Die Korrosionsbeständigkeit von Präzisionsstahlrohren aus Edelstahl 304 beruht hauptsächlich auf der Zugabe einer bestimmten Chromkonzentration. Sobald der Chromgehalt in der Eisenmatrix einen bestimmten Wert erreicht, steigt das Elektrodenpotenzial des Eisens sprunghaft an. Gleichzeitig bildet Chrom eine dichte Oxidschicht auf der Oberfläche, die vor Korrosion schützt. Aufkohlen ist eine effektive Methode zur Oberflächenhärtung von Präzisionsstahlrohren aus Edelstahl 304, jedoch kann das herkömmliche Aufkohlungsverfahren deren Korrosionsbeständigkeit verringern.
Warum beeinträchtigt die herkömmliche Aufkohlungsbehandlung die Korrosionsbeständigkeit von austenitischen Edelstahlrohren? Dies liegt daran, dass sich Chromatome im Stahlrohr bei hohen Temperaturen leicht mit Kohlenstoffatomen zu Chromcarbid verbinden. Dieses scheidet sich zunächst an den Austenitkorngrenzen der aufgekohlten Schicht ab und bildet ein Netzwerk. Aufgrund des großen Atomradius von Chrom diffundiert dieses nur schwer in die chromarme Oberflächenschicht. Dies führt zu lokalem Chrommangel an der Oberfläche, und die schützende, dichte Cr₂O₃-Oxidschicht des Edelstahls wird beschädigt.
Um die Korrosion von Präzisionsstahlrohren aus Edelstahl 304 durch das Aufkohlen zu verhindern, muss sichergestellt werden, dass sich keine Carbide bilden. Da sich Chromcarbide in einem bestimmten Hochtemperaturbereich bilden, muss das Aufkohlen in einem geeigneten Niedrigtemperaturbereich erfolgen, um die Bildung und Ausscheidung von Carbiden zu vermeiden.
Bei dieser Temperatur können Kohlenstoffatome aufgrund ihres geringen Radius und der Diffusion über den interstitiellen Mechanismus in das Kristallgitter des austenitischen Edelstahls diffundieren und nach dem Aufkohlen eine feste Lösung bilden. Eisen- und Chromatome hingegen besitzen größere Radien und können nur über den Austauschmechanismus diffundieren. Ohne ausreichende Diffusionsaktivierungsenergie können sich Eisen- und Chromatome nicht bewegen. Dadurch wird die Bildung von Chromcarbiden verhindert. Da sich Chromcarbide bei 550 °C bilden, wird die Niedertemperatur-Aufkohlungsbehandlung von Präzisionsstahlrohren aus Edelstahl 304 bei einer Temperatur unter 550 °C durchgeführt, um die Oberflächenfestigkeit und andere Eigenschaften zu verbessern, ohne die ursprüngliche Korrosionsbeständigkeit des Stahlrohrs zu beeinträchtigen.
Die wichtigsten Prozessschritte sind wie folgt: Die Oberfläche des Präzisions-Edelstahlrohrs wird vor der Weiterverarbeitung vorbehandelt. Dieser Vorgang wird als Legierungsoberflächenaktivierung bezeichnet. Bei der Aktivierung wird ein Gasgemisch aus reinem Salzsäure (HCl) und Stickstoff (N₂) zwei Stunden lang bei 250 °C angewendet. HCl entfernt effektiv die Struktur der Chromoxid-Passivierungsschicht auf der Oberfläche des austenitischen Edelstahls. Die Zugabe von N₂ dient dazu, unter Atmosphärendruck eine nicht-oxidierende Atmosphäre zu schaffen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Chromatome in der Matrix nicht weiter oxidieren und sich die Passivierungsschicht nicht neu bildet.
Durch anschließendes Aufkohlen bei 470 °C über 20 Stunden lässt sich eine gehärtete Schicht mit einer Tiefe von etwa 70 µm erzielen. Im Vergleich zum unbehandelten Material weisen mit LTCSS behandelte Rohre aus Edelstahl 316 deutlich verbesserte Eigenschaften auf: Die Oberflächenhärte steigt von ursprünglich 400 HV auf 1000 HV, die Dauerfestigkeit von 200 MPa auf 325 MPa und die Korrosionsbeständigkeit erhöht sich in 0,6 mol/l NaCl-Lösung. Das Lochfraßpotenzial steigt von +140 mV auf +990 mV.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das herkömmliche Aufkohlen die Korrosionsbeständigkeit von Präzisionsstahlrohren aus Edelstahl 304 zerstört. Nach einer Niedertemperatur-Aufkohlungsbehandlung bleibt jedoch nicht nur die ursprüngliche Korrosionsbeständigkeit erhalten, sondern es werden auch die Oberflächenhärte und die Verschleißfestigkeit erheblich verbessert, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Präzisionsstahlrohren aus Edelstahl 304 effektiv erhöht.
Veröffentlichungsdatum: 18. Juni 2024