gleichen oder ungleichen Werkstoffen das Kriterium. Der zur Bildung einer Passivschicht auf nichtrostenden Stählen ständig erforderliche Sauerstoff hat zu den Spalten nicht oder nur in ungenügendem Masse Zugang. Dadurch können sich die Spaltfächen leicht aktivieren und zu örtlicher Korrosion führen. Die Spaltkorrosion wird durch chlorionenhaltige Medien gefördert. Fazit: Schon bei der Konstruktion von Apparaten und Geräten sollten schädliche Fugen und Falzungen möglichst vermieden werden.

- Die interkristalline Korrosion oder Kornzerfall
Bei den ferritischen und austenitischen Qualitäten kann es bei Überhitzungen, z.B. beim Schweissen, zu Gefügeausscheidungen in Form von Chromkarbiden kommen. Diese Chromkarbide (Verbindung von Chrom und Kohlenstoff) setzen sich an den Korngrenzen des Gefüges ab. Bei anschliessendem chemischem Angriff werden diese Korngrenzbereiche aktiv, während die Kornflächen passiv bleiben. Der chemische Angriff schreitet also entlang den Korngrenzen fort. Er verläuft interkristallin und führt schliesslich zum Herauslösen von Gefügekörnern und zum Bruch des Materials. Die Bildung dieser schädlichen chromkarbide und damit die chromverarmung des Stahls entsteht innerhalb einer gewissen Zeit und innerhalb eines bestimmten Temperatur-Intervalls der sogenannten kritischen Temperaturzone.
Diese kritische Temperaturzone liegt bei den ferritischen Chromstählen etwas über 1000°C, während sie bei den austenitischen Güten zwischen 450 und 900°C liegt. Dies heisst also, dass ferritische Chromstähle, wenn sie längere Zeit über 1000°C erwärmt werden, Chromkarbide ausscheiden, während austenitische Güten diese Neigung bereits zwischen 450 und 900°C zeigen. Da bereits beim Schweissen der rostsicheren Stähle Temperaturen über 1300°C auftreten, muss dafür gesorgt werden, dass die Stähle beim Abkühlen bzw. beim Eintritt in ihre kritische Temperaturzone keine Chromkarbide bilden können.

Dies kann auf folgende 3 Arten verhindert werden:
a) Die Abkühlung geht so schnell vor sich, dass sich Chrom und Kohlenstoff nicht zu Chromkarbiden vereinigen können, denn, wie erwähnt, zur Karbidbildung ist eine gewisse Zeit erforderlich. Je mehr Kohlenstoff der Stahl enthält, desto schneller geht die Chromkarbidausscheidung vor sich. Normale austenitische Qualitäten mit C-Gehalten unter 0,07% kühlen bis ca. 4mm Blechstärke nach dem Schweissen genügend schnell an Luft ab (die Werkstoffe 1.4301, 1.4401 oder 1.4436).

b) Man senkt den Kolenstoff-Gehalt der rostsicheren Stähle unter 0,03 % ab, um eine Karbidausscheidung zu verhindern; die Werkstoffe 1.4306, 1.4404 und 1.4435.
Nachteil: ihre mechanischen Eigenschaften werden durch den sehr tiefen Kohlenstoffgehalt etwas reduziert.

c) Man legiert den rostsicheren Stählen bestimmte Mengen der sogenannten Sabilisatoren Titan (Ti) oder Niob (Nb) zu. Diese beiden Legierungselemente haben eine wesentlich grössere Affinität zu Kohlenstoff als das Metall Chrom. Diese hat zur Foge, dass bei Erreichen der kritischen Temperaturzone sofort Titan- oder Niob-Karbide bilden. Zur Bildung von Chromkarbiden ist kein Kohlenstoff mehr zur Verfügung. Zufolge ihrer etwas grösseren Zähigkeit finden diese Stähle insbesondere dortVerwendung, wo die Schweissnahtzonen auch bei Temperaturen über 450°C höheren mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind (die Werkstoffe 1.4541, 1.4550, 1.4571 und 1.4580).

Eigenschaften Edelstahl (PDF 512KB)