05 Novembre 2013  |  Protection contre la corrosion
Publié dans Oberflächen POLYSURFACES 04/2013

Korrosion analysieren und wirksam verhindern

Daniel Galsterer und Peter Heimgartner

Korrosion ist der schlimmste Feind metallischer Bauteile. Er verkürzt ihre Lebensdauer und verursacht immense Kosten. Wie man der Korrosion an den Kragen geht, zeigen die Experten von Sulzer Innotec. Der Beitrag behandelt zwei Praxisbeispiele von Schadenanalysen.

La corrosion est le pire ennemi des composants métalliques. Elle raccourcit leur durée de vie et engendre d’énormes coûts. Les experts de la société Sulzer Innotec nous montrent comment s’y prendre avec la corrosion touchant les embases. Cet article traite deux exemples pratiques d’analyse de dégâts.

Korrosion ist ein wohlbekanntes und lästiges Phänomen. Jeder hat schon einmal Erfahrungen mit Rostschäden am Auto, am Gartenzaun oder an anderen metallischen Gebrauchsgegenständen gemacht. Aber Korrosion ist nicht nur im privaten Alltag präsent. Obwohl seit Jahrzehnten Schutzmassnahmen angewendet und verbessert werden, ist Korrosion auch in der Industrie ein allgegenwärtiges Thema. Jedes Jahr entstehen industrielle Korrosionsschäden in Milliardenhöhe, wobei oftmals die Folgeschäden durch Betriebsausfall und Produktionsverluste die primären Material- und Reparaturkosten um ein Vielfaches übersteigen.
Die Spezialisten der Abteilung für Schadens- und Werkstoffanalytik bei Sulzer Innotec arbeiten täglich an verschiedensten korrosionsbedingten Schadenfällen. Als Auftragslabor für verschiedene Industriezweige sind sie mit unterschiedlichsten Werkstoffen, Angriffsbedingungen und den daraus resultierenden Korrosionserscheinungen konfrontiert. Dank ihrer breiten, langjährigen Erfahrung finden sie Lösungen, wie Korrosionsschäden vermieden und die Lebensdauer von Bauteilen verlängert werden kann. Die folgenden zwei Beispiele verdeutlichen, wie bei der Abklärung von Schadenfällen immer wieder unerwartete Schadenphänomene und Erscheinungsformen der Korrosion auftreten. Insbesondere die Überlagerung von verschiedenen Schadenmechanismen macht die Ursachenforschung herausfordernd.
 
Fall 1: Risse in Messingarmaturen
In einem Fall wurden Risse an Messingkomponenten in Trinkwasserleitungen untersucht. Bei den Messingteilen handelte es sich um Gehäuse von Durchfluss-Messgeräten. Verschiedene Gehäuse waren betroffen, allerdings nur in den Leitungen aus ländlichen Gebieten. Ein Mikroschliff durch ein gerissenes Messinggehäuse zeigte einen verästelten, transkristallinen Rissverlauf (Bild 1), der typisch ist für Spannungsrisskorrosion.
 

Bild 1: Der verästelte Riss in einem Messinggehäuse ist ein typisches Zeichen für Spannungsrisskorrosion.

Diese vielerforschte Art von Korrosion tritt auf, wenn Zugspannungen im Bauteil sowie ein auslösendes Medium vorliegen. Die Spannungen können durch eine Einwirkung von aussen während des Betriebs entstehen oder als innere Eigenspannungen bereits im Herstellungsprozess eingebracht worden sein. Das korrosive Medium muss nicht unbedingt von Beginn an vorliegen, sondern kann auch im Laufe der Zeit durch Umwelteinflüsse gebildet werden. Als auslösende Medien sind bei Messing Ammoniak sowie Ammonium- und Nitratlösungen bekannt.
 
