Korrosion in sauren Umgebungen – Säurebeständigkeit von Edelstählen und Nickellegierungen

Saure Umgebungen zählen zu den vielfältigsten korrosiven Umgebungen in der chemischen, petrochemischen, pharmazeutischen, Lebensmittel- und Düngemittelindustrie sowie in Anlagen zur Reinigung und Aufbereitung von Prozessmedien. Die bloße Tatsache, dass ein Metall Säure ausgesetzt ist, sagt nichts über seine Korrosionsbeständigkeit aus. Die Art der Säure, ihre Konzentration, die Temperatur, das Vorhandensein von Verunreinigungen, Chloriden und oxidierenden oder reduzierenden Substanzen, die Strömungsgeschwindigkeit und der Oberflächenzustand des Materials sind allesamt entscheidende Faktoren.
Ein Edelstahl, der gegenüber einer Säure beständig ist, kann in einer anderen Säure sehr schnell korrodieren. Beispielsweise ist Salpetersäure stark oxidierend und fördert unter vielen Bedingungen die Passivierung von Edelstählen mit einem ausreichenden Chromgehalt, während Salzsäure für viele gängige Edelstähle ein reduzierendes und sehr aggressives Milieu darstellt. Daher sollte die Materialauswahl für saure Umgebungen stets die genaue Zusammensetzung des Mediums und die tatsächlichen Prozessbedingungen berücksichtigen.

Warum korrodieren Säuren Metalle?

In saurem Milieu beeinflusst die hohe Aktivität der Wasserstoffionen die elektrochemischen Reaktionen an der Metalloberfläche. Bei der Auflösung aktiver Metalle führt die anodische Reaktion zum Übergang von Metallatomen als Ionen in die Lösung. Die kathodische Reaktion kann unter anderem die Reduktion von Wasserstoffionen unter Wasserstoffentwicklung oder die Reduktion anderer in der Lösung vorhandener Oxidationsmittel umfassen.
Die Beständigkeit von Edelstählen hängt maßgeblich von ihrer Fähigkeit ab, eine stabile Passivschicht zu bilden und zu erhalten. Ist die Passivierung durch die Umgebungsbedingungen möglich, kann die Korrosionsrate sehr gering sein. Wird die Passivschicht instabil oder verbleibt das Material im aktiven Zustand, kann die Auflösungsrate drastisch ansteigen.

Die wichtigsten Faktoren, die die Korrosion in Säuren beeinflussen

Oxidierende und reduzierende Säuren

Eines der wichtigsten Kriterien bei der Auswahl von Edelstahl ist die elektrochemische Beschaffenheit der Umgebung. Vereinfacht gesagt, können Säuren als stärker oxidierende oder stärker reduzierende Umgebungen betrachtet werden. Diese Unterscheidung ist von Bedeutung, da die Beständigkeit von Edelstählen auf der Passivierung beruht.
Eine Umgebung mit geeigneten oxidierenden Eigenschaften kann die Bildung und den Erhalt einer Passivschicht fördern. In einer stark reduzierenden Umgebung kann die Passivierung schwieriger sein. Andererseits kann ein zu hohes Oxidationspotenzial bei manchen Legierungen zu anderen unerwünschten Phänomenen führen. Daher ist es keine einfache Regel, dass die Beständigkeit eines Materials umso höher ist, je stärker die Säure oxidiert.

