10f, Lochkorrosion [Werkstofftechnik mit Prof. Sadlowsky]

Korrosionsschutz und Werkstoffauswahl bei nicht rostenden Stählen

Einführung in das Thema

• Der Vortrag behandelt Korrosionsschutz und die Auswahl von Materialien, insbesondere nicht rostenden Stählen, die oft fälschlicherweise als Edelstahl bezeichnet werden.

• Es wird auf die Marketingaussagen eingegangen, dass diese Materialien rostfrei sind und eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion und Säuren aufweisen.

Definition und Eigenschaften von nicht rostenden Stählen

• Nicht rostende Stähle enthalten mindestens 10,5% Chrom und maximal 1,2% Kohlenstoff gemäß der Norm EN 10088-1.

• Die Entwicklung dieser Stähle begann mit der Firma ThyssenKrupp, die erkannte, dass Chrom korrodiert ist, aber metallisch glänzend wirkt.

Experimentelle Untersuchung zur Korrosionsbeständigkeit

• In Experimenten wurden verschiedene Stahlchargen mit unterschiedlichen Chromgehalten hergestellt (von 0 bis 18%).

• Die Ergebnisse zeigten einen abnehmenden Massenverlust mit steigendem Chromgehalt; ab etwa 10,5% war der Massenverlust minimal.

Mechanismus des Korrosionsschutzes

• Der Schutzmechanismus beruht auf einer dünnen Chromoxidschicht (2–4 Nanometer), die sich bildet und das Eisen vor Oxidation schützt.

• Diese Schicht verhindert den Zugang von Sauerstoff aus Wasser zu dem darunterliegenden Eisen.

Herausforderungen bei nicht rostenden Stählen

• Trotz ihrer Bezeichnung sind nicht rostende Stähle nicht vollständig rostfrei; sie können unter bestimmten Bedingungen korrodieren.

• Chloridionen können diese Schutzschicht angreifen und spezielle Formen der Korrosion verursachen.

Praktische Beispiele für Korrosion

• Ein Beispiel zeigt eine beschädigte Leitung durch Lochkorrosion; visuelle Inspektion reicht oft nicht aus.

• Bei genauerer Betrachtung kann man kleine Schäden oder Risse erkennen, die auf eine beginnende Korrosion hinweisen.

Korrosionsangriffe und ihre Auswirkungen

Entstehung von Löchern durch Korrosion

• Es wurde ein natürliches Loch entdeckt, das nicht künstlich ist. Dieses Loch zeigt ein typisches Erscheinungsbild einer nadelstichartigen Vertiefung.

• Bei der Analyse des Lochs wird eine Querschnittsansicht erstellt, die die Größe und Form des Schadens verdeutlicht. Die Profis können erkennen, dass es möglicherweise nachgeholfen wurde.

• Der pH-Wert in diesem Bereich beträgt 1, was auf die Bildung eines sehr sauren Fusionsprodukts hinweist. Diese Säure fördert die Ausbildung von Chromoxid.

Herausforderungen bei der Bekämpfung von Korrosion

• Die Herausforderung besteht darin, das Loch zu reparieren, da es sich kontinuierlich durch den Werkstoff frisst. Ein Austausch der betroffenen Leitungsabschnitte könnte notwendig sein.

• Der Vergleich mit dem Film "Alien" verdeutlicht, wie gefährlich solche Angriffe sind; die Säure kann durch Materialien hindurchdringen und sie zerstören.

Ursachen für Korrosionsschäden

• Chlorid-Ionen können korrosive Elektrolyte bilden, die in Kavernen gefangen sind und sich weiter durch den Werkstoff fressen.

• Hohe Konzentrationen von Chlorid (z.B. aus Meerwasser oder kontaminiertem Trinkwasser) erhöhen das Risiko für solche Schäden erheblich.

Modellierung des Korrosionsprozesses

• Ein Modell zur Veranschaulichung des Lochkorrosionsangriffs zeigt die Komplexität solcher Prozesse auf.

• Es ist wichtig zu verstehen, woher diese Schäden kommen: War es Trinkwasser oder Salzwasser?

