Spezifizierung korrosionsbeständiger Gussteile: Sorten, Prozesse und Überprüfung

Ein Austauschauftrag für eine Pumpenhülse beginnt normalerweise mit einer Frage: Das vorherige Teil ist nach achtzehn Monaten durch Lochfraß in der Nähe des Flansches ausgefallen, und der Anlageningenieur möchte ein Gussteil, das bis zur nächsten größeren Revision hält. Korrosionsbeständige Gussteile werden selten allein anhand der Zugfestigkeit begründet. In Chemie-, Wärmebehandlungs- und Stahlverarbeitungsanlagen sind die Legierungszusammensetzung, das Gießverfahren, die Wärmebehandlung und die innere Festigkeit die entscheidenden Faktoren. In diesem Artikel wird erklärt, wie diese Faktoren zusammenwirken, wie man Qualitäten vergleicht und was man überprüfen muss, bevor ein Gussstück in Betrieb genommen wird.

Was ist ein korrosionsbeständiger Guss?

Ein korrosionsbeständiger Guss ist ein Metallbauteil, das durch Gießen einer geschmolzenen Legierung in eine Form geformt und dann so konstruiert wird, dass es den in seiner Betriebsumgebung erwarteten chemischen Angriffen standhält: Lochfraß, Spaltkorrosion, Spannungsrisskorrosion oder Hochtemperaturoxidation. Die in Industriegussteilen am häufigsten verwendeten Materialfamilien sind:

• Austenitische Edelstähle wie 316L (Gusssorte CF3M) mit guter Rundumbeständigkeit gegenüber vielen Säuren und chloridhaltigen Medien bei moderaten Temperaturen.
• Duplex-Edelstähle wie 2205 (Gusssorte CD3MN), die eine höhere Festigkeit mit einer besseren Beständigkeit gegen Chlorid-Spannungskorrosionsrisse vereinen als gewöhnliche austenitische Sorten.
• Nickel-Chrom-Legierungen wie HP-Typ 26Cr35Ni werden gewählt, wenn das Bauteil sowohl hohen Temperaturen als auch korrosiven Prozessatmosphären ausgesetzt ist.

Ein Gussteil ist kein Schmiedeteil mit einer anderen Form. Während der Erstarrung entwickeln Gusslegierungen eine größere Kornstruktur, können sich auf der Dendritenebene entmischen und bei schlechtem Zufuhrsystem möglicherweise Mikroschrumpfung aufweisen. Alle drei Merkmale beeinflussen die Korrosionsbeständigkeit. Zwei Gussstücke mit der gleichen Nenngüte können daher je nach Gießerei, die sie hergestellt hat, sehr unterschiedliche Leistungen erbringen.

Korrosionsmechanismen, die die Sortenwahl bestimmen

Bevor Sie eine Klasse auswählen, ermitteln Sie, welcher Fehlermechanismus am wahrscheinlichsten ist. Vier dominieren bei industriellen korrosionsbeständigen Gussteilen:

• Lochfraß und Spaltkorrosion: Lokaler Angriff, meist durch Chlorid verursacht und in stagnierenden Bereichen, unter Dichtungen oder unter Ablagerungen beschleunigt.
• Spannungsrisskorrosion: Zugspannung in Kombination mit einer bestimmten Umgebung, beispielsweise heißen Chloriden oder ätzenden Lösungen; Es kommt oft zu plötzlichen, unerwarteten Brüchen.
• Interkristalline Korrosion: Angriff entlang der Korngrenzen, verursacht durch Chromkarbid-Ausfällung, wenn die Legierung beim Gießen, Schweißen oder langsamen Abkühlen sensibilisiert wird.
• Gleichmäßige Korrosion: gleichmäßiger Dickenverlust über die Oberfläche; vorherzusagen, bestimmt aber dennoch die erforderliche Wandstärke und Lebensdauer.

Die folgende Tabelle verbindet diese Mechanismusen mit der üblichen Legierungsreaktion.

Legierungsauswahl: Beginnen Sie mit PREN und schauen Sie dann tiefer

Die Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) ist ein Standard-Screening-Tool für die Chlorid-Lochfraßbeständigkeit: PREN = %Cr 3,3 x %Mo 16 x %N. Es ordnet schnell Austenit- und Duplexgüten ein. Die Balken zeigen ungefähre Werte für gängige Gussqualitäten.

PREN ist ein Ausgangspunkt, keine endgültige Antwort. Es heißt nichts über die gleichmäßige Korrosion in reduzierenden Säuren aus und es können keine Gussfehler erkennen, die als Ausgangspunkt für Lochfraß dienen. Kombinieren Sie für kritische Komponenten PREN mit Korrosionstestdaten oder Serviceerfahrung. Ein 2205-Duplex-Gussteil übersteht in der Regel den Betrieb mit heißem Chlorid, bei dem 316L schnell Löcher wirft, allerdings nur, wenn die Mikrostruktur nach dem Lösungsglühen korrekt ist. Bei falscher Wärmebehandlung bilden sich schädliche Phasen an den Korngrenzen und das Gussstück wird anfällig, obwohl seine Chemie den Zertifikaten entspricht.

Wie der Gießprozess verändert sich die Korrosionsleistung

Der Gießweg hat direkten Einfluss auf das Korrosionsverhalten, da er die Kornstruktur, Porosität und Oberflächenqualität bestimmt. Bei der Herstellung korrosionsbeständiger Bauteile dominieren drei Prozesse, die jeweils eine andere Handschrift hinterlassen.

