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Verfahren zur Entsensibilisierung von Legierungen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Entsensibilisierung von Legierungen, welche nach Einwirken einer
Sensibilisierungstemperatur der interkristallinen Korrosion unterliegen. Insbesondere
betrifft die Erfindung ein Verfahren z-ur Verhinderung der interkristallinen Korrosion
von nichtstabilisierten, sensibilisierten austenitischen Edelstählen.
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Die jährlichen Kosten, welche durch Korrosion oder durch Korrosionsschutz
in den Vereinigten Staaten verursacht werden, belaufen sich schätzungsweise auf
8 Milliarden Dollar. Es ist daher eines der Hauptprobleme, Korrosion wirtschaftlich
zu verhindern oder zu steuern e Die metallische Korrosion ist ein komplexes Phänomen,und
man kennt verschiedene besondere Korrosionsarten, welche miteinander verwandt sind.
Die häufigste Art der Korrosion besteht in einem gleichformigen Angriff über die
gesamte freiliegende Oberfläche oder über einen grossen Teil der Oberfläche des
metalls. Bestimmte Legierungen werden jedoch beim Erhitzen auf eine Temperatur,
welche als Sensibilisierungstemperatur bezeichnet wird, besonders empfindlich gegen
interkristalline Korrosion. In einer korrodierenden Atmosphäre werden die Korngrenzflächen
dieser sensibilisierten Legierungen sehr reaktiv, was zu interkristalliner Korrosion
oder zu Kornzerfall führt. Diese interkristalline
Korrosion ist
durch einen lokalisierten angriff an und in der Nähe der Korngrenzen mit relativ
wenig Korrosion der Körner oder Kristalle selbst verbunden. Dabei zerfällt die Legierung
(einzelne Körner fallen heraus) und/oder sie verliert ihre Festigkeit. Die vorliegende
Erfindung betrifft die Verhinderung von interkristalliner Korrosion bei Legierungen,
welche einer derartigen Korrosion nach Erhitzen auf eine Sensibilisierungstemperatur
unterliegen.
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man geht im allgemeinen davon aus, dass die interkristalline Korrosion
durch eine Abscheidung von Verunreinigungen an den Korngrenzflächen oder durch eine
Anreicherung oder breicherung von einem der Legierungselemente in den Korngrenzflächenbereichen
hervorgerufen wird. Man konnte zum Beispiel zeigen, dass bei bestimmten Aluminiumlegierungen
kleine Mengen von Eisen an den Korngrenzen abgeschieden werden und zu interkristalliner
Korrosion führen. Es konnte ferner gezeigt werden, dass der Zinggehalt einer Messinglegierund
an den Korngrenzflächen höher ist, was zur Korrosion führt. Aluminiumlegierungen
hoher Festigkeit wie Duraluminium-Legierungen (Al-Cu), deren Festigkeit auf ausgeschiedenen
Phasen beruht, sind besonders anfällig nach einer Sensibilisierung bei Temperaturen
von etwa 120°C. Nickelreiche Legierungen wie Inconel 600 und Incoloy 800 sind in
ähnlicher Weise empfindlich. In der Form gegossene Zinklegierungen, welche Aluminium
enthalten, zeigen bei Einwirkung von Wasserdampf in Meeratmosphären eine interkristalline
Korrosion. Lr-n-Stähle und Cr-n-Ni-Stahle sind ebenfalls empfindlich gegen interkristalline
Korrosion nach Sensibilisierungsbehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 400
bis 850°C. Wenn man austenitische Edelstähle durch Erhitzen auf eine Temperatur
im Bereich von etwa 500 bis 800°C sensibilisiert, so tritt eine Verarmung der Korngrenzflächenbereiche
an Chrom ein.
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Hierdurch wird der Stahl anfällig für interkristalline Korrosion.
Eine solche Sensibilisierung von austenitischem Edelstahl kann insbesondere dann
leicht eintreten, wenn das entsprechende
Gerät beim Betrieb hohen
Temperaturen ausgesetzt wird, wie zum Beispiel in Dampfgeneratoren oder wenn der
Stahl nachfolgend geschweisst wird.
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Es sind verschiedene Methoden entwickelt worden, um die interkristalline
Korrosion von empfindlichen Legierungen und insbesondere von austenitischen Edelstählen
zu verhindern oder auf ein minimum herabzudrücken. So wendet man zum Beispiel eine
Hochtemperatur-Lösungsbehandlung an, welche im allgemeinen als Lösungstemperung,
Ab~schreckungstemperung oder Lösungsabschreckung bezeichnet wird. Die Legierung
wird hierzu auf eine Temperatur von etwa 1060 bis 1120OC erhitzt und dann in Wasser
abgeschreckt. Diese Methode ist im allgemeinen zur Behandlung grosser Anlagen ungeeignet
und ferner unwirksam, wenn nachfolgend im Falle einer Reparatur oder zur Befestigung
weiterer Bauteile eine Schweissung erforderlich ist.
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Eine andere Methode, die interkristalline Korrosion zu verhindern,
besteht darin, einen guten Karbidbildner oder ein Stabilisierungselement wie Niob
oder Titan dem Edelstahl ein zuverleiben. Derartige Elemente haben eine wesentlich
grössere Affinität für Kohlenstoff als Chrom. Eine Karbidbildung dieser Elemente
führt zu einer Verringerung des Kohlenstoffs, welche für die Bildung von Chromkarbid
zur Verfügung steht.
