Korrosion und Korrosionsschutz

Transkript

1 1 0. Einführung 1. Grundlagen der Korrosion 2. Grundlagen des Korrosionsschutzes 3. Grundlagen des Verzinkens 4. Nichtrostende Stähle HWK Schwerin

2 0. Einführung 2 Literaturempfehlungen: E. Wendler-Kalsch und H. Gräfen: Korrosionsschadenskunde, Springer-Verlag K.H. Tostmann: Korrosion, Wiley-VCH-Verlag

3 0. Einführung Heißgaskorrosion in einem Abgasrohr einer PkW - Standheizung 3 HWK Schwerin

4 0. Einführung Korrosion in einem Kühlsystem 4 HWK Schwerin

5 0. Einführung Korrosion in einem Küchenkessel Kesseloberteil:1.4301(X 5CrNi18-10) 5 Unten: (X2CrNiMo )

6 0. Einführung Korrosion in einem Küchenkessel 6 innen aussen

7 0. Einführung Korrosion in einem Küchenkessel 7 austenitisches Gefüge mit Sp-Risskorrosion und IKK

8 Zu 1. Überblick über die wichtigsten werkstoffschädigen Einflußfaktoren 8 Nach Art der werkstoffzerstörenden Einflüsse unterscheidet man: mechanische, chemische und elektrochemische Abnutzung und mechanische und/ oder thermische Überbeanspruchung Werkstoffschädigung Abnutzung Überbeanspruchung chemische elektrochemische mechanische Chemikalienunbeständigkeit Erosion Korrosion Kavitation Verschleiß

9 Zu 1. Begriffsbestimmung: 9 Erosion: Kavitation: Verschleiß: Mechanische Oberflächenabtragung (z.b. durch Sandpartikel in Flüssigkeiten, die durch ein Rohr strömen, DIN EN ISO 8044 ehemals DIN 50900) Mechanischer Angriff von Oberflächen durch implodierende Blasen von Flüssigkeiten, die sich in schnell strömenden Flüssigkeiten nach plötzlichen Druckerniedrigungen unter den Dampfdruck des Mediums bilden können (DINEN 8044). Fortschreitender Materialverlust aus der Oberfläche eines Festkörpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h. Kontakt und Relativbewegung eines Gegenkörpers (DIN EN 8044).

10 Zu 1. Grundlagen der Korrosion der Metalle elektrochem. Spannungsreihe 10 Metalle und Legierungen können bei Kontakt mit anderen Metallen oder bei Inhomogenitäten im eigenen Gefüge und Vorhandensein eines Elektrolyten (z.b. Regenwasser) als positiv geladene Ionen in Lösung gehen, das heißt sich auflösen. Das Bestreben eines Metalls, in Lösung zu gehen, hängt von seiner Stellung in der elektrochemischen Spannungsreihe ab. Sie ordnet die Elemente nach abnehmender Stärke des Lösungsbestrebens. Ausschnitt aus der Spannungsreihe : Elektrode/ Metall/ Ion Normalelektrodenpotential rod tial (V) Mg / Mg 2+ -2,37 Al / Al 3+ -1,66 unedler Zn / Zn 2+ -0,76 Fe / Fe 2+ -0,44 Sn / Sn 2+ -0,14 Pb / Pb 2+ -0,12 H 2/ H + o Cu / Cu 2+ Ag / Ag + + 0,34 +0,8 edler Bemerkungen Lösungsbestreben nimmt zu, unedle Metalle Vergleichselektrode ele edle Metalle

11 Zu 1. Grundlagen der Korrosion der Metalle - Wasserstoffkorrosion 11 Die Metalle, die ein negatives Normalpotential gegenüber Wasserstoff aufweisen, werden von verdünnten Säuren unter Wasserstoffentwicklung aufgelöst (Beizen). Teilreaktionen: Wasserstoffkorossion 1) Me Me e- (Me Metall, H Wasserstoff in Säuren 2) 2H+ + 2e- H 2 e- Elektronen) Unter Korrosion versteht die EN ISO 8044 : Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann. In den meisten Fällen ist diese Reaktion elektrochemischer Natur, in einigen Fällen kann sie jedoch auch chemischer oder physikalischer Natur sein. HWK Schwerin

