Nickelbasiswerkstoffe

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1 Hopfgarten, Nickelbasiswerkstoffe Einführung Korrosionsformen Elementarvorgänge nge bei der Korrosion Nickelbasiswerkstoffe der C-C und B-FamilieB Auswahlprinzipien von Werkstoffen Schadensfälle / Beispiele

2 Korrosion: DIN , Teil1 Korrosion ist: die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteiles oder eines ganzen Systems führen f kann.

3 Korrosionsschaden: DIN , Teil1 Ein Korrosionsschaden ist dann die Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder eines ganzen Systems durch Korrosion.

4 Korrosionsarten - d d Gleichmäßige Flächenkorrosion Gleichmäßiger ( kalkulierbarer ) Abtrag g/m² d ( mm/a ) f ( Medium, C, T ) Lochkorrosion Kraterförmiger oder nadelstichartiger Lochfraß an passivierbaren Legierungen, bevorzugt durch Chloride, auch an Metall-Einschlüssen wie MnS f ( C Cl -, v, T, ph ) Spaltkorrosion Örtliche Korrosion in Zusammenhang mit Spalten, an Dichtungen, unter Ablagerungen; an passivierbaren Legierungen f ( CCl-, T, v, O2, ph ) Interkristalline Korrosion Korrosion in oder neben den mit Ausscheidungen belegten Korngrenzen, z.b. von CrNi-Stählen: ( C zu hoch, unstabilisiert ) f ( Medium, Glühbehandlung, T ) Erosionskorrosion Hohe Strömungsgeschwindigkeit, scharfe Bögen, Turbulenzen F Medium Cu Al Schwingungskorrosion Ermüdung unter korrosiven Bedingungen f ( Frequenz,, C, T ) Spannungsrisskorrosion Spezifisches Korrosionsmedium und Legierungssystem; hohe mechanische ( auch Eigen- )Spannung f ( Medium,, T ) Bimetallkorrosion Galvanische Korrosion: Das unedle Metall löst sich auf f (, E,, T )

5 Korrosionsvorgänge am Beispiel des Wassertropfens nach EVANS O 2 - Luft O 2 - Luft Kathodischer Bereich: O H 2 O + 4 e - 4 OH - e - Fe 2+ Fe e - Anodischer Bereich: Fe Fe e - Fe OH - Fe(OH) 2 Kathode Anode Kathode

6 Chemische Vorgänge bei der Spaltkorrosion Cl - Kathodische Teilreaktion: O H 2 O + 4 e - 4 OH - Cl - Me n+ + n H O Me(OH) + n H + Anodische Teilreaktion Me Me n+ + n e - 2 z.b.: Fe H 2 O n Fe(OH) H + Das hat Konsequenzen: 1 Der ph-wert fällt im Spalt ( wird sauer ) 2 Negativ geladene Ionen ( Chloride ) wandern in den Spalt

7 Vorgänge bei der Lochkorrosion Nichtrostender Stähle Auch hier wird der Elektrolyt im Lochgrund mit der Zeit aggressiver als die Umgebung

8 Nickelbasislegierungen der C - Familie Die C Familie wurde entwickelt für f r Medien in der chemischen Industrie, die sauer ( ph < 7 ) und oxidierend sind.

9 Zusammensetzung von NiCrMo - Legierungen der C - Familie Legierung Entwicklung Hauptlegierungsbestandteile in Massen - % Ni Cr Mo W Fe Si C Cu C ca ,7 0,05 - C ca ,04 0,005 - C - 4 ca ,04 0,005 - C - 22 ca ,04 0, ca < 1 0,04 0, ca ,04 0,005 - C ca ,04 0,005 1,6 Tabelle aus: D.C. Agarval, W.R. Herda The C-family of NiCrMo alloys partnership with the CP I Materials & Corrosion 48, ( 1997 )

10 Werkstoffbezeichnungen Werkstoff Hersteller Werkstoff Nr. UNS Nr. Alloy Nicrofer 5923 hmo ThyssenKrupp VDM N Alloy 59 Hastelloy C 22 Inconel C 22 ThyssenKrupp Haynes Special Metals Patente frei N C - 22 Nicrofer 5716 hmow Inconel C-276 Hastelloy C 276 Patente frei Verschiedene Hersteller N C -276 Hastelloy C 2000 Haynes N C Inconel C 4 Nicrofer 6616 hmo Hastelloy C 4 Special Metals ThyssenKrupp VDM Haynes Patente frei N C - 4

11 Nickelbasislegierungen der B - Familie Die B Familie wurde entwickelt für f r Medien in der chemischen Industrie, die sauer ( ph > 7 ) und reduzierend sind.

