A. Rahmel/W. Schwenk
Korrosion
und Korrosionsschutz von Stählen
Verlag Chemie • Weinheim • New York -1977
Inhalt
Verzeichnis der benutzten Symbole XI11 1. Einführung—Was ist Korrosion? 1 2. Das System Werkstoff/Medium 3 2.1. Die Werkstoffe 3 2.2. Die Medien 8 2.2.1. Wäßrige Medien . 8 2.2.2. Gasförmige Medien 11 2.2.3. Elektrolyte und nichtwäßrige Lösungsmittel 12 2.2.4. Flüssige Metalle 14 2.3. Reaktionsprodukte 15 2.3.1. Reaktionsprodukte in Elektrolytlösungen 15 2.3.2. Reaktionsprodukte in gasförmigen Medien 16 2.3.2.1. Das System Eisen-Sauerstoff 16 2.3.2.2. Das System Eisen-Schwefel 19 2.3.2.3. Eisennitride 20 2.3.2.4. Eisenhalogenide 20 2.3.2.5. Fehlordnungen fester Reaktionsprodukte 21 2.4. Die Phasengrenzfläche Werkstoff/Medium 24 2.4.1. Elektrochemische Phasengrenzreaktionen 24 2.4.1.1. Thermodynamik der elektrolytischen Teilreaktionen - 2 6 2.4.1.2. Kinetik elektrolytischer Teilreaktionen 31 2.4.1.2.1. Durchtrittsüberspannung 31 2.4.1.2.2. Konzentrationsüberspannung 31 2.4.1.2.3. Widerstandsüberspannung 35 2.4.2. Besondere Eigenschaften der Phasengrenzfläche 37 2.4.3. Betrachtungen zur Ausbildungsform von Phasengrenzflächen 37 2.5. Literatur 40 3. Theorie und Untersuchungsverfahren 43 3.1. Korrosion in ionenleitenden Medien 43 3.1.1. Die elektrischen Meßgrößen Strom, Spannung und Widerstand . . . . 43 3.1.2. Die Messung von Strom-Potential-Kurven (Polarisationsversuche). . . 45 3.1.3. Summen-und Teilstrom-Potential-Kurven 47 3.1.4. Homogene Mischelektroden 50 3.1.5. Heterogene Mischelektroden (elektrolytische Kurzschlußzellen) . . . . 53 3.1.6. Elektrochemische Eigenschaften des Mediums (die kathodische Teil-
reaktion) 60 3.1.7. Besondere Hinweise für Korrosionsversuche in ionenleitenden Medien . 64 3.2. Korrosion in heißen Gasen 65 3.2.1. Zeitgesetze und Reaktionsmechanismen 65
VIII Inhalt
3.2.2. Theorie der Korrosion in heißen Gasen 68 3.2.2.1. Korrosion reiner Metalle (WAGNERsche Zundertheorie) 70 3.2.2.2. Korrosion von Legierungen 73 3.2.2.2.1. Dotierung 73 3.2.2.2.2. Binäre Legierungen 74 3.2.2.2.3. Innere Oxidation 75 3.2.2.2.4. Ternäre Legierungen 77 3.2.2.2.5. Katastrophale Oxidation 77 3.2.3. Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeit und des Zeitgesetzes . . . 78 3.2.3.1. Isotherme Versuchsdurchführung 78 3.2.3.2. Versuche mit zyklischer Temperaturführung 80 3.3. Korrosion in Medien mit elektronischer Teilleitfähigkeit 80 3.4. Korrosionsgrößen 81 3.5. Literatur 84 4. Korrosion in wäßrigen Medien 87 4.1. Nahezu gleichförmiger Flächenabtrag 87 4.1.1. Unlegierte und niedriglegierte Stähle 87 4.1.1.1. Atmosphärische Korrosion 87 4.1.1.2. Korrosion durch Wässer 89 X 4.1.1.3. Korrosion durch Säuren 97 x 4.1.2. Hochlegierte Chrom-und Chrom-Nickel-Stähle 100 4.1.3. Inhibition und Stimulation. 