1 Bauteile und Komponenten aus austenitischen Edelstahllegierungen im Praxiseinsatz

Transkript

1 1 Bauteile und Komponenten aus austenitischen Edelstahllegierungen im Praxiseinsatz Edelstahllegierungen sind in der Vielzahl der verschiedenen Legierungstypen meist Eisenbasiswerkstoffe und werden in der Betriebspraxis u.a. deshalb bevorzugt eingesetzt, weil neben dem mechanischen Festigkeitsverhalten v.a. auf die Korrosionsbeständigkeit Wert gelegt wird. Die zunehmende Nutzung v.a. der austenitischen Edelstahllegierungen auch im Bereich der modernen Technologien, wie Bio- und Pharmatechnik, Chip-Herstellung, Raumfahrt, Analysentechnik etc., bedingt neben hoher mechanischer Festigkeit und günstigem Korrosionswiderstandsverhalten des Werkstoffs natürlich noch eine ganze Palette von zusätzlichen technischen Anforderungen im Sinne der Kreation funktionaler Oberflächeneigenschaften. Jeder Technologiebereich nutzt dabei eine Reihe von spezifischen Apparaten, welche wiederum eine oder mehrere spezielle Verhaltensmerkmale aufweisen müssen. Bild 1: Beispiel für die Quervernetzung vom Technologiebereich, typischen Apparaten und bevorzugten spezifischen Anforderungskriterien Technologien Apparate Verhaltensmerkmale - Bio-/Pharmatechnik - Behälter u. Reaktoren - Korrosionsverhalten - Reinstgastechnik - Analyse- u. Labortechnik - Hochvakuumtechnik - Chemieanlagenbau - Raumfahrttechnik - Papiermaschinenbau - Lebensmitteltechnik - Architektur - Textiltechnik - Reaktortechnik - Umwelttechnik - Rohr / Rohrleitungen - Ventile - Wärmetauscher -Rührsysteme - Filtersysteme - Stoffauflaufdüse - Geländerkonstruktion - Partikelverhalten - Reinigungsverhalten - Hygieneverhalten - Inkrustationsverhalten - Ad-/Desorptionsverhalten - Nachgasungsverhalten - Katalytisches Verhalten - Pyrogenverhalten - Keimverhalten - Dekontaminationsverhalten - Designverhalten - Faserverhalten 1

2 1.1 Korrosionsverhalten Als typisches Beispiel für eine praxisbezogene Querverbindung mit entsprechenden Schlussfolgerungen in Form von fertigungstechnisch und auch prüftechnisch klar definierten Anforderungsprofilpunkten bezüglich technischen Parametern der Achse Bio/Pharmatechnik//Fermentationsbehälter//Korrosionsverhalten stellt sich wie folgt dar: Medienbelastung der Bauteiloberfläche in Art, Konzentration, Temperatur, Druck, Zeitverlauf Sonstige Belastungen, wie etwa statische und dynamische mechanische Spannungen im Bauteil Prüfung der möglichen Korrosions(versagens-)arten des Bauteils, auf - Lochfraßkorrosion - Spannungsrisskorrosion - flächige Korrosion Die detaillierte Überprüfung des Bauteils schon in der Planungsphase hinsichtlich der Anforderungsprofilpositionen im Praxisbetrieb erlaubt es meist, unerwünschte Korrosionsversagensfälle gezielt zu vermeiden. 1.2 Partikelverhalten Die Praxiskombination Reingastechnik//Rohrleitung//Partikelverhalten erfordert z.b. die Betrachtung folgender Parameter aus dem spezifischen Anforderungsprofil, wie Gasqualität betreffend Reinheit, Feuchtegehalt und Partikelanzahl pro Volumeneinheit, Korrosivität Oberflächenqualität des Rohrmaterials betreffend morphologischer Reinheit, Partikelfreiheit Schweißnahtqualitäten der Rohrverbindungen 1.3 Reinigungs- und Hygieneverhalten Im Papiermaschinenbau ist speziell das Stoffauflaufsystem ein sehr wesentlicher Betrachtungsbereich betreffend des Reinigungs- und Hygieneverhaltens der medienberührenden Bauteiloberflächen hinsichtlich der Papiermasse, um Anlagenstillstände infolge Papierbahnenabriss beim Trocknungsprozess des Papiers zu vermeiden: Papiermaschienenbau//Stoffauflaufdüse//Reinigungsverhalten/Keimverhalten. Die sensible Betrachtung folgender Parameter des Anforderungsprofils ist dabei von Bedeutung: 2

