Was ist korrosionsbeständiger Edelstahl?

Im Umfeld korrosionsbeständiger Edelstähle existieren verschiedene Begriffe wie «nichtrostend, rostfrei, rostbeständig, korrosionsbeständig, Edelstahl Rostfrei, INOX, Chromstahl, ChromNickelstahl, V2A-Stahl, V4A-Stahl» etc., die beim Laien häufig falsche und oft übertriebene Vorstellungen wecken. Alle diese Begriffe werden im Folgenden unter dem Begriff «korrosionsbeständiger Edelstahl» zusammengefasst. Bei den korrosionsbeständigen Edelstählen handelt es sich um Eisenbasis-Legierungen, d.h. sie bestehen mit Ausnahme einiger besonders hoch legierten und korrosionsbeständigen Sorten, zu mindestens 50 % aus Eisen.

Korrosionsbeständiger Edelstahl ist ein Material, das so hergestellt wird, dass es gegen Korrosion resistent ist. Doch was bedeutet das genau und wie funktioniert das? Grundsätzlich sind korrosionsbeständige Edelstähle Eisenlegierungen, die durch gezielte Zugabe verschiedener Legierungselemente wie Chrom, Nickel oder Molybdän erst korrosionsbeständig gemacht werden. Im Wesentlichen ist Chrom dafür verantwortlich, dass ein Stahl korrosionsbeständig wird. Ab einem Chromgehalt von ca. 12 % bildet sich eine dichte, schützende Passivschicht an der Oberfläche, die verhindert, dass aggressive Umgebungseinflüsse den Stahl angreifen können. Das Zulegieren weiterer Elemente erhöht zusätzlich die Beständigkeit. Ein wichtiger Punkt ist hierbei, dass die jeweilige Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls von seiner chemischen Zusammensetzung abhängt. Dies bedeutet, dass nicht jeder Edelstahl automatisch korrosionsbeständig ist. 

• Die Legierungselemente müssen in bestimmten Gehalten vorhanden sein, um eine ausreichende Passivschicht zu bilden. 

• Ein weiterer Faktor ist die Verarbeitung des Materials. Wenn das Material beispielsweise nicht ausreichend gereinigt oder bearbeitet wurde, kann es Stellen geben, an denen die Passivschicht ungenügend oder gar nicht erst gebildet wurde. An diesen Stellen ist das Material anfälliger für Korrosion. 

• Die Umgebung, in der sich das Material befindet, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Korrosionsbeständiger Edelstahl kann in sauberer und trockener Luft nahezu unbegrenzt halten. In aggressiven Umgebungen, wie beispielsweise salzhaltiger Luft oder industriellen Bereichen, ist jedoch eine regelmässige Wartung und Pflege notwendig.

Ein rostfreier Stahl wird dann als rost- oder korrosionsbeständig bezeichnet, wenn er mindestens an feuchter Luft oder in sauerstoffhaltigem, reinem Wasser nicht korrodiert.

Insgesamt ist korrosionsbeständiger Edelstahl ein Material, das bei richtiger Verwendung und Pflege viele Vorteile bietet. Es ist resistent gegen Korrosion und bietet eine lange Lebensdauer, was letztendlich zu Kosteneinsparungen führen kann. 

Was ist Korrosion? 

Korrosion ist definiert als die Reaktion eines metallischen Werkstoffs mit seiner Umgebung, die zu einer messbaren Veränderung des Materials führt und die Funktion des Bauteils beeinträchtigen kann. Vereinfacht ausgedrückt, ist Korrosion die Zerstörung eines metallischen Werkstoffs durch eine elektrochemische Reaktion mit seiner Umgebung. Diese Reaktion tritt auf, wenn der Stahl mit einer korrosiven Umgebung in Kontakt kommt. Bei unlegiertem Stahl reicht reines Wasser, das oft eine gewisse Menge an gelöstem Sauerstoff enthält, um Korrosion zu verursachen.

