DE102013106543A1

DE102013106543A1 - Spannungsrissorrosionsbeständige austenitische Stahlbauteile und Schweißnähte

Info

Publication number: DE102013106543A1
Application number: DE201310106543
Authority: DE
Inventors: Markus Berger; Christoph Bollig; Volker Frey
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2014-12-24
Also published as: US20140377485A1

Abstract

Es ein Verfahren zur Erzielung einer höheren Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit von eine äußere Oxidschicht, insb. eine Chromoxidschicht, aufweisenden Stahlbauteilen, insb. Stahlblechen, Stahlrohren oder Stahlstangen, aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, sowie von austenitische Stahlbauteile verbindenden Schweißnähten (23) beschrieben, bei dem die erhöhte Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit dadurch erreicht wird, dass in eine äußere, nach außen von der Oxidschicht (1) überdeckte Schicht (5) des Stahlbauteils bzw. in eine äußere Schicht der Schweißnaht (23) durch flächige Druckausübung auf die jeweilige äußere Schicht (5) Druckspannungen (σp) eingebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von gegenüber Spannungskorrosionrissen geschützten eine äußere Oxidschicht, insb. eine Chromoxidschicht, aufweisenden Stahlbauteilen aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, sowie spannungsrisskorrosionsbeständige austenitische Stahlbauteile, und spannungsrisskorrosionsbeständige Schweißverbindungen zwischen korrosionsbeständigen austenitischen Stahlbauteilen.
Austenitische Stahlbauteile werden zum Beispiel als Außenwände von Gehäusen, insb. von Messgerätegehäusen, eingesetzt.
Austenitische Stähle zeichnen sich durch einen vergleichsweise hohen Anteil an einem Austenitbildner aus, der im austenitischen Metallgefüge gelöst ist. Austenitbildner sind beispielsweise Nickel, Kobalt, Mangan oder Stickstoff.
Korrosionsbeständige austenitische Stähle enthalten neben dem Austenitbildner einen die Korrosionsbeständigkeit bewirkenden Zusatz. Hierzu wird bevorzugt Chrom verwendet, wobei der Chromanteil üblicher Weise mehr als 10% beträgt. Der Zusatz bildet an der Stahloberfläche eine üblicher Weise als Passivschicht bezeichnete Oxidschicht, insb. eine Chromoxidschicht, aus, die eine Dicke im Angströmbereich aufweist.
Unterhalb der Oxidschicht besteht ein austenitisches Gefüge aus aneinander angrenzenden Körnern, in dem sich an den Korngrenzen der einzelnen Körner Ausscheidungen, insb. Verunreinigungen, ablagern.
In austenitischen Stahlbauteilen treten im Allgemeinen Zugspannungen auf. Diese entstehen sowohl bei der Herstellung dieser Stahlbauteile, als auch durch mechanische Beanspruchungen, denen die fertigstellten Stahlbauteile bei deren späterer Verwendung ausgesetzt sind. Darüber hinaus bilden sich Zugspannungen auch beim Erkalten von Schweißnähten aus.
Aufgrund dieser Zugspannungen besteht auch bei ansonsten korrosionsfesten austentischen Stählen die Gefahr von Spannungsrisskorrosion.
Spannungsrisskorrosion tritt auf, wenn unter Zugspannung stehende korrosionsbeständige austenitische Stahlbauteile oder unter Zugspannung stehende korrosionsbeständige austenitische Stahlbauteile verbindende Schweißnähte im weiteren Verlauf einem die obere Oxidschicht angreifenden Medium ausgesetzt sind. Eine besondere Gefahr geht insoweit von halogenidhaltigen Medien, wie z.B. Seeluft oder Salzwasser, aus. So sind beispielsweise Chloridionen in der Lage eine beschädigte Chromoxidschicht an deren Schadstellen anzugreifen.
Sind korrosionsbeständige austenitische Stahlbauteile einer halogenidhaltigen Umgebung ausgesetzt, so können die Halogenide den Stahl an lokalen Beschädigungen der Oxidschicht angreifen. Trifft ein solcher Angriff auf eine Korngrenze in dem unter der Oxidschicht befindlichen Gefüge, so entsteht ein Mikroriss, der sich aufgrund der Zugspannung im Material entlang der Korngrenzen fortsetzt. Es entsteht ein Riss, der sich aufgrund der Zugspannungen vergleichsweise schnell entlang der Korngrenzen in tiefere Materialschichten ausbreitet und letztendlich zum Materialbruch führt.
Spannungsrisskorrosion stellt eine besondere Gefahr dar, da sie vergleichsweise plötzlich auftritt und im Vorfeld nicht erkennbar ist, ob bzw. wann sie auftreten wird. Bei Untersuchungen korrosionsbeständiger austenitischer Stähle mit üblichen zerstörungsfreien Werkstoffprüfverfahren erscheinen diese Stähle bis kurz vor Eintritt des Materialbruchs völlig intakt.
In dem 2010 unter der ISBN Nummer 3-937567-88-7 von der Verlag- und Vertriebsgesellschaft mbH, Düsseldorf veröffentlichten Forschungsbericht mit dem Titel: ‘REFRESH-Lebensdauerverlängerung bestehender und neuer geschweißter Stahlkonstruktionen‘ ist ein Verfahren beschrieben, mit dem die Beständigkeit von Schweißnähten an Kohlenstoffstählen, wie sie insb. im Baugewerbe eingesetzt werden, gegenüber durch Zugkerbspannungen verursachter Rissbildung verbessert wird, indem in einer äußere Materialschicht der Schweißnähte durch Hämmern oder Nadeln eine Druckeigenspannung erzeugt wird. Das Hämmern oder Nadeln erfolgt mittels Werkzeugen mit einer stiftförmigen Spitze, die mit einer vorgegebenen Frequenz von außen auf die Schweißnaht aufgesetzt wird, und dort jeweils punktuell Druck auf die äußere Materialschicht ausübt.
Würde man eine Außenseite eines austenitisches Stahlbauteils auf diese Weise punktuell mit Druck beaufschlagen, so geht das austenitische Gefüge in einen Verformungsmartensit über. Martensite weisen jedoch eine geringere Korrosionbeständigkeit auf als Austenite.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von gegenüber Spannungskorrosionrissen geschützten eine äußere Oxidschicht, insb. eine Chromoxidschicht, aufweisenden Stahlbauteilen aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, sowie spannungsrisskorrosionsbeständige austenitische Stahlbauteile, und spannungsrisskorrosionsbeständige Schweißverbindungen zwischen korrosionsbeständigen austenitischen Stahlbauteilen anzugeben.
Hierzu umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von gegenüber Spannungskorrosionrissen geschützten eine äußere Oxidschicht, insb. eine Chromoxidschicht, aufweisenden Stahlbauteilen, insb. Stahlblechen, Stahlrohren oder Stahlstangen, aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, bei dem in mindestens eine äußere nach außen von der Oxidschicht überdeckte Schicht des Stahlbauteils durch flächige Druckausübung auf die äußere Schicht Druckspannungen eingebracht werden.
Dabei werden die Druckspannungen vorzugsweise mittels eines Rolliergeräts aufgebracht, das ein druckausübendes Element aufweist, das auf einer Außenseite der äußeren Schicht flächig zur Auflage gebracht, und unter Druckausübung auf die Schicht über deren Außenseite geführt wird.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Verfahren werden die Druckspannungen derart eingebracht, dass

