Hochtemperaturkorrosion

Grundidee und Bedeutung

Hochtemperaturkorrosion ist die chemische Reaktion zwischen einer Umgebung, also einem Medium, und einer Werkstoffoberfläche, also einem Bauteil, bei Temperaturen, die für wässrige Korrosionsmedien wie Elektrolyte zu hoch sind. Dabei entstehen feste, flüssige oder gasförmige Korrosionsprodukte. Diese Produkte schwächen in der Regel den tragenden Querschnitt eines Bauteils oder beeinträchtigen seine Funktion.

Solche Prozesse treten in vielen technischen Anwendungen auf, die deutlich oberhalb von 100 °C arbeiten. Beispiele sind Verzunderung an Abgasanlagen von Fahrzeugen, Korrosion in thermischen Kraftwerken mit Kohle, Öl, Gas, Biomasse oder Reststoffen, außerdem Vorgänge in Flugtriebwerken, Schiffsdieselmotoren sowie in chemischen und petrochemischen Prozessen.

Hochtemperaturkorrosion ist technisch wichtig, weil sie in vielen Fällen die Lebensdauer von Bauteilen bestimmt. Durch geeignete Schutzmaßnahmen lässt sie sich meist auf ein unkritisches Maß reduzieren. Genannt werden hoch chrom- oder aluminiumhaltige Legierungen sowie Schutzschichten.

Zeitlicher Verlauf

Der zeitliche Verlauf der Hochtemperaturkorrosion wird häufig mit einem parabolischen Gesetz beschrieben, wenn diffusionskontrollierte Vorgänge den Korrosionsprozess bestimmen. Diffusion bedeutet hier, dass Teilchen durch den Werkstoff oder durch Korrosionsschichten wandern und dadurch die Reaktion begrenzen.

Die Formel lautet:

ΔA² = kₚ • t

Dabei ist ΔA der korrosionsgeschädigte Anteil des Bauteilquerschnitts, kₚ die parabolische Reaktionskonstante und t die Zeit.

Besonders kritisch ist der Übergang vom noch beherrschbaren parabolischen Korrosionsverhalten zum „Breakaway-Effekt“. Dabei kommt es nach einer gewissen Inkubationszeit zu stark beschleunigter, häufig linearer Materialschädigung. Die Inkubationszeit kann unter technischen Bedingungen mehrere tausend Stunden dauern.

Wichtige Umgebungsbestandteile

Neben Sauerstoff können mehrere Stoffe Hochtemperaturkorrosion stark beeinflussen. Schwefel führt zur Bildung von „weichen“ oder spröden Metallsulfid- oder Metallsulfatphasen. Solche Phasen können bei hohen Temperaturen auch schmelzflüssig sein. Eine häufige Ursache ist die Verbrennung von Brennstoffen mit höherem Schwefelgehalt, zum Beispiel Kohle, Öl oder Abfall.

Kohlenstoff verursacht in der Regel Aufkohlung. Dabei entstehen innere Metallkarbide im Werkstoff; Metallkarbide sind Verbindungen aus Metall und Kohlenstoff. Die Folge ist eine Verfestigung oder Versprödung des Bauteils. Eine Extremform ist „Metal Dusting“. Es tritt bei extrem hohen Kohlenstoffgehalten in der Umgebung auf, wenn sich Kohlenstoff als Koks oder Ruß auf der Oberfläche abscheidet. Das metallische Bauteil zerfällt dann zu „Staub“ aus Graphit sowie Metall- oder Metallkarbidpartikeln. Aufkohlung kann in verschiedenen industriellen Verbrennungs- oder Vergasungsatmosphären vorkommen.

Weitere korrosive Einflüsse

Stickstoff wirkt ähnlich wie Kohlenstoff. Statt Metallkarbiden entstehen innere oder auch äußere Metallnitridphasen, also Verbindungen aus Metall und Stickstoff. Sogar der Stickstoff der Luft kann bei hohen Temperaturen zur Nitrierung von Werkstoffen führen.

Halogene wie Chlor, Fluor, Iod und Brom bilden bei hohen Temperaturen gasförmige Metallhalogenide als Korrosionsprodukte. Dadurch kann das Metall „abdampfen“, was zu einem sehr schnellen Metallabtrag führt. Halogenbeeinflusste Korrosion wird häufig bei der Verbrennung chlorhaltiger Biomassen oder in der Müllverbrennung beobachtet.

Auch Wasserdampf kann bei hohen Temperaturen die Oxidation beschleunigen, obwohl man das zunächst vielleicht nicht erwarten würde. Dies wird häufig bei Verbrennungsvorgängen mit feuchten Brennstoffen gefunden.

Forschung

An Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturkorrosionsschutz wird intensiv geforscht. In Deutschland laufen solche Forschungsarbeiten zum Beispiel am DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI). Ziel solcher Arbeiten ist es, die Schädigungsprozesse besser zu verstehen und wirksamere Schutzmaßnahmen für technische Bauteile zu entwickeln.