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Ein solcher titanhaltiger austenitischer Chrom-Nickl-Kupfer-Edelstahl
ist aus der US-PS 3 562 781 bekannt. Andererseits kann der Edelstahl an sich schon
mit einem verringerten Kohlenstoffgehalt unterhalb o,o3% hergestellt werden, so
dass auch in diesem Fall ein für die Karbidbildung ungenügender Kohlenstoffgehalt
vorliegt. Diese Verfahren sind jedoch teuer und nur teilweise wirksam, da selbst
in diesen Fällen über längere Zeit eine Sensibilisierung eintritt. Kohlenstoffarme
Legierungen zeigen ebenfalls häufig bei höheren Temperaturen eine verringerte Festigkeit.
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Ferner kann man durch extreme Kaltverformung von Stäben (durch Kaltwalzen),
bei der zum Beispiel eine Bo$ige Querschnittsabnahme
bewirkt wird,
gefolgt von einer Lösungstemperung die interkristalline Korrosion verhindern. Die
Kaltvefformung führt zu kleineren Körnern und zur Bildung einer Vielzahl von Gleitspuren
oder Gleitlinien. Hierdurch wird eine wesentlich grössere Oberfläche für die Karbidausscheidung
zur Verfügung gestellt. Gemäss US-PS 3 437 477 wird ein abribfester austerliti8cller
Edelstahl durch Erhöhung des Kohlenstoffgehalts eines Edelstahls vom AISI-Typ 304
hergestellt.
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Dabei wird der Kohlenstoffgehalt über diejenige menge hinaus erhöht,
welche in der austenitischen Matrix des Stahls bei 1150°C löslich ist (zwischen
0,4 und 0,5%). Sodann folgt eine Kalteerformung zur Erzeugung von Gleitflächen,
gefolgt von einer Erhitzung des materials auf eine Temperatur innerhalb des Temperaturbereichs,
in dem eine Karbidausfällung stattfindet. Dabei erhält man eine vorwiegend austenitische
matrix mit wahllos verteilten massiven Karbidbereichen und mit diskontinuierlichen
kleineren Karbidbereichen an den Grenzflächen und mit feinen Karbidteilchen, welche
in der Hauptsache an den durch Kaltverformung ausgebildeten Gleitflächen vorliegen.
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Die Wirkung einer Kaltverformung auf die Verringerung der interkristallinen
Korrosion von sensibilisierten Edelstählen wurde von Tedmon, Dr. et al.in Corrosion
27, Seiten 104 -1o6 (märz 1971) untersucht. Da die Kaltverformungsbehandlung nicht
auf die Oberfläche beschränkt ist, sondern vielmehr der gesamte Legierungskörper
behandelt wird, tritt oft eine übermässige Härtung ein. Daher eignen sich diese
methoden nur in Verbindung mit dünnen Blechmaterialien und nicht in Verbindung mit
schweren Platten mit einer Dicke von mehr als etwa 6 mm. Wie Fontana und Green in
Corrosion Engineering, mcGraw-Hill, 1967, New York, Seite 64, zeigen konnten, ist
die Kaltverformung keine empfehlbare oder praktische methode zur Verhinderung der
interkristallinen Korrosion.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes,
einfaches und relativ billiges Verfahren zur Desensibilisierung
oder
Stabilisierung von Legierungen, welche nach einer Temperatursensibilisierung der
interkristallinen Korrosion unterliegen, und insbesondere von austenitischen Edelstählen
zu schaffen.
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Erfindungsgemäss wird die Legierung, bei der die Gefahr einer interkristallinen
Korrosion besteht, vor einer eine mögliche Sensibilisierung herbeiführenden Temperaturbehandlung
einer Oberflächenbehandlung ausgesetzt. Diese besteht in einem Sandstrahlen der
Oberfläche der Legierung, so dass die gesamte Oberfläche bearbeitet wird. Dies führt
zu einer kräftigen Kaltverformung des Oberflächenbereichs und die ursprüngliche
Kornstruktur wird aufgebrochen, so dass die Korngrenzflächen nicht mehr kontinuierlich
sind. Im allgemeinen werden die Körner innerhalb einer Oberflächenschicht mit einer
Tiefe von mindestens zwischen etwa o,o2S mm und etwa o,13 mm stark beeinträchtigt.
De nach der behandelten Legierung, je nach den Sensibilisierungsbedingungen und
je nach der korrodierenden Umgebung können geringere oder grössere Tiefen der Kornveränderung
zur Erzielung des gewünschten entsensibilisierungsgrades erforderlich sein.
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Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich allgemein zur Verhinderung
der interkristallinen Korrosion bei einer Vielzahl von verschiedenen Legierungen,
welche in einer korrodierenden Umgebung nach vorhergehender Temperatursensibilisierung
dieser speziellen Form der Korrosion unterliegen. Das erfindungsgemässe Verfahren
eignet sich insbesonders zur Entsensibilisierung von austenitischem Edelstahl vom
Typ 18-8.
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Es wird als ein wesentliches merkmal der Erfindung angesehen, dass
das Sandstrahlen oder das Bombardement der Oberfläche der Legierung mit Partikeln
mit genügender Intensität erfolgt, so dass die ursprünglichen Kristalle oder Körner
in der Oberflächenschicht vorzugsweise in einer Tiefe von o,o25 bis o,13 mm oder
tiefer zerbrochen werden,-so dass die Grenzflächen
nicht länger
kontinuierlich verlaufen. Die Intensität der Behandlung, welche zur Erreichung dieses
Grades an Kornbearbeitung erforderlich ist, hängt ab von der Art der behandelten
Legierung sowie von der Intensität der Bearbeitung und der Dauer der Bearbeitung.