12 Zu 1. Grundlagen der Korrosion der Metalle - Rosten 12 Das Rosten des Stahls ist eine elektrochemische Reaktion, wobei die Luftfeuchtigkeit oder das Regenwasser die Elektrolyten sind und der Stahl die Elektrode. Der Stahl löst sich auf, das heißt, es bilden sich an seiner Oberfläche rot-braune Oxidschichten. Nach folgender vereinfachter Reaktion läuft das Rosten ab: 4Fe + 2H 2 O (Fe Eisen) 4Fe00H (Rost)

13 Zu 1. Grundlagen der Korrosion der Metalle - Rosten 13 Rosten des Eisens unter einem Wassertropfen

14 Zu 1. Grundlagen der elektrol. Korrosion der Metalle 3 grundlegende Voraussetzungen 14

15 Zu 1. Grundlagen der Korrosion der Metalle - Geschwindigkeit 15 So treten z.b. größere Korrosionsverluste an Stahlbauten in Industrienähe (z.b. chemische Industrie) und Meeresnähe auf. In der BRD treten jährlich Korrosionsverluste in Höhe von ca. 30 Mrd. (Schätzung aus 2003) auf! Korrosionsgeschwindigkeit in verschiedenen Atmosphären Mittel- und Westeuropas

16 Zu 1. Grundlagen der Korrosion der Metalle - Verzundern 16 Das Verzundern des Stahls in Heizkesseln, die bei höheren Temperaturen arbeiten, ist z.b. eine chemische Korrosion. Oxidformen des Eisens in einer Zunderschicht

17 Zu 1. Grundlagen der Korrosion der Metalle - Arten 17 Die Korrosion der Oberflächen kann: - gleichmäßig sein, - in Form von Löchern und Mulden, - an Spalten oder an - Kontaktstellen zu anderen Metallen auftreten. Die Stärke der Korrosion hängt von verschiedenen Faktoren ab : - Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Spannung - Anwesenheit von Schadstoffen in der Luft (Chloride, Salze, Schwefeldioxid usw.) - Niederschlagswasser, insb. mit Salzen usw.

18 Zu 1. Grundlagen der Korrosion - Korrosionsverhalten der metallischen Werkstoffe 18 Deshalb wichtig: Korosionsschutz!

19 Zu 1) Beispiel: Korrosion an Befestigungselementen für Balkonverkleidungen aus Al- Legierung mit Kupfer 19 Es handelt sich bei dem Werkstoff der Bolzenkappen um eine Legierung EN AW 2007 vom Typ AlCuMgPb, Werkstoff-Nr

20 Zu 1) Beispiel: Korrosion an Befestigungselementen für Balkonverkleidungen aus Al- Legierung mit Kupfer 20 Schichtkorrosion (Aufblättern des Teiles) infolge ungeeigneter Werkstoffauswahl

21 2. Korrosionsschutz - Übersicht Alle Methoden, Maßnahmen und Verfahren mit dem Ziel, Korrosionsschäden zu vermeiden, werden als Korrosionsschutz bezeichnet. Korrosionsschutz 21 Aktiver Korrosionsschutz Vermeidung der Korrosion Passiver Korrosionsschutz Fernhalten angreifender Stoffe von der Stahloberfläche Korrosionsschutzplanung Zweckmäßige Gestaltung der Konstruktion Zweckmäßige Wahl der Werkstoffe Eingreifen in den Korrosionsvorgang Künstliche Deck- und Schutzschichten Metallische Überzüge und Organische Beschichtungen Entfernung angreifender Stoffe Beeinflussung angreifender Stoffe Eingriff in den elektrochemischen Vorgang