103 4.1.4. Korrosion in wasserhaltigen organischen Medien 107 4.2. Korrosion unter Bildung von Mulden und Lochfraß 109 4.2.1. Bedingungen für Lochkorrosion 109 4.2.2. Lochkorrosion unlegierter und niedriglegierter Stähle 113 4.2.3. Lochkorrosion hochlegierter Chrom- und Chrom-Nickel-Stähle . . . . 1 1 6 4.3. Selektive Korrosion und Kontaktkorrosion 121 4.4. Interkristalline Korrosion und interkristalline Spannungsrißkorrosion . 125 4.4.1. Ursachen für selektive Korrosion von Korngrenzenbereichen 125 4.4.2. Unlegierte und niedriglegierte Stähle . . . < 125 r 4.4.3. Chromhaltige Stähle und Nickel-Legierungen 131 4.4.3.1. Chromverarmungstheorie der interkristallinen Korrosion 131
^4.4.3.2. Interkristalline Korrosion austenitischer Stähle und Legierungen . . . 135 4.4.3.3. Interkristalline Korrosion ferritischer Stähle 139 4.4.3.4. Interkristalline Korrosion austenitisch-ferritischer Stähle 141 4.4.3.5. Allgemeine Eigenschaften kornzerfallsanfälliger Stähle und Legierungen 142 4.4.3.6. Interkristalline Spannungsrißkorrosion 142 4.5. Transkristalline Spannungsrißkorrosion 145 4.5.1. Allgemeine Bemerkungen über verschiedene Arten der Spannungsriß-
korrosion 145 / 4.5.2. Anodische Spannungsrißkorrosion austenitischer Stähle und Legierungen 146 4.5.3. Kathodische Spannungsrißkorrosion und Wasserstoffversprödung . . .151
Inhalt IX 4.5.3.1. Versprödung durch gasförmigen Wasserstoff 152 4.5.3.2. Wasserstoffinduzierte Spannungsrißkorrosion 153 4.5.4. Spannungsrißkorrosion in verschiedenen Medien mit ungeklärtem
Mechanismus 160 4.6. Korrosion bei dynamischer Zugbeanspruchung 162 4.6.1-. Spannungsinduzierte Korrosion 162 4.6.2. Schwingungsrißkorrosion (Korrosionsermüdung) 164 4.7. Korrosion bei vorwiegend mechanischer Einwirkung 167 4.7.1. Erosionskorrosion 167 4.7.2. Tropfenschlag 168 4.7.3. Kavitationskorrosion 168 4.7.4. Reibkorrosion (Korrosionsverschleiß) 170 4.8. Mechanismen wichtiger Elektrodenreaktionen 170 4.8.1. Anodische Eisenauflösung 171 4.8.1.1. BocKRis-Mechanismus (M 40) . 173 4.8.1.2. HEUSLER-Mechanismus (M 30) 176 4.8.1.3. Inhibierter Mechanismus (M 60) 178 4.8.1.4. Praktische Bedeutung der Reaktionsmechanismen 178 4.8.1.5. Besonderheiten bei Aktiv-Passiv-Übergang 179 4.8.2. Kathodische Wasserstoffabscheidung 179 4.8.2.1. VOLMER-HEYROVSKY-Mechanismus 181 4.8.2.1.1. LANGMUiR-Adsorption ' 183 4.8.2.1.2. TEMKIN-Adsorption. . • 184 4.8.2.2. VoLMER-TAFEL-Mechanismus 185 4.9. Literatur 187 5. Korrosion in heißen Gasen 193 5.1. Oxidbildung 193 5.1.1. Oxidation von Eisen 193 5.1.1.1. Oxidation bei hohen Sauerstoffdrücken oberhalb 570 °C 193 5.1.1.1.2. Oxidation bei hohen Sauerstoffdrücken unterhalb 570 °C '. 202 5.1.1.3. Oxidation bei kleinen Sauerstoffdrücken und hohen Temperaturen . . . 205 5.1.1.4. Oxidation in CO-CO2-und H2-H2O-Gemischen. 