3 Vermeidung von (klumpenartigen) Anlagerungen an der Bauteiloberfläche im medienberührten Bereich Vermeidung von (lokalen) Verschleimungen durch Keimbildungen an der medienberührten Oberfläche, speziell in konstruktiven Verweilbereichen der Medienmasse wie Ecken und Kanten. 1.4 Inkrustationsverhalten Die Praxiskombination Chemieanlagenbau//Wärmetauscher//Inkrustationsverhalten bedingt eine umfassende Betrachtung der bestimmenden Anforderungsparameter wie Medienbelastung der Edelstahloberfläche in Art, Konzentration, Temperatur, Druck und Mediengeschwindigkeit im Wärmetauscherohr Kristallisationsverhalten des Mediums in Abhängigkeit von Temperatur und Konzentration Oberflächenkriterien des Rohres, wie Rauheit Ra, Rz bzw. tatsächliche (Mikro-)Topografie, Grenzschicht- bzw. Grenzschichtvolumensituation, Oberflächendefinition als Herstellhistorie des Rohres und Kristallisations- bzw. Verankerungsmöglichkeiten in mikrotopografischen Untiefen der Rohroberfläche etc. Morphologischer Oberflächenzustand der medienberührenden Edelstahloberfläche betreffend Reinheit, kristallinem Zustand der Edelstahloberfläche. 1.5 Adsorptions- und Desorptionsverhalten Die Hochvakuumtechnik unter Verwendung von entsprechenden Rezipienten (Vakuumbehältern) erfordert hinsichtlich dem Ad-/Desorptionsverhalten der betreffenden Edelstahloberflächen eine intensive Parameterprüfung gemäß: Oberflächenverunreinigung mit flüchtigen Substanzen mikrotopografisch geschlossene und dichte Edelstahloberflächen ohne lokale Untiefen -bzw. singuläre Oberflächenbereiche entgaste Edelstahloberflächen morphologisch reine und kristalline Edelstahloberflächen. 1.6 Nachgasungsverhalten Anlagensysteme der Hochvakuumtechnik, wie Rezipienten, Rohrsysteme etc., erfordern im Hinblick auf das Phänomen des Nachgasungsverhaltens von Werkstoffoberflächen bzw. oberflächennaher Schichten eine gesicherte Parameterprüfung betreffend mikrotopografisch geschlossener bzw. dichter und gasarmer Oberflächen(- schichten) ohne lokale Untiefen morphologisch reine und kristalline Edelstahloberflächen. 3

4 1.7 Oberflächenausbildung Die Darstellung der funktionsrelevanten Zusammenhänge bezüglich der Edelstahloberfläche in der Bio-/Pharmatechnik (Bild 2) berücksichtigt die ablaufenden Prozesse nach verwendeten Medien und Reaktionen Physikalischen Parametern (T, p, t) Kriterien des korrosiven Verhaltens Begriffen der Reinheit und der Pyrogenität Messmöglichkeiten der Anforderungsgrößen Problembereichen der Edelstahloberfläche und der Medien Folgen bei Abweichungen Begriffen der Dokumentation Begriffen der Validierung Zufallausschließung und Systematik Relevante Kriterien für Prüfungen sind dabei Konstruktionen (Toträume etc.) Materialentscheidungen finale Oberflächenbehandlungen Prüfkriterien und Prüfmaßnahmen Die Reinstgastechnik in der Chip-Produktion (Bild 3) überprüft bei ablaufenden Prozessen nach Reinstgasqualitäten -inert -reaktiv - Partikel - Feuchte -TOC Messmöglichkeiten und Normierungen der Gasqualität Problembereichen für die Systeme und die Medien Folgen bei Abweichungen Relevante Kriterien für Prüfungen sind dabei Konstruktionen und Materialentscheidungen finale Oberflächenbehandlungen Freispülverhalten und Partikelverhalten Prüfkriterien und Prüfmaßnahmen. 4

5 Die Analysentechnik (Bild 4) z.b. bei der Einstellung von PKW-Motoren (NO x ) überprüft ablaufende Prozesse bezüglich Reinstgasmischungen der Gasmischung -Konzentration -Feuchte -Partikel Messmöglichkeiten der Gasqualitäten und der Rohrmaterialqualitäten Problembereiche für Medien und Rohrsystem Folgen bei Abweichungen. Relevante Kriterien für Prüfungen sind dabei Konstruktionen Materialentscheidungen finale Oberflächenbehandlungen Freispülverhalten und Partikelverhalten Prüfkriterien und Prüfmaßnahmen In der Hochvakuumtechnik werden (Bild 5) ablaufende Prozesse hinsichtlich Hochvakuumkonstanz bei bar notwendige Pumpzeiten Messmöglichkeiten der Oberflächeneinflüsse Problembereiche für Prozess und Anlagensystem Folgen bei Abweichungen überprüft. Relevante Kriterien für Prüfungen sind dabei Ausgangsmedien / Auspumpmedien Konstruktionen Materialentscheidungen finale Oberflächenzustände Vakuumstabilität Prüfkriterien und Prüfmaßnahmen. 5

6 Die beispielhafte Zusammenstellung zeigt, dass das allen gemeinsame Kriterium als wesentliche funktionale Größe der Oberflächenzustand ist. In diesem Zusammenhang erhebt sich die Frage nach der Definition der Oberfläche, wobei man rasch zu der Erkenntnis gelangt, dass aufgrund der Vielzahl der einzelnen Anforderungskriterien eine einfache Formulierung der Oberflächendefinition nicht möglich ist. Die Orientierung der Oberflächenqualität an der jeweiligen Funktionalität für jeden einzelnen Anwendungsfall aus der Praxis führt rasch zu einer Vielzahl von Oberflächeneigenschaftsgesichtspunkten, die im Hinblick auf Topografie, Morphologie und Energieniveau bzw. Ladungszustand unterschieden werden können. Eine detaillierte Erhellung dieser Gesichtspunkte erfolgt meist durch eine Vielzahl von verschiedenen Mess- oder Prüfverfahren, sodass in der Gesamtheit letztlich eine gesammelte Aussagefähigkeit für eine bestimmte Oberflächenbeschreibung möglich wird. In diesem Zusammenhang ist für die Definition einer Oberfläche auch von Bedeutung, die Herstellhistorie der Oberfläche im Rahmen einer Arbeitsreihenfolgebeschreibung zu definieren bzw. zur Beurteilung der Oberfläche möglichst exakt zu kennen. Die funktionale Oberfläche eines Bauteils ist also als eine integrale Oberflächeneigenschaft zu verstehen, die es erlaubt, das meist komplexe Betriebsverhalten in der Praxis optimal zu gestalten. 6