Die Korrosionsbeständigkeit ferritisch nichtrostender Stähle (FNS) hängt wesentlich von zwei Faktoren ab, der Legierungszusammensetzung und zum anderen von der Wärmebehandlung. Diverse wissenschaftliche Arbeiten haben bereits den bedeutenden Einfluss leichter Schwankungen in der Legierungszusammensetzung auf die Korrosionsbeständigkeit demonstriert. Einige häufig eingesetzte Legierungselemente blieben bisher jedoch weitgehend unbeachtet. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit an einem technisch relevanten ferritisch nichtrostenden Stahl (X2CrTiNb18 bzw. 1.4509) der Einfluss von Aluminium, Silicium und Cobalt, bei gleichbleibender Wärmebehandlung, untersucht. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Korrosionsbeständigkeit und es werden umfangreiche experimentelle Ergebnisse hinsichtlich Gefüge, Härte und Korrosionsbeständigkeit (EPR, kritische Lochkorrosionspotentiale) vorgestellt und bewertet. Damit leistet die Arbeit einen Beitrag zum besseren Verständnis zwischen chemischer Zusammensetzung und Korrosionsbeständigkeit bei nichtrostenden Stählen.:1 Einleitung 2 Stand der Forschung 2.1 Korrosion 2.2 Passivität nichtrostender Stähle 2.3 Korrosionserscheinungen 2.4 Einfluss der Legierungselemente auf nichtrostende Stähle 2.5 Ferritischer nichtrostender Stahl 2.6 Wärmebehandlung 2.7 Untersuchungsmethoden zur Charakterisierung der Korrosionsbeständigkeit 3 Problemstellung und Lösungsansatz 4 Material und Methoden 4.1 Werkstoff 4.2 Probenherstellung und Wärmebehandlung 4.3 Untersuchungsmethoden 5 Ergebnisauswertung und Diskussion 5.1 Referenzprobe 5.2 Aluminium-Reihe 5.3 Silicium-Reihe 5.4 Cobalt-Reihe 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Literaturverzeichnis / The corrosion resistance of ferritic stainless steels (FSS) depends essentially on two factors: alloy composition and heat treatment. Several scientific papers have already demonstrated the significant influence of small variations in alloy composition on corrosion resistance. However, some commonly used alloying elements have remained largely unnoticed. Therefore, this work investigates the influence of aluminium, silicon and cobalt on a technically relevant ferritic stainless steel (X2CrTiNb18 or 1.4509) under constant heat treatment. The main focus is on corrosion resistance and extensive experimental results on microstructure, hardness and corrosion resistance (EPR, critical pitting potential) are presented and evaluated. Thus, the work contributes to a better understanding of the relationship be-tween chemical composition and corrosion resistance in stainless steels.:1 Einleitung 2 Stand der Forschung 2.1 Korrosion 2.2 Passivität nichtrostender Stähle 2.3 Korrosionserscheinungen 2.4 Einfluss der Legierungselemente auf nichtrostende Stähle 2.5 Ferritischer nichtrostender Stahl 2.6 Wärmebehandlung 2.7 Untersuchungsmethoden zur Charakterisierung der Korrosionsbeständigkeit 3 Problemstellung und Lösungsansatz 4 Material und Methoden 4.1 Werkstoff 4.2 Probenherstellung und Wärmebehandlung 4.3 Untersuchungsmethoden 5 Ergebnisauswertung und Diskussion 5.1 Referenzprobe 5.2 Aluminium-Reihe 5.3 Silicium-Reihe 5.4 Cobalt-Reihe 6 Zusammenfassung und Ausblick 7 Literaturverzeichnis

