Interkristalline Korrosion: Ursachen, Erkennung und Präventionsstrategien

Es gibt viele Arten von Korrosionsschäden, wie gleichmäßige Korrosion und Lochfraß, die man mit bloßem Auge gut erkennen kann. Einige Korrosionsschäden sind jedoch nicht sichtbar, beeinträchtigen aber dennoch die Integrität von Strukturen oder Anlagen. Dieser Artikel beleuchtet eine der weniger sichtbaren Korrosionsarten – die interkristalline Korrosion (IK) – mit dem Ziel, ein tieferes Verständnis dafür zu entwickeln, wie sie entsteht, welche Werkstoffe betroffen sind, in welchen Branchen sie typischerweise auftritt und wie man sie erkennt und bekämpft.

Was ist interkristalline Korrosion (IK)?

Interkristalline Korrosion (IK), manchmal auch als interkristalliner Angriff (IGA) bezeichnet, ist eine bevorzugte oder lokale Korrosion, die entlang der Korngrenzen (Kristallgrenzen) oder unmittelbar angrenzend zu diesen verläuft. Im Gegensatz dazu bleiben die meisten Körner weitgehend unbeeinflusst.

Obwohl der Metallverlust minimal ist, kann IK zum katastrophalen Versagen von Anlagen führen. IK ist eine häufige Angriffsform auf Legierungen in korrosiven Medien, die zu Festigkeits- und Duktilitätsverlust führt. Man sollte IK nicht mit Spannungsrißkorrosion (SRK) verwechseln. SRK erfordert Spannungen (Eigen- oder Betriebslasten), die kontinuierlich oder zyklisch in einer korrosiven Umgebung wirken und Risse entlang eines interkristallinen Pfads erzeugen.

Abbildung 1. Interkristalliner Korrosionsangriff in austenitisch kaltgewalztem Edelstahlblech. (Quelle: Antkyr, Creative Commons ShareAlike 3.0 Unported (CC BY-SA 3.0).)

Wie entsteht interkristalline Korrosion (IK)?

Die lokalisierte Korrosion an den Korngrenzen wird durch die anodische Auflösung von Bereichen verursacht, die durch Legierungselemente, Ausscheidungen zweiter Phasen oder Bereiche mit isolierten Legierungs- oder Verunreinigungselementen geschwächt sind. Der verbleibende Teil der exponierten Oberfläche fungiert typischerweise als Kathode, und große kathodische Bereiche unterstützen den anodischen Auflösungsprozess.

Das Kathode-Anode-Verhältnis ist im Allgemeinen größer als eins. Es hängt von Faktoren ab wie dem Volumenanteil und der Verteilung elektrochemisch aktiver Phasen, der Verteilung schädlicher Legierungs- und Verunreinigungselemente sowie der Korngröße.

Die Korrosionsrate hängt vom dominierenden Korrosionsmechanismus ab, und Faktoren wie die Diffusion von Spezies zum oder vom anodischen Front können die Auflösungsgeschwindigkeit bestimmen. Ein signifikantes Merkmal der IK ist die Entwicklung einer relativ homogenen und gleichmäßigen Angriffs tiefe. Die Auflösung der Korngrenzen führt zum Ausbrechen der Körner, oft als „Kornausfall“ bezeichnet. Kornausfall ist für den größten Teil des Gewichtsverlusts nach IK-Exposition verantwortlich, weshalb die Korrosionsraten um mehrere Größenordnungen höher sein können als bei allgemeiner Korrosion.

Abbildung 2. Ein Edelstahl, der in der Nähe der wärmebeeinflussten Zone (WEZ) einer Schweißnaht korrodierte. (Quelle: NASA Corrosion Engineering Laboratory.)