Was Bakterien alles anrichten können
Wie sich herausstellte, waren die Spannungen im Bauteil mechanisch während der Installation entstanden. Die Frage nach dem für das Material kritischen Medium gestaltete sich jedoch komplexer, denn die Risse gingen sowohl von der Innen- als auch von der Aussenseite der Gehäuse aus. Somit musste auf beiden Seiten ein kritisches Medium vorgelegen haben. Auf der Innenseite des Messinggehäuses floss Trinkwasser, das bei der Analyse keine Auffälligkeiten, wie erhöhte Nitrat- oder Ammoniumgehalte, zeigte. Allerdings waren auf der Innenfläche des Gehäuses deutliche Ablagerungen und Korrosionsprodukte erkennbar (Bild 2).
 
Bild 2: Durch Stoffwechselprodukte von Mikroorganismen bildete sich auf der Innenseite des Gehäuses ein für Messing kritisches korrosives Medium.

Eine mikrobiologische Analyse dieser Produkte ergab erhöhte Keimgehalte und deutete darauf hin, dass sich ein Biofilm gebildet hatte. Darunter versteht man grössere Kolonien von Bakterien, die sich mit einer gallertartigen Masse umgeben. Durch diese Mik­roorganismen wurden die im Trinkwasser vorhandenen Nitrate zu Ammonium (NH4+) reduziert und reicherten sich im Biofilm an. Ammonium ist für Messing ein kritisches Medium und kann in Zusammenhang mit Spannungen im Bauteil Spannungsrisskorrosion auslösen.
 
Ist die Landluft schuld?
Nun blieb noch die Frage, welches kritische Medium von aussen auf das Gehäuse wirkte. Man konnte auf der Aussenfläche des Gehäuses Ammonium nachweisen und ermittelte als mögliche Quelle Ammoniakgase in der Umgebungsluft, verursacht durch eine naheliegende Viehzucht. Die Experten von Sulzer gingen davon aus, dass sich auf der Oberfläche des von kaltem Trinkwasser durchflossenen Gehäuses ein Kondenswasserfilm gebildet hatte, der als Elektrolyt wirkte. In diesem dünnen Wasserfilm konnten sich die Ammoniakgase aus der umgebenden Landluft lösen und ein für Messing korrosives Medium bilden. Im Zusammenspiel mit den anliegenden Spannungen führte dies zu Rissen ausgehend von der Aussenseite des Gehäuses.
Die Entstehung der kritischen Medien inner- und ausserhalb der Gehäuse war nicht vermeidbar. Darum wurde empfohlen, einen Werkstoff zu verwenden, der weniger anfällig auf Spannungsrisskorrosion ist. Dafür eignen sich vor allem Kupferlegierungen mit einem Zinkgehalt von weniger als 15%, wie beispielsweise Rotguss (z. B. CuSn5ZnPb2), der nach DIN 50930-6 auch für Trinkwasser geeignet ist. Weiterhin sollten Spannungen durch die Montage beziehungsweise während des Betriebs vermieden werden.
 
Fall 2: Pumpengehäuse in extremen Bedingungen
Wie schädlich die Umgebungseinflüsse sein können, zeigt ein Korrosionsfall an Kühlwasserpumpen. Bei diesen Tauchpumpen wurde Brackwasser als Kühlmittel gefördert, das neben einem hohen Chloridgehalt von etwa 14 g/l auch eine erhebliche Menge an ungelöstenFeststoffen (Schlamm) enthielt. Der Schlamm setzte sich an allen horizontalen und schrägen Flächen auf der Aussenseite der Tauchpumpe als mehr oder weniger dicke Schicht ab (Bild 3).
 
Bild 3: Kühlwasser-Tauchpumpen kommen häufig unter extremen Bedingungen zum Einsatz, wie hier bedeckt von einer dicken Schlammschicht.