Eine Vielzahl der Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften von Werkstoffen wird von der Oberfläche bestimmt. Die gezielte Beeinflussung dieser physikalischen, chemischen und me-chanischen Eigenschaften über technische Verfahren ist das Ansinnen der Oberflächentech-nik. Hierzu wird die Oberfläche modifiziert, umgewandelt bzw. beschichtet. Insbesondere die Systemeigenschaften Korrosion und Verschleiß sind stark von der Zusammensetzung und Gestalt technischer Oberflächen abhängig und müssen sowohl bei der Verarbeitung als auch im Gebrauch betrachtet werden, um unerwünschten Prozessen wirkungsvoll zu begegnen. In dieser Schrift werden anhand ausgewählter Systeme die funktionalen Aufgaben unter-schiedlich beanspruchter technischer Oberflächen entsprechend der jeweiligen Anforderungen definiert und Lösungsansätze entwickelt. Anschließend erfolgt der Nachweis der erzielten Eigenschaften durch geeignete Prüf- bzw. Untersuchungsverfahren. Zusammenhänge zwi-schen Prozessparametern, Mikrostruktur und Eigenschaften lassen die Einsatzmöglichkeiten der verwendeten Werkstoffe unter Berücksichtigung der angewendeten Prozesse erkennen. Folgende Themenkomplexe werden ausführlich behandelt: • Schutzschichten für Lötanlagenkomponenten zur Verarbeitung bleifreier Lote, • anodisch erzeugte Schichten mit angepassten dielektrischen und tribologischen Eigen-schaften sowie Korrosionseigenschaften, • Phosphatschichten zur Vermeidung von Tribokorrosion und zur Erhöhung der Übertrag-barkeit von Kräften mit Welle-Nabe-Verbindungen, • Dispersionsschichten zum Korrosions- und Verschleißschutz mit Potenzial zur Anwen-dung in Mikrosystemen und für autokatalytische Prozesse sowie • auftraggeschweißte Schichten zum kombinierten Korrosions- und Verschleißschutz von Messern der Lebensmittelindustrie.

Eine Vielzahl der Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften von Werkstoffen wird von der Oberfläche bestimmt. Die gezielte Beeinflussung dieser physikalischen, chemischen und me-chanischen Eigenschaften über technische Verfahren ist das Ansinnen der Oberflächentech-nik. Hierzu wird die Oberfläche modifiziert, umgewandelt bzw. beschichtet. Insbesondere die Systemeigenschaften Korrosion und Verschleiß sind stark von der Zusammensetzung und Gestalt technischer Oberflächen abhängig und müssen sowohl bei der Verarbeitung als auch im Gebrauch betrachtet werden, um unerwünschten Prozessen wirkungsvoll zu begegnen. In dieser Schrift werden anhand ausgewählter Systeme die funktionalen Aufgaben unter-schiedlich beanspruchter technischer Oberflächen entsprechend der jeweiligen Anforderungen definiert und Lösungsansätze entwickelt. Anschließend erfolgt der Nachweis der erzielten Eigenschaften durch geeignete Prüf- bzw. Untersuchungsverfahren. Zusammenhänge zwi-schen Prozessparametern, Mikrostruktur und Eigenschaften lassen die Einsatzmöglichkeiten der verwendeten Werkstoffe unter Berücksichtigung der angewendeten Prozesse erkennen. Folgende Themenkomplexe werden ausführlich behandelt: • Schutzschichten für Lötanlagenkomponenten zur Verarbeitung bleifreier Lote, • anodisch erzeugte Schichten mit angepassten dielektrischen und tribologischen Eigen-schaften sowie Korrosionseigenschaften, • Phosphatschichten zur Vermeidung von Tribokorrosion und zur Erhöhung der Übertrag-barkeit von Kräften mit Welle-Nabe-Verbindungen, • Dispersionsschichten zum Korrosions- und Verschleißschutz mit Potenzial zur Anwen-dung in Mikrosystemen und für autokatalytische Prozesse sowie • auftraggeschweißte Schichten zum kombinierten Korrosions- und Verschleißschutz von Messern der Lebensmittelindustrie.

