Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl: Ein umfassender Leitfaden

Eine nichtrostende Stahlsorte kann in vielen Medien eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen, aber in bestimmten anderen Medien kann sie aufgrund ihrer geringen chemischen Stabilität korrodieren. Mit anderen Worten: Eine nichtrostende Stahlsorte kann nicht in allen Medien korrosionsbeständig sein.

Die Korrosion von Metallen lässt sich in drei Mechanismen einteilen: physikalische Korrosion, chemische Korrosion und elektrochemische Korrosion. Die physikalische Auflösung von Metalle gehört zur physikalischen Korrosion. Chemische Korrosion bezieht sich auf die direkte chemische Reaktion, die im Medium stattfindet, wobei Metallionen direkt Ladungen mit dem Medium austauschen.

Früher glaubte man, dass es sich bei der Oxidation von Metallen bei hohen Temperaturen um eine rein chemische Korrosion handelt, aber in Wirklichkeit ist der größte Teil der Hochtemperaturoxidation eine elektrochemische Korrosion. Der Grund, warum der Passivierungsschutzfilm eine weitere Korrosion des Metalls verhindern kann, ist ein wichtiger Aspekt, der die Geschwindigkeit des Ionenaustauschs und des Ladungsaustauschs hemmt.

Elektrochemische Korrosion ist die Korrosion von Metall aufgrund von Elektrodenreaktionen in einem Elektrolyten. Bei vielen elektrochemischen Korrosionsprozessen ist ein Metall an einem anderen Metall beteiligt, oder es sind verschiedene Phasen innerhalb des Metalls beteiligt, was als galvanische Korrosion bezeichnet wird.

In diesem Szenario fungiert ein Metall als Anode und korrodiert, während das andere Metall als Kathode fungiert und einer Reduktionsreaktion unterliegt, was ein Merkmal der elektrochemischen Korrosion ist. Im praktischen Leben und in der technischen Praxis gehört die überwiegende Mehrheit der Metallkorrosion zur elektrochemischen Korrosion.

Zu den wichtigsten Korrosionsformen bei nichtrostendem Stahl gehören unter anderem gleichmäßige Korrosion (Flächenkorrosion), Lochfraßkorrosion, Spaltkorrosion, interkristalline Korrosion und Spannungskorrosion.

Gleichmäßige Korrosion

Unter gleichmäßiger Korrosion versteht man die umfassende Korrosion der Metalloberfläche, die mit dem korrosiven Medium in Kontakt ist. Die gleichmäßige Korrosion führt zu einer kontinuierlichen Verringerung des Metallquerschnitts. Bei den beanspruchten Bauteilen, die korrodiert werden, erhöht sie die tatsächliche Spannung, die sie tragen, und führt schließlich zum Erreichen der Bruchfestigkeit des Materials und zum Versagen.

Die Methode zur Bewertung der gleichmäßigen Korrosion besteht darin, den Gewichtsverlust pro Flächeneinheit nach einer bestimmten Zeit der Korrosion unter Testbedingungen zu messen (g/m²-Jahr), was der Korrosionsrate entspricht.

Die Berechnung der Korrosionstiefe (mm/Jahr) eignet sich besser für die Bestimmung der Lebensdauer der Korrosionsbeständigkeit der Ausrüstung. Auf der Grundlage unterschiedlicher Korrosionsraten kann die Korrosionsbeständigkeit von Metallwerkstoffen in 10 Stufen eingeteilt werden, wie in Tabelle 1-13 dargestellt.

Auf der Grundlage unterschiedlicher Nutzungsszenarien wird die Korrosionsbeständigkeit im Allgemeinen in zwei Hauptstufen unterteilt: Liegt die Korrosionsrate unter 0,01 mm/Jahr, gilt sie als vollständig korrosionsbeständig"; liegt die Korrosionsrate unter 0,1 mm/Jahr, gilt sie als korrosionsbeständig".

Hier wird deutlich, dass eine Korrosionsrate von mehr als 0,1 mm/Jahr als nicht korrosionsbeständig oder nicht sehr beständig angesehen wird. Es gibt auch andere Klassifizierungsmethoden, aber hier wird nur eine erwähnt.

Aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit wird Stahl in rostfreien Stahl und korrosionsbeständigen Stahl unterteilt.

1. Rostfreier Stahl bezieht sich auf Stahl, der in der Atmosphäre und in schwach korrosiven Medien korrosionsbeständig ist.

2. Korrosionsbeständiger Stahl bezieht sich auf Stahl, der in verschiedenen stark korrosiven Medien korrosionsbeständig ist.

Tabelle 1-13: Klassifizierung der Korrosionsbeständigkeit

Nichtrostender Stahl kann in bestimmten Umgebungen Korrosionsformen aufweisen, die über eine gleichmäßige Korrosion hinausgehen. Jede übermäßige Form von Korrosion wird als korrosionsbeständig in dieser Umgebung angesehen.

In der technischen Praxis müssen bei der Werkstoffauswahl und der Bewertung der Korrosionsbeständigkeit auch die Lebensdauer der Anlage und die mögliche Verunreinigung durch chemische Stoffe oder die Verschlechterung der Qualität des Endprodukts aufgrund von Korrosionsprodukten berücksichtigt werden.

Lokalisierte Korrosion

Lochfraßkorrosion bezieht sich auf das Phänomen, dass der größte Teil der Metalloberfläche nicht oder nur geringfügig korrodiert, während stark lokalisierte Korrosion nur sporadisch auftritt. Die Größe der Grübchen beträgt in der Regel weniger als 1,0 mm, wobei die Tiefe oft die Oberflächenöffnung übersteigt. In leichteren Fällen gibt es relativ tiefe Löcher, und in schweren Fällen kann es zu Perforationen kommen.

Lochfraßkorrosion wird durch den Zusammenbruch des lokalen Passivierungsfilms auf der Metalloberfläche verursacht. Sie beginnt mit der Bildung von Korrosionslöchern, die sich dann von außen nach innen ausbreiten und eine örtliche Korrosion darstellen.

Die Lochfraßkorrosion ist eine der häufigsten Arten von Korrosionsschäden bei nichtrostendem Stahl. In Umgebungen, die Chloridionen (Cl-) enthalten, tritt Lochfraß bei nichtrostendem Stahl am ehesten auf. Derzeit gibt es mehrere Ansätze zur Vermeidung von Lochfraßschäden bei nichtrostendem Stahl:

1. Reduzieren Sie den Chloridionen- und Sauerstoffgehalt in der Umgebung; führen Sie Korrosionsinhibitoren ein (wie CN-, NO-, SO- usw.); senken Sie die Umgebungstemperatur, usw.

2. Molybdän, Mangan, Silizium, Vanadium oder Seltene Erden werden in rostfreien Stahl eingearbeitet, um die Legierung zu verbessern und die Beständigkeit gegen Lochfraßkorrosion zu erhöhen.

3. Minimieren Sie die Kaltumformung so weit wie möglich, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Lochfraß an Versetzungsstellen zu verringern.

4. Verringerung des Kohlenstoffgehalts im Stahl und Erhöhung des Chrom- und Nickelgehalts, die beide die Beständigkeit gegen Lochfraßkorrosion verbessern können. Bestehende austenitische Bleche aus rostfreiem Stahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt und hohem Chrom-Nickel-Molybdän-Gehalt sowie ultrahochreine ferritische Bleche aus rostfreiem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und niedrigem Stickstoffgehalt weisen eine hohe Beständigkeit gegen Lochfraß auf.

Spaltkorrosion

Unter Spaltkorrosion versteht man die Bildung von fleckigen oder geschwürigen makroskopischen Vertiefungen in den Spalten von Metallteilen, die eine Form der lokalen Korrosion darstellen. Sie tritt häufig an den Verbindungen von Unterlegscheiben, Nieten und Schraubenverbindungen, überlappenden Schweißnähten, Ventilsitzen und angesammelten Blechen auf.