Korrosion in Schwefelsäure H₂SO₄

Schwefelsäure zählt zu den wichtigsten industriellen Medien und ist ein Beispiel für ein Milieu, in dem die Beständigkeit eines Materials nur unter Kenntnis von Konzentration und Temperatur bestimmt werden kann. Die Korrosivität der Lösung hängt von der Säurekonzentration, dem Wassergehalt, der Temperatur sowie dem Vorhandensein von Verunreinigungen und Oxidationsmitteln ab.
Die Standard-Edelstähle 304L und 316L sind in Schwefelsäure nur bedingt einsetzbar. Durch die Zugabe von Molybdän weist 316L unter bestimmten Bedingungen eine bessere Leistung als 304L auf, in aggressiveren Umgebungen sind jedoch höher legierte Werkstoffe erforderlich.
Der Stahl 904L (1.4539 / UNS N08904) wurde unter anderem für eine erhöhte Beständigkeit gegenüber Schwefelsäure entwickelt. Für noch anspruchsvollere Bedingungen kommen hochlegierte austenitische Stähle und entsprechend ausgewählte Nickellegierungen zum Einsatz. Die Auswahl sollte anhand von Korrosionsdiagrammen und Daten für die jeweilige Konzentration und Temperatur erfolgen.

Korrosion in Salzsäure (HCl)

Salzsäure stellt ein besonders aggressives Milieu für Edelstähle dar. Sie ist eine nicht-oxidierende Säure und liefert gleichzeitig eine große Menge an Chloridionen. Die Kombination aus niedrigem pH-Wert und Chloriden erschwert die Aufrechterhaltung einer stabilen Passivschicht.
Standardaustenitische Stähle wie 304L und 316L weisen eine sehr begrenzte Beständigkeit gegenüber Salzsäure auf und sollten nicht als typische salzsäurebeständige Werkstoffe betrachtet werden. Auch hochlegierte Edelstähle haben spezifische Anwendungsgrenzen.
In anspruchsvollen Anlagen mit Salzsäure werden sorgfältig ausgewählte Nickellegierungen eingesetzt, insbesondere solche mit hohem Molybdängehalt. Allerdings ist keine Legierung gegen alle Konzentrationen und Temperaturen von Salzsäure beständig, weshalb die Daten für das jeweilige Medium überprüft werden müssen.

Korrosion in Salpetersäure HNO₃

Salpetersäure unterscheidet sich grundlegend von Salzsäure durch ihre stark oxidierende Wirkung. Über viele Konzentrations- und Temperaturbereiche hinweg fördert sie die Bildung eines stabilen Passivierungszustands in Edelstählen mit einem geeigneten Chromgehalt.
Aus diesem Grund weisen Stähle der Sorte 304L in vielen Anwendungen mit reiner Salpetersäure eine sehr gute Beständigkeit auf. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sie unter allen Bedingungen beständig sind. Hohe Temperaturen, sehr hohe Konzentrationen, Verunreinigungen und Umgebungen mit sehr hohem Oxidationspotenzial können das Materialverhalten verändern.
In stark oxidierenden Umgebungen führt ein höherer Molybdängehalt nicht automatisch zu einer höheren Beständigkeit. Daher sollte die Wahl der Stahlsorte auf den Eigenschaften der jeweiligen Säure basieren und nicht auf der einfachen Annahme, dass ein stärker legierter Stahl immer besser ist.

Korrosion in Phosphorsäure H₃PO₄

Die Beständigkeit von Werkstoffen gegenüber Phosphorsäure hängt maßgeblich von der Reinheit des Mediums ab. Reine Phosphorsäure kann gegenüber vielen Edelstählen deutlich weniger aggressiv sein als technische Phosphorsäure, die in industriellen Prozessen hergestellt wird.
Phosphorsäure, die aus mineralischen Rohstoffen hergestellt wird, kann Chloride, Fluoride, Schwefelsäure und andere korrosive Verunreinigungen enthalten. Unter diesen Bedingungen kann ein Material, das in reiner Labor-H₃PO₄ eine gute Beständigkeit aufweist, in einem realen industriellen Prozess deutlich schlechter abschneiden.
Je nach den Gegebenheiten kommen Stähle der Sorten 316L und 904L, hochlegierte austenitische Stähle, Duplexstähle und Nickellegierungen zum Einsatz. Bei der Auswahl ist die tatsächliche Zusammensetzung der technologischen Säure zu berücksichtigen.