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Die Eignung einer bestimmten Sandstrahlbehandlung zur Erzielung der
erwünschten Verlagerung und Zerstörung der Korngrenzflächen kann leicht durch metallographische
Prüfung der Legierung nach der Behandlung oder durch Sensibilisierung und nachfolgende
Korrosion geprüft werden, so dass die Sandstrahlbehandlung für die jeweilige Legierung
standardisiert werden kann. Hierzu kann man eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung
heranziehen, welche mit der metallographischen Untersuchung korreliert werden kann,
so dass der Grad einer Kaltverformung bei ener bestimmten Sandstrahlbehandlung leicht
ausgewertet werden kann. Diese zerstörungsfreie Werkstoffprüfung kann zum Beispiels
auf der Messung der Röntgenstreuung, des Mössbauer-Effekts, des spezifischen elektrischen
Widerstands, der magnetischen Eigenschaften oder dergleichen beruhen, Es kann zum
Beispiel ein Instrument, welches auf Änderungen der Menge an magnetischem Material
anspricht (Severn-Instrument), herangezogen werden, um die Änderung der metallurgischen
Struktur bestimmter austenitischer Edelstähle durch die Sandstrahlbehandlung zu
verfolgen. Das Severn-Instrument spricht auf die menge an Ferrit oder Martensit
(magnetische Phase, welche bei drastischer Kaltverformung von austenitischen 18-8-Edelstählen
gebildet wird) an. In Verbindung mit austenitischen Edelstählen eignet sich auch
ein Wirbelstrommessgerät, welches unter den Bezeichnungen Dermitron und Uresco erhältlich
ist. Diese Instrumente verfolgen die Änderung der magnetischen Permeabilität und
der elektrischen Leitfähigkeit in kaltverformten Oberflächenschichten. Dabei können
die abgelesenen Werte von zwei verschiedenen Instrumenten in Korrelation mit einer
metallographischen Prüfung einer Probe von Edelstahl gebracht werden, um so die
erwünschten
minimalen oder optimalen Bedingungen für die erwünschte
Kaltverformung durch Sandstrahlen festzustellen. Auf diese Weise kann erreicht werden,
dass eine Oberflächenschicht mit einer Tiefe von etwa o,25 bis etwa o,13 seine kontinuierlichen
Korngrenzen verliert. Ferner kann man auch die bekannten Vorteile der Sandstrahlbearbeitung,
nämlich die Verhinderung von Spannungsrißkorrosion und von Ermüdungserscheinungen
erreichen, wenn man die intensivere Sandstrahlbehandlung gemäss vorliegender Erfindung
zur Verhinderung von interkristalliner Korrosion anwendet.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 eine Mikroaufnahme eines austenitischen Edelstahls vor der Sandstrahlbehandlung;
Figur 2 eine mikroaufnahme der Probe gemäss Figur, 1 nach Temperatursensibilisierung
und nach Einwirkung einer korrodierenden Umgebung; Figur 3 eine Mikroaufnahme einer
austenitischen Edelstahl-Probe nach einer Sandstrahlbehandlung mit einer Almen-Intensität
von o,o24, und zwar während der doppelten Zeit, welche für eine vollständige Bearbeitung
der Oberfläche erforderlich ist; Figur 4 eine mikroaufnahme der Probe gemäss Figur
3 nach nachfolgender Sensibilisierung und Einwirkung einer korrodierenden Umgebung;
Figur 5 eine Mikroaufnahme einer austenitischen Edelstahl Probe nach einer Sandstrahlbearbeitung
während der vierfachen Zeitdauer einer vollständigen Oberflächenbearbeitung und
mit einer solchen Intensität, dass auf dem Severn-Messinstrument ein Meßwert von
1,o bis 1,5% abgelesen wird, und Figur 6 eine Mikroaufnahme der Probe gemäss Figur
5 nach Sensibilisierung und Einwirkung einer korrodierenden Umgebung.
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Allgemein gesprochen wird erfindungsgemäss ein Verfahren zur Verhinderung
oder zur wesentlichen Herabsetzung einer interkristallinen
Korrosion
bei solchen Legierungen, welche nach Temperatursensibilisierung und Einwirkung einer
korrodierenden Atmosphäre einer derartigen Korrosion unterliegen, geschaffen. Dabei
handelt es sich um verschiedene Kupferlegierungen, Magnesiumlegierungen und Aluminiumlegierungen.
Diese sind in verschiedenem Maße der interkristallinen Korrosion zugänglich. Insbesondere
ist das erfindungsgemässe Verfahren jedoch auch bei nicht hitzehärtbaren einphasigen
austenitischen Chrom-Nickel-Eisen-Legierungen und insbesondere bei austenitischem
Edelstahl vom Typ 18-8 anwendbar. Im folgenden soll die Erfindung im Hinblick auf
die Sandstrahlbehandlung von austenitischem Edelstahl vom Typ 18-8 erläutert werden,
da dieser Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens erhöhte wirtschaftliche Bedeutung
zukommt. Die genannten Legierungen sind wohlbekannt und wurden vom American Iron
and Steel Institute in eine Vielzahl von Typen unterteilt. Eine Beschreibung der
Zusammensetzung und der typischen Eigenschaften einiger repräsentativer austenitischer
Edelstähle vom AISI-Typ 300 sind zum Beispiel in einer Tabelle auf den Seiten 6-43
von Baumeister, Nechanical Engineers' Handbook, 6. Ausgabe, ScCraw-Hill, New York,
1958, angegeben. Der Stahl AISI 304 repräsentiert einen nicht stabilisierten austenitischen
Edelstahl vom Typ 18-8 und Inconel 600 repräsentiert eine einphasige austenitische
Nickel-Eisen-Chrom-Legierung.
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Beide Legierungen unterliegen einer starken interkristallinen Korrosion
nach einer Temperatursensibilisierung, falls sie nicht einer Sandstrahlbehandlung
ausgesetzt werden. Dies gilt insbesondere für Edelstahl vom Typ 18-8.
