Interkristalline Korrosion: Plötzlich matt

(Januar 2019) Nach dem Beizen der Anlauffarben der Schweißnaht zwischen Rohr und angeschweißtem Anschlussstutzen war die Oberfläche des Rohres aufgeraut und matt. Lesen Sie hier mehr über die Ursache dieser Schädigung.

Stahl
Detail eines Bauteils aus nichtrostendem Stahl mit „aufgerauter“ und mit glatter Oberfläche nach dem chemischen Beizen. Fotos: Schuster

Zum Messen von Drücken in Rohrleitungssystemen der pharmazeutischen Industrie wurden durch ein Unternehmen, das auf die Verarbeitung von nichtrostenden Stählen spezialisiert war, besondere Komponenten gefertigt. Dazu wurden an Rohre aus dem Stahl X5CrNi18-10 (Werkstoffnummer 1.4301) nach DIN EN 10 088-1 Anschlussstutzen geschweißt, die aus dem gleichen Werkstoff bestanden. Es wurde das WIG-Schweißen mit einem artgleichen Schweißzusatz (W 19 9 L nach DIN EN ISO 14 343) angewendet. Dabei entstanden verfahrensbedingt im Bereich der Schweißverbindungen leichte Anlauffarben. Die Lieferspezifikation des Auftraggebers lies diese jedoch nicht zu, so dass alle geschweißten Bauteile chemisch gebeizt werden mussten. Dabei veränderte sich die Struktur der Oberfläche des Hauptrohrs deutlich. War sie im Lieferzustand glatt, glänzend und eben, zeigte sie gebeizt ein „aufgerautes“ und mattes Bild - ähnlich einer kugelgestrahlten Fläche. Der Anschlussstutzen mit Überwurfmutter sowie die Wärmeeinflusszone der Schweißverbindung veränderten jedoch auch nach dem Beizen nicht ihr glattes und glänzendes Aussehen.
Da die Firma bereits zahlreiche baugleiche Komponenten hergestellt hatte, bei denen die festgestellte Oberflächenveränderung des Hauptrohres nicht auftrat, wurde angenommen, dass beim Beizprozess Unregelmäßigkeiten aufgetreten sind. Eine genaue Untersuchung aller Prozessparameter sowie der Konzentrationen und Reinheitsgrade der verwendeten Chemikalien ergab jedoch keinerlei Abweichungen. Andere Bauteile, die zur gleichen Zeit mitgebeizt wurden, zeigten keinerlei Auffälligkeiten.

Analysieren Sie die Ursachen

Mikroschliff
Mikroschliff durch die „aufgeraute“ Oberfläche mit interkristallinem Angriff.

Im Rahmen der Ursachenfindung wurde zunächst ein Schwerpunkt auf die chemische Analyse des „aufgerauten“ Werkstoffs gelegt. Wie die Überprüfung der Lieferdokumente des Stahlhändlers ergab, stammten alle geschädigten Rohre aus der gleichen Charge. Die nach ihrer Beizbehandlung nicht oberflächig beeinträchtigten Komponenten konnten dagegen anderen Chargen zugeordnet werden. Somit wurde zunächst angenommen, dass die chemische Zusammensetzung der „aufgerauten“ Rohre nicht den Lieferbedingungen entsprach. Diese Vermutung bestätigte sich nach Vorliegen der spektrometrischen Analyse (OES – optische Emissionsspektrometrie) nicht. Der Werkstoff dieser Bauteile entsprach ohne Einschränkungen der Sorte X5CrNi18-10.
Ein metallographischer Mikroschliff lieferte erste Hinweise auf den Schädigungsmechanismus. Dort wurde deutlich, dass die Oberfläche eine interkristalline Auflösung zeigt. Dabei wurden einerseits bereits zahlreiche Körner herausgelöst und andererseits war ein interkristalliner Riss entstanden, der in den Werkstoff hineinführte.
Dieser interkristalline Angriff der Werkstoffoberfläche konnte ebenfalls unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM) nachgewiesen werden. Das Bild zeigt in diesem Zusammenhang sehr deutlich deren körnige und damit „aufgeraute“ Struktur. Wie zu erkennen ist, sind aus der Oberfläche zahlreiche Körner herausgefallen und alle Korngrenzen mehr oder weniger aufgelöst.