– die Schicht eine Dicke aufweist, die in einer Größenordnung größer gleich des Zehnfachen einer Korngröße von im Stahlbauteil vorliegenden Körnern liegt, und
– die eingebrachten Druckspannungen in der Schicht bestehende Zugspannungen überwiegen.

Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen zwei eine äußere Oxidschicht, insb. eine Chromoxidschicht, aufweisenden Stahlbauteilen, insb. Stahlblechen, Stahlrohren oder Stahlstangen, aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, bei dem

– die Stahlbauteile entlang einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden, und
–in eine äußere Schicht der Schweißnaht durch flächige Druckausübung Druckspannungen eingebracht werden.

Weiter umfasst die Erfindung ein Stahlbauteil, insb. ein Stahlblech, ein Stahlrohr oder eine Stahlstange, aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, das eine äußere Oxidschicht (1), insb. eine Chromoxidschicht, aufweist, und das mindestens eine äußere nach außen von der Oxidschicht überdeckte Schicht aufweist, in der flächig eingebrachte Druckspannungen vorliegen.
Gemäß einer Weiterbildung des Stahlbauteils

– weist die Schicht eine Dicke auf, die in einer Größenordnung größer gleich des Zehnfachen einer Korngröße von im Stahlbauteil vorliegenden Körnern liegt, und
– die eingebrachten Druckspannungen überwiegen in der Schicht bestehende Zugspannungen.