Das Gehäuse der Tauchpumpe aus einem Duplexstahl des Typs 1.4460 zeigte nach relativ kurzer Betriebszeit massive Korrosionserscheinungen an allen äusseren Oberflächen. Unter der dicken Schlammschicht auf den horizontalen Flächen waren die stärksten Angriffe erkennbar. Die Schadenanalyse ergab, dass mehrere Korrosionsmechanismen für das Schadenbild verantwortlich waren.
Im Bereich der horizontalen Flächen konnte sich unter den Schlammablagerungen ein aggressives Medium bilden. Man spricht dabei von Spaltkorrosion unter Ablagerungen. Bei dieser Korrosionsart wird das Medium im Spalt (unter dem Schlamm) an Chloriden angereichert und gleichzeitig der pH-Wert in den sauren Bereich verschoben. Zudem verarmt die Flüssigkeit im Spalt an gelöstem Sauerstoff, der für die Passivierung hochlegierter Stähle notwendig ist. Bei der betroffenen Pumpe bildeten sich unter diesen Spaltbedingungen relativ breite Korrosionsmulden (Bild 4).
 
Bild 4: Unter den Schlammablagerungen entstanden massive Korrosionsschäden an der Pumpe.

Überlagerte Schadensmechanismen
Ausser der Spaltkorrosion diagnostizierten die Experten von Sulzer aber noch einen weiteren Schadenmechanismus. An den senkrechten Flächen oben an der Pumpe, wo sich kein Schlamm ablagerte, wurden kleine, tiefe Korrosionsgrübchen festgestellt und als Lochfrass identifiziert. Obwohl der Korrosionsmechanismus bei Lochfrass und Spaltkorrosion ähnlich ist, zeigt sich häufig ein deutlicher Unterschied im Erscheinungsbild.
Lochfrass tritt an freien Metalloberflächen auf und resultiert in halbkugeligen bis nadelstichartigen Vertiefungen. Spaltkorrosion führt zu grösseren, flächigen Angriffen oder flachen Korrosionsmulden. Beide Mechanismen sind geprägt durch die Ausbildung eines Lokalelektrolyten mit niedrigem pH-Wert und hohem Chloridgehalt. Je besser die lokalen Korrosionsstellen gegen einen Konzentrationsausgleich mit dem umgebenden Medium geschützt sind, desto stärker ist der Effekt. Bei der Spaltkorrosion liegt diese abgeschirmte Geometrie durch den Spalt bereits vor. Im Gegensatz dazu muss beim Lochfrass für die Lokalelektrolytbildung erst eine höhlenartige Angriffsstelle entstehen. Das geschieht durch eine Wechselwirkung von Chloriden mit der Passivschicht auf dem Metall.
 
Was bringt Stahl an seine Grenzen?
Im vorliegenden Fall waren vor allem zwei Faktoren für die Bildung von Lochfrass verantwortlich. Einerseits führte die Abwärme des Motors lokal zu erhöhten Temperaturen, was die Lochfrassbeständigkeit des Materials in diesen Zonen verringerte. Andererseits enthielt das Material stellenweise einen hohen Gehalt an Sigma-Phase (Bild 5).
 
Bild 5: Die lichtmikroskopische Aufnahme eines Mikroschliffs durch das Pumpengehäuse zeigt Ausscheidungen der so genannten Sigma-Phase: schwarz-weisse, mit Pfeilen markierte Bereiche (helle Bereiche: Ferrit, braune Bereiche: Austenit).
 
Die Sigma-Phase ist eine spröde, intermetallische Phase, die in diesem Fall vermutlich durch eine zu langsame Abkühlung nach dem Giessen des Gehäuses entstanden ist. In der Umgebung dieser Sigma-Ausscheidungen verarmt der Stahl an Chrom und wird korrosionsanfälliger. Dadurch konnte die im Brackwasser vorliegende Chloridkonzentration eine Lochfrasskorrosion auslösen, obwohl der verwendete hochlegierte Werkstoff (Stahl 1.4460) laut Spezifikation eigentlich gegen Brackwasser beständig ist.
Dieses Beispiel verdeutlicht, wie ungünstige Umwelteinflüsse (Schlammablagerungen, erhöhte Materialtemperaturen) und fabrikationsbedingte Mängel (Sigma-Phasen-Ausscheidungen) selbst leistungsfähigen Stahl an seine Beständigkeitsgrenze bringen und schädigen können.
 