Organische Säuren – Essigsäure und Ameisensäure

Organische Säuren können ein sehr unterschiedliches Korrosionsverhalten aufweisen. Essigsäure wird unter anderem in der chemischen Industrie und der Lebensmittelindustrie eingesetzt, und viele Edelstähle zeigen unter verschiedensten Bedingungen eine gute Korrosionsbeständigkeit. Das Materialverhalten kann sich jedoch mit steigender Temperatur, veränderter Konzentration und der Anwesenheit anderer Komponenten ändern.
Ameisensäure stellt höhere Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit als viele gängige Essigsäurelösungen. Bei hohen Konzentrationen und Temperaturen kann die Beständigkeit von Standard-Edelstählen unzureichend sein.
In organischen Säureumgebungen spielen Chloridverunreinigungen und andere Prozesskomponenten eine besonders wichtige Rolle. Schon geringfügige Änderungen der Zusammensetzung des Mediums können den Korrosionsmechanismus und die Korrosionsgeschwindigkeit beeinflussen.

Einfluss der Säurekonzentration

Der Zusammenhang zwischen Korrosionsrate und Säurekonzentration ist nicht immer linear. Es ist keine allgemeingültige Regel, dass eine höhere Säurekonzentration stets zu schnellerer Korrosion führt. Konzentrationsänderungen können die Wasseraktivität, die Oxidationseigenschaften des Mediums, die Viskosität, die Leitfähigkeit und die Möglichkeit der Oberflächenpassivierung beeinflussen.
Ein klassisches Beispiel ist Schwefelsäure, bei der die Bereiche größter Aggressivität gegenüber einem bestimmten Material bei anderen Konzentrationen auftreten können, als sich aus einem einfachen Vergleich des prozentualen Anteils von H₂SO₄ ergeben würde.
Aus diesem Grund werden Materialdaten für Säuren häufig in Form von Isokorrosionsdiagrammen dargestellt, die die Abhängigkeit des Widerstands von den gleichzeitigen Effekten von Temperatur und Konzentration zeigen.

Temperatur und Korrosion in Säuren

Die Temperatur ist einer der grundlegenden Parameter, die die Anwendbarkeit eines Materials bestimmen. Eine Temperaturerhöhung beschleunigt typischerweise viele chemische und elektrochemische Reaktionen, kann den passiven Zustand der Oberfläche verändern und den Stofftransport in Lösung beeinflussen.
Ein Material, das in einer bestimmten Säure bei Raumtemperatur eine sehr geringe Korrosionsrate aufweist, kann bei Erwärmung des Mediums rasch zersetzen. Daher ist eine Widerstandstabelle, die lediglich den Säurenamen ohne Konzentration und Temperatur angibt, von begrenztem technischem Nutzen.

Die Wirkung von Chloriden in einem sauren Milieu

Chloride können das Verhalten von Edelstahl in sauren Medien erheblich verändern. Ein niedriger pH-Wert behindert die Repassivierung, während Chloride das Risiko lokaler Schäden an der Passivschicht erhöhen. Dadurch kann das Medium sowohl flächige als auch lokale Korrosion verursachen.
Dieses Problem ist besonders relevant bei technischen Säuren, Prozessströmen und Anlagen, bei denen Chloride aus Rohstoffen, Prozesswasser oder anderen Teilen des Prozesses in das nominell saubere Medium gelangen können.

Allgemeine und lokale Korrosion in Säuren

In sauren Umgebungen kann sowohl flächige als auch lokale Korrosion auftreten. Befindet sich das Material in einem aktiven Zustand, kann die Auflösung großflächig erfolgen und zu einer relativ gleichmäßigen Verringerung der Bauteildicke führen.
Bleibt der größte Teil der Oberfläche passiv, ist die Passivschicht jedoch lokal beschädigt, kann es zu Lochfraß oder Spaltkorrosion kommen. Unter bestimmten Kombinationen von Material, Umgebung und Belastungen ist auch Spannungsrisskorrosion möglich.