Mechanismen der Metallauflösung

• Der Angriff auf die Oxidschicht erfolgt meist lokal durch Chloride und führt zu einer metallischen Auflösung.

• Elektronen werden freigesetzt und unter Anwesenheit von Sauerstoff wieder aufgenommen; dies führt zur Bildung von Wasserstoffprotonen, welche den sauren Charakter verstärken.

Zusammenfassung der Problematik

• Der Begriff "Lochkorrosion" wird im Englischen als "pitting corrosion" bezeichnet und tritt häufig in verfahrenstechnischen Anlagen auf.

• Das Problem liegt darin, dass diese Art der Korrosion oft nicht sichtbar ist, da sie lokal begrenzt ist.

Korrosionsbeständigkeit von Materialien

Einfluss von Chloridionen auf die Korrosionsbeständigkeit

• Hohe Korrosionsbeständigkeit ist entscheidend; jedoch können chloridhaltige Ionen zu flächigen Korrosionsschäden führen, die sich in nadelstichartigen bis hin zu kavernaartigen Vertiefungen äußern.

• Chloridionen sind häufige Verursacher von Korrosion; sie können auch andere Halogene umfassen, aber in den meisten Fällen sind es Chloridionen, die problematisch sind.

• Die Identifikation und Analyse der Korrosionsstellen ist wichtig; nach dem Auffinden der Schäden kann man gezielte Maßnahmen ergreifen.

Eigenschaften von Edelstahl und Legierungen

• Edelstahl hat spezifische chemische Zusammensetzungen (z.B. Phosphor, Mangan), die seine Eigenschaften beeinflussen; nicht jeder Stahl mit diesen Elementen ist korrosionsbeständig.

• Der Begriff "Edelstahl" wird oft missverstanden; viele Betriebe verwenden ihn fälschlicherweise für Stähle, die nicht rostfrei sind.

Beispiele aus der Praxis

• Ein Beispiel für einen Schaden an einer Kühlwasserleitung zeigt, dass solche Probleme lehrreich sein können; Kunden müssen verstehen, dass aus Schäden gelernt werden kann.

• Der verwendete Werkstoff 1.4571 (X6CrNiMoTi17-12-2) hat eine hohe Legierungszusammensetzung: 17% Chrom, 12% Nickel und 2% Titan.

Bedeutung von Molybdän in Legierungen

• Molybdän verbessert die Korrosionsbeständigkeit erheblich und spielt eine wichtige Rolle bei der Passivierung des Materials.

• Molybdän wirkt wie ein „Heilmittel“ in einem Rollenspiel: Es unterstützt das Material bei der Wiederherstellung seiner Beständigkeit gegen Korrosion.

Aktuelle Werkstoffe und deren Anwendung

• Die Bezeichnung V2A (alte Bezeichnung für Edelstahl mit bestimmten Eigenschaften) wird immer noch verwendet, obwohl sie veraltet ist; moderne Bezeichnungen sollten bekannt sein.

• Das aktuelle Material X6CrNiMoTi17-12-2 wurde über drei Jahre hinweg zur Behandlung von gefiltertem Flusswasser eingesetzt; redundante Betriebsweisen waren notwendig für eine kontinuierliche Trinkwasserversorgung.

Wasserqualität und Vorschriften

• Braune Beläge an Ozon-Generatoren deuten auf Leckagen hin; dies erfordert eine Überprüfung der Wasserqualität.

• Die zulässige Chloridkonzentration gemäß Trinkwasserverordnung liegt bei etwa 200 mg/l; Werte darunter erlauben den Einsatz bestimmter Stähle wie 1.4301 oder X6CrNiMoTi17-12-2.

Ersetzung von Titan 17-12-2: Eine Analyse

Chemische Zusammensetzung und Korrosionsbeständigkeit

• Der Titan 17-12-2 wird als besserer Ersatz betrachtet, da er einen Verbandskasten enthält. Kritisch ist der Gehalt von über 200 Milligramm pro Liter.

• Vor Ort muss eine Begehung durchgeführt werden, um die Kühlwasserleitungen zu überprüfen. Hohe Leitungsabschnitte zeigen signifikante Probleme.