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Bei der Sandstrahlbehandlung handelt es sich um ein wohlbekanntes
metallurgisches Verfahren, welches zur Zeit zur Kaltverformung von metalloberflächen
herangezogen wird, und zwar primär zur Erhöhung der Dauerfestigkeit und zur Verhinderung
von Spannungsrisskorrosion von metallteilen. Ferner dient dieses Verfahren dazu,
metallteile zu formen oder die Oberflächen zu verfestigen. Hierzu wird die Oberfläche
des endbearbeiteten
Bauteile mit rundem Stahlschrot oder keramischem
Schrot bestimmter Abmessung bombardiert, und zwar mit einer bestimmten Intensität,
welche in Almen-Einheiten gemessen werden kann. Dies geschieht entweder durch eine
Handdüse oder durch eine Spezialmaschine unter vorbestimmten Bedingungen, zum Beispiel
hinsichtlich Geschwindigkeit und Dauer. Jedes Schrotteilchen ist nach Art eines
kleinen Hammers wirksam. Wenn eine Oberfläche vollständig auf diese Weise bearbeitet
wird (loo Bearbeitung), und zwar mit herkömmlichen Intensitäten (wobei die Oberfläche
einer Vielzahl von Schlägen ausgesetzt wird), so resultiert eine verformte Oberflächenschicht
(Kompression), welche den Oberflächenzugspannungen, die normalerweise zur Rissbildung
führen, widersteht. Dies kann durch visuelle Unt-ersuchungen festgestellt werden.
Im allgemeinen genügt eine looige bis 200ige Bearbeitung (bis zur zweifachen Dauer
der vollen Bearbeitung) dazu, das Material einer gewünschten Kompressionsverformung
auszusetzen, damit eine Spannungsrisskorroslon vermieden wird oder auf ein Minimum
herabgesetzt wird. Eine darüber hinausgehende Sandstrahlbearbeitung der Oberfläche
wird allgemein als überflüssig angesehen.
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Die US-PS 3 648 498 beschreibt eine Vorrichtung zur Sandstrahlbearbeitung
und Endbearbeitung der Innenfläche einer Röhre. Dieses Patent nimmt Bezug auf verschiedene
herkömmliche Sandstrahlbearbeitungen und insbesondere auf die Beschreibung der Sandstrahlbearbeitung
in Metals Handbook-, Band 2, 1964, Seiten 398 bis 405, der American Society for
Metals. Die Sandstrahlbearbeitungsintensität wird herkömmlicherweise in Form von
Almen-Bogenhöhen angegeben (ASE Test J442)-. Hierzu wird ein dünnes flaches Stück
Stahl auf einem festen Block befestigt und einem Sandgebläse ausgesetzt. Diese Behandlung
führt tendenziell zu einer Streckung der Oberflächenschicht, so dass sich die Probe
bei Entfernung vom Block krümmt. Das Ausmaß dieser Krümmung ist proportional der
Intensität der Behandlung.
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Die Intensität der Behandlung ist eine Funktion des Gewichts, der
Grösse, der Härte und der Geschwindigkeit der Sandstrahlteilchen sowie eine Funktion
der Dauer der Behandlung, der Art des Substrats und des AuftrefFwinkels und verschiedener
anderer Faktoren.
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In älteren Studien zur Kaltverformung von austenitischem Edelstahl
vom Typ 304 wurde der Edelstahl einer Sandstrahlbearbeitung mit zerbrochenem Stahlschrot,mit
einem Durchmesser von etwa 1,6 mm mittels eines herkömmlichen Sandstrahlgeräts ausgesetzt.
Der Sandstrahlbearbeitung ging eine kurzzeitige Sensibilisierung durch Schweissen
voran und auf die Sandstrahlbearbeitung folgte eine kurzzeitige Sensibilisierung
durch Schweissen. Es wurde der Schluss gezogen, dass eine Sandstrahlbearbeitung
vor dem Schweissen nicht zu einer Verhinderung der interkristallinen Korrosion führt
und sogar schädlich ist. Das Ausmaß der Verbesserung durch Sandstrahlbearbeitung
nach dem Schweissen wurde als völlig unzureichend angesehen. Aufgrund dieser Studie
wurde nachfolgend das Hauptgewicht auf die Verwendung von Edelstahl mit einem äusserst
geringen Kohlenstoffgehalt gelegt oder auf die Verwendung von stabilisierten Edelstählen,
um so die interkristalline Korrosion zu bekämpfen.
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Es wurde nun jedoch überraschenderweise gefunden, dass bei einer drastischen
Sandstrahlbearbeitung von nicht stabilisiertem austenitischem Edelstahl über das
normalerweise erforderliche Ausmaß hinaus (mehr als loo bis 200ige Oberflächenbearbeitung),
welches zur Verhinderung der Spannungsrisskorrosion ausreichend ist, eine interkristalline
Korrosion wirksam verhindert werden kann. Diese drastische Behandlung muss vor der
Sensibilisierung erfolgen. Der herkömmliche Almen-Test, welcher bisher bei der Sandstrahlbearbeitung
herangezogen wird, führt hinsichtlich einer Prüfung der Wirksameit einer Sandstrahlbearbeitung
zur Erhöhung der interkristallinen Korrosionsfestigkeit nicht zu befriedigenden
Ergebnissen.
