Sensibilisierung und Schweißzerfall in nichtrostendem Stahl ist eine Form der Korngrenzenschädigung, bei der austenitischer nichtrostender Stahl, der bei etwa 425 bis 815 Grad Celsius gehalten oder langsam abgekühlt wird, chromreiche Carbide an seinen Korngrenzen ausscheidet, das angrenzende Metall an Chrom entzieht und lokal anfällig für interkristalline Korrosion wird. Tritt dies in einem Band der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) neben einer Schweißnaht auf, nennt man den resultierenden Angriff Schweißzerfall.
Austenitische Qualitäten wie 304 und 316 widerstehen der Korrosion, weil in Lösung befindliches Chrom eine passive Oxidschicht bildet. Dieser Schutz hängt davon ab, an jedem Punkt etwa 10,5 bis 12 Prozent Chrom in Lösung zu halten.
Kohlenstoff hat bei mittleren Temperaturen eine sehr geringe Löslichkeit in Austenit, sodass bei Verweilen im sensiblen Bereich Kohlenstoff und Chrom als M23C6-Carbid (überwiegend Cr23C6) an Korngrenzen zusammentreten. Chrom diffundiert wesentlich langsamer als Kohlenstoff, sodass eine schmale Zone beidseitig jeder Grenze an Chrom entleert wird, teils unter die passivierende Schwelle. Das Korninnere bleibt geschützt; die entleerte Grenze nicht.
Ein einzelner Schweißdurchgang erzeugt einen vollen Temperaturgradienten in der umgebenden Platte. Direkt an der Schmelzlinie ist das Metall geschmolzen oder oberhalb der Carbidlöslichkeit, sodass keine Carbide überleben.
Ein kurzes Stück weiter fällt die Spitzentemperatur genau in das Fenster von 425 bis 815 Grad Celsius und verbleibt beim Abkühlen lange genug in diesem Bereich, um Carbide auszuscheiden. Deshalb erscheint Schweißzerfall als eine oder zwei Linien, die parallel zur Schweißnaht verlaufen und einige Millimeter zu jeder Seite versetzt sind, und nicht im Schweißgut selbst.
Die Menge und Geschwindigkeit der Carbidausscheidung skaliert mit dem Kohlenstoffgehalt. Standard-304 (bis zu 0,08 Gew.-% Kohlenstoff) sensibilisiert leicht; der Effekt ist weit schwächer unter etwa 0,03 Gew.-%. Die Expositionszeit spielt ebenfalls eine Rolle: Carbidausscheidung ist in der Nähe von 650 Grad Celsius am schnellsten, wo Sensibilisierung innerhalb von Minuten beginnen kann, während sie an den Extremen des Bereichs Stunden dauern kann. Zeit-Temperatur-Sensibilisierungs-(TTS-)Kurven für jede Güte erfassen dieses C-förmige Verhalten.
| Werkstoff | Typ | Max. Kohlenstoff (Gew.-%) | Stabilisierendes Element | Beständigkeit gegen Sensibilisierung |
|---|---|---|---|---|
| 304 | Standard austenitisch | 0,08 | Keine | Gering |
| 304L | Niedriger Kohlenstoff | 0,03 | Keine | Gut |
| 316 | Standard austenitisch | 0,08 | Keine | Gering |
| 316L | Niedriger Kohlenstoff | 0,03 | Keine | Gut |
| 321 | Stabilisiert | 0,08 | Titan (ca. 5×(C+N) Mindestwert) | Hoch |
| 347 | Stabilisiert | 0,08 | Niob (ca. 8, 10× C Mindestwert) | Hoch |
Drei Wege verhindern Sensibilisierung: den Kohlenstoff entfernen, ihn mit einem stärkeren Carbidausbildner binden oder die Carbide nachträglich auflösen und dann schnell genug abkühlen, um sie in Lösung zu halten.
| Schutzmaßnahme | Wirkungsweise |
|---|---|
| Niedrig-Kohlenstoff-L-Güten (304L, 316L) | Der Kohlenstoff wird auf oder unter 0,03 Gew.-% gehalten, sodass zu wenig vorhanden ist, um während des Schweißens bedeutende Korngrenzencarbide zu bilden. |
| Stabilisierte Güten (321, 347) | Titan beziehungsweise Niob bildet bevorzugt TiC bzw. NbC und verbraucht Kohlenstoff, bevor dieser Chrom binden kann. |
| Lösungsglühen | Aufheizen auf etwa 1040 bis 1120 Grad Celsius löst die Carbide auf, gefolgt von schnellem Abschrecken, um den Kohlenstoff in Lösung einzufangen. |
| Niedrige Wärmeeinbringung und schnelles Abkühlen | Verringert die Verweilzeit im Bereich von 425 bis 815 Grad Celsius und begrenzt somit die Carbidausscheidung. |
Stabilisierte Güten sind nicht immun. Bei Mehrlagenverschweißungen kann das Metall unmittelbar neben der Schmelzlinie so stark erhitzt werden (oberhalb von etwa 1200 Grad Celsius), dass die stabilisierenden Carbide (TiC, NbC) sich auflösen und Kohlenstoff wieder in Lösung gelangen.
