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EDELSTAHL UND KORROSION

DEFINITION VON KORROSION

Mit Ausnahme von Edelmetallen wie Gold und Platin, die in der Natur vorkommen, werden Metalle immer aus Erzen gewonnen. Sie neigen daher immer dazu, sich in einen stabilen Zustand zu entwickeln, der ihrem ursprünglichen Zustand, d. h. ihrer oxidierten Form, entspricht.

Die Korrosion von Metallen ist im Wesentlichen elektrochemischer Natur und findet an der Grenzfläche zwischen dem Metall und der äußeren Umgebung statt.

Edelstahl und Passivschicht

Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Im Gegensatz zu Kohlenstoffstahl verleiht das Vorhandensein von mindestens 10,5% Chrom in Edelstahl diesem korrosionsbeständige Eigenschaften.

Denn wenn es mit Sauerstoff in Berührung kommt, wird sich auf der Oberfläche des Materials eine Chromoxidschicht bilden. Diese passive Schicht schützt ihn und hat die Besonderheit, dass sie sich selbst regenerieren kann.

Reaktion von Stahl und Edelstahl bei Berührung mit Luftfeuchtigkeit oder Wasser

Man unterscheidet zwischen allgemeiner Korrosion, die entsteht, wenn der Edelstahl mit einem sauren Medium in Berührung kommt, und örtlicher Korrosion, die in den meisten Fällen auftritt, wenn der Edelstahl in ein neutrales chloridhaltiges Medium gebracht wird.

Im folgenden Dokument werden diese fünf Hauptkorrosionsarten beschrieben und die Mehrzahl der Stainless Europe Stahlsorten anhand von Standard-Labortests in eine Rangfolge gebracht. Da Korrosionserscheinungen im wirklichen Leben jedoch immer spezifisch sind, entbinden die beschriebenen Daten keineswegs von der Durchführung weiterer Versuche, um den optimalen Werkstoff auszuwählen.

LOCHFRASS

Das Phänomen verstehen 

Lochfraß ist der lokale Bruch der Passivschicht von Edelstahl, der durch einen Elektrolyten verursacht wird, der reich an Chloriden und/oder Sulfiden ist. An der Stelle des Lochs wird das Metall freigelegt. Korrosion wird sich entwickeln, wenn das Loch nicht wieder mit einer 

Passivschicht überzogen wird, wenn also die Geschwindigkeit, mit der sich das Metall auflöst, eine ausreichend aggressive Umgebung aufrechterhält, um zu verhindern, dass eine neue Passivschicht entsteht.

Bei dieser Auflösung entstehen Metallionen und Elektronen und somit fließt ein (Auflösungs-)Strom, der für einen Potenzialunterschied (Spannung) zwischen dem anodischen Bereich (Lochfraß) und dem kathodischen Bereich (dem Rest des Metalls) verantwortlich ist.

Um diese Art von Korrosion im Laborstadium zu simulieren, wird eine Probe in einen korrosiven Elektrolyten getaucht, an den ein zunehmendes Sweep-Potenzial angelegt wird, bis die passive Schicht reißt. Bei dieser potentiodynamischen Aufzeichnung (Intensität/Potential) entspricht die Zunahme der Intensität dem Lochfraßpotenzial.

Das Lochfraßpotenzial entspricht dem Potenzial, stabile Lochfraßstellen zu initiieren.

=> Wenn das Potenzial, das der Edelstahl in einem bestimmten Medium einnimmt, kleiner ist als das Lochfraßpotenzial => der rostfreie Stahl zeigt keinen Lochfraß auf.

=> Wenn das vom rostfreien Stahl in einem bestimmten Medium eingenommene Potenzial höher ist als das Lochfraßpotenzial => der Edelstahl korrodiert.

Hinweis: Je höher das Lochfraßpotenzial, desto besser ist die Korrosionsbeständigkeit der Sorte. Außerhalb des Lochs ist die Passivschicht noch vorhanden, um den Edelstahl zu schützen.

Abbildung 1 zeigt die Lochfraßpotenziale, die für Edelstähle in Wasser mit 0,02 M NaCl (710 mg/l Cl) bei 23°C ermittelt wurden. Sie zeigt den Einfluss des Chrom- und Molybdängehalts bei den ferritischen und des Chrom-, Molybdän- und Stickstoffgehalts bei den austenitischen Stählen auf die Beständigkeit gegen Lochfraß.

Wie die Abbildungen 2 und 3 zeigen, kann dieses Stichpotenzial nur zur Klassifizierung von Farbtönen in einem bestimmten Medium verwendet werden Er wird insbesondere dann abnehmen, wenn die Temperatur (Abbildung 3) oder die Chloridkonzentration (Abbildung 4) des Mediums ansteigt.

Um die Duplex-Reihe zu positionieren, wurden Tests in einem strengeren Medium, 0,5M NaCl (17,75g/l Cl) bei 50°C, durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse werden im Folgenden dargestellt.