Gehen Sie ins Detail

REM-Aufnahme
REM-Aufnahme der interkristallin angegriffenen Oberfläche (Detail).

Weil das Bauteil chemisch gebeizt wurde und das im Prinzip einem gesteuerten korrosiven Angriff entspricht, lag die Schlussfolgerung nahe, hier nach der möglichen Schädigungsursache zu suchen. Da sich jedoch alle Beizparameter nachweislich in ihren zulässigen Toleranzen bewegten, wurde besonderer Schwerpunkt auf die metallurgischen Besonderheiten des nichtrostenden Stahls X5CrNi18-10 (Werkstoffnummer 1.4301) gelegt. Aus diesem Grund erfolgte die metallographische Betrachtung des Mikrogefüges bei hohen lichtoptischen Vergrößerungen.
Dabei wurde deutlich, dass die Korngrenzen im „aufgerauten“ Rohrwerkstoff mit Ausscheidungen belegt sind. Die energiedispersive Analyse (EDX) der Beläge im Rasterelektronenmikroskop, charakterisierte sie als Chromkarbidausscheidungen. Gleichzeitig zeigte sich, dass es in ihrer unmittelbaren Umgebung zu einer massiven Chromverarmung im Grundwerkstoff gekommen war. So betrugen die Gehalte in einem schmalen Bereich um die Ausscheidungen lediglich nur noch 5,8 Prozent. Damit lagen alle Voraussetzungen für einen Angriff durch interkristalline Korrosion vor. Als „Korrosionsmedium“ wirkte die Beizlösung.

Bestellen Sie lösungsgeglühten Zustand

Mikroschliff durch das noch nicht aufgelöste Gefüge
Mikroschliff durch das noch nicht aufgelöste Gefüge des Grundwerkstoffs mit Korngrenzenbelägen.

Die Analyse hatte ergeben, dass die betroffene Charge des Stahls X5CrNi18-10 ohne Einschränkungen der geforderten Werkstoffsorte entsprach. Jedoch lag diese nicht im bestellten Lieferzustand vor. Aufgrund der Gefährdung von nichtrostenden Stählen mit Kohlenstoffgehalten über 0,03 Prozent durch interkristallinen korrosiven Angriff bei Vorliegen eines geeigneten Elektrolyten (im vorliegenden Fall die Beizlösung), sollten diese grundsätzlich im lösungsgeglühten Zustand (+AT) bestellt werden.
Die Wärmeeinflusszone im „angerauten Rohr“ zeigte keinen interkristallinen Angriff. Sie wurde somit durch die Schweißwärmebehandlung lösungsgeglüht, wodurch die vorhandenen Chromkarbidausscheidungen wieder verschwanden.

Fazit: Beachten Sie den Lieferzustand

Bei nichtrostenden Stählen ist bezüglich ihrer Korrosionsbeständigkeit unbedingt der Lieferzustand zu beachten.
Liegt der Stahl im nicht lösungsgeglühten Zustand vor und ist mit einem Angriff durch interkristalline Korrosion zu rechnen, ist ein Lösungsglühen (1.050 Grad Celsius/Wasser) im Schutzgasofen in Betracht zu ziehen.
Nichtrostende Stähle mit C-Gehalten unterhalb 0,03 Prozent (sogenannte ELC-Güten; englisch: Extra Low Carbon Steels) neigen nicht zum Angriff durch interkristalline Korrosion, da sich aufgrund des geringen Kohlenstoffgehalts nicht ausreichend viele Chromkarbide bilden können, die zu einer Chromverarmung im Bereich der Korngrenzen führen.
Ist mit einer Gefährdung durch interkristalline Korrosion zu rechnen, können neben den ELC-Güten ebenfalls mit Titan oder Niob „stabilisierte“ Stähle ausgewählt werden. Diese sind jedoch nicht mechanisch hochglanzpolierfähig.

Passend zum Thema haben wir für Sie Infos zur interkristallinen Korrosion zusammengestellt.
Zu den Infos

Prof. Dr.-Ing. habil. Jochen Schuster

Letzte Aktualisierung: 04.02.2019