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Korrosionsbeständigkeit: Warum ist ein Schutz für Kohlenstoffstahl zwingend erforderlich – und wo hat dieser einen Vorteil?
Korrosionsprozess: Kohlenstoffstahl und Chromoxide
Das Fehlen von Chrom in Kohlenstoffstahl ermöglicht die Oxidation in Gegenwart eines Oxidationsmittels wie Feuchtigkeit in der Luft. Daher bildet Stahl eine schützende Schicht. Das Fehlen einer solchen Schutzschicht führt zur Oxidation der Metallschichten, was letztlich zum Verlust der strukturellen Integrität führt. Im Laufe der Zeit verliert das verbleibende Metall bei Feuchtigkeitseinwirkung seine strukturelle Tragfähigkeit und damit sowohl die dimensionsbezogene Stabilität als auch die Tragfähigkeit des metallischen Werkstoffs.
Edelstahl in der Umgebung: Chrom und Randbedingungen
Edelstahl weist eine Schutzschicht in Form von nanoskaligem Chrom an der Grenzfläche zur oxidierenden Umgebung auf. Diese Schutzschicht kann in korrosiven Umgebungen – beispielsweise bei Vorhandensein von Chlorid-Anionen (z. B. Meerwasser, Salz usw.) – gestört werden und so interkristalline Korrosionsgruben bilden. Die interkristallinen Korrosionsgruben können in den Bereichen der Korrosionsgruben dendritisch oder faserförmig erscheinen. Dadurch ergibt sich ein Korrosionsbeständigkeitsindex von 316L (≈ 26,5), was bedeutet, dass dieser Werkstoff tatsächlich korrosiven Umgebungen standhalten kann.
Strategische Ausnahmen: Verwendung von Kohlenstoffstahl für Opfersysteme
Kohlenstoffstahl kann durch Opferwirkung zum Schutz von Stahl- und Kupferlegierungen in Rohrleitungen, Schiffsrümpfen und Wasserbehältern beitragen. Aufgrund des Preisvorteils von Kohlenstoffstahl sowie der Anwendung von Opfersystemen für Kupferlegierungen in Stahlsystemen ist Kohlenstoffstahl häufig die beste Wahl für Opfersysteme; Kohlenstoffstahl ist die beste Wahl für Opfersysteme sowie für Opfersysteme mit Kupferlegierungen in Stahl- und anderen Systemen wie Schiffsrümpfen und Wasserbehältern. Der Schutz edlerer Metalle erfolgt über Opfersysteme mit Zink-Anoden als Opferanoden. Die Aufgabe der Opferanoden besteht darin, einen opfermäßigen Schutz sicherzustellen. Die Kosten der Opferanoden machen sie zur besten Wahl für trockene, innenliegende, kurze und nicht kritische Systeme. Epoxid- und zinkreiche Systeme können die Lebensdauer verlängern und Wartungsaufwand reduzieren.
Wärmebehandlung von Kohlenstoffstahl und Eignung für Konstruktionsanwendungen
Wärmebehandlung zur Erzielung des gewünschten Kohlenstoffstahls für Konstruktionsanwendungen
Die Wärmebehandlung von Kohlenstoffstahl führt zu einer hervorragenden Kombination von Eigenschaften sowohl für hoch- als auch für niedrigpermeables Stahl. Es ergeben sich überlegene Ergebnisse bei der Entwicklung tragender Strukturen durch den Einsatz von normalisiertem/hochkohlenstoffhaltigem Stahl bei der Konstruktion von Übertragungsstruktursystemen wie z. B. Übertragungssystemen und Hochspannungsübertragungsrahmen. Es ist möglich, den Systemrahmen durch Systemrahmen für Übertragung und Hochspannungsübertragung sowie weitere Hochspannungsübertragungsrahmen zu ersetzen. Es kommt zu einer Verlagerung des Schutzsystemrahmens hin zu ungeschützten Rahmen für Hochspannungsübertragung. Es kann zu einer Verlagerung der Systemrahmen für Hochspannungsübertragungsrahmen kommen. Die Ergebnisse der Untersuchung von Hochspannungsübertragungssystemen waren Schutzsystemrahmen. Diese Systeme können eine Verlagerung hin zu Schutzsystemrahmen für Hochspannungsübertragung erfahren. Es kommt zu einer Verlagerung der Schutzrahmen. Die Systemrahmen ungeschützter Systeme weisen Hochspannungsschutz und Hochspannungsschutz auf. Die Ergebnisse waren Schutzsysteme.
Ausgewogenes Verhältnis von Umformbarkeit und Ermüdungslebensdauer: Analyse von Kohlenstoffstahl AISI 1045 sowie austenitischen und martensitischen Edelstahlqualitäten (304 und 410)
AISI 304 weist eine Zugfestigkeit von 304 MPa und eine Dehnung von 40 % auf. Im Vergleich dazu beträgt die Zugfestigkeit von AISI 1045 850 MPa und die Dehnung 10 %. Kohlenstoffstahl AISI 1045 weist eine höhere Zugfestigkeit und Härte als AISI 304 auf. Allerdings ist die Duktilität von AISI 1045 deutlich geringer. Aufgrund dieser eingeschränkten Duktilität ist AISI 1045 nur schwer kaltumformbar, was beim Umformen zu Rissbildung führt. Dies bedeutet, dass das Biegen und Walzen ohne vorherige Vorwärmung des Werkstoffs schwierig ist. AISI 410 weist eine Härte von HRC 40 auf; dennoch erreicht es nicht die Ermüdungslebensdauer von Edelstahl.