Aufgrund der Überdeckung von Korrosionsprodukten und der eingeschränkten Diffusion des Mediums in den Spalten unterscheiden sich die Zusammensetzung und die Konzentration des Mediums an diesen Stellen erheblich von der allgemeinen Umgebung, was zur Bildung von "okkludierter Zellkorrosion" führt. Der Hauptunterschied im Mechanismus der Spaltkorrosionsbildung im Vergleich zur Lochfraßkorrosion liegt in der elektrochemischen Uneinheitlichkeit des Mediums.

Austenitische, ferritische und martensitische nichtrostende Stahlbleche sind in unterschiedlichem Maße anfällig für Spaltkorrosion im Meerwasser. Eine Verbesserung der Beständigkeit gegen Spaltkorrosion kann durch eine angemessene Erhöhung des Chrom- und Molybdängehalts im Stahl erreicht werden.

In der Praxis können bei Geräten, die in Meerwasser eingesetzt werden, nur Werkstoffe wie Titan, Nickelbasislegierungen mit hohem Molybdängehalt und Kupferlegierungen die Spaltkorrosion wirksam verhindern. Wichtige Maßnahmen zur Verhinderung von Spaltkorrosion sind die Verbesserung der Betriebsbedingungen, die Änderung der Zusammensetzung des Mediums und die Änderung der Bauformen.

Interkristalline Korrosion

Interkristalline Korrosion ist eine Form der selektiven Korrosionsschäden. Sie unterscheidet sich von der allgemeinen selektiven Korrosion dadurch, dass die lokalisierte Korrosion auf mikroskopischer Ebene auftritt und nicht unbedingt makroskopisch lokalisiert sein muss.

Diese Art der Korrosion tritt vor allem an den Korngrenzen des Metallgefüges auf und dringt in das Innere des Metalls ein, weshalb sie als interkristalline Korrosion bezeichnet wird. Wenn diese Art von Korrosion auftritt, ist sie von außen nicht immer leicht erkennbar. Durch die korrosionsbedingte Schädigung der Korngrenzen geht jedoch die Bindekraft zwischen den Körnern fast vollständig verloren.

Bauteile mit erheblicher Korrosionstiefe können ihre strukturelle Integrität verlieren, was zu einem katastrophalen Versagen aufgrund von Überlastung führt. Stark korrodiertes Metall kann sogar zu Pulver zerfallen und sich vom Bauteil lösen. Dies stellt eine äußerst schädliche Form der Korrosionsschäden dar.

Spannungsrisskorrosion

Unter Spannungskorrosion versteht man den korrosionsbedingten Bruch von Metall, der in einer bestimmten Umgebung unter der kombinierten Wirkung von Spannung und einem bestimmten Spannungsniveau auftritt. Spannungskorrosion tritt nicht auf, wenn keine Spannung vorhanden ist oder wenn die Spannung in einer bestimmten Umgebung zu gering ist. Ebenso führt das Vorhandensein erheblicher Spannungen ohne eine bestimmte Umgebung nicht zu Spannungskorrosion.

Der Begriff "spezifische Umgebung" bezieht sich auf den Zustand, in dem nur bei geeigneter Zusammensetzung und Konzentration des Mediums Spannungskorrosion in einem bestimmten entsprechenden Metall auftreten kann.

Seit den 1960er Jahren kam es bei geschweißten Bauteilen aus nichtrostendem Stahl zu zahlreichen Brüchen aufgrund von Spannungskorrosion, die zu einem völlig spröden Bruchbild führten. Während der langsamen Ausdehnung des Risses gibt es keine anderen makroskopischen Symptome, und sobald die Bruchfläche erreicht ist, kommt es zu einem schnellen Bruch, der oft katastrophale Unfälle mit erheblichen Gefahren verursacht. Daher wird diesem Thema große Bedeutung beigemessen.

Die Mechanismen und Vorbeugungsmaßnahmen im Zusammenhang mit interkristalliner Korrosion und Spannungskorrosion bei Schweißverbindungen aus nichtrostendem Stahl werden in Kapitel 3 näher erläutert.