Ob ein Stahl korrodiert, hängt von Faktoren wie der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffs, der Konzentration der korrosiv wirkenden Stoffe in der Umgebung (Medium), der Temperatur und allfälligen Verunreinigungen im Medium ab. Bereits geringe Schwankungen in Temperatur, Konzentration und Verunreinigungen können unter Umständen zu einer signifikanten Veränderung der Korrosionsgeschwindigkeit führen.

Die Zusammensetzung eines Stahls ist ein wichtiger Faktor, der bestimmt, wie korrosionsbeständig er gegenüber einem bestimmten Medium ist. Edelstähle werden durch das Legieren mit Chrom, Molybdän, Nickel und weiteren Elementen korrosionsbeständiger. Die Anwesenheit dieser Legierungselemente führt zur Bildung einer passiven Oxidschicht auf der Metalloberfläche, die das darunterliegende Metall vor Korrosion schützt. Je höher der Anteil an Legierungselementen wie Chrom, Molybdän und Nickel ist, desto höher ist in der Regel die Korrosionsbeständigkeit.

Die Konzentration der korrosiv wirkenden Stoffe in der Umgebung (Medium) ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, der bestimmt, ob ein Edelstahl korrodiert oder nicht. Wenn die Konzentration von Chloriden oder Säuren hoch ist, wird die passive Oxidschicht auf der Metalloberfläche angegriffen, was zu Korrosion führt. Ein niedrigerer Gehalt an korrosiv wirkenden Stoffen in der Umgebung verringert den Korrosionsangriff oder bringt diesen ganz zum Erliegen.

Die Temperatur hat ebenfalls einen Einfluss auf das Korrosionsverhalten von Edelstählen. Im Allgemeinen führt eine Erhöhung der Temperatur zu einer Beschleunigung der Korrosionsrate, da sich die chemischen Reaktionen schneller vollziehen. Gleichzeitig kann eine Kühlung der Umgebungstemperatur die Korrosionsrate verringern.

Allfällige Verunreinigungen im Medium können ebenfalls die Korrosionsgeschwindigkeit beeinflussen. Sie können die Korrosionsbedingungen sowohl verschärfen (z.B. Chloride in Säuren) aber teilweise auch verringern (Pufferwirkung) .

Ein Blick auf die schleichende Gefahr der Korrosion

Korrosion ist ein weit verbreitetes und leider allzu bekanntes Phänomen, das bei falscher Materialauswahl in verschiedenen Branchen und Anwendungen auftreten kann, von der Lebensmittelindustrie über den Baubereich bis hin zur Fertigungstechnologie. Die Auswirkungen von Korrosion können beträchtlich sein und erhebliche Kosten verursachen. Im nachfolgenden Beitrag werfen wir einen Blick auf die Herausforderungen und zeigen Arten von Korrosion an Beispielen in den Bereichen Schwimmbadbau und bei der Lebensmittelherstellung u.a. bei einer Käserei.

Korrosion in Käsereien: Herausforderungen und Lösungsansätze

Korrosionsschäden sind in vielen Industriezweigen ein bekanntes Problem, und auch Käsereien bleiben davon nicht verschont. In einem konkreten Fall wurde festgestellt, dass geschweisste Rohre aus «V2A» als Ummantelung von Heizstäben in einer Käserei eingesetzt wurden. Diese Heizstäbe dienen dazu, ein Phosphorsäurebad (1 %) auf eine Temperatur von 70° C zu erwärmen, in dem Käsereiwerkzeuge gereinigt werden. Bedauerlicherweise traten nach relativ kurzer Zeit Korrosionsschäden in Form von Ablagerungen und Ansätzen von Lochfrass auf.

