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Deltaferrit

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Siehe auch: Ferrit.

(Edel-)Stahlgefüge mit kubisch-raumzentriertem (krz) Gitteraufbau; zeigt prinzipiell gleichen kristallinen Gefügeaufbau wie Alphaferrit.

Die Bezeichnung Deltaferrit (δ-Ferrit) ergibt sich aus der Entstehungsgeschichte des Kristallgefüges bzw. daraus, zu welchem Zeitpunkt dieser Gefügebestandteil entstanden ist. Alphaferrit zum Zeitpunkt der Erschmelzung / Erstarrung und Deltaferrit in nachfolgenden Bearbeitungsstufen der Halbzeuge zu entsprechenden Apparaten und Anlagen. So entsteht Deltaferrit z. B. beim (lokalen) Nacherwärmen, wie etwa beim Verschweißen und langsamen Abkühlen von Bauteilen aus austenitischen Edelstahllegierungen in Verbindung mit lokaler Diffusion von v. a Chrom im Gefügeverband, wobei z. B. im Schweißnahtbereich Bezirke (Phasen) entstehen, die durch lokale Zumischungen (bei gleichzeitiger Entmischung anderer Bereiche) einen Chrom-Äquivalent-Überhang (Chrom-Äquivalent) erhalten, wodurch lokale krz Kristallisationsformen ermöglicht werden. Die vom Chrom teilweise entmischten Bereiche zeigen einen verstärkten Überhang von Nickel-Äquivalentelementen (Nickel-Äquivalent) und kristallisieren unverändert kubisch-flächenzentriert (kfz).

Beispielsweise kristallisiert 1.4404 folgendermaßen:

  • Grundlegierung:

  • Schweißnahtbezirke (mit diffusionsbedingt veränderten Mischungsverhältnissen im Schweißnahtbereich)

    • 0,027 % C, 14,3 % Cr, 12,9 % Ni, 1,97 % Mo, 0,88 % Mn … kristallisiert nach WIG-Schweißung austenitisch (kfz)

    • 0,029 % C, 24,6 % Cr, 10,2 % Ni, 2,03 % Mo, 0,78 % Mn … kristallisiert dagegen ferritisch(krz).

Abb. D 3: Einfluss von Deltaferrit auf das Korrosionsverhalten. (Quelle: S.R. Collins u. P.C. Williams, Weldability and Corrosion Studies of AISI 316L Electropolished Tubing, Conference Proceedings Interphex, New York (Swagelock), 2000)

Der Werkstoffbereich in der Schweißnaht mit der krz Phase ist also durchaus auch eine Edelstahllegierung – nur ist die entstehende Kristallform krz und deshalb typisch ferritisch.

Durch Lösungsglühen und Abschrecken des Bauteils kann die Legierungsstruktur auch im Schweißnahtbereich wieder rein kfz homogenisiert werden. Andererseits kann durch Verwendung von höher legiertem Zusatzmaterial in der Schweißnaht (1.4519, 1.4539) und dadurch entsprechendem Überhang an Ni ebenfalls die Grundlage für die Bildung von Deltaferrit (krz Phasen) völlig vermieden werden. Auch durch die Verwendung von N2 im Schweiß- und Formiergas lässt sich die Deltaferritentstehung in der Schweißnaht merklich reduzieren oder sogar völlig unterdrücken.

Bezüglich der Deltaferritbildung in Schweißnähten von austenitischen Edelstahllegierungen sind die folgenden Problempunkte zu beachten:

  • Korrosionsverhalten von Austenit (kfz) und Ferrit (krz) bzw. den Übergangsbereichen zwischen den beiden Phasen,

  • Heißrissbildung,

  • Löslichkeit von Legierungsverunreinigungen bzw. oxidischen Schlackebildnern wie Al, Si, Ca (Desoxidationsmittel),

  • elektrochemische Bearbeitbarkeit.

Abb. D 4: Einfluss von Deltaferrit auf das Korrosionsverhalten. (Quelle: R. Morach, Einfluss des Deltaferritgehaltes auf das Korrosionsverhalten, Conference Proceedings International Symposium on Orbital Welding, La Baule, 1997)

Korrosionsverhalten

Da Deltaferritbereiche korrosionstechnisch gegenüber Austenitphasen keine prinzipiellen Schwächebereiche darstellen und nur die Phasenübergangsbereiche als kritisch gelten, sind wesentliche Nachteilswirkungen durch Deltaferritanteile im Schweißnahtgefüge in Form korrosiver Wirkungen bis dato in der Literatur nicht bekannt.