12 B-Familie 1930 Entwicklung von alloy B 1960 Entwicklung von alloy B B2 mit kontrolliertem Fe-Gehalt 1990 Entwicklung alloy B4 ( VDM ) Entwicklung alloy B3 ( Haynes ) Korrosion Einfluss von Mo-Gehalt auf Korrosion von Ni-Mo-Legierungen in Salzsäure Gehalt an Molybdän [ % ]

13 Zusammensetzung von Ni-Mo-Legierungen ( B Familie ) Legierung Entwicklung Hauptlegierungsbestandteile in Massen - % Ni Mo Fe Cr Si C Alloy B ca Bal Max. 1 Max. 0,05 Alloy-B2 ca Bal ,08 0,01 B2 ( con.) Alloy B3 ca ca Bal. Bal , , ,04 0,1 0,005 0,01 Alloy B4 ca Bal ,5 1,5 0,05 0,01

14 Eigenschaften von Titan Kurz und knapp: Hohe Festigkeit bei niedriger Dichte und dabei sehr gute Korrosionsbeständigkeit

15 Zusammensetzung wichtiger Titan - Werkstoffe Typ Grade Werkstoff Nr. Legierungsbestandteile [ Massen-% ] Fe O N C H RT 12 Ti Gr ,15 0,12 0,05 0,06 0,013 RT 15 Ti Gr ,20 0,18 0,05 0,06 0,013 RT 18 Ti Gr ,25 0,25 0,05 0,06 0,013 RT 20 Ti Gr ,30 0,35 0,05 0,06 0,013 RT 15 Pd Ti Gr ,20 0,18 wie oben: 0,15 0,25 Pd LT 31 TiAl6V ,30 0,20 0,05 0,015 0,08 Al: 5,5 7,5 / V: 3,5 4,5

16 Korrosionsverhalten von Titan Prinzipiell gilt: Titan und seine Legierungen sind sehr beständig in oxidierenden Medien. Hier bildet sich spontan ein oxidische Deckschicht, die den Werkstoff vor weiterem Angriff schützt. In chloridhaltigen Medien besteht kaum Gefahr der Loch- und Spaltkorrosion Vorsicht allerdings ist geboten unter reduzierenden Bedingungen und bei Anwesenheit von Komplexbildnern ( Oxalsäure ) und Flußsäure bzw. Fluoriden.

17 Werkstoffranking Loch- und Spaltkorrosion Interkristalline Korrosion

18 Lochkorrosion am Nichtrostenden Stahl Werkstoff Nr durch chloridhaltiges Medium Ansicht im Querschliff

19 Prüfungen der Lochkorrosion und Wirksumme FeCl3 - Test nach ASTM G48: Eine Werkstoffprobe wird in 10 %iger FeCl3 - Lösung bei konstanter Temperatur ausgelagert. Die Temperatur wird schrittweise erhöht. Es wird die Temperatur ermittelt, bei der erstmalig Loch- bzw. Spalttemperatur auftritt. Ab 85 C zersetzt sich die Prüflösung. Grüner Tod: 11,5 % Schwefelsäure, 1,2 % Salzsäure, 1 % FeCl3 und 1 % CuCl2 Versuchsführung wie ASTM G48 Ab 120 C zersetzt sich die Prüflösung.