206 5.1.2. Oxidation von Eisen-Legierungen 208 5.1.2.1. Oxidation binärer Eisen-Legierungen 209 5.1.2.1.1. Eisen-Aluminium-Legierungen 209 5.1.2.1.2. Eisen-Antimon-Legierungen 211 5.1.2.1.3. Eisen-Arsen-Legierungen 212 5.1.2.1.4. Eisen-Beryllium-Legierungen 212 5.1.2.1.5. Eisen-Bor-Legierungen 212 5.1.2.1.6. Eisen-Chrom-Legierungen 212 5.1.2.1.7. Eisen-Kobalt-Legierungen . 215 5.1.2.1.8. Eisen-Kohlenstoff-Legierungen 215 5.1.2.1.9. Eisen-Kupfer-Legierungen . 216
X Inhalt
5.1.2.1.10. Eisen-Mangan-Legierungen 216 5.1.2.1.11. Eisen-Molybdän-Legierungen 217 5.1.2.1.12. Eisen-Nickel-Legierungen 217 5.1.2.1.13. Eisen-Niob-Legierungen 220 5.1.2.1.14. Eisen-Phosphor-Legierungen 220 5.1.2.1.15. Eisen-Schwefel-Legierungen 220 5.1.2.1.16. Eisen-Seltene Erdmetalle-Legierungen 220 5.1.2.1.17. Eisen-Silicium-Legierungen 221 5.1.2.1.18. Eisen-Zinn-Legierungen 224 5.1.2.1.19. Eisen-Titan-Legierungen 224 5.1.2.1.20. Eisen-Vanadium-Legierungen 225 5.1.2.1.21. Eisen-Wolfram-Legierungen 225 5.1.2.1.22. Eisen-Zirkon-Legierungen 227"
5.1.2.2. Oxidation ternärer Legierungen 227 5.1.2.2.1. Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen 228 5.1.2.2.2. Eisen-Chrom-Mangan-Legierungen 228 5.1.2.2.3. Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen 228 5.1.2.2.4. Eisen-Chrom-Silicium-Legierungen 229 5.1.2.2.5. Eisen-Chrom-Legierungen mit Zusätzen an Seltenen Erdmetallen und
anderen Metallen 230 5.1.2.3. Innere Oxidation 231 5.1.2.4. Katastrophale Oxidation 231 5.1.2.5. Oxidation technischer Stähle 234 5.1.2.5.1. Unlegierte und niedriglegierte Stähle 234 5.1.2.5.2. Hochlegierte Chrom-und Chrom-Nickel-Stähle 237 5.2. Schwefelung 239 5.2.1. Schwefelung von Eisen in flüssigem und dampfförmigem Schwefel . . . 240 5.2.2. Schwefelung von Eisen durch H2S und COS 242 5.2.3. Schwefelung von Eisen-Legierungen 242 5.2.4. Schwefelung von Stählen unter technischen Bedingungen 244 5.2.5. Innere Schwefelung 246 5.2.6. Katastrophale Schwefelung 246 5.2.7. Einfluß einer Voroxidation auf die Schwefelung 247 5.3. Nitrierung von Eisen und Stahl 247 5.3.1. Nitrierung von Eisen und niedriglegierten Stählen 247 5.3.2. Nitrierung hochlegierter Cr-und CrNi-Stähle 249 5.4. Halogenierung 251 5.5. Reaktion in Gasen mit zwei Angriffsmitteln 252 5.5.1. Thermodynamische Stabilitätsbetrachtungen 252 5.5.2. Intermediäres Aufreißen von Deckschichten 254 5.5.2.1. Reaktionen von Eisen in Sauerstoff-und schwefelhaltigen Gasen. . . . 255 5.5.2.2. Reaktionen von Eisen in O2-CO-CO2-Gemischen 256 5.5.2.3. Reaktionen von Eisen in Sauerstoff- und stickstoffhaltigen Gasen . . . 256 5.5.3. Gitterdiffusion durch die Deckschicht 257
Inhalt XI 5.5.4. Kinetische Bedingungen für die gleichzeitige Bildung von Oxid und
