Oxidation Resistance of Stainless Steels

Oxidationsbeständigkeit von nichtrostenden Stählen

Oxidation ist die Bildung von oxidreichem Zunder. Der Zunder, der sich einmal gebildet hat, verlangsamt die weitere Oxidation, es sei denn, er wird mechanisch entfernt oder gerissen, was passieren kann, wenn sich der Stahl unter Belastung verformt. Bei rostfreiem Stahl, der bei erhöhter Temperatur bis zu 1100°C für hitzebeständig Typen wird dies vorteilhaft genutzt, da der gebildete Zunder überwiegend chromreich ist. Die neu gebildete Zunderschicht verhindert eine weitere Oxidation, aber das durch die Oxidbildung verlorene Metall verringert die effektive Festigkeit des Stahlteils.

Die Oxidationsbeständigkeit hängt hauptsächlich von der Temperatur, der Gaszusammensetzung und dem Feuchtigkeitsgehalt sowie der Stahlsorte, insbesondere dem Chromgehalt, ab. Austenitisch rostfreie Stähle sind die beste Wahl, da sie auch eine bessere Festigkeit bei höheren Temperaturen aufweisen als die ferritischen Stähle. Die höheren thermischen Ausdehnungsraten der austenitischen Stähle können zu Problemen wie Verformung und Zunderverlust (Abplatzungen) während der Temperaturwechsel führen.

Bedingungen für eine stabile Oxidbildung
Die Oxidation hängt hauptsächlich vom Sauerstoffgehalt der Atmosphäre ab. Gasgemische aus Luft, Kohlendioxid und Dampf "unterstützen" die Oxidation. Die Oxidationsbeständigkeit ist auf die Bildung von chromreichen Oxiden (Cr2O3) auf der Stahloberfläche zurückzuführen. Einmal gebildet, wachsen diese nur langsam an und schützen so den darunter liegenden Stahl vor weiterer Oxidation. Der Zustand der oxidierenden Atmosphäre unterstützt die Beständigkeit gegen weitere Oxidation. Wasserdampf kann die Oxidationsbeständigkeit von nichtrostendem Stahl beeinträchtigen. Dies ist wahrscheinlich das Ergebnis einer Abnahme der Plastizität der schützenden Oxidschicht. In der Regel sollten die maximalen Betriebstemperaturen für den Betrieb in feuchter Luft im Vergleich zu trockener Luft um etwa 40-65℃ gesenkt werden. Hochtemperaturdampf sollte als Sonderfall betrachtet werden.

Wenn die Oxidschicht unter zyklischen Temperaturbedingungen reißt, erhöht sich die Gesamtrate der Oxidation. Dies kann für die austenitischen Stähle ein Problem darstellen und spiegelt sich in niedrigeren maximalen Betriebstemperaturen bei "intermittierenden" Temperaturbedingungen wider als bei "kontinuierlichen" Betriebsbedingungen. Im Gegensatz dazu weisen ferritische und martensitische nichtrostende Stähle im Allgemeinen höhere intermittierende als kontinuierliche Betriebstemperaturen auf.Auswirkungen der Stahlsorte (Zusammensetzung) auf die Oxidationsbeständigkeit

Der Chromgehalt ist für die Oxidationsbeständigkeit am wichtigsten. Obwohl die 18% Cr-Gehalte der ferritisch 430 1.4016 und austenitisch 304 1.4301, 316 1.4401 und 3211.4541 eine "gute" Oxidationsbeständigkeit bieten, haben Stähle, die speziell für die Oxidationsbeständigkeit entwickelt wurden, im Allgemeinen einen höheren Chromgehalt im Bereich von 20-25%, wie z. B. die Güte 310 1.4845.

Nickel trägt auch zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit bei. Dies ist wahrscheinlich auf eine verbesserte Haftung der Oxidschicht zurückzuführen.

Silizium und Aluminium werden ebenfalls zugesetzt, um die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern, und sind in bestimmten Sorten in begrenzten Mengen vorhanden, da sie die Verformbarkeit und das Oxidationsverhalten von hitzebeständiger rostfreier Stahl.

Auch Kalzium in kleineren Mengen kann von Vorteil sein Oxidationsbeständigkeit.

Seltene Erden, einschließlich Cer und Yttrium, werden ebenfalls hinzugefügt, um einige der speziellen hitzebeständigen Sorten herzustellen. Diese Zusätze haben wahrscheinlich eine ähnliche Wirkung wie Nickel, indem sie die Haftung der chromreichen Oxidschicht an der Metalloberfläche unterstützen.

Ein Beispiel für eine hitzebeständige Sorte, die eine Kombination dieser Vorteile in der Zusammensetzung nutzt, ist 253MA (1.4835). Dieser Stahl hat keine spezifizierte Aluminium Bereich, jedoch wird Stickstoff zur Erhöhung der Festigkeit hinzugefügt.

EN 10095, 1.4835 Zusammensetzung, Gewicht %
C	Si	Cr	Ni	N	Ce
0.05-0.12	1.40-2.50	20.0-22.0	10.0-12.0	0.12-0.20	0.03-0.08

Versprödung im Betrieb Temperatur

Neben ihrer geringeren Warmfestigkeit können die ferritischen Stähle in bestimmten Temperaturbereichen spröde Bestandteile bilden.
Der Temperaturbereich von 370-540°C sollte vermieden werden. Bei den ferritischen Sorten mit höherem Chromgehalt kann es bei höheren Temperaturen auch zur Versprödung aufgrund von Sigma-Phasenbildung kommen. Dies ist auch ein Problem, wenn der Typ 25% Chrom 1.4845 (310) bei Temperaturen UNTER 900°C verwendet wird. Nach dem Einsatz bei diesen Temperaturen kann es beim Abkühlen auf Umgebungstemperatur zu Rissen kommen.
Die "Standard"-Austenitwerkstoffe 1.4878 / 14541 (321), 1.4401 (316) oder 1.4301 (304) sind für diese "niedrigeren" Temperaturen bis zu ca. 870°C, ihrer maximalen Einsatztemperatur an der Luft, möglicherweise die bessere Wahl.

Oxidationsbeständigkeit von nichtrostenden Stählen

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