Werkstoffe, die häufig von interkristalliner Korrosion betroffen sind

Interkristalliner Korrosionsangriff tritt hauptsächlich bei bestimmten Edelstahlsorten auf, weniger bei unlegiertem Stahl. (Weiterführende Lektüre: Warum Edelstahl korrosionsbeständig ist.) Die folgenden Werkstoffe sind jedoch nicht von IK-Angriffen ausgeschlossen:

• Unstabilisierte austenitische Edelstahlgüten 304 und 316, die in Chemieanlagen eingesetzt werden, sind im angesäuerten Zustand anfällig für IK-Angriff. Die Ansäuerung wird durch die Ausscheidung von Chromkarbid an den Korngrenzen in einer Zone verursacht, die an Schweißnähte angrenzt, wo die Temperatur zwischen 500–800 °C (932–1472 °F) lag. (Mehr dazu: Wie Heißbrüchigkeit und Schweißen die Korrosion in Metallen beeinflussen.)
• Nickel-Kupfer-Legierungen (Legierung 400, UNS N04400) sind anfällig für IK-Angriff bei Exposition gegenüber bestimmten Fluorwasserstoffsäure- und Chromsäurelösungen.
• IK-Angriff kann in Nickel-Molybdän-Legierungen (Legierung B, UNS N10001) auftreten, die heißer Salzsäure und Schwefelsäure ausgesetzt sind, aufgrund der Ausscheidung molybdänreicher Bestandteile.
• Nickel-Chrom-Legierungen wie Legierung 600 sind anfällig für IK-Angriff. Daher sind sie nicht für den Einsatz in korrosiven Umgebungen vorgesehen.
• Aluminiumlegierungen 2024 und 7075 sind anfällig für IK-Angriff, da CuAl₂ an den Korngrenzen ausfällt und als Kathode wirkt, was die der Korngrenze angrenzende entleerte Zone beschleunigt. Zusätzlich sind Aluminiumlegierungen 5083 und 7030 anfällig für IK-Angriff.
• Reines Zink (Zn) ist nicht anfällig für IK. Allerdings können Aluminium als Legierungselement oder Verunreinigungen in der Zinklegierung einen IK-Angriff verursachen.

Interkristalliner Angriff an austenitischen Edelstählen

Bei austenitischen Edelstählen resultiert der interkristalline Angriff meist aus der Ausscheidung von Chromkarbid (Cr₂₃C₆) an den Korngrenzen, was eine schmale Zone der Chromverarmung an der Korngrenze erzeugt. Dieser Zustand wird als Ansäuerung bezeichnet (Abbildung 3). Die Ansäuerung beinhaltet die Ausscheidung von Chromkarbiden an den Korngrenzen, was zu einer schmalen Zone der Chromverarmung an der Korngrenze führt.

Abbildung 3.

Da Chrom das primäre Legierungselement ist, das Edelstahl korrosionsbeständig macht, sind die chromverarmten Bereiche anfällig für bevorzugten Korrosionsangriff. Man nimmt an, dass dies geschieht, weil der Chromgehalt unmittelbar angrenzend an das Karbid unter den für die Edelstahllegierung erforderlichen Wert fallen kann. Bilden die Karbide ein kontinuierliches Netzwerk an der Korngrenze, kann Korrosion eine Trennung oder Lücke an der Grenze und möglichen Kornausfall oder -verlust erzeugen.

Methoden zur Erkennung interkristalliner Korrosion

Da IK meist entlang der Korngrenzen verläuft, ist sie mit bloßem Auge oder anderen zerstörungsfreien Prüfverfahren schwer zu erkennen. Das Material kann jedoch vor der Fertigung der Anlage auf Beständigkeit gegen IK mit spezifischen Labormethoden geprüft werden, wie dem Huey-Test (mit Salpetersäurelösung) oder dem Strauss-Test zur Identifikation der Empfindlichkeit von Edelstahl gegenüber interkristalliner Korrosion. Auch der Streicher-Test kann verwendet werden, der auf einer quantitativen Gewichtsverlustbestimmung basiert. Zudem können IK-Risse sichtbar gemacht werden, wenn eine Probe aus dem Ausfallbereich metallografisch präpariert und unter einem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht wird.