Wenn ein späterer Durchgang oder eine Temperaturbeanspruchung diesen engen Bereich dann erneut in den sensibilisierenden Bereich erwärmt, scheiden sich doch Chromcarbide aus. Das Ergebnis ist eine sehr dünne, scharf begrenzte Linie interkristalliner Angriffe direkt an der Nahtkante, bekannt als Messerkantenangriff.
Ein nach dem Schweißen durchgeführtes stabilisierendes Glühen bei etwa 900 Grad Celsius lässt die Titan- bzw. Niobcarbide erneut ausscheiden und stellt die Beständigkeit wieder her.
Sensibilisierung wird durch normierte interkristalline Korrosionstests bestätigt: ASTM A262 (Praktiken A bis F, einschließlich des Oxalsäure-Ätz-Screenings und des Kupfer-Kupfersulfat-Strauss-Tests) und EN ISO 3651. Die elektrochemische potentiokinetische Reaktivierung (EPR) liefert eine quantitative, nahezu zerstörungsfreie Messung. Abgesehen vom sichtbaren Zerfall erhöhen sensibilisierte Korngrenzen auch die Anfälligkeit für spannungsrisskorrosion durch Chloride und können als Initiationsstellen für Lochkorrosion dienen.
Da das Versagen durch die Zusammensetzung getrieben ist, schützt die Überprüfung, dass das verbaute Material der angegebenen L- oder stabilisierten Güte entspricht, mittels positiver Materialidentifikation vor Fehlern durch gemischte Chargen.
Sensibilisierung ist ebenso sehr ein Dokumentationsproblem wie ein metallurgisches: Kenntnis der Schweißverfahren, Wärmebehandlungen und Materialzertifikate für jeden gefährdeten Kreislauf. Fabrico erlaubt es Ihnen, Materialgüten, Schweißpläne und Inspektionsergebnisse an jedem Asset zu hinterlegen, sodass wiederkehrende HAZ-Inspektionen terminiert und nachvollziehbar bleiben. Buchen Sie eine Fabrico-Demo, um zu sehen, wie diese Historie verwaltet wird.
Fast immer im Grundwerkstoff, innerhalb der wärmebeeinflussten Zone ein paar Millimeter von der Schmelzlinie entfernt, wo die Spitzentemperatur in den sensibilisierenden Bereich von 425 bis 815 Grad Celsius fällt. Das Schweißgut und die Schmelzlinie selbst erreichen zu hohe Temperaturen, um Carbide zu erhalten.
Ferritische Qualitäten können sensibilisieren, jedoch bei höheren Temperaturen und deutlich kürzeren Zeiten, weil Chrom schneller diffundiert; daher ist ein niedriger Interstitialgehalt die Hauptschutzmaßnahme. Duplex-Güten widerstehen klassischem Schweißzerfall besser, haben aber eigene Ausscheidungsprobleme, wie z. B. Sigma-Phase bei erhöhten Temperaturen.
Ja, sofern Geometrie und Ausrüstung dies zulassen. Ein vollständiges Lösungsglühen bei etwa 1040 bis 1120 Grad Celsius, gefolgt von schnellem Abkühlen, löst die Chromcarbide auf und stellt die Korrosionsbeständigkeit wieder her. Dies ist bei großen gefertigten Baugruppen oft unpraktisch, weshalb die Wahl der Güte gegenüber einer nachträglichen Sanierung bevorzugt wird.
Nicht immer. L-Güten bieten den einfachsten Schutz für geschweißten Einsatz bis zu mäßigen Temperaturen. Stabilisierte Güten wie 321 und 347 binden Kohlenstoff während längerer Hochtemperatureinsätze, in denen selbst niedrig-kohlenstoffhaltiger Stahl schließlich sensibilisieren könnte; die Wahl hängt also von der Einsatztemperatur ab.
Anmeldung
Blog