Die messung der Almen-Intensität in Verbindung mit dem erfindungsgemässen Verfahren
ist auf die Steuerung des Sandstrahlstroms und die Reproduzierbarkeit des Sandstrahlverfahrens
beschränkt. Die dabei erzielten Meßwerte sagen jedoch an sich nichts über die Wirksamkeit
der Sandstrahlbearbeitung der Oberfläche des Werkstücks aus. Diese Wirksamkeit muss
im wesentlichen durch eine metallographische Untersuchung der behandelten Probe
nach Temperatursensibilisierung und Korrosion festgestellt werden. Diese Untersuchung
kann sodann mit einer zerstörungsfreien Prüfung unter Verwendung von magnetischen
Instrumenten oder von Wirbelstrominstrumenten korreliert werden. Ein kritisches
Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, die Sandstrahlbearbeitung
derart durchzuführen,dass die Kornstruktur an der Oberfläche zerstört wird, so dass
die Korngrenzflächen an der Oberfläche nicht länger kontinuierlich verlaufen. Dies
erfordert allgemein eine Störung der Kornstruktur bis zu einer Tiefe von mindestens
o,25 bis o,13 mm von der Oberfläche aus gerechnet. Gewöhnlich ist zu diesem Zweck
eine Sandstrahlbearbeitung, welche das Äquivalent einer 200gen Oberflächenbearbeitung
bei weitem übersteigt, erforderlich, wenn man mit herkömmlichen Almen-Intensitäten
arbeitet. Daher ist das maß der Oberflächenbedeckung und der Almen-Intensität an
sich bedeutungslos für die Feststellung der Wirksamkeit des erfindungsgemässen Verfahrens.
Wie bereits erwähnt eignet sich zur Auswertung der Wirksamkeit des erfindungsgemässen
Sandstrahlbearbeitungsverfahrens eine Korrelation einer metallographischen Prüfung
der behandelten Probe mit einer zerstörungsfreien messtechnik (magnetische Verfahren
oder Wirbelstrommessverfahren). Die Verwendung von messinstrumenten für magnetische
Materialien (Severn-Instrument) erfordert eine sorgfältige Eichung mit einem Material
des gleichen Typs. man verwendet eine Reihe von geeichten Magneten. Derartige Instrumente
dienen der routinemässigen Bestimmung der menge von magnetischem Ferrit in einem
austenitischen Edelstahl-Schweissmetall. Das
Severn-Messgerät spricht
nur -auf den Ferritgehalt der Testprobe an und die Ergebnisse sind im wesentlichen
unabhängig von der Dicke der Probe. Daher ist diese Technik auf solche austenitischen
Edelstähle beschränkt, in denen während der Kaltverformung oder der plastischen
Verformung Ferrit aufgrund einer martensitischen Reaktion gebildet wird.
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Bei Edelstählen vom Typ 18-8 findet dieser Übergang zu Ferrit nur
statt, wenn die Kaltverformung unterhalb des Phasenumwandlungstemperatur erfolgt,
welche bei etwa 100°C liegt. Wenn man das Severn-Sessinstrument bei schon bestehenden
Schweissnähten anwendet, so muss der schon im Schweissmetall vorliegende Ferrit
bei der Auswertung des Testergebnisses berücksichtigt werden.
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Wirbelstrommessinstrumente wie zum Beispiel das Dermitron-Instrument
oder das Uresco-Instrument erfordern eine Eichung mit Standardproben der gleichen
Dicke und der gleichen metallurgischen Vorgeschichte wie die Testprobe, da diese
Instrumente auf die magnetische Permeabilität und die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften
des Stahls ansprechen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Diese Beispiele beziehen sich auf die Behandlung von austenitischem Edelstahl
vom Typ 18-8.
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Es muss jedoch betont werden, dass das erfindungsgemässe Verfahren
sich auch zur Sandstrahlbehandlung von anderen der interkristallinen Korrosion unterliegenden
Legierungen eignet.
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Beispiel 1 Es wird eine korrelierende Untersuchung des Sensibilisierungsverhaltens
durchgeführt. Hierzu werden drei Materialien getestet, welche für einen kontinuierlichen
Hochtemperaturbetrieb innerhalb des Temperatursensibilisierungsbereichs geeignet
sind. Es handelt sich um Edelstähle vom Typ 304 und 321 und um die Incoloy-Legierung
800. Diese materialien liegen
in Form von heissgewalzten lösungegetemperten
mattflächen vor. Die Edelstahlblechproben haben eine Dicke von etwa 6,4 mm. Das
Blech aus Incoloy-Legierung 800 hat eine Dicke von etwa 12,7 mm. Die Proben werden
bei erhöhter Temperatur von etwa 425, 540 und 650°C gehalten. Danach werden die
Proben während 5, 50, 500, 2500, 5000, loooo und 20000 Stunden einer Luftatmosphäre
ausgesetzt und dann wird die Ausscheidung von Chromkarbid an den Korngrenzen metallographisch
ausgewertet. Wenn eine solche Ausscheidung eintritt, so ist das material sensibilisiert
und empfindlich gegenüber einem interkristallinen Angriff einer korrodierenden Atmosphäre.
Die Proben werden dem Oxalsäure-Ätztest zur Prüfung der interkristallinen Korrosion
gemäss ASTM A262-70 "Prüfung der Empfindlichkeit gegen interkristallinen Angriff
bei Edelstählen" unterworfen.
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Die Testergebnisse zeigen, dass keine der getesteten Legierungen beim
Erhitzen auf 4250C während einer Dauer von bis zu 20 ooo Stunden sensibilisiert
wird. Alle drei Legierungen werden jedoch bei Temperaturen von 540 und 650°C sensibili-0
siert. Edelstahl vom Typ 304 wird beim Erhitzen auf 54c°C während 50 Stunden teilweise
sensibilisiert (nur an der Oberfläche) und beim Erhitzen auf 540°C während 500 Stunden
voll sensibilisiert. Ferner tritt eine volle Sensibilisierung beim Erhitzen während
fünf Stunden auf 650°C ein. Der Edelstahl vom Typ 321 ist ein stabilisierter Stahl
und nicht in gleichem maße durch interkristalline Korrosion gefä-hrdet wie der nicht
stabilisierte Stahl vom Typ 304. Auch dieser Edelstahl wird jedoch beim Erhitzen
auf 540°C während 500 Stunden und beim Erhitzen auf 650°C während 50 Stunden sensibilisiert.