22 Zu 2. Korrosionsschutz - Übersicht 22 Methoden, Maßnahmen und Verfahren des Korrosionsschutzes: Man unterscheidet aktive und passive Korrosionsschutzmaßnahmen. Als aktiven Korrosionsschutz bezeichnet man beispielsweise den Einsatz legierter, nichtrostender Stähle (z.b. V2A-Stähle) z.b. als Drahtseile auf Segelschiffen, als Geländer in Schwimmbecken, als Fahrstuhlverkleidungen etc.. Alle Verfahren der Oberflächenbeschichtung (z.b. das Verzinken), gehören zu den passiven Korrosionsschutzmaßnahmen.

23 Zu 2. Korrosionsschutz korrosionsschutzgerechtes Konstruieren aktive KS-Maßnahme 23 Korrosionsschutzgerechte Konstruktion: Aus technologischen Gründen, z.b. Festigkeits- oder Kostengründen ist durch korrosionsverhindernde Maßnahmen ein vorgegebener Werkstoff zu schützen, z.b. durch: Isolierzwischenschichten bei unterschiedlichen Werkstoffen. Vermeidung von Spalten (Schweißen statt Schrauben). Glatte Oberflächen durch Polieren. Abbau von Spannungsspitzen durch Vermeidung von scharfkantigen Kerben oder schroffen Querschnittsübergängen.

24 Zu 2. Korrosionsschutz - aktiver Korrosionsschutz Verminderung der Agressivität: si 24 In vielen Fällen wirkt der umgebene Stoff nicht insgesamt korrosiv, sondern nur einzelne Bestandteile der Umgebung, wie z.b. die Feuchtigkeit in der Luft oder Säureionen im Kühlschmierstoff. Durch Wegnahme der korrosiven Stoffe aus dem umgebenden Medium kann die Korrosion wesentlich vermindert oder ganz ausgeschaltet werden, was teilweise auf einfache Weise möglich ist. Beispiele: Kühlschmierstoffen werden Inhibitoren beigemischt, welche eingeschleppte agressive Bestandteile wie z.b. Salz- oder Säureionen binden. Werkstücke, die ins Lager kommen, werden durch Tauchen mit einer dünnen Lage aus Petrowachs, Lanolin oder Klarlack, überzogen. Dieser Schutz hält bei trockener Lagerung einige Monate.

25 Zu 2. Korrosionsschutz - aktiver kathodischer Korrosionsschutz 25 Kathodischer Korrosionsschutz mit Opferanode: Beim kathodischen Korrosionsschutz mit Opferanoden wird das zu schützende Bauteil z.b. im Erdboden leitend mit Magnesiumplatten verbunden. Mit der Bodenfeuchtigkeit als Elektrolyt entsteht ein galvanisches Element, wobei die unedleren Magnesiumplatten sich auflösen. Das Bauteil ist dadurch Kathode und somit geschützt. Kathodischer Korrosionsschutz mit Fremdstromanode: Beim kathodischen Korrosionsschutz mit Fremdstromanoden ist das Bauteil als positive Kathode an eine Batterie angeschlossen, während Graphitanoden am negativen Pol hängen. Das Bauteil ist dadurch Kathode und somit gegen Korrosion geschützt.

26 Zu 2. Korrosionsschutz Überblick passiver Korrosionsschutz 26 Feuerverzinkschichten

27 Zu 2. Korrosionsschutz - passiver Korrosionsschutz 27 Korrosions-Schutzschichten auf Eisen- Werkstoffen: Der passive Korrosionschutz durch Aufbringen eines dünnen Films oder einer Schutzschicht auf das Bauteil wird bei unlegierten und niedrig legierten Stählen sowie Eisen- Gußwerkstoffen eingesetzt. Je nach der angestrebten Schutzdauer, den geforderten Eigenschaften der geschützen Werkstückoberfläche und den angreifenden Stoffen kommen unterschiedliche Beschichtungen zum Einsatz. Korrosionsschutz blanker Stahlteile: Blanke, geschliffene oder polierte Oberflächen von Gleitbahnen, Spindeln, Zahnrädern, Wälzlagerringen oder Meßzeugen werden durch Einölen oder Einfetten mit einem Korrosionsschutzöl bzw. Korrosionsschutzfett temporär vor Korrosion geschützt.