• Bei der Untersuchung sind rostbraune Korrosionsspuren sichtbar, was Fragen zur genauen Ursache aufwirft.

Materialanalyse und Normen

• Eine Spektralanalyse wird durchgeführt, um die chemische Zusammensetzung des Materials zu bestimmen. Wichtige Elemente sind Chrom, Nickel und Molybdän.

• Der Chromgehalt ist entscheidend für die Korrosionsbeständigkeit; Nickel spielt eine geringere Rolle. Alle Werte liegen im grünen Bereich.

Korrosionsprodukte und deren Auswirkungen

• Die chemische Zusammensetzung zeigt 17% Chrom im Werkstoff an. Dies erklärt den hohen Wert in der Bezeichnung.

• Korrosionsprodukte treten besonders an Schweißnähten auf, was auf potenzielle Schwachstellen hinweist.

Belagsuntersuchungen und ihre Bedeutung

• Durch das Abziehen eines Klebebands können Ablagerungen untersucht werden. Diese Methode ermöglicht eine detaillierte Analyse der Oberflächenbeschaffenheit.

• Eine Rasterelektronenmikroskopie (REM)-Analyse wird verwendet, um die chemischen Bestandteile der Ablagerungen zu identifizieren.

Chloridgehalt und Langzeitbeobachtungen

• Die Untersuchung des Chloridgehalts ist wichtig, da Ablagerungen über drei Jahre entstehen können. Ein signifikanter Chlorideintrag wurde nicht festgestellt.

• Nach der Belagsuntersuchung kann die Oberfläche gereinigt werden, um weitere Anomalien wie dunkle Anlaufstellen zu identifizieren.

Korrosionsbeständigkeit von nichtrostenden Stählen

Einfluss der Chromoxid-Schicht auf die Korrosionsbeständigkeit

• Die Diskussion beginnt mit der Problematik rissiger Chromoxid-Schichten, wo Chlorid-Ionen eindringen können. Dies führt zu einer reduzierten Korrosionsbeständigkeit bei nichtrostenden Stählen.

• Es wird erwähnt, dass es zulässige Zusatzlegierungen gibt, jedoch die Dunkelfärbung und deren Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit kritisch betrachtet werden müssen.

• Der Ursprung von Korrosion wird in den unteren Schichten des Materials vermutet, was durch kleine Löcher in der Oberfläche sichtbar wird.

Selektive Korrosion und Schweißen

• Ein typischer Angriff durch Lochkorrosion wird beschrieben, wobei selektive Angriffe an den Wänden auftreten. Diese sind oft das Ergebnis unsachgemäßen Schweißens.

• Erfahrungen beim Schweißen von nichtrostenden Stählen sollten beachtet werden, da sie zur Reduzierung der Korrosionsbeständigkeit führen können.

Chromgehalt und seine Bedeutung

• Der Chromgehalt in der Deckschicht ist entscheidend für die Bildung einer stabilen Oxidschicht. Eine unzureichende Verteilung kann die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen.

• Sauerstoffeinbringung während des Schweißens kann zu einer Erhöhung des Chromgehalts führen, was wiederum negative Auswirkungen auf die Materialeigenschaften hat.

Maßnahmen zur Verbesserung der Oberflächenqualität

• Um eine reduzierte Korrosionsbeständigkeit zu beheben, könnte man versuchen, die betroffenen Bereiche abzuschleifen; dies entfernt jedoch nur oberflächliche Schichten.

• Eine effektive Methode zur Wiederherstellung der Oberflächenqualität besteht darin, Eisen abzulösen. Dabei muss darauf geachtet werden, dass Rückstände entfernt werden.

Molybdän und seine Rolle in der Legierung

• Molybdän spielt eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit. Eine „magische Formel“ beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Gehalt an Chrom und Molybdän.

• Die Wirksamkeit dieser Formel zeigt sich darin, dass ein höherer Gehalt an Molybdän zusammen mit Chrom zu einer besseren Beständigkeit gegen Korrosion führt.