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Incoloy 800, eine Ni-Cr-Fe-Legierung mit hohem Mittelgehalt, wird
beim Erhitzen auf 540 C während Soo Stunden und beim Erhitzen auf 650°C während
nur fünf Stunden sensibilisiert.
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Keine der genannten Legierungen wird beim Långzeiterhitzen auf erhöhte
Temperaturen (20 ooo Stunden) entsensibilisiert.
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Somit werden alle drei Legierungen im Falle einer längeren
Hochtemperaturbehandlung,wie
sie zum Beispiel in Dampferzeugern und Überhitzern vorliegt, für einen interkristallinen
Korrosionsangriff empfindlich.
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Beispiel 2 Da Edelstahl vom Typ 304 unstabilisiert ist und insbesondere
leicht einem interkristallinen Korrosionsangriff nach Temperatursensibilisierung
unterliegt, wird im folgenden eine Probe dieses Stahls mit einer Dicke von 6,4 mm
untersucht. Diese Proben werden einmal einer üblichen Sandstrahlbearbeitung unterzogen,
wobei herkömmliche Sandstrahlgeräte verwendet werden. Zum anderen werden diese Proben
unter Verwendung einer modifizierten Laboratoriums-Sandstrahlmaschine behandelt.
Die Proben werden mit verschiedenen Intensitäten behandelt, wobei entweder herkömmlicher
Gußstahlschrot oder herkömmliche Keramikkügelchen eingesetzt werden. Sodann werden
die behandelten Proben auf 6500£ erhitzt, um die Åusscheidung von Chromkarbid zu
fördern. Sodann werden die Proben einem Salpetersäure-Flußsäure-Test zur Prüfung
des interkristallinen Angriffs unterworfen und metallographisch nach Standardmethoden
untersucht. Gleichzeitig wird die Anwendbarkeit herkömmlicher zerstörungsfreier
Testmethoden ausgewertet.
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Solche herkömmlichen zerstörungsfreien Tests werden mit Hilfe eines
Wirbelstrommessinstruments (Dermitron) oder mit Hilfe eines Instruments zur Messung
von magnetischem Material (Severn-Instrument) durchgeführt. Die Ergebnisse sind
in Tabelle 1 zusammengestellt. Man erkennt aus Tabelle 1, dass ein Severn-Meßwert
von mindestens o,5% "Ferrit" als Schwellenwert für eine wirksame Sandstrahlbehandlung
zur Eliminierung von interkristalliner Korrosion angesehen werden kann. Ein Dermitron-Meßwert
von weniger als 3,5 (auf einer Skala, welche von 1,o bis 4,o reicht) kann als entsprechender
Schwellenwert unter den vorgegebenen Testbedingungen angesehen werden.
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Niedrigere Werte zeigen eine Verbesserung an.
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Tabelle 1
| Sandstrahl- Dermitron- Severn- Interkristalline |
| parameter Werte Werte Korrosion |
| Stahl- unbehandelt 4,0 - - |
| schrot 40 psig - 2 min 3,8 <0,5% Ferrit ja |
| (Labor) 70 psig - 2 min 3,5 <0,5 ja |
| 100 psig - 2 min 3,1 >0,5 nein |
| 100 psig - 4 min 2,5 1,5 - 2,0 nein |
| 100 psig - 7 min 0,6 >3,5 nein |
| 100 psig - 10 min 0 >3,0 nein |
| Stahl- unbehandelt 4,0 - - |
| schrot 70 psig - 2 min 3,8 0,5 - 1,0% ja |
| (Labor) 70 psig - 4 min 3,3 0,5 - 1,0 nein |
| 70 psig - 6 min 2,9 0,5 - 1,0 nein |
| 70 psig - 8 min 2,0 1,0 - 1,5 nein |
| 70 psig - 10 min 1,0 1,8 - 2,0 nein |
| Stahl- unbehandelt 4,0 - - |
| schrot 20 psig - 100% 3,8 <0,5 ja |
| (gewerbl.) 40 psig - 100 3,8 <0,5 ja |
| 60 psig - 100 3,8 <0,5 ja |
| 80 psig - 100 3,9 <0,5 ja |
| 80 psig - 200 3,9 <0,5 ja |
| 80 psig - 400 3,9 <0,5 ja |
| Keramik- unbehandelt 4,0 - - |
| schrot 20 psig - 100% 3,4 0,5 - 1,0% nein |
| (gewerbl.) 40 psig - 100 3,0 0,5;- 1,0 nein |
| 60 psig - 100 2,9 0,5 - 1,0 nein |
| 80 psig - 100 2,6 0,5 - 1,0 nein |
| 80 psig - 200 1,4 2,5 - 2,0 nein |
| 80 psig - 400 1,9 2,5 - 3,0 nein |
Beispiel 3 Bei einer weiteren Testserie wird Edelstahl vom Typ
304 verwendet. Dieser wird durch Heisswalzen zu einem Blech oder einer Platte mit
einer Dicke von 6,4 mm verarbeitet. Diese wird einer Lösungstemperung unterzogen
und dann mattiert.