28 Zu 2. Korrosionsschutz - passiver Korrosionsschutz 28 Korrosionsschutz durch chemische Oberflächenbehandlung: Hierbei wird das Werkstück in ein Behandlungsbad eingetaucht, es bildet sich durch chemische Reaktion eine fest mit dem Werkstoff verwachsene, mikroporige Reaktionsschicht von wenigen µm Dicke. Dies geschieht je nach Werkstoff durch z.b.: Brünieren und Phosphatieren. Durch anschließendes Einölen mit Korrosionsschutzöl werden die Poren geschlossen und der Werkstoff ist mit einem wasserabweisenden Schutzfilm versehen.

29 29 Zu 2. Korrosionsschutz - passiver Korrosionsschutz Korrosionsschutz durch chemische Oberflächenbehandlung: Beim Brünieren entstehen durch Tauchen in heiße Salzbäder tiefschwarze Eisenoxidschichten, die anschließend eingeölt werden. Zum Phosphatieren wird in heiße Metallphosphatlösungen getaucht. Die Phosphatschichten eignen sich neben dem direkten Korrosionsschutz als korrosionsmindernder Haftgrund für Anstriche. Brünieren und Phosphatieren bieten für Teile, die in der Werkstatt und im Fertigungsbetrieb verwendet werden, einen ausreichenden Korrosionsschutz, für einen dauerhaften Schutz im Freien sind sie ungeeignet.

30 Zu 2. Korrosionsschutz - passiver Korrosionsschutz 30 Bedingungen, die an Korrosionsschutzschichten gestellt werden : Porenfreiheit gute Haftung am Grundwerkstoff Beständigkeit gegenüber äußeren mechanischen Beanspruchungen Korrosionsbeständigkeit Duktilität Die Qualität von Korrosionsschutzschichten hängt sehr stark von der Vorbehandlung (z.b. Strahlen, Beizen) der zu schützenden Oberflächen ab!

31 31 3. Korrosionsschutz durch Verzinken Der spezielle Schutz von verzinkten Oberflächen basiert darauf, dass a) eine festhaftende Schicht, die die Oberfläche schützt gebildet wird (Schutzschicht) und b) bei Verletzung dieser Schicht, trotzdem ein Schutz gegeben ist dadurch, dass dann die Zn-Schicht als unedlerer Partner langsam abkorrodiert! Dies gewährleistet einen doppelten Korrosionsschutz!

32 Zu 3. Korrosionsschutz durch Verzinken 32 Die langjährige Schutzwirkung der Schichten hängt auch von ihrer Dicke ab. Die nachfolgende Tabelle zeigt, daß die Zinkschichtdicken der Teile ihrem zukünftigen Einsatzort angemessen sein müssen. D.h. dort, wo eine hohe Korrosionsbelastung auftritt, müssen höhere Zinkschichtdicken gewährleistet werden! Typische Schutzdauern bis zur ersten Instandsetzung von Feuerverzinkungen 2: Schutzdauer bis zur ersten Instandhaltung in Jahren 1: Schichtdicke in m

33 Zu 3. Korrosionsschutz durch Verzinken 33 Korrosivitätskategorien, Korrosionsbelastung und Korrosionsraten zu Folie 28!