Üblicherweise wird die PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) von Farbtönen verwendet, um ihr allgemeines Lochfraßverhalten zu priorisieren. Das PREN, %Cr +3,3%Mo+16%N, spiegelt den großen Einfluss dieser Legierungselemente wider.

Unsere Empfehlung Zur Vermeidung von Lochfraß:

• Wenn möglich, sollte man versuchen, die Korrosionsanfälligkeit des Mediums zu verringern, indem man die Temperatur senkt, die Kontaktzeit begrenzt, stagnierende Medien vermeidet und die Konzentration von Halogeniden und das Vorhandensein von Oxidationsmitteln verringert.

• Es sollte eine Sorte gewählt werden, die einen hohen Chromgehalt hat oder Molybdän enthält.

SPALTKORROSION

Das Phänomen verstehen 

A/ Initiierung der Korrosion

In einem chloridreichen Elektrolyten begünstigt ein begrenzter Bereich, der z. B. mit einem nicht optimierten Design verbunden ist, die Ansammlung von Chloridionen. Die allmähliche Versauerung des Milieus in diesem Bereich erleichtert die Destabilisierung der Passivschicht. Wenn der pH-Wert in diesem Bereich einen kritischen Wert erreicht, der als „Depassivierungs-pH-Wert“ bezeichnet wird, setzt die Korrosion ein. Der Depassivierungs-pH-Wert oder pHd wird verwendet, um den Widerstand gegen die Initiierung von Spaltkorrosion zu charakterisieren.

pHd-Werte für unsere Edelstähle sind in Abbildung 5 dargestellt. Je niedriger die pHd-Werte sind, desto besser ist der Widerstand gegen die Initiierung von Spaltkorrosion.

B/ Ausbreitung der Korrosion

Sobald die Korrosion beginnt, breitet sie sich durch aktive Auflösung des Materials in der Spalte aus. Im Labor simulieren wir diese Art von Korrosion, indem wir potentiodynamische Scans in zunehmend sauren chloridhaltigen Medien aufzeichnen.

Wenn auf einer Aufnahme eine Stromspitze (Aktivität) festgestellt wird, entwickelt sich die Spaltkorrosion, im umgekehrten Fall findet eine Repassivierung statt.

Die Messung des Aktivitätsmaximums bei einem pH-Wert unterhalb des Depassivierungs-pH-Wertes kann dann als qualitativer Vergleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Spaltkorrosion bei verschiedenen Sorten in Betracht gezogen werden.

Dieser Wert reagiert empfindlich auf Legierungselemente, die die Passivität verbessern und die aktive Auflösung einschränken, hauptsächlich Molybdän, Nickel und Chrom.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird auch von der lokalen Aggressivität und der Temperatur der Umgebung abhängen

Unsere Empfehlung Unsere erste Empfehlung zur Vermeidung von Spaltkorrosion besteht darin, das Design Ihres Raumes so zu optimieren, dass keine künstlichen Spalten entstehen. Eine künstliche Spalte kann durch eine lose Verbindung, eine nicht abgeschliffene oder schlechte Schweißnaht, Ablagerungen, Lücken zwischen zwei Blechen usw. entstehen

Wenn der eingeschlossene Bereich unvermeidbar ist, ist es besser, diesen Bereich zu vergrößern und vor allem nicht zu versuchen, ihn zu verkleinern. Wenn das Design Ihres Teils nicht veränderbar ist oder Ihr Herstellungsprozess es schwierig macht, Risikobereiche auszuschließen, empfehlen wir die Wahl einer geeigneten Sorte. Insbesondere sollten Sie austenitischen oder Duplex-Edelstahl wählen, wenn Ihr Endprodukt korrosiven Medien ausgesetzt ist oder in Prozesslinien integriert wird.

Ferritische Stähle mit 20 % Chrom begrenzen zwar das Risiko der Entstehung von Spaltkorrosion, können aber - mit Ausnahme von K44 mit 2 % Molybdän - deren Ausbreitung nicht bremsen, im Gegensatz zu austenitischen oder Duplex-Stählen, die stärker mit Nickel und/oder Molybdän legiert sind.

INTRAGRANULÄRE KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT

Das Phänomen verstehen 

Bei Temperaturen über 1035°C liegt Kohlenstoff in der Matrix von austenitischen Edelstählen in fester Lösung vor. Wenn diese Materialien jedoch langsam von diesen Temperaturen abgekühlt oder im Bereich von 425 bis 815°C wieder erwärmt werden, werden Chromkarbide an den Korngrenzen ausgefällt. Diese Karbide weisen im Vergleich zur Matrix einen hohen Chromgehalt auf. Infolgedessen ist der Bereich, der direkt an die Korngrenzen angrenzt, weitgehend verarmt. Der Zustand der Sensibilisierung zeigt sich in vielen Umgebungen durch die bevorzugte Initiierung und schnelle Ausbreitung von Korrosion an diesen gerissenen Stellen.