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Danach werden Testproben abgeschnitten. Diese Stahlprobe weist die
folgenden Bestandteile auf: C o,o57%, Mn 1,56%, P 0,027, S o,o24%, Si o,o48%, Ni
8,60% Cr 18,85%, Cu o,17% und Mo 0,38%.
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Sodann wird eine Sandstrahlbehandlung in herkömmlicher Weise unter
Verwendung von keramischen Teilchen der Güte 390 (o,o390-in. Nenndurchmesser bzw.
0,99 mm Nenndurchmesser) mit einem Luftdruck von etwa 5,5 Atm. durchgeführt. Die
Almen-Intensität beträgt bei allen Proben unter diesen Bedingungen o,o24 A. Die
Sandstrahlbearbeitung wurde jeweils manuell durchgeführt. Die Proben wurden für
die Sandstrahlbearbeitung durch Maskierung aller Bereiche ausser dem zu behandelnden
Bereich vorbereitet. Flächen von etwa 5 cm im Quadrat wurden mit zunehmender Behandlungsdauer
mit dem Sandstrahl behandelt. Diese Sandstrahlbehandlung wurde mit Hilfe des Severn-Geräts
überwacht, wobei die Menge an gebildetem magnetischem Ferrit bestimmt wurde.
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Die ersten Testproben wurden mit loo% Oberflächenbedeckung bestrahlt,
d.h., die Dauer der Sandstrahlbehandlung war gerade ausreichend, damit jeder Flächenbereich
der Oberfläche einem Schrotaufschlag ausgesetzt wurde. Durch visuelle Prüfung wurde
festgestellt, dass nach etwa 15 sec. eine looige Oberflächenbehandlung vorlag. Sodann
wurde die Behandlungsdauer verdoppelt (200%ige Bedeckung) oder verdreifacht (300%ige
Bedeckung) oder dergleichen, wie die Proben 1-4 in Tabelle 2 zeigen. Die Proben
5-8 der Tabelle 2 wurden sandstrahlbehandelt, ohne auf die Oberflächenbedeckung
oder die Dauer der Behandlung Rücksicht zu nehmen, bis die nächst höhere Stufe des
Ferritgehalts mit dem Seuern-Weßinstrument festgestellt wurde. Das Severn-eßinstrument
spricht nicht
auf die niedrigsten magnetischen Eichwerte (o,5%
Ferrit bei einer Oberflächenbehandlung von loo und 200%) an.
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Eine Oberflächenbehandlung von 300% und höher konnte mit verschiedenen
geeichten Magneten für Ferritgehalte von o,5% und höher festgestellt werden. Nachfolgend
wurden die mit dem Sandstrahl behandelten Flächen noch einmal mit dem Severn-Instrument
getestet und ferner auch mit einem herkömmliche Wirbelstrom-Meßinstrument (Uresco),
um den Grad der Sandstrahlbehandlung in Korrelation zu bringen mit dem Grad der
Kaltverformung der Oberfläche bei der Sandstrahlbearbeitung.
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Zusätzlich wurden einzelne Bereiche der mit dem Sandstrahl behandelten
Oberflächen metallographisch untersucht, und zwar einmal nach der Sandstrahlbearbeitung
und zum anderen nach der Sensibilisierung bei etwa 6800C und dem Test auf interkristalline
Korrosion (2 1/2 Stunden in 10% HNO3-3% HF-Lösung bei 7o bis 80°C). Die erhaltenen
Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
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Tabelle 2-
| Zerstörungsfreie |
| Oberflächen- Prüfung Inter- |
| Probe bedeckung % Ferrit Wirbelstrom kristalline |
| Nr. (%) (Severn) (Urasco) Korrosion |
| Ver- |
| gleich unbehandelt <0,5 40 stark |
| 1 100% <0,5 40 mässig |
| 2 200% <0,5 40 leicht |
| 3 300% # 0,5 43 keine |
| 4 400% 0,5-1,0 46 keine |
| 5 - 0,5-1,5 48 keine |
| 6 - 0,5-2,0 51 keine |
| 7 - 0,5-3,5 73 keine |
| 9 - 0,5-5,0 85 keine |
Wie Tabelle 2 zeigt, bildet ein mit- dem Severn-Gerät gemessener
Ferritgehalt von o,5% einen vernünftigen Schwellenwert für die Sandstrahlbehandlung
zur Verhinderung einer interkristallinen Korrosion. A1it Sandstrahl behandelte Oberflächen
mit einem Ferritgehalt von weniger als 0,5 (unabhängig von der Prozentualen Oberflächenbedeckunq
mit dem Sandstrahl) unterliegen einer kristallinen Korrosion beim HN03-HF-Test (nach
Sensibilisierung) während behandelte Oberflächen mit einem Ferritgehalt von o,5%
oder mehr nicht angegriffen werden. Eine ähnliche Korrelation ergibt sich unter
Anwendung der irbelstromtechnik. Hierbei dient ein Ablesewert von 43 (basierend
auf einem Bezugsstandard von 40 bei einer unbehandelten Oberfläche) einem geeigneten
Schwellenwert. Dabei zeigen höhere Wirbelstromablesungswerte eine Verbesserung an.
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Die Figuren zeigen photographische ikroaufnahmen von sandstrahlbehandelten
Proben vor und nach der interkristallinen Korrosion mit vorangehender Sensibilisierung.
Alle Aufnahmen wurden mit einer 250-fachen Vergrösserung unter Oxalsäure-tzung aufgenommen.
