Korrosionsarten

Interkristalline Korrosion

Unter interkristalliner Korrosion wird ein Angriff entlang der Korngrenzen verstanden, während die Körner selbst nicht oder kaum abgetragen werden. Der Angriff der Korngrenzen kann so weit gehen, dass einzelne Körner aus dem Kornverbund herausgelöst werden, wodurch der Stahl seinen Zusammenhalt verliert. Ursache der interkristallinen Korrosion bei nichtrostenden Stählen sind Ausscheidungen von chromreichen Karbiden an den Korngrenzen, die eine Chromverarmung in den korngrenzennahen Bereichen zur Folge haben. 

Die so gebildeten chromarmen Zonen an den Korngrenzen sind gegen die meisten angreifenden Medien nicht korrosionsbeständig genug und gehen daher sehr rasch in Lösung. Die Chromkarbidausscheidungen setzten einen bestimmten Kohlenstoffgehalt voraus und finden im Temperaturbereich zwischen 500 und 80°C statt, der z.B. bei Wärmebehandlungen oder Schweißvorgängen durchlaufen wird. Zur Vermeidung der 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, abbinden. 

Sind Chromausscheidungen aufgetreten, so können diese bei Lösungsglühtemperaturen oberhalb 1050°C wieder aufgelöst werden. Bei unstabilisierten ferritischen Stählen kann eine bestehenden Anfälligkeit gegen interkristalline Korrosion durch Glühen bei 800 - 85 °C beseitigt werden. Hierbei werden durch Nachdiffusion von Chrom aus dem Korninneren die Chromverarmungen in den korngrenzennahen Bereichen aufgehoben. 

Loch- und Spaltkorrosion

Loch- und Spaltkorrosion werden in der Praxis meistens durch Chloridionen (Cl-) verursacht. Daneben können auch die seltener anzutreffenden Halogenide Bromid (Br-) und Iodid (l-) 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 Wachstum Lochfraßstellen, die eine sehr unterschiedliche Ausprägung haben können. Die Lochkorrosionsgefahr nimmt zu mit

- steigender Konzentration der Halogenidionen,

- steigender Temperatur,

- Erhöhung des elektrochemischen Potentials des Stahls in den betreffenden Elektrolyten, hervorgerufen z.B. durch Einwirkung eines Oxidationsmittels.

Spaltkorrosion tritt auf in Spalten, 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 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 Lochkorrosion, 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 abgeschätzt werden. Der Einfluss des Legierungselementes Stickstoff (N) 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. Sie erschwert ein Anhaften von Ablagerungen, die zu Spaltkorrosionsbedingungen führen. Eine hohe Loch- und Spaltkorrosionsbeständigkeit wird nur bei einwandfreier Oberflächenbeschaffenheit, d.h. metallisch blanker Oberfläche, erreicht. Deshalb sind Anlauffarben und Zunderreste nach dem Schweißen, Fremdeisenabrieb, Fremdrost, Schleifmittelrückstände usw. zu entfernen (siehe Beizen).

Diese Korrosionsform tritt an Metallteilen bei Vorhandensein eines korrosiven Mediums in nicht abgeschlossenen Auflagespalten wie Überlappungen, aufgesetzten Stegen und bei nicht durchgeschweißten Schweißnähten auf. Man unterscheidet bei der Spaltkorrosion zwischen Sauerstoff- und Wasserstofftyp. Treibende Kraft ist in beiden Fällen der Konzentrationsunterschied zwischen Spalt und Außenspaltbereich des korrosiven Mediums. Die mit dem Konzentrationsunterschied einhergehende Potentialdifferenz führt zu elektrochemischer Korrosion des Spaltes (Wasserstofftyp) oder seiner direkten Umgebung (Sauerstofftyp).