AISI 410 ist ein rostfreier Stahl, der härter und spröder ist als AISI 304, wodurch er im Vergleich zu den genannten rostfreien Stahlsorten weniger vielseitig einsetzbar ist. Außerdem kann 410er Edelstahl härter sein als AISI 1045, weist jedoch eine schlechtere Ermüdungsfestigkeit als 304er Edelstahl auf und ist weniger schweißbar als AISI 1045, was ihn im Vergleich zu rostfreien Stahlsorten weniger vielseitig macht.
Fertigung & Kostenreduktion: Kohlenstoffstahl als Mittel zur kosteneffizienten und hochvolumigen Produktion
Vorteile bei der Schweißbarkeit: Geringerer Vorwärmbedarf und weniger erforderliche Nachwärmbehandlung beim Kohlenstoffstahl
Der typische niedrige Kohlenstoffgehalt von Kohlenstoffstahl (< 0,3 %) macht Kohlenstoffstahl sehr gut schweißbar, was bedeutet, dass eine übliche Nachwärmbehandlung nach dem Schweißen praktisch unnötig ist und auch keine Vorwärmung erforderlich ist – was die Handhabung sehr erleichtert. Dadurch lassen sich Energieverbrauch und Projektdauer verkürzen. Im Vergleich zu den erforderlichen Vorwärm- und Nachwärmbehandlungen wird in der Industrie eine um 30 % bessere Leistungsfähigkeit von Kohlenstoffstahl gegenüber herkömmlichem Edelstahl festgestellt. Die Prüfung und Fertigung sind einfacher und effizienter, was bedeutet, dass der Verbrauch von Kohlenstoffstahl im Verhältnis zum Verbrauch von Edelstahl deutlich geringer ist.
Gesamtbetriebskosten: kurzfristige Einsparungen bei Materialkosten im Vergleich zu langfristigen Unterhaltskosten – Beispiele aus Bauwesen und Landwirtschaft
Kohlenstoffstahl kostet etwa die Hälfte von Edelstahl, gemessen pro Tonne. Diese Preisdifferenz bietet Bauunternehmen Flexibilität, um größere Projekte zu realisieren, oder landwirtschaftlichen Betrieben, um kleinere Projekte mit einer Steigerung der Ausbringung um 20 % zu errichten. Leider müssen Bauunternehmen mit höheren Gesamtkosten fertigwerden, da korrosionsbegrenzende Maßnahmen erforderlich sind, deren Kosten zwischen 15 und 25 % der Gesamtkosten ausmachen können. Bei einer Lebensdauer von 30 Jahren verringern sich die durch das Korrosionsmanagement verursachten Gesamtkosten auf 12 % der Baukosten – ausgehend von einem ursprünglichen Anstieg um 40 % aufgrund dieser Kosten. Die Wiederholung dieses Prozesses bei ausgebauten Rahmenbauteilen sowie die Umnutzung von Bauteilen von einem Gebäude zum nächsten zeigt laut der Veröffentlichung der NACE International „Corrosion Cost Study“ aus dem Jahr 2023 einen deutlichen Kostenvorteil für Bauunternehmen, die Projekte in zeitlich eng begrenzten Bereichen realisieren. Korrosionsmanagement ist im landwirtschaftlichen Bereich gleichbedeutend mit Bauprojekten.
Häufig gestellte Fragen
Warum korrodiert Kohlenstoffstahl?
Aufgrund der hohen Luftfeuchtigkeit und Feuchtigkeitsgehalte führt der Kohlenstoffgehalt des Stahls dazu, dass Kohlenstoffstahl stark korrosionsanfällig ist. Wird die Korrosion aufgrund hoher Sauerstoffkonzentrationen in korrosionsanfälligen Materialien nicht eingedämmt, ist Kohlenstoffstahl stärker oxidationsanfällig.
Warum müssen Maßnahmen zum Schutz von Kohlenstoffstahl vor Korrosion ergriffen werden?
Oxidation und die daraus resultierende Korrosion von Kohlenstoffstahl lassen sich – im Gegensatz zu Edelstahl – nicht auf eine Schicht begrenzen, durch die der Stahl eine passivierende Schicht bildet; daher verläuft die Korrosion und Oxidation von Kohlenstoffstahl kontinuierlich.
In welchen Fällen tritt die Korrosion von Kohlenstoffstahl als Problemthema auf?
Diese Fälle treten bei Anlagen mit kurzer Betriebsdauer, kurzfristiger Nutzung und innerer Verwendung auf, bei denen die Korrosionsschutzsysteme aufgrund kostenbedingter Vorteile begrenzt werden müssen.