Die Ursache für diesen Schaden liegt in der Einführung von Salz (NaCl) und Eiweissen in das Phosphorsäurebad während des Reinigungsprozesses der Käsereiwerkzeuge. Da das Bad nicht regelmässig gereinigt oder ausgetauscht wurde, kam es zu einer Aufkonzentrierung dieser Verunreinigungen. Die Chloride im Bad machen die Phosphorsäure wesentlich aggressiver und führen zu einem Korrosionsangriff auf die geschweissten Rohre. Die entstehenden Korrosionsprodukte (Fe3+, Cr3+, Ni2+) bewirken eine Denaturierung der Eiweisse, die sich dann als Feststoff um die Lochfrassstelle herum ablagern. Die grüne und braune Verfärbung stammt von den im Eiweiss eingelagerten Korrosionsprodukten.

Um solche Schadenfälle zu vermeiden, sind mehrere Lösungsansätze möglich. Es liegt jedoch letztendlich in der Verantwortung des Kunden bzw. Betreibers der Anlage, zu entscheiden, welche Massnahmen umgesetzt werden. Im Folgenden werden einige mögliche Lösungsansätze aufgezeigt:

• Verwendung korrosionsbeständigerer Werkstoffe: Statt der geschweissten Rohre aus «V2A» könnten molybdänlegierte Edelstähle mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind die Werkstoffe 1.4435 und 1.4462, die eine bessere Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien aufweisen.

• Regelmässige Reinigung und Austausch des Bades: Um die Aufkonzentrierung von Salzen und Eiweissen im Phosphorsäurebad zu verhindern, ist eine regelmässige Reinigung und gegebenenfalls ein Austausch des Bades erforderlich. Dadurch wird eine zu hohe Konzentration von Chloriden vermieden und das Risiko eines aggressiven Korrosionsangriffs reduziert.

• Überwachung des Bades: Eine regelmässige Überwachung der Chloridkonzentration, Leitfähigkeit oder möglicherweise des pH-Werts im Bad kann frühzeitig auf Veränderungen hinweisen. Durch rechtzeitiges Eingreifen können Massnahmen ergriffen werden, um einen Korrosionsangriff zu verhindern.

• Senkung der Badtemperatur: Eine Senkung der Badtemperatur kann dazu beitragen, die Aggressivität der Phosphorsäure zu verringern und somit das Risiko von Korrosionsschäden zu minimieren.

Es ist wichtig zu betonen, dass die Wahl der Lösungsansätze von verschiedenen Faktoren abhängt, wie beispielsweise den spezifischen Anforderungen der Käserei, dem Budget und den betrieblichen Gegebenheiten. Die enge Zusammenarbeit zwischen Betreibern, Ingenieuren und Experten für Korrosionsschutz ist entscheidend, um die beste Lösung zu finden und die langfristige Integrität der Anlagen in Käsereien zu gewährleisten.

Korrosionsschäden können in Käsereien erhebliche Auswirkungen haben, sowohl finanziell als auch auf die Lebensmittelsicherheit. Daher ist es von grosser Bedeutung, angemessene Massnahmen zu ergreifen, um solche Schäden zu verhindern und die Langlebigkeit der Anlagen sicherzustellen.

Korrosion im Schwimmbadbau: Die Gefahr der Chlorid-induzierten Spannungsrisskorrosion

Der Bau und die Instandhaltung von Schwimmbädern stellen eine spezielle Herausforderung dar, insbesondere wenn es um den Schutz vor Korrosion geht. Ein trauriges Unglück, das die Bedeutung dieses Problems verdeutlicht, ereignete sich 1985 im Hallenbad Uster. Dort stürzte die rund 200 Tonnen schwere Decke ein. 12 Menschen verloren dabei auf tragische Weise ihr Leben. 

Es stellte sich heraus, dass die Befestigungsbügel und Stäbe aus 1.4301 aufgrund von Chlorid-induzierter Spannungsrisskorrosion versagten. 

Die Chlorid-induzierte Spannungsrisskorrosion ist eine spezifische Form der Korrosion, die in Schwimmbädern auftreten kann. Chloridionen, die im Wasser durch den Einsatz von Desinfektionsmitteln wie Chlor hervorgerufen werden, können die Passivschicht örtlich angreifen und bei gleichzeitig vorhandenen Spannungen zu Rissen führen. Besonders gefährdet sind dabei austenitische Edelstähle wie der Typ 1.4301.