Sulfid an der Grenze Zunder/Gas 257 5.6. Verzunderung in Verbrennungsgasen 260 5.6.1. Verzunderung in Schwefel-und aschefreien Verbrennungsgasen . . . . 261 5.6.1.1. Unlegierte und niedriglegierte Stähle 261 5.6.1.2. Hochlegierte Chrom-und Chrom-Nickel-Stähle 262 5.6.2. Verzunderung in schwefelhaltigen und aschefreien Verbrennungsgasen . 262 5.7. Aufkohlung hochlegierter Werkstoffe 264 5.8. Oxidation in Kohlendioxid unter Druck 265 5.8.1. Oxidation unlegierter und niedriglegierter Stähle 265 5.8.2. Verhalten hochlegierter Chrom- und Chrom-Nickel-Stähle 267 5.9. Angriff durch Druckwasserstoff 269 5.10. Angriff durch Kohlenmonoxid unter Druck 271 5.11. Literatur 272 6. Korrosion in Schmelzen und unter Ablagerungen 281 6.1. Korrosion unter Ablagerungen und in Salzschmelzen 281 6.1.1. Alkalisulfatreiche Ablagerungen und Schmelzen 282 6.1.2. Vanadiumoxidreiche Ablagerungen und Schmelzen 291 6.1.3. Chloridschmelzeh und chloridhaltige Ablagerungen 296 6.1.4. Fluoridschmelzen 300 6.1.5. Bleioxidhaltige Ablagerungen und Schmelzen 300 6.1.6. Arsenhaltige Ablagerungen 301 6.1.7. Alkalinitratschmelzen 301 6.1.8. Alkalihydroxidschmelzen 303 6.2. Korrosionsvorgänge in Metallschmelzen 306 6.2.1. Arten der Metallschmelzenkorrosion 306 6.2.2. Abtragende Korrosion 307 6.2.2.1. Korrosion in Zinkschmelzen 308 6.2.2.2. Korrosion in Aluminiumschmelzen 311 6.2.3. Interkristalline Spannungsrißkorrosion 312 6.3. Literatur 314 7. Verfahren für den Korrosionsschutz 319 7.1. Allgemeine Bemerkungen über Schutzverfahren . . . 3 1 9 7.2. Anwendung von Inhibitoren und Aufbereitung wäßriger Medien zum
Korrosionsschutz 322 7.3. Elektrochemischer Korrosionsschutz 324 7.3.1. Grundlagen und Voraussetzungen für den elektrochemischen Schutz . . 324 7.3.2. Anwendung des kathodischen Korrosionsschutzes 327 7.3.3. Elektrische Schutzmaßnahmen gegen Streuströme und Elementbildung. 332 7.3.4. Kathodischer Schutz hochlegierter Stähle 335 7.3.5. Anwenden des anodischen Schutzes 335
XII Inhalt
7.4. Korrosionsschutz gegen atmosphärische Beanspruchungen und gegen wäßrige Angriffsmittel durch Überzüge und Beschichtungen 336 7.4.1. Organische Filme und Beschichtungen 337 7.4.2. Anorganische nichtmetallische Beschichtungen und Überzüge 342 7.4.3. Metallische Überzüge und Plattierungen 343 7.5. Korrosionsschutz gegen heiße Gase und Ablagerungen 346 7.5.1. Konstruktive und verbrennungstechnische Maßnahmen 346 7.5.2. Schutzüberzüge 347 7.5.3. Inhibierende Additive 348 7.6. Literatur 349 8. Korrosion und Korrosionsschutz im Blickwinkel der Wirtschaftlichkeit
und der technischen Entwicklung 353 8.1. Literatur 356 9. Verzeichnis der Tabellen und der Werkstoffe 357 9.1. Verzeichnis der Tabellen 357 9.2. Verzeichnis der Stähle und Eisen-Legierungen mit den Richtwerten für
ihre chemische Zusammensetzung 368 9.2.1. Unlegierte und niedriglegierte Stähle 368 9.2.2. Hochlegierte Stähle 371 9.2.3. Austenitische Sonderlegierungen 374 Sachregister 375