34 34 Zu 3. Korrosionsschutz durch Verzinken Einwandfreie Zinküberzüge durch Feuerverzinken: Beim Tauchen der Teile in das Zinkbad bilden sich in der Regel dichte Eisen-Zink-Legierungsschichten. Beim Herausziehen aus dem Bad legt sich auf diese Legierungsschicht eine dünne reine Zn-Schicht, die erstarrt. Während des Abkühlens wächst die Legierungsschicht weiter in die Zinkschicht hinein, so dass diese dünner wird. Einwandfreie Zinküberzüge sind zusammenhängende Überzüge, die frei von Fehlstellen sind, welche die Verwendbarkeit der feuerverzinkten Teile beeinträchtigen.

35 Zu 3. Korrosionsschutz durch Feuerverzinken Zinkschichtaufbau : 35 Reinzink-Schicht Fe-Zn-Legierungsschicht em Verzinkungsteil V=200:1

36 Zu 3. Korrosionsschutz durch Verzinken 37 ungünstige Si, P-Verhältnisse im Verzinkungsteil Besonders der Siliziumgehalt kann durch den Besteller spezifiziert werden, um Verzinkungsfehlern vorzubeugen! Si-Gehalte > 0,03...0,12 % sowie größer 0,22 % sind wegen Ihres starken Anwachsens und der größeren Lockerheit, der höheren Spannungen sowie der fehlenden, reinen Zinkoberfläche wesentlich ungünstiger als Stähle mit einem Si-Gehalt zwischen 0,12 und 0,22 %. So beinhaltet die Norm DIN EN 10025, T. 2 von 2004 keine Forderung hinsichtlich des Si- Gehaltes in Stählen der Güte: S235 und S275. Stähle der Güte S355 sowie S450 dürfen max. 0,6 % Silizium enthalten, was für ein Feuerverzinken sehr ungünstig wäre!

37 38 Zu 3. Korrosionsschutz durch Verzinken Aussehen der Zinkschichten : Zinkschichten, die außen aus fast reinem Zink bestehen, weisen einen gleichmäßigen, hellen Glanz auf. Zinkschichten, die nach außen durchgewachsene Fe-Zn- Legierungsschichten aufweisen, sehen grau, manchmal auch bräunlich aus.

38 39 Zu 3. Fehlererscheinungen beim Feuerverzinken Erscheinungen an feuerverzinkten Teilen können : - deren Gebrauchswert gar nicht, - unbedeutend oder - erheblich herabsetzen. Die Ursachen für Fehler sind unterschiedlicher Art.

39 Zu 3. Fehler: Verfärbungen : Verfärbungen sind Stellen, deren Glanz- und Farbton vom übrigen Aussehen des Zinküberzuges abweichen. 40 flächenhafte Verfärbung Entstehung : Zn-Schmelze enthält Spuren fremder Elemente (Cu, Mn, Sb), die dünne Oxidhäutchen an der verzinkten Oberfläche bilden. Abhilfe : Zusatz von Feinzink zum Verzinkungsbad, um die Gehalte dieser Elemente zu minimieren.

40 Zu 3. Fehler: Lochkorrosion : Lochkorrosion ist eine punktförmige begrenzte Korrosion, die bis zum Stahluntergrund fortschreiten kann. Sie markiert sich als rostbraun verfärbte Löcher im Zn-Überzug. Entstehung : Wenn aggressive feste Stoffe auf den Zn- Überzug gelangen (z.b. Streusalze) und zuvor die frische Zinkschicht noch keine schützende Zn-Carbonatschicht ausbilden konnte. 41 Lochkorrosion auf Leitplanke Abhilfe : keinen Kontakt mit festen aggressiven Stoffen + Luftfeuchtigkeit zulassen, Teile nach dem Verzinken eine gewisse Zeit im Trocknen lagern!