• Bei zylindrischen Bauteilen wird bevorzugt Schleuderguss eingesetzt: korrosionsbeständige Hülsen, Strahlrohre, Ofenrollen und Rohrabschnitte. Das Metall erstarrt von der Außenwand nach innen gerichtet und erzeugt ein dichtes, feinkörniges Gefüge mit wenigen Lunkern. Durch Schleuderguss können Teile mit einem Durchmesser von 50 mm bis 1000 mm und einer Länge von bis zu 4000 mm hergestellt werden.
• Feinguss (Wachsausschmelzverfahren) wird für komplexe Geometrien, dünne Wände und eine gute Oberflächengüte im Gusszustand gewählt. Da die Schalenform warm bleibt, kann das Metall langsam abkühlen, sofern das Gießen und die Formtemperatur nicht kontrolliert werden. Daher ist ein Lösungsglühen nach dem Gießen von entscheidender Bedeutung.
• Harzsandformung eignet sich für große Teile wie Pumpengehäuse, Ventilkörper und Rührwerke. Schwere Abschnitte kühlen ungleichmäßig ab, was das Risiko einer Entmischung und Karbidausfällung erhöht. Diese Teile hängen noch stärker von einem richtig ausgelegten Wärmebehandlungszyklus ab.

Die praktische Schlussfolgerung besteht darin, die erforderliche Wärmebehandlung zusammen mit der Sorte anzugeben, einschließlich der Glühtemperatur und der Abkühlmethode sowie gegebenenfalls des zulässigen Bereichs für Härte und Ferritgehalt.

Was Sie beim Kauf korrosionsbeständiger Gussteile beachten sollten

Beschaffungsprobleme sind in der Regel eher auf unvollständige Spezifikationen als auf Pech zurückzuführen. Eine solide Spezifikation für einen korrosionsbeständigen Guss sollte Folgendes umfassen:

1. Eine Gusssorte mit einer chemischen Zusammensetzung, die von Gussnormen wie ASTM A743, ASTM A744 oder ASTM A890 reicht, und nicht von einer Norm für bearbeitete Platten oder Stangen.
2. Eine Wärmebehandlungsanforderung, in der Regel Lösungsglühen, ausgedrückt durch einen Temperaturbereich und eine Abkühlmethode sowie Akzeptanzgrenzen für die Härte und, bei Duplexsorten, den Ferritgehalt.
3. Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung: Flüssigkeitseindringprüfung auf Oberflächenrisse, Radiographie auf innere Unversehrtheit und hydrostatische Prüfung auf drucktragende Teile.
4. Dokumentation: ein Materialprüfzertifikat mit der tatsächlichen Pfannenanalyse sowie Spektrometer- und metallografischen Berichten für kritische Gussteile.
5. Maßtoleranzen und eventuelle Bearbeitungsanforderungen sind an die Zeichnung gebunden.

Hier kommt es auf die Verifizierungshardware einer Gießerei an. Direkt ablesbare Spektrometer bestätigen die tatsächliche Chemie jeder Ladung, metallografische Analysen verifizieren die Struktur nach der Wärmebehandlung und 3D-Scans prüfen, ob die gelieferte Geometrie mit dem Modell übereinstimmt. Ein Gussstück mit einer hervorragenden Nennzusammensetzung kann jedoch vorzeitig versagen, wenn es eingebettete Mängel aufweist.

Wo korrosionsbeständige Gussteile verwendet werden

Korrosionsbeständige Gussteile sind selten eine Massenware; Sie sind für den Einsatz bestimmt. Typische Anwendungen sind:

• Chemische und petrochemische Anlagen: Korrosionsbeständige Hülsen aus 2205 und 316L für Prozessleitungen, HP-Rührer aus 26Cr35Ni für Reaktoren sowie Ventil- oder Pumpenkomponenten in aggressiven Medien.
• Wärmebehandlung und Stahlverarbeitung: Strahlrohre, Ofenrollen und Ofenbodenrollen, die hohen Temperaturen in Kombination mit oxidierenden, manchmal sulfidierenden Atmosphären ausgesetzt sind.
• Müllverbrennung: Rostkomponenten und Wärmetauscherelemente sind Verbrennungsgasen und chloridreichen Ablagerungen ausgesetzt.

Der wirtschaftliche Einsatz ist größer als der Teilepreis. Branchenstudien schätzen die weltweiten Korrosionskosten auf etwa 2,5 Milliarden US-Dollar, etwa 3,4 % des weltweiten BIP, und der Großteil dieser Kosten entsteht durch Produktionsausfälle und ungeplante Stillstände, Schäden, die oft mit einem lokal korrodierten Gussstück beginnen.

Korrosionsbeständige Gussteile belohnen ein diszipliniertes Vorgehen. Identifizieren Sie den Korrosionsmechanismus, überprüfen Sie die Qualität und Wärmebehandlung und bestätigen Sie die innere Integrität, bevor das Teil die Linie erreicht. Ein Hersteller wie Wuxi Dongmingguan Special Metal Manufacturing, der Schmelzen, Schleuder- und Feinguss, Wärmebehandlung, Bearbeitung und Qualitätsprüfung unter einem Dach steuert, kann diese Fragen mit seinen eigenen Daten beantworten. Wenn Sie einen Lieferanten bewerten, stellen Sie drei Fragen: Wie wurde das Teil überprüft, wie wurde es wärmebehandelt und woher wissen Sie, dass die gelieferte Chemie mit dem Zertifikat übereinstimmt? Die Antworten unterscheiden Gussteile, die lediglich einen Sortennamen tragen, wie zum Beispiel 316L oder 2205, von Gussteilen, die tatsächlich im Einsatz sind.