Minderungsmethoden zur Verhütung von IK-Angriff an austenitischen Nickel-Chrom-Edelstählen

Richtiges Glühen und Abschrecken in der Fertigungswerkstatt oder im Walzwerk verringert die Empfindlichkeit von Edelstahl und nickelreichen Chrom-Legierungen gegenüber IK. Wenn diese Behandlungen erfolgreich durchgeführt werden, bleiben gelöste Chromkarbide, Nitride und Molybdänkarbide sowie ihre Vorstufen während des Abschreckens in Lösung.

Bei ferritischen Edelstählen (AISI Typ 430, Typ 446) ist die Diffusionsrate von Kohlenstoff so hoch, dass die Ausscheidung von Chromkarbiden selbst durch schnelles Wasserabschrecken nach hochtemperiertem Glühen nicht verhindert werden kann. Die Diffusionsrate von Chrom in diesen Legierungen ist jedoch ebenfalls hoch. Es ist möglich, die chromverarmten Zonen um die Chromkarbid-Ausscheidungen herum durch Wärmebehandlungen bei ca. 816 °C (1500 °F) wiederherzustellen. Das Ergebnis ist ein Gefüge, das umfangreiche Karbidreste enthält, die immun gegen IK sind.

Abbildung 4. Wärmebehandlung von Rohrleitungsschweißnähten zur Verhütung interkristalliner Korrosion. (Quelle: Berkut34 | Dreamstime.com)

Bei der Schweißung von Edelstahllegierungen kann die Bildung von Chromkarbiden und -nitriden in vielen Fällen durch Reduzierung des Kohlenstoff- und Stickstoffgehalts verhindert werden. Die Einführung des Argon-Sauerstoff-Entkohlerungsverfahrens, Vakuumschmelzens und Verbraucherelektroden-Umschmelzens hat die Verhinderung der Chromkarbid- und Nitridbildung in den Legierungen AISI Typ 304L, Typ 316L, Legierungen C-276 und C-4 sowie Fe-29%Cr-4%Mo stark beeinflusst.

Die Bildung von Chromkarbiden in Edelstahl kann durch Zugabe der Elemente Titan (Ti) oder Niob (Nb) verhindert werden. (Weiterführende Lektüre: Die Rolle von Chrom bei interkristalliner Korrosion.) Diese Elemente verbinden sich mit Kohlenstoff und senken dessen Konzentration so, dass Chromkarbide während der Exposition im ansäuernden Temperaturbereich beim Schweißen und Spannungsarmglühen und sogar unter Betriebsbedingungen nicht gebildet werden. Dies sind die sogenannten stabilisierten Legierungen: AISI Typ 321 (Ti), AISI Typ 347 (Nb), Legierung 20Cb-3 (Nb), Legierung 625 (Nb) und Legierung 825 (Ti).

Verschiedene Schweißnahtabmessungen und andere Schweißtechniken (wie geringere Wärmeeinbringung) können den Grad der Ansäuerung verringern. Es ist jedoch nicht einfach, eine definitive Kontrolle aufrechtzuerhalten, um diesen Ansatz allgemein anwendbar zu machen.

Branchen, die häufig von interkristalliner Korrosion betroffen sind

IK kann an jeder aus austenitischem Edelstahl, Nickel-Kupfer-Legierung, Nickel-Molybdän-Legierung, Nickel-Chrom-Legierung, Aluminiumlegierung und Zinklegierung gefertigten Ausrüstung in jeder Branche auftreten, wenn die richtigen Bedingungen vorliegen. Das bedeutet, wenn das Material keine ordnungsgemäße Wärmebehandlung durchlaufen hat und einen höheren Kohlenstoffgehalt (C > 0,03 %) aufweist, ist es anfällig.

Interkristalline Korrosion kann in den meisten Prozessanlagen zum katastrophalen Versagen führen, wenn beim Fertigungsstadium nicht das richtige Material und die richtige Wärmebehandlung verwendet wurden. Der Verlust von Wanddicke und die Einführung von Rissen können schwerwiegende Folgen für Anwendungen wie Druckbehälter haben.