Selbst rostfreier Stahl kann in Spalten korrodieren, wenn dort kein Sauerstoff zur Ausbildung der schützenden Oxidschicht vorhanden sein kann. Eine korrosionsbeständige Auswahl des Werkstoffes der Konstruktion ist zunächst der wirtschaftlichste Weg der Korrosionsvermeidung. Weiterhin kann Spaltkorrosion unterbunden werden, in dem man konstruktiv auf Spalten verzichtet oder so groß ausführt, dass Spaltkorrosion vermieden wird. Zudem können konstruktiv unvermeidlich Spalte mit Kunststoffen versiegelt werden; dieses Prinzip nutzt man bei der Verbindung von korrosionsgefährderten Schrauben und Muttern, die durch einen entsprechenden Klebstoff gegen unbeabsichtigtes Lösen gesichert und gegen Spaltkorrosion geschützt werden.

Fremdrost

Unter Fremdrost versteht man Ablagerungen von Rostteilchen, die nicht an der betreffenden Stelle entstanden, sondern von irgendwo anders her hinzu getragen wurden. Fremdrost tritt bevorzugt auf bei nicht getrennter Lagerung und Verarbeitung von "schwarzem" und "weißem" Stahl. Aber auch Werkzeugabrieb kann zu Fremdrost führen. Durch Ablagerungen 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, etwa beim Schweißen, Schleifen oder Kaltumformen.

Die Gefahr von chlorinduzierter Spannungsrisskorrosion nimmt wie bei der Loch- und Spaltkorrosion mit steigender Temperatur und Chloridkonzentration zu. Werkstoffseitig sind aber andere Einflussgrößen wirksam. So sind austenitische Stähle des Typs 18/10 - CrNi und 18/10/2 - CrNiMo bei Temperaturen oberhalb von ca. 50°C durch chlorinduzierte Spannungsrisskorrosion besonders gefährdet. Durch Erhöhen des Molybdän- und besonders des Nickelgehaltes lässt sich die Beständigkeit aber ganz Erheblich steigern. Auch ferritische und ferritisch-austenitische, nichtrostende Stähle sind vergleichsweise wenig empfindlich.

Schwingungsrisskorrosion

Schwingungsrisskorrosion ist die transkristalline oder interkristalline Rissbildung in Werkstoffen unter dem kausalen Einfluss von Schwingungen. Das Auftreten dieser Korrosion hängt von der Beanspruchung ab und tritt meistens oberhalb eines spezifischen Grenzwertes auf. Die Schwingungsrisskorrosion tritt plötzlich auf und ist äußerlich meistens nicht sichtbar. Die Schwingfestigkeit aller NIROSTA® Stähle wird durch zusätzlich chemischen Angriff mehr oder weniger stark herabgesetzt. Die Abnahme der Schwingungsfestigkeit hängt, außer vom Angriffsmittel, von der Mehrachsigkeit der auftretenden Wechselspannungen ab.

Kontaktkorrosion

Die Möglichkeit von Kontaktkorrosion besteht dann, wenn in einem Korrosionsmedium zwei Metalle mit unterschiedlichem freien Korrosionspotential leitend miteinander verbunden werden. Das Metall mit dem niedrigeren freien Korrosionspotential leitend miteinander verbunden werden. Das Metall mit dem niedrigeren freien Korrosionspotential kann zumindest zu höheren Potentialen hin polarisiert und dadurch verstärkt angegriffen werden. Auch bei großen Unterschieden zwischen den freien Korrosionspotentialen 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 edlen Metall mit großer Oberfläche. Nichtrostende Stähle nehmen im Allgemeinen hohe freie Korrosionspotentiale ein und unterliegen daher kaum der Gefahr, durch Kontaktkorrosion verstärkt angegriffen zu werden. Wesentlich häufiger ist jedoch der Fall, dass bei anderen Metallen mit niedrigerem freiem Korrosionspotential durch die Verbindung mit einem nichtrostenden Stahl Kontaktkorrosion auftritt.