Weiter umfasst die Erfindung ein Gehäuse mit mindestens einer Außenwand aus einem korrosionsbeständigen austenitischen Stahl, die eine äußere nach außen von einer Oxidschicht, insb. einer Chromoxidschicht, überdeckte Schicht aufweist, in der flächig eingebrachte Druckspannungen vorliegen.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein Gehäuse

– mit zwei über eine Schweißnaht miteinander verbundenen Außenwänden aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl,
– die jeweils eine äußere nach außen von einer Oxidschicht, insb. einer Chromoxidschicht, überdeckte Schicht aufweisen,
– bei dem in einer äußeren Schicht der Schweißnaht durch flächige Druckausübung eingebrachte Druckspannungen vorliegen.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: eine Prinzipskizze eines austenitischen Stahlblechs;
2 zeigt: im Stahlblech vorliegende Spannungen; und
3 zeigt: ein Messgerät mit einem über eine Schweißnaht mit einem Sensorgehäuse verbunden Elektronikgehäuse.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines Stahlbauteils aus einem austenitischen korrosionsbeständigen Stahl. Als Ausführungsbeispiel ist hier ein Stahlblech dargestellt. Die Erfindung ist aber auch in Verbindung mit anderen Stahlbauteilen aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, insb. in Verbindung mit Stahlrohren oder Stahlstangen, einsetzbar. Der Stahl ist vorzugsweise ein rostfreier Stahl, und weist einen vergleichsweise hohen Anteil an in Abhängigkeit von den gewünschten Stahl-Eigenschaften ausgewählten Austenitbildnern auf, der im austenitischen Metallgefüge gelöst ist. Austenitbildner sind beispielsweise Nickel, Kobalt, Mangan oder Stickstoff. Ihr Anteil beträgt vorzugsweise mehr als 10 %.
Zur Erzielung einer hohen Korrosionsbeständigkeit enthält der Stahl einen die Korrosionsbeständigkeit bewirkenden Zusatz. Hierzu wird bevorzugt Chrom verwendet, wobei der Chromanteil üblicher Weise mehr als 10% beträgt. Der Zusatz bildet an der Stahloberfläche eine üblicher Weise als Passivschicht bezeichnete Oxidschicht 1, insb. eine Chromoxidschicht, aus. Die Oxidschicht 1 weist beispielsweise eine Dicke in der Größenordnung von einem oder mehreren Tausentstelmillimetern auf.
Unter der Oxidschicht 1 besteht eine aus aneinander angrenzenden Körnern 3 aufgebaute Materialstruktur, in der sich an den Korngrenzen der einzelnen Körner 3 Ausscheidungen, insb. Verunreinigungen, ablagern. Die hier nicht maßstabsgetreu dargestellten Körner 3 weisen Korngrößen in der Größenordnung von Hundertstelmillimetern auf. Das im Vergleich hierzu nicht maßstabsgetreu dargestellte Stahlblech weist beispielsweise eine Dicke von mehreren Millimetern auf.
Das Stahlbauteil wird erfindungsgemäß gegenüber Spannungsrisskorrosion geschützt, in dem in eine äußere nach außen von der Oxidschicht 1 überdeckte Schicht 5 des Stahlbauteils durch flächige Druckausübung Druckspannungen σ_p eingebracht werden.
Diese Druckspannungen σ_p werden vorzugsweise mittels eines hier nur schematisch dargestellten Rolliergeräts 7 aufgebracht werden. Das Rolliergerät 7 umfasst hierzu ein druckausübendes Element 9, das auf einer Außenseite der äußeren Schicht 5 flächig zur Auflage gebracht, und unter Ausübung von Druck p auf die Schicht 5 über deren Außenseite geführt wird. Das druckausübende Element 9 ist vorzugsweise eine zylinderförmige Rolle. Alternativ können auch Kugeln eingesetzt werden, wie sie in handelsüblichen Rolliergeräten regelmäßig vorgesehen sind. Um eine flächige Druckausübung zu gewährleisten weist das hier nicht maßstabsgetreu dargestellte druckausübende Element 9 vorzugsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von mehreren Millimetern oder mehr auf.
Da die Druckspannungen σ_p flächig eingebracht werden, ist die Schicht 5 keiner punktuellen Druckbelastung ausgesetzt. Hierdurch wird ein Übergang der austenitischen Struktur in ein Verformungsmartensit vermieden. Damit bleiben die im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit günstigen Eigenschaften der austenitischen Struktur erhalten.
In Abhängigkeit von der späteren Verwendung des Stahlblechs werden die Druckspannungen σ_p in nur einer der beiden äußeren Schichten 5 des Stahlblechs oder in die beiden einander gegenüberliegenden jeweils von einer der Oxidschichten 1 abgedeckten äußeren Schichten 5 des Stahlblechs eingebracht.