20 Kritisches Lochkorrosionspotential vs Wirksumme

21 Temperatur Vergleich der kritischen Spaltkorrosionstemperatur (KST) und kritischen Lochkorrosionstemperatur (KLT) C Kritische Lochkorrosionstemperatur KLT Kritische Spaltkorrosionstemperatur KST alloy 904 L *alloy 317 LN (1.4539) (1.4439) *Cronifer 1925 hmo (1.4529) Nicrofer 6020 hmo (2.4856) *Nicrofer 3127hMo (1.4562) Nicrofer 5923 hmo (2.4605) Nicrofer 5716 hmow (2.4819) alloy 316 (1.4435) Wirksumme WS = % Cr + 3,3 x % Mo KLT *alloy S (1.4565) - Edelstähle geprüft in 10% FeCl 3 x 6 H 2 O - Lösung, - Nickelbasislegierungen in 7 % H 2 SO 4, 3 % HCl, 1 % CuCl 2, 1 % FeCl 3. *WS N = % Cr + 3,3 x % Mo + 30 x % N KST Volker Wahl

22 Interkristalline Korrosion im Querschliff

23 Prüfverfahren Interkristalline Korrosion Medium Werkstoff Prüfmedium Strauß-Test DIN ASTM HUEY-Test DIN ASTM A 262 ASTM G28, Method B Streicher- Test ASTM G28, Method A Nichtrostende Stähle Nichtrostende Stähle hochlegierte Stähle und NiCrMo Leg hochlegierte Stähle und NiCrMo Leg. 10 Vol-% H 2 SO g/ CuSO 4 + Cu -Späne 65 %ige HNO 3, 5 x 48 h 23 % H 2 SO 4 + 1,2% HCl Fe % FeCl % CuCl 2 50 % H 2 SO g/l Fe 2 (SO 4 ) 3

24 Durchführung hrung HUEY - Test

25 Auswertung von IK - Versuchen Durch metallographische Auswertung von Schliffen wird die Tiefe des IK - Angriffs bestimmt. Dabei wird das 50 µ - Kriterium zugrunde gelegt. Durch Variation von Glühtemperatur und -zeit und anschließender ender IK-Pr Prüfung erhält man die Zeit-Temperatur Temperatur-Sensibilisierungsdiagramme ( ZSA ), die Aussagen zur thermischen Stabilität und damit zur Schweißbarkeit von hochlegierten Stählen bzw. Nickelbasislegierungen gestatten.

26 ZSA - Diagram einiger NiCrMo -Legierungen ( IK < 50 µ in ASTM G28, Method A )

27 Auswahl von Werkstoffen Wie kann man die Vielzahl der Medien sortieren? Welche Daten stehen zu den Werkstoffen zur Verfügung?

28 Eigenschaften der Medien Sauer ph < 7 Basisch ph > 7 oxidierend reduzierend oxidierend reduzierend - HNO 3 -H 2 SO 4 ( hohe Konz, hohe T) - Metallsalze - HCl - org. Säuren - Freiheit von Sauerstoff -NaOH, KOH Redoxpotential hängt von Verunreinigungen und Sauerstoffgehalt ab Gehalt an Neutralsalzen ( Chloride! ) Temperatur, Belüftung, Strömung

29 Isokorrosionsdiagramme Y Achse = Temperatur X Achse = Konzentration Unterhalb der Kurve ist die Korrosionsgeschwindigkeit max. 0,1 mm/a

30 Isokorrosionsdiagramme? Was geschieht in dem unbekannten Bereich?

31 Alloy 59 und C-22C vs Schwefelsäure C-22 Alloy 59

32 Alloy 59 und C-22C vs Salzsäure C-22 Alloy 59

33 Einfluss geringer Mengen von Chloriden in Schwefelsäure C4 in H 2 SO 4

34 Der Einfluss von Oxidationsmitteln Fr. Dr. Alves ThyssenKrupp VDM

35 Einfluss von Sauerstoff Monel 400 ( 65 % Ni / 32 % Cu ) Der Einfluss von Sauerstoff auf die Korrosion zeigt sich z.b. an der Phasengrenze

36 Isokorrosionsdiagramm von Nickel in Natronlauge Beim Einsatz von Laugen ist man mit Nickel gut beraten