Hochtemperaturkorrosion

Hochtemperaturkorrosion ist ein chemischer Vorgang, der ohne freies Wasser (wie bei der Nasskorrosion) zu einer Minderung der Haltbarkeit von Werkstoffen führen kann. Auslösevorgang ist dabei nicht das Wasser, sondern die hohe Temperatur, der ein Werkstoff ausgesetzt ist unter Berücksichtigung der weiteren Umgebungsbedingungen, wie Mediumart bzw. -zusammensetzung, Mediengeschwindigkeiten und Dichte, Partikelanzahl und Größe und ähnliches. Das Schadensbild ähnelt dem der Nasskorrosion. Es können grundsätzlich alle möglichen Formen der Korrosion, wie gleichmäßige Flächenkorrosion, Lochkorrosion, Kontaktkorrosion etc. auftreten. Das Vorkommen von Wasserstoffversprödung kann ebenfalls eine häufige Gefahr sein. Die Geschwindigkeit des ablaufenden Prozesses lässt sich durch Deckschichtbildung verlangsamen. So kann die Verzunderung (Oxidation durch Sauerstoff) durch legieren des Werkstoffes mit Aluminium, Silizium und vor allem Chrom stark beeinträchtigt werden. Diese Legierungselemente bilden nämlich sehr dichte Oxidschichten, die den diffusionsgesteuerten Vorgang der Verzunderung effektiv behindern. Weitere Atmosphären, die neben Sauerstoff von Bedeutung bei der Hochtemperaturkorrosion sind:

Schwefel (S)

(Atmosphären, in denen SO2 und Wasser vorkommt (z.B. Rauchgase eines Kohlekraftwerkes) können u.U. sehr schadhafte Auswirkungen auf den Grundwerkstoff haben. Die eben erwähnten Bestandteile können zu Schwefelsäure reagieren. Bei Unterschreitung des Taupunktes (Schwefelsäure kondensiert bei ca. 200°C) bildet sich dann auf dem Werkstoff ein Schwefelsäurekondensat, welches ihn sehr stark angreift.)

Stickstoff (N)

(N2 kann in den Werkstoff diffundieren und mit best. Bestandteilen Nitride bilden, die sich nachhaltig schlecht auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils auswirken können.)

Natrium (Na)

(Na kann manchmal zusammen mit dem Grundwerkstoff ein niedrigschmelzendes eutektisches System bilden. Dieser Vorgang führt zur schnellen Zerstörung des Bauteils.)

Flächenkorrosion

Eine gleichmäßige Flächenkorrosion tritt dann auf, wenn der Korrosionsvorgang an vielen Stellen eines Bauteils auftritt. An der Metalloberfläche bilden sich anodische (Metall auflösende) und kathodische (Elektronen verbrauchende) Teilbereiche. Voraussetzung für die Bildung von Flächenkorrosion ist der ständige Ortswechsel dieser Teilbereiche. Nur dann kann die Korrosion gleichmäßig auf der Metalloberfläche ablaufen. Ist diese Lageänderung der Teilbereiche nicht oder nur schwer möglich, so spricht man von Muldenkorrosion.

Bei Flächenkorrosion in neutralen Bereichen, entsteht eine Deckschicht (Passivschicht) auf dem Metall, die die Korrosionsanfälligkeit stark reduziert, bzw. die Korrosion selbst verhindert oder einschränkt. Hat sich die Passivschicht an manchen Stellen nicht gebildet oder ist sie durch Säureangriff (verstärkt durch Anionen von Chlor) zerstört worden, so führt dies ebenfalls zur Muldenkorrosion / Lochkorrosion.

Die Flächen-Korrosion ist als eher ungefährliche Korrosion einzustufen, da sie frühzeitig erkannt werden kann, und auch erst dann zu Schäden führen kann, wenn der Massenverlust des Metalls ausreichend groß ist. Ist die Intensität der späteren Beanspruchung durch atmosphärische Gase, Säuren, etc. bekannt, so kann man die Opferschicht ausreichend dimensionieren . Auf diese Weise ist die Sicherheit eines Bauteils auch längerfristig gewährleistet.

Quellen

http://www.thyssenkrupp-nirosta.de/fileadmin/media/produkte/werkstoff-PDF/Verarbeitung-NIROSTA-Werkstoffe.pdf (06.09.2011) 

http://de.wikipedia.org/wiki/Hochtemperaturkorrosion (06.09.2011)

http://de.wikipedia.org/wiki/Fl%C3%A4chenkorrosion (06.09.2011)