Die eingebrachten Druckspannungen σ_p überlagern die in der äußeren Schicht 5 im Stahlbauteil vorliegenden Eigenspannungen, und bewirken in der äußeren Schicht 5 ein Überwiegen der Druckspannungen σ_p gegenüber ggfs. im Stahlbauteil vorhandenen Zugspannungen. 2 zeigt den nach der Einbringung der Druckspannungen σ_p resultierenden Spannungsverlauf im Stahlbauteil senkrecht zu dessen Oberfläche, wobei die Druckspannungen als positive Spannungen σ_p und Zugspannungen als negative Spannungen σ_m dargestellt sind.
Wird das Stahlbauteil im Anschluss an die Einbringung der Druckspannungen einem Medium ausgesetzt, das die Oxidschicht 1 angreift, so können auch hier mit der Zeit Mikrorisse in der Oxidschicht 1 auftreten. Diese treffen jedoch aufgrund der eingebrachten Druckspannung σ_p in der äußeren Schicht 5 nicht mehr auf unter Zugspannung stehende Korngrenzen. Das Korngefüge hält aufgrund der Druckspannungen σ_p deutlich besser zusammen, und wirkt einer Fortsetzung des Mikrorisses entlang der Korngrenzen entgegen.
Zur Erzielung eines zuverlässigen Spannungsrisskorrosionsschutzes weist die die äußere Schicht 5, in der die Druckspannungen σ_p überwiegen, vorzugsweise eine Dicke auf, die in einer Größenordnung von größer gleich dem Zehnfachen der Korngröße der Körner 3 des austenitischen Stahlbauteils liegt. Bei einer Korngröße in der Größenordnung von Hundertstelmillimetern, beträgt die Dicke der Schicht 5 somit vorzugsweise einen oder mehrere Zehntelmillimeter.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei der Herstellung Schweißverbindungen zwischen zwei austenitischen außenseitlich eine Oxidschicht, insb. eine Chromoxidschicht, aufweisenden Stahlbauteilen einsetzbar. Dabei werden die zu verbindenden Stahlbauteile entlang einer Schweißnaht miteinander verschweißt. Beim Erkalten der Schweißnaht bilden sich regelmäßig auch Zugspannungen in der Schweißnaht aus. Diesen Zugspannungen werden nachfolgend Druckspannungen σ_p überlagert, die durch flächige Druckausübung in eine äußere Schicht der Schweißnaht eingebracht werden.
Die erfindungsgemäßen spannungsrisskorrosionsbeständigen Stahlbauteile eignen sich insb. als Außenwände von Gehäusen, insb. von Geräte- oder Messgerätegehäusen, die dauerhaft in halogenidhaltigen Umgebungen eingesetzt werden sollen. Hierzu werden vorzugsweise erfindungsgemäße Stahlblechen mit einer Blechstärke in der Größenordnung von wenigen Millimetern eingesetzt.
3 zeigt als Ausführungsbeispiel hierfür ein Messgerät mit einem Elektronikgehäuse 11 zur Aufnahme einer Messelektronik 13 mit einer zylindrischen Außenwand 15 aus einem korrosionsbeständigen austenitischen Stahlblech, in dessen äußerer nach außen von einer Oxidschicht 1, insb. einer Chromoxidschicht, überdeckten Schicht flächig eingebrachte Druckspannungen vorliegen. Das Elektronikgehäuse 11 ist mit einem Sensorgehäuse 17 zur Aufnahme eines Sensor 19 verbunden, das ebenfalls eine zylindrische Außenwand 21 aus einem korrosionsbeständigen austenitischen Stahlblech aufweist, in deren äußerer nach außen von einer Oxidschicht 1, insb. einer Chromoxidschicht, überdeckten Schicht flächig eingebrachte Druckspannungen vorliegen. Die Verbindung der beiden Gehäuse erfolgt über eine die Außenwand 15 des Elektronikgehäuses 11 mit der Außenwand 21 des Sensorgehäuses 17 verbindende Schweißnaht 23, in deren äußerer Schicht ebenfalls flächig eingebrachte Druckspannungen vorliegen.
Da die Innenseiten der Außenwände 15, 21 von Elektronik- und Sensorgehäuse 11, 17 am Einsatzort in der Regel nicht der halogenidhaltigen Umgebung ausgesetzt sind, genügt es insoweit, wenn nur in der jeweils nach außen weisenden äußeren Schicht der Außenwände 15, 21 Druckspannungen vorliegen. In den ins Gehäuseinnere weisenden äußeren Schichten der beiden Außenwände 15, 21 brauchen keine Druckspannungen vorzuliegen.
Vorzugsweise liegen in allen mit der halogenidhaltigen Umgebung in Kontakt stehenden äußeren Schichten der Außenwände 15, 21 und der Schweißnaht 23 flächig eingebrachte Druckspannungen σ_p vor. Es ist aber alternativ auch möglich gezielt nur einzelne Außenwände 15, 21 und/oder die nur Schweißnaht 23 durch die Einbringung von Druckspannungen vor Spannungsrisskorrosion zu schützen.
Bezugszeichenliste