Materialauswahl für die wichtigsten sauren Umgebungen

Diese Tabelle dient lediglich der allgemeinen Information und stellt keine Tabelle zur chemischen Beständigkeit dar. Die Bezeichnung eines Materials gibt lediglich an, dass es üblicherweise in bestimmten Anwendungen eingesetzt wird. Die Eignung für eine konkrete Installation hängt von der genauen Konzentration, der Temperatur, den Verunreinigungen, den Strömungsbedingungen und dem zulässigen Korrosionsverlust ab.

304L, 316L und 904L in sauren Umgebungen

Stahl 304L (auch 1.4307 genannt) weist dank seines hohen Chromgehalts eine gute Beständigkeit in vielen oxidierenden Umgebungen auf. Seine Leistungsfähigkeit ist jedoch in reduzierenden Säuren und in Gegenwart von Chloriden eingeschränkt.
316L-Stahl (auch 1.4404 genannt) enthält Molybdän, das die Beständigkeit gegen Lochfraßkorrosion in vielen Umgebungen erhöht und die Leistung in einigen reduzierenden Säuren verbessert. Dies sollte jedoch nicht als universelle Säurebeständigkeit interpretiert werden.
904L-Stahl, auch bekannt als 1.4539 / UNS N08904, enthält deutlich mehr Nickel und Molybdän sowie Kupfer. Er wurde unter anderem für eine erhöhte Beständigkeit gegenüber bestimmten Schwefelsäureumgebungen entwickelt und wird in anspruchsvollen Chemieanlagen eingesetzt.

6Mo-Stähle in sauren Umgebungen

Hochlegierte austenitische Stähle vom Typ 6Mo, wie z. B. 1.4547 / UNS S31254 und 1.4529 / UNS N08926, Sie enthalten etwa 6 % Molybdän und große Mengen an Nickel und Chrom. Dies sorgt für eine hohe Beständigkeit gegen lokale Korrosion, insbesondere in chloridhaltigen Umgebungen.
Dies bedeutet jedoch nicht, dass 6Mo-Stähle automatisch für jede Säure die beste Wahl darstellen. In stark reduzierenden oder stark oxidierenden Umgebungen oder solchen mit spezifischen Verunreinigungen ist ein Vergleich ihres Verhaltens mit anderen Werkstoffgruppen erforderlich.

Nickellegierungen in sauren Umgebungen

Nickellegierungen finden breite Anwendung in den anspruchsvollsten chemischen Anlagen. Ihre Eigenschaften können maßgeblich durch den Gehalt an Chrom, Molybdän, Eisen, Kupfer und anderen Elementen beeinflusst werden.
Der hohe Molybdängehalt ist in vielen reduzierenden Umgebungen besonders vorteilhaft, während Chrom die Beständigkeit in oxidierenden Umgebungen erhöht. Ni-Cr-Mo-Legierungen, wie beispielsweise die Legierung C-276, zählen zu den Werkstoffen mit einem sehr breiten Spektrum an chemischer Beständigkeit, jedoch gibt es auch Umgebungen und Bedingungen, die ihren Einsatz einschränken.
Die Legierung 625 weist in vielen korrosiven Umgebungen eine hohe Beständigkeit auf, die Wahl zwischen der Legierung 625, C-276 und anderen Nickellegierungen sollte jedoch auf der spezifischen Zusammensetzung des Mediums und nicht allein auf dem allgemeinen Begriff „Säure“ basieren.

Die Bedeutung des Schweißens

In chemischen Anlagen gewährleistet die Beständigkeit des Grundmaterials nicht die gleiche Beständigkeit der gesamten Anlage. Schweißen kann lokale mikrostrukturelle Veränderungen, Entmischung von Legierungselementen, thermische Verfärbungen und die Bildung von Zonen mit unterschiedlichen Korrosionseigenschaften verursachen.
Die Wahl des richtigen