Bei nicht stabilisierten ferritischen Edelstählen liegt die Sensibilisierungstemperatur über 900°C.

Unsere Empfehlung In der Praxis kann dieser Fall von Korrosion in geschweißten Bereichen auftreten. Die Lösung besteht darin, für Austenite sogenannte "L"-Sorten ("Low C"=C%<0,03%) oder stabilisierte kohlenstoffarme Sorten und stabilisierte ferritische Titan- oder Niobiumsorten zu verwenden.

Wenn das Volumen des Teils es zulässt, kann eine Wärmebehandlung vom Typ Hyperhärten bei 1050 °C/1100 °C oder ein Anlassen auf dem geschweißten mechanischen Teil durchgeführt werden.

SPANNUNGSRISSKORROSION

Das Phänomen verstehen 

Als „Spannungsrisskorrosion“ bezeichnet man die Bildung von Rissen, die nach einer mehr oder weniger langen Inkubationszeit beginnen und sich dann sehr schnell ausbreiten und zur Außerbetriebnahme von Geräten durch Rissbildung führen können.

Dieses besonders gefährliche Phänomen tritt durch die kombinierten Effekte von drei Parametern auf:

- Temperatur: Spannungsrisskorrosion tritt selten unter 50°C auf

- die angewandten oder verbleibenden Spannungen, denen das Teil lokal ausgesetzt ist

- die Korrosivität der Umgebung: Vorhandensein von Cl-, H2S oder ätzenden NaOH-Umgebungen

Obwohl Spannungsrisskorrosion bei Ferriten durch besonders aggressive Labortests hervorgerufen werden kann, sind sie aufgrund ihrer kubisch-raumzentrierten Struktur in der Praxis selten anfällig für derartige Phänomene.

Die kubisch-flächenzentrierte Struktur von austenitischen Stählen kann in dieser Art von Konfiguration ein Risiko darstellen.

Denn sie begünstigt einen planaren Verformungsmodus, der lokal sehr hohe Spannungskonzentrationen erzeugen kann. Wie die unten stehende Grafik zeigt, gilt dies insbesondere für herkömmliche austenitische Stähle mit 8 % Nickel. Ein Anstieg des Nickels über 10% wird vorteilhaft sein.

Bei den austenitischen Stählen werden die manganhaltigen austenitischen Stähle ein wesentlich geringeres Verhalten aufweisen

Die austenitisch-ferritische Struktur der Duplexstähle verleiht ihnen ein intermediäres Verhalten, das in chloridhaltigen Medien den ferritischen sehr ähnlich ist und in H2S-Medien sogar besser ist.

DIE NICHT GENERALISIERTE KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT

Diese Korrosion äußert sich in der Auflösung aller Punkte, die die Oberfläche des Materials ausmachen und die von dem korrosiven Medium angegriffen werden. Dies äußert sich im Schliffbild in einer insgesamt gleichmäßigen Abnahme der Dicke oder einem Gewichtsverlust (gleichmäßige oder allgemeine Korrosion im Gegensatz zu lokalisierter Korrosion).

Diese Korrosion ist in sauren Umgebungen anzutreffen. Unterhalb eines kritischen pH-Wertes ist die passive Schicht, die den Edelstahl schützt, nicht mehr stabil und das

Material erfährt eine allgemeine aktive Auflösung Je saurer das Medium, desto höher die Korrosionsgeschwindigkeit und der daraus resultierende Verlust an Dicke des Edelstahls.

Im Labor messen wir diese Korrosionsgeschwindigkeit, indem wir eine Polarisationskurve in einem sauren Medium zeichnen (unten). Man zwingt das Metall zu einer zunehmenden Potentialabtastung und zeichnet die entsprechende Intensität auf.

Die Ablesung des Stroms am Maximum der Aktivitätsspitze ermöglicht es dann, die Widerstandsfähigkeit der verschiedenen Sorten gegen diese Art von Korrosion zu priorisieren (siehe Abb. 7).

Im Allgemeinen gilt: Je höher der Strom, desto höher ist die Auflösungsgeschwindigkeit und desto weniger widerstandsfähig ist die Nuance.

Unsere Empfehlung Um diese Art von Korrosion zu vermeiden, sollte die Farbtönung entsprechend dem Säuregehalt der Umgebung, in der sie verwendet wird, ausgewählt werden. Bemerkenswert ist die günstige Wirkung von Chrom und Molybdän, die die bestehende passive Schicht des Materials verstärken, aber auch die kombinierte Wirkung der Edelmetalllegierungen (Nickel, Molybdän und Kupfer), die die Auflösung des Materials verlangsamen, wenn die Stabilität seiner passiven Schicht unterbrochen wird