Um einen dauerhaften Einsatz Al2O3-basierter Feuerfestwerkstoffe in Hochtemperaturanlagen zur Synthesegaserzeugung zu ermöglichen, erfolgte die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Thermoschock- und Korrosionsbeständigkeit gegenüber flüssiger Kohleschlacke. In einem industrienahen Spinell-Alumina-Verbundwerkstoff lässt sich die Mikro- und Porenstruktur durch Zugabe von 6 Gew.-% eines Spinell-reichen Zements optimieren, wodurch die Infiltration und zugleich die Korrosion durch saure Braunkohleasche erheblich reduziert werden konnte. Die Zugabe von 2,5 Gew.-% TiO2 zu einer Al2O3-Gießmasse führt ebenfalls zur Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit und verhindert während des Tiegeltests die weitere Auflösung der Al2O3-Matrix, indem sich auf dem Werkstoff durch Reaktion mit MgO der Schlacke eine dichte in situ Spinell-Schutzschicht ausbildet. So erfolgte die Entwicklung von Materialien mit hervorragenden thermomechanischen Eigenschaften und ausreichender Korrosionsbeständigkeit, welche als umweltfreundliche und kostengünstige Alternative zu den derzeit eingesetzten Cr2O3-reichen Werkstoffen angesehen werden können.

Anlagen zur Herstellung von Synthesegas (CO·H2) aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen werden durch hohe Temperaturen bis zu 1600 °C und Drücken bis zu 50 bar beansprucht und benötigen daher Schutz durch eine feuerfeste Ausmauerung. Zur Steigerung der Effizienz und Lebensdauer solcher Vergasungsanlagen ist die Entwicklung neuer keramischer Hochtemperaturwerkstoffe erforderlich. Solch ein Material stellt eine Al2O3-reiche Gießmasse dar, welche durch den gezielten Einsatz verschiedener ZrO2- und TiO2-Gehalte optimiert wurde. Es hat sich gezeigt, dass bereits durch die Zugabe geringer Mengen an ZrO2 bzw. TiO2 sowohl die Temperaturwechselbeständigkeit als auch die Korrosionsbeständigkeit von Al2O3 gegenüber Kohleschlacken erheblich verbessert werden kann, was auf die Ausbildung einer Spinell-Schutzschicht während des Korrosionsvorgangs zurückzuführen ist.

Um einen dauerhaften Einsatz Al2O3-basierter Feuerfestwerkstoffe in Hochtemperaturanlagen zur Synthesegaserzeugung zu ermöglichen, erfolgte die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Thermoschock- und Korrosionsbeständigkeit gegenüber flüssiger Kohleschlacke. In einem industrienahen Spinell-Alumina-Verbundwerkstoff lässt sich die Mikro- und Porenstruktur durch Zugabe von 6 Gew.-% eines Spinell-reichen Zements optimieren, wodurch die Infiltration und zugleich die Korrosion durch saure Braunkohleasche erheblich reduziert werden konnte. Die Zugabe von 2,5 Gew.-% TiO2 zu einer Al2O3-Gießmasse führt ebenfalls zur Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit und verhindert während des Tiegeltests die weitere Auflösung der Al2O3-Matrix, indem sich auf dem Werkstoff durch Reaktion mit MgO der Schlacke eine dichte in situ Spinell-Schutzschicht ausbildet. So erfolgte die Entwicklung von Materialien mit hervorragenden thermomechanischen Eigenschaften und ausreichender Korrosionsbeständigkeit, welche als umweltfreundliche und kostengünstige Alternative zu den derzeit eingesetzten Cr2O3-reichen Werkstoffen angesehen werden können.

Anlagen zur Herstellung von Synthesegas (CO·H2) aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen werden durch hohe Temperaturen bis zu 1600 °C und Drücken bis zu 50 bar beansprucht und benötigen daher Schutz durch eine feuerfeste Ausmauerung. Zur Steigerung der Effizienz und Lebensdauer solcher Vergasungsanlagen ist die Entwicklung neuer keramischer Hochtemperaturwerkstoffe erforderlich. Solch ein Material stellt eine Al2O3-reiche Gießmasse dar, welche durch den gezielten Einsatz verschiedener ZrO2- und TiO2-Gehalte optimiert wurde. Es hat sich gezeigt, dass bereits durch die Zugabe geringer Mengen an ZrO2 bzw. TiO2 sowohl die Temperaturwechselbeständigkeit als auch die Korrosionsbeständigkeit von Al2O3 gegenüber Kohleschlacken erheblich verbessert werden kann, was auf die Ausbildung einer Spinell-Schutzschicht während des Korrosionsvorgangs zurückzuführen ist.