Heißrissbildung

Speziell bei dickeren Wandstärken von Rohren / Blechen (> 10 mm) aus austenitischen Edelstahllegierungen 1.4404 / 1.4435 werden Deltaferritanteile zur Vermeidung der Heißrissanfälligkeit von Schweißnähten werkstofftechnisch eher begrüßt. Auch die Entstehung von Schlackebelegungen (Schlacke) auf der Schweißnaht wird durch Deltaferritanteile im Nahtgefüge reduziert, da Ferrite für Al-, Si-, Ca-Oxide ein merklich höheres Lösevermögen im Gefüge aufweisen als reine Austenite.

Löslichkeit und elektrochemische Bearbeitbarkeit

Betreffend der chemischen Beständigkeit bzw. des elektrochemischen Verhaltens von Deltaferritphasen im austenitischen Grundgefüge (etwa Schweißnähte) ist zwischen dem Kern der Deltaferritphase und den Phasengrenzen zur austenitischen Matrix hin zu unterscheiden. Die chemische Beständigkeit der reinen Ferritbereiche (z. B. chromreich und nickelarm) ist nicht prinzipiell und nicht gegen alle Angriffsmedien korrosionstechnisch schwächer als die der Austenitbereiche. Die elektrochemische Beständigkeit der Ferritphasenbereiche jedoch ist eindeutig (potenzial-) schwächer als die austenitischen Bereiche, was beim elektrochemischen Polieren deutlich erkannt werden kann, da diese Schweißnahtbereiche infolge ungleichmäßigem elektrochemischem Abtrag von Ferrit- und Austenitstrukturen i. Allg. deutlich aufrauen. Der Grund für die unterschiedlichen Abtragsverhältnisse ist, dass Ferrite und Austenite deutlich unterschiedliche elektrochemische Potenziale aufweisen und die elektrochemischen Polierparameter und auch das elektrochemische Äquivalent für Ferrite von denen für Austenite deutlich verschieden sind. Parameterdaten für Elektrolyttemperatur und Stromdichte, die geeignet sind zum Elektropolieren von Austenit, verursachen bei Ferrit typischerweise ein elektrochemisches Beizen mit verstärktem Materialabtrag.

Aus chemischer wie auch aus elektrochemischer bzw. korrosionstechnischer Sicht problematisch sind die heterogenen Phasengrenzbereiche zwischen ferritischer und austenitischer Phase im Werkstoffverbund, da diese Übergangsbereiche praktisch nicht kontrollierbar sind.

Während die Vermeidung von Heißrissen in der Schweißnaht (bei Blechdicken > 10 mm) durch erhöhte Deltaferritanteile (3–10 %) gesichert wird und auch die erhöhte Löslichkeit von Schmelzenverunreinigungen (Al, Ca, Si etc.) in krz Gefügen mit dadurch reduzierten Schlackebelegungen auf der Schweißnaht erhöhte Deltaferritanteile in der Schweißnaht (3–10 %) günstig erscheinen lässt, wird das Korrosionsverhalten in Schweißnähten durch erhöhte Deltaferritanteile (> 3 %) weniger günstig beeinflusst. Dabei ist zu beachten, dass zwar die Korrosionsbeständigkeit von krz Gefügebereichen in der Schweißnaht nahezu gleich gut ist, wie die der kfz Gefügebereiche, dass aber in den (metallurgisch relativ undefinierten) Phasengrenzen zwischen kfz und krz deutlich reduzierte Korrosionswiderstände zu erwarten sind, wie elektrochemische Korrosionsversuche mit dem Werkstoff 316 L (1.4404) in wässrigen Lösungen von Salzsäure und Kochsalz unter erhöhter Temperatur zeigen (Lochfraßkorrosion).

Aus diesen Gründen ist die in vielen Spezifikationen auch heute noch anzutreffende Deltaferritbegrenzung (< 0,5–1 %) für Schweißnähte aus 1.4404 / 1.4435 in ihrer Sinnhaftigkeit durchaus strittig, nachdem in der Vergangenheit auch bei Edelstahlsystemen mit erhöhtem Deltaferrit in der Schweißnaht (bis 3 Vol.-%) in der Literatur keine eindeutig darauf zurückzuführenden Korrosionsschäden bekannt geworden sind.

Abb. D 5: WIG-Schweißen – Bildung von Deltaferrit. (Quelle: G. Henkel)

© 2013 – ECV – Lexikon der Pharmatechnologie

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