Figur 1 zeigt die Vergleichsprobe der Tabelle 2, welche nicht mit dem Sandstrahl
behandelt wurde. Die Kornstruktur und die Korngrenzen oder Kristallgrenzen sind
klar erkennbar. Figur 2 zeigt die Probe gemäss Figur 1 nach Sensibilisierung und
Korrosionsbehandlung. Die korrosive Zerstörung der einzelnen Bereiche erstreckt
sich tief in die Testprobe hinein. Figur 3 zeigt die Probe Nr.2 der Tabelle 2, welche
mit einer Oberflächenbedeckung von 200% mit dem Sandstrahl bearbeitet wurde und
welche einen Severn-Wert von unterhalb o,5% und einen Wirbelstromwert von 40 bis
42 zeigt. Die Sandstrahlbehandlung erstreckte sich auf die gesamte Oberfläche der
Probe. Diese Behandlung führt zu Restkompressionsspannungen und schützt die Probe
vor nachfolgender Spannungsrißkorrosion. Man erkennt, dass der grösste Teil der
Korngrenzen innerhalb einer sehr dünnen
Oberflächenschicht zerbrochen
sind. Dennoch erstrecken sich in einzelnen Teilfichen die Korngrenzen bis zur Oberfläche.
Figur 4 zeigt die Probe gemäss Figur 3 nach Sensibilisierung und interkristalliner
Korrosionsbehandlung. man erkennt, dass ein korrodierender Angriff immer noch entlang
der Korngrenzen stattfindet und dass diese Korrosion recht weit in die Probe hineinreicht.
Figur 5 zeigt die Probe Nr.5 gemäss Tabelle 2, welche bis zu einer Bedeckung von
mehr als 400% mit dem Sandstrahl bearbeitet wurde, bis ein Severn-Weßwert von 1,o
bis 1;5% erhalten wurde. Dabei erhält man einen entsprechenden Wirbelstrommeßwert
von 46 bis 48. Man erkennt, dass die Kornstruktur der Oberflächenschicht völlig
zerbrochen ist und dass innerhalb der gesamten Oberflächenschicht keine kontinuierlichen
Grenzflächen vorliegen. Figur 6 zeigt die Probe gemäss Figur 5 nach einer Temperatursensibilisierung
und nach einem Korrosionsangriff durch Salpetersäure-Flußsäure. Man erkennt, dass
die Probe gemäss Figur 6 frei von interkristalliner Korrosion ist.
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In ähnlicher Weise wurden Proben von Inconel 600, einer Cr-Ni-Fe-Legierung
mit hohem Nickelgehalt und mit einer austenitischen Struktur mit dem Sandstrahl
behandelt, wobei handelsübliche Keramikkörner der Güte 390 verwendet wurden und
wobei ein Luftdruck von 5,5 Atm. angewandt wurde. Nicht behandelte Proben zeigen
nach Sensibilisierung bei 6800C und nach korrodierender Behandlung mit Salpetersäure-Flußsäure
eine starke interkristalline Korrosion. Proben, welche einer drastischen Sandstrahlbehandlung
unterzogen wurden und die nach der Behandlung bei metallographischer-Prüfung eine
vollständige Unterbrechung der Korngrenzen in der Oberflächenschicht zeigten, erwiesen
sich als unempfindlich gegen interkristalline Korrosion unter den gleichen Testbedingungen.
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Somit kann mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens das Phänomen
der Karbidausscheidung in kontinuierlichen Korngrenzbereichen eliminiert werden.
Somit wird auch die interkristalline
Korrosion, welche für austenitische
Edelstähle und für andere austenitische Cr-Ni-Fe-Legierungen nach einer vorangehenden
Temperatursensibilisierung typisch ist, unterbunden werden. Wenn die Probe einer
heftigen Sandstrahlbearbeitung unterzogen wird und dann einer thermischen Behandlung
bei der Sensibilisierungstemperatur unterzogen wird, so findet eine unschädliche
Karbidausscheidung innerhalb des gesamten kaltverformten Bereichs der Legierung
statt. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass das Verfahren während
der Herstellung der Metallteile, während der Installation, während des Betriebs
oder während der Wartung durchgeführt werden kann. Verschiedene Bauteile können
zum Beispiel für einen nachfolgenden Schweisavorgang in Position gebracht werden.
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Sodann werden diese Bauteile der drastischen Sandstrahlbearbeitung
gemäss vorliegender Erfindung unterzogen, und zwar in den vorgesehenen Schweisabereichen.
Danach werden die Bauteile zusammengeschweisst. Wenn nun die der drastischen Sandstrahlbearbeitung
unterzogenen Bauteile während des Schweissens auf die Sensibilisierungstemperatur
erhitzt werden oder über diese Temperatur hinaus erhitzt werden, so findet dennoch
keine interkristalline Korrosion statt. Das gleiche gilt auch für eine Hitzebehandlung
im Ofen oder für eine Hitzebehandlung während des Betriebs. Wenn man Edelstahl vom
Typ 304 der drastischen erfindungsgemässen Sandstrahlbearbeitung unterzieht und
sodann im Ofen sensibilisiert und wenn man danach den Salpetersäure-Flußsäure-Test
durchführt und den Gewichtsverlust feststellt, so zeigt sich, dass die interkristalline
Korrosion stark herabgesetzt ist und dass somit die erfindungsgemäss behandelte
Stahl probe vom Typ 304 der wesentlich teureren Stahlprobe vom Typ 321 (stabilisierter
Stahl) hinsichtlich der Lorrosionsfestigkeit entspricht. Ein weiterer Vorteil des
erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass es an Ort und Stelle angewandt
werden kann. Es eignet sich insbesondere speziell zur Behandlung von Bereichen,
welche für die Schweissung vorgesehen sind und somit in besonderem Saße der Hitzeeinwirkung
unterliegen, oder zur Behandlung von tiefen Punkten"
in einem System,
welches zur Konzentration von korrodierenden Stoffen führt.