Vergleich verschiedener Werkstoffe

• Der Vergleich zwischen verschiedenen Legierungen wie 1.4301 (18% Chrom + 3x Molybdängehalt) zeigt Unterschiede in ihrer Wirksamkeit gegenüber korrosiven Umgebungen.

• Statistische Analysen haben gezeigt, dass unterschiedliche Werkstoffe variierende Eigenschaften hinsichtlich ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion besitzen.

Korrosionsbeständigkeit und Einfluss von Legierungsbestandteilen

Einfluss von Chrom und Molybdän auf die Korrosionsbeständigkeit

• Je höher der Chromanteil im Verhältnis zum Molybdän ist, desto besser ist die Korrosionsbeständigkeit. Dies wird durch das Lochfraßpotential verdeutlicht.

• Eine grobe Indikation für die Korrosionsbeständigkeit ergibt sich aus dem Verhältnis des Chromgehalts zu 3,2-fachem Molybdängehalt.

• Wichtige Faktoren für die Beständigkeit sind der Chrom-, Molybdän- und Stickstoffgehalt sowie die Beschaffenheit der Metalloberflächen.

Stationäre Strömung und mechanische Beschädigungen

• Stationäre Strömungsverhältnisse sind entscheidend; Unterbrechungen im Prozess können negative Auswirkungen haben.

• Mechanische Beschädigungen sind problematisch, da sie die schützende Passivschicht aus Chromoxiden beeinträchtigen können.

Kritische Werte bei Chlorid-Ionen

• Bei Chloridwerten über 200 mg/l muss der Werkstoff genauer untersucht werden; möglicherweise ist ein Wechsel in eine andere Legierung notwendig.

• Höhere Temperaturen reduzieren die Menge an kritischen Chlorid-Ionen, was ebenfalls einen Einfluss auf die Korrosion hat.

Spannungsrisiko und Rissnetzwerke

• Spannungsrisiken zeigen sich in Rissnetzwerken innerhalb des Materials, was zu einer erhöhten Anfälligkeit für Korrosion führt.

• Ein Beispiel zeigt den Unterschied zwischen verschiedenen Stählen (z.B. 14301 vs. 4541), wobei letzterer weniger anfällig für Risse ist.

Fallstudie: Katastrophe im Hallenbad

• Am 9. Mai 1985 kam es zu einem tragischen Vorfall in einem Hallenbad aufgrund von chlorhaltigem Wasser, das strukturelle Schäden verursachte.

• Die Untersuchung ergab, dass das Wasser mit Chlor gesättigt war, was zur Zerstörung führte; dies wirft Fragen zur Sicherheit zukünftiger Konstruktionen auf.

Analyse der Probleme bei der Deckenkonstruktion

Ursachen für die Probleme in der Halle

• Die Luft über der Wasseroberfläche hat sich mit Chlor gesättigt, was zu einer hohen Konzentration an chlorhaltiger Luft an der Fensterfront führte.

• Spannende Elemente aus nichtrostendem Stahl (43 0 1) wurden verwendet, um die Deckenhöhe zu reduzieren, was zur Bildung von Kondenswasser führte.

• Kältebrücken in der Deckenkonstruktion führten dazu, dass warme, chlorhaltige Luft auf kalte Oberflächen traf und kondensierte. Dies verursachte Risse und spontane Versagen in den spannenden Elementen.

Konsequenzen und Prüfmethoden

• Der Einsturz der Halle ist eine direkte Folge dieser Konstruktionsfehler. Heutige Standards erfordern eine gründliche Prüfung solcher Konstruktionen durch Sachverständige.

• Ein Magnet kann verwendet werden, um den Werkstoff zu identifizieren; verzinkter Stahl zeigt typischerweise Anzeichen von Weißrost.

Maßnahmen zur Risikominderung

• Um Spannungsrisiken zu minimieren, können alternative Materialien oder Legierungen wie Nickel eingesetzt werden.

• Es wird empfohlen, sanfte Kerben zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen einzuführen und gegebenenfalls Kugelstrahlen anzuwenden.

Abschlussbemerkungen

• Der Referent hofft, dass die Zuhörer wertvolle Erkenntnisse gewonnen haben und wünscht einen schönen Tag.