1: Oxidschicht
3: Korn
5: äußere Schicht des Stahlbauteils
7: Rolliergerät
9: Druck ausübendes Element
11: Elektronikgehäuse
13: Messelektronik
15: Außenwand des Elektronikgehäuses
17: Sensorgehäuse
19: Sensor
21: Außenwand des Sensorgehäuses
23: Schweißnaht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISBN Nummer 3-937567-88-7 [0011]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von gegenüber Spannungskorrosionrissen geschützten eine äußere Oxidschicht (1), insb. eine Chromoxidschicht, aufweisenden Stahlbauteilen, insb. Stahlblechen, Stahlrohren oder Stahlstangen, aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, bei dem in mindestens eine äußere nach außen von der Oxidschicht (1) überdeckte Schicht (5) des Stahlbauteils durch flächige Druckausübung auf die äußere Schicht (5) Druckspannungen (σ_p) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Druckspannungen (σ_p) mittels eines Rolliergeräts (7) aufgebracht werden, das ein druckausübendes Element (9) aufweist, das auf einer Außenseite der äußeren Schicht (5) flächig zur Auflage gebracht, und unter Druckausübung auf die Schicht (5) über deren Außenseite geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Druckspannungen (σ_p) derart eingebracht werden, dass – die Schicht (5) eine Dicke aufweist, die in einer Größenordnung größer gleich des Zehnfachen einer Korngröße von im Stahlbauteil vorliegenden Körnern liegt, und – die eingebrachten Druckspannungen (σ_p) in der Schicht (5) bestehende Zugspannungen (σ_m) überwiegen.
Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen zwei eine äußere Oxidschicht (1), insb. eine Chromoxidschicht, aufweisenden Stahlbauteilen, insb. Stahlblechen, Stahlrohren oder Stahlstangen, aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, bei dem – die Stahlbauteile entlang einer Schweißnaht (23) miteinander verschweißt werden, und – in eine äußere Schicht der Schweißnaht (23) durch flächige Druckausübung Druckspannungen (σ_p) eingebracht werden.
Stahlbauteil, insb. Stahlblech, Stahlrohr oder Stahlstange, aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, – das eine äußere Oxidschicht (1), insb. eine Chromoxidschicht, aufweist, und – das mindestens eine äußere nach außen von der Oxidschicht (1) überdeckte Schicht (5) aufweist, in der flächig eingebrachte Druckspannungen (σ_p) vorliegen.
Stahlbauteil gemäß Anspruch 5, bei dem – die Schicht (5) eine Dicke aufweist, die in einer Größenordnung größer gleich des Zehnfachen einer Korngröße von im Stahlbauteil vorliegenden Körnern (3) liegt, und – die eingebrachten Druckspannungen (σ_p) in der Schicht (5) bestehende Zugspannungen (σ_m) überwiegen.
Gehäuse (11, 17) mit mindestens einer Außenwand (15, 21) aus einem korrosionsbeständigen austenitischen Stahl, die eine äußere nach außen von einer Oxidschicht (1), insb. einer Chromoxidschicht, überdeckte Schicht (5) aufweist, in der flächig eingebrachte Druckspannungen (σ_p) vorliegen.
Gehäuse (11, 17) – mit zwei über eine Schweißnaht (23) miteinander verbundenen Außenwänden (15, 21) aus korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, – die jeweils eine äußere nach außen von einer Oxidschicht (1), insb. einer Chromoxidschicht, überdeckte Schicht (5) aufweisen, – bei dem in einer äußeren Schicht der Schweißnaht (23) durch flächige Druckausübung eingebrachte Druckspannungen (σ_p) vorliegen.