Um solche schwerwiegenden Schäden zu vermeiden, müssen beim Schwimmbadbau geeignete Massnahmen ergriffen werden. Hier sind einige wichtige Schritte, um das Risiko von Korrosion zu minimieren:

• Auswahl korrosionsbeständiger Materialien: Bei der Auswahl von Materialien für den Schwimmbadbau ist es entscheidend, auf die richtige Werkstoffwahl zurückzugreifen.  Es ist ratsam, sich bei Bedarf von Fachleuten beraten zu lassen, um die optimalen Werkstoffe für spezifische Anwendungen und Umgebungsbedingungen auszuwählen. Über die richtige Werkstoffwahl schreiben wir detailliert  in unserem Blog.  

• Sorgfältige Planung und Ausführung: Eine gründliche Planung und Ausführung des Schwimmbadbaus ist unerlässlich, um potenzielle Probleme im Zusammenhang mit Korrosion bereits im Vorfeld zu identifizieren und zu vermeiden. Hierzu gehören eine angemessene Dimensionierung der Strukturelemente, die Vermeidung von Spaltbildung und die richtige Werkstoffwahl.

• Regelmässige Wartung und Inspektion: Ein effektives Wartungs- und Inspektionsprogramm ist von entscheidender Bedeutung, um frühzeitig Anzeichen von Korrosion zu erkennen und geeignete Massnahmen zu ergreifen. Hierzu gehören das Überwachen der Wasserchemie, die Reinigung und Inspektion von Befestigungselementen sowie die gegebenenfalls erforderliche Reparatur oder der Austausch korrodierten Materials.

• Professionelle Beratung: Bei der Planung und dem Bau von Schwimmbädern ist es ratsam, auf die Unterstützung von Fachleuten und Experten für Korrosionsschutz zurückzugreifen. Sie können wertvolle Empfehlungen und Lösungen bieten, um die Langlebigkeit und Sicherheit des Schwimmbades zu gewährleisten.

Die Geschichte des Hallenbads Uster ist ein eindringlicher Beweis für die ernsthafte Bedrohung, die Korrosion im Schwimmbadbau darstellen kann. Durch eine sorgfältige Materialauswahl, Planung, regelmässige Wartung und professionelle Beratung können jedoch potenzielle Schäden vermieden und die Sicherheit und Langlebigkeit von Schwimmbädern gewährleistet werden. 

Sicher vor Rost bewahren

Sie möchten Ihre Bauteile aus korrosionsbeständigem Stahl langfristig vor Rost bewahren? Mit den richtigen Tipps und Tricks können Sie die Lebensdauer von korrosionsbeständigem Edelstahl noch deutlich verlängern. 

• Strategie 1: Die richtige Werkstoffwahl

• Strategie 2: Kontrolle der Umwelteinflüsse in der Umgebung des Edelstahls 

• Strategie 3: Regelmässige Reinigung und Pflege des Edelstahls 

• Strategie 4: Vermeiden von starken Säuren bei der Reinigung des Edelstahls

• Strategie 5: Vermeiden Sie die Exposition gegenüber Salzwasser oder Meeresluft

• Strategie 6: Richtige Lagerbedingungen für Ihren Edelstahl schaffen

Die oben genannten Tipps beschreiben wir in unserem Blog: «Sicher vor Rost bewahren: 6 ultimative Massnahmen gegen Korrosion»

Verschiedene Arten von Korrosion 

Korrosion kann auf verschiedene Mechanismen und Erscheinungsbilder zurückgeführt werden. Obwohl sie unterschiedlich aussehen mögen, haben sie alle die gleiche Ursache: die «ungenügende Passivität» des Stahls unter bestimmten Bedingungen. Hier sind einige der wichtigsten Korrosionserscheinungen, die auftreten können:

• Gleichförmige oder allgemeine Korrosion

• Lochkorrosion (chlorinduziert)

• Spaltkorrosion

• Kontaktkorrosion (galvanische Korrosion)

• Interkristalline Korrosion (Korngrenzenkorrosion, Kornzerfall)

• Spannungsrisskorrosion (SRK)

• Korrosionsermüdung

• Erosionskorrosion

• Fremdrost

Die oben genannten Korrosionstypen beschreiben wir in unserem Blog: «Korrosionsgefahren im Blick: Die verschiedenen Arten von Korrosionstypen bei Edelstahl»

Passivität oder «Was macht Edelstahl korrosionsbeständig?»

An feuchter Luft oder in sauerstoffhaltigem Wasser reagiert eine ungeschützte Oberfläche eines niedriglegierten Stahles sehr rasch, d.h. sie rostet. Rost besteht aus einer heterogenen Mischung von Eisenoxiden und -hydroxiden. Da diese Schicht sauerstoff- und feuchtigkeitsdurchlässig ist, können die zuerst entstehenden Hydroxide zu Eisenoxiden weiterreagieren. Auch die unter der Rostschicht liegende Stahloberfläche kann weiter rosten, solange bis alles verfügbare elementare Eisen in Eisenhydroxid oder -oxid umgewandelt ist. Rostschichten sind zudem spröde und schlecht haftend, das heisst, sie blättern leicht ab. 

Die korrosionsbeständigen Stähle verdanken ihre Beständigkeit vor allem dem Legierungselement Chrom. 

Die Chromatome in der Stahloberfläche reagieren mit dem Luftsauerstoff zu Chromoxid. Das Chromoxid bildet auf der Oberfläche eine ca. 0.001 – 0.01 µm dicke Schicht (Dicke eines menschlichen Haars: ca. 0.05 mm!), die festhaftend, chemisch sehr beständig und dicht ist. Die Schicht ist nicht nur sehr dehnbar, sondern bei Vorhandensein von Sauerstoff und sauberer Oberfläche selbstbildend und selbstheilend. Unter geeigneten Bedingungen hat die Schicht innert wenigen Tagen etwa 80% ihrer Enddicke erreicht. In diesem Zustand wird der Stahl als passiv bezeichnet. 

Durch Passivieren (Tauchen in verdünnter Salpetersäure) kann die Passivschicht auch künstlich innerhalb von Minuten erzeugt werden. Die Chromoxidschicht hat zudem die Funktion einer Trennwand zwischen Medium und rostfreiem Stahl. In sauerstofffreier Umgebung tritt keine (Neu-)Bildung der Passivschicht auf, das heisst, der Stahl verharrt im aktiven Zustand; die Korrosionsrate ist von der Auflösungsgeschwindigkeit im entsprechenden Medium abhängig. Die Auflösungsgeschwindigkeit wird durch zulegierte Elemente (Nickel, Molybdän, Kupfer) herabgesetzt.

Fazit: Die Kenntnisse – ein kraftvoller Schutz vor Korrosion

Korrosionsbeständiger Stahl ist ein unverzichtbarer Werkstoff für den industriellen Einsatz. Durch seine hohe Beständigkeit gegenüber korrosiven Angriffen  kann er in zahlreichen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass seine Beständigkeit von seiner chemischen Zusammensetzung, Verarbeitung und der Aggressivität seiner Umgebung abhängt. Eine falsche Berücksichtigung dieser Faktoren kann, wie oben anhand der zwei Beispiele beschrieben, zu Korrosionsschäden führen. Mit einer sorgfältigen Planung und Berücksichtigung der Umgebung ist das Material Edelstahl rostfrei jedoch äusserst langlebig, benötigt wenig Unterhalt und ist zu 100 % rezyklierbar. Damit führt der Einsatz von  Edelstahl über die gesamte Nutzungsdauer zu deutlichen Einsparungen.

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