Wirksamer Korrosionsschutz
Um künftig das Risiko für Korrosionsschäden zu verringern, empfahl Sulzer, bei den Pumpen die Bildung dicker Schlammablagerungen an horizontalen Flächen zu vermeiden (z. B. durch verstärkte Umströmung oder periodische Reinigung). Weiterhin rieten die Experten dazu, einen Lochfrass beständigeren Stahl (das heisst mit höherem PRE-Wert, Pitting Resistance Equivalent) zu wählen, um auch bei den lokal vorhandenen speziellen Betriebsbedingungen genügend Resistenz gegen Korrosion zu haben. Der PRE-Wert ist definiert durch den Gehalt an korrosionsrelevanten Legierungselementen im Stahl (Chrom, Molybdän, Stickstoff) gewichtet mit deren Wirkung auf das Korrosionsverhalten. Zudem sollte der Hersteller neuer Pumpengehäuse die Ausscheidung von schädlichen Phasen (insbesondere Sigma-Phase) vermeiden oder diese Phasen durch eine geeignete Wärmebehandlung nachträglich beseitigen.
Mit den richtigen Maßnahmen lassen sich – wie dieser Fall zeigt – die Lebensdauer auch von stark beanspruchten metallischen Bauteilen verlängern und enorme Kosten sparen.
 
Copyright Sulzer Technical Review, Sulzer Management Ltd. Winterthur, Switzerland
 
Was ist Korrosion?
Korrosion ist ein elektrochemischer Redox-Prozess (Reaktion mit Elektronenübertragung), der zwischen einem Metall und seiner Umgebung abläuft. Dabei wird das Metall oxidiert und eine Komponente aus dem Umgebungsmedium reduziert. Es gibt eine Vielzahl von Korrosionsarten mit unterschiedlichen Erscheinungsformen:
Spannungsrisskorrosionentsteht durch die Wechselwirkung zwischen einem anfälligen Werkstoff, Zugspannungen und einem spezifischen Korrosionsmedium. Sie tritt nur auf, wenn alle drei Parameter gleichzeitig vorhanden sind.
Lochfrasskorrosionführt zu einer lokalen Zerstörung der schützenden Oxidschicht passiver Werkstoffe unter Einwirkung von Halogenidionen.
Spaltkorrosionist der Lochfrasskorrosion bezüglich Mechanismus ähnlich. Die schützende Oxidschicht wird dabei durch Anreicherung von Halogeniden und Absenkung des pH-Werts im Spalt beziehungsweise unter Ablagerungen zerstört.
 
Korrosion muss nicht sein
Korrosionsschäden können durch Anwendung der heutigen Kenntnisse zu einem grossen Teil vermieden werden. Die Korrosionsspezialisten von Sulzer besitzen ein breites Fachwissen aus langjähriger Industrieerfahrung und bieten folgende Dienstleistungen:
  • Beurteilung von Schadenfällen
  • Beratung bei der Materialwahl, der Auswahl von Schutzschichten oder alternativen Korrosionsschutzmassnahmen
  • Durchführung von Korrosionsprüfungen
  • Qualitätsüberwachung durch anwendungsorientierte Prüfungen
  • Restlebensdaueranalysen und Abschätzung des Korrosionsrisikos
 
Mehr Informationen: www.sulzer.com/Korrosionsanalyse
 
Sulzer Innotec
8404 Winterthur
Tél: 052 262 11 22

Fax: 052 262 00 15
daniel.galsterer@sulzer.com
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