41 Zu 3. Fehler: Weißrost : 42 Weißrost auf Leitplanke Weißrost ist weißer bis hellgrauer voluminöser Belag auf feuerverzinkten Teilen, deren Schutzschicht i.w. aus basischen Zinkoxiden und Hydroxiden besteht. Bei starker Weißrostbildung können auch braune Fe-Hydroxide mitbeteiligt sein. Entstehung : Bildet sich beim Lagern frisch verzinkter Teile an feuchter Atmosphäre, bevor die schützende Zn-Carbonatschicht entstehen konnte. Dank Säure- und Salzgehalten in der Feuchtigkeit wird die Weißrostbildung verstärkt. Durch letztere kann auch bei älteren verzinkten Teilen Weißrost Abhilfe: entstehen, da durch sie die Schutzschicht durchbrochen wird. trockenes und gut belüftetes Lagern, kein Kontakt mit Salzen

42 44 Zu 3. Die Norm DIN 1461 Durch Feuerverzinken auf Stahl aufgebrachte Zinküberzüge Anwendungsbereich der Norm: Zinkschmelze mit mindestens 98% Zink Begleitelemente <1,5% (außer Fe, Sn) Prüfung: Sichtprüfung bei einer Teilezahl von 1-3: 100% Sichtprüfung bei einer Teilezahl von 4-500: 3 Stck (usw. lt.tabelle) Schichtdickenprüfung vor Auslieferung (magnetisch o.a.)

43 4. Nichtrostende Stähle aktiver KS durch Veränderung der metallischen Matrix 45 Als nichtrostend bezeichnet man Stahlsorten, die an Luft und in neutralen Wässern keine Rostung zeigen. Durch Zulegieren von mindestens 12,5 % Chrom (Cr) wird ein Stahl passiv, d.h. er rostet unter den o.g. Bedingungen nicht. Nichtrostende Stähle werden nach der DIN EN in vier Gruppen unterteilt (Kriterium: Gefügezustand): a) ferritische b) austenitische c) austenitisch-ferritische und d) martensitische

44 zu 4. Nichtrostende Stähle austenitische Stähle 46 Die technisch bedeutendste Gruppe der austenitischen Stähle ist die der Cr- Ni-Stähle. Diese Gruppe wurde in den 30iger-Jahren des 20.Jhdt. besonders erforscht. Versuchsserien V2A, V4A der Krupp-Werke werden noch heute für die 18-10Cr-Ni-Stählen bzw Cr-Ni-Mo-Stähle als Kurzbezeichnung unter Fachleuten verwendet. Diese Stähle sind nichtrostend und oft auch unmagnetisch (paramagnetisch) sowie gut verarbeitbar. Ihr Preis liegt jedoch erheblich über dem der unlegierten Baustähle.

45 zu 4. Nichtrostende Stähle Deckschichtbildner 47 Der natürliche Vorgang von sich auf bestimmten Metallen (Cu, Ti, Cr, Al u.a.) bildenden Deckschichten (= Korrosionsprodukte aus der Reaktion der Oberfläche mit dem umgebenden Medium) hemmt die Transportgeschwindigkeit an den Phasengrenzflächen derart, dass man in vielen Fällen eine Langzeit-Korrosionsbeständigkeit erreicht. Beispiele: Kupfer: grüne Patina (Schutzschicht aus Oxiden und basischen Sulfaten bzw. Carbonaten) Chrom: nicht sichtbare (ca. 2-10nm) oxidische Schutzschicht

46 zu 4. Nichtrostende Stähle Beständigkeit gegen Korrosion 48 Der Oberflächenzustand der als nichtrostend bezeichneten Stähle sowie die Bedingungen bei der Ver- und Bearbeitung und im nachfolgenden Einsatz bewirken eine mehr oder weniger ausgeprägte Beständigkeit gegenüber Korrosion! Korrosionsfördernd wirken: Schmutz und Riefen in der Oberfläche Anlauffarben neben der Schweißnaht Beläge oder Späne anderer Stähle auf der Oberfläche Cl-Ionen etc.

47 zu 4. Nichtrostende Stähle - Arten der selektiven Korrosion an passiven metallischen Werkstoffen 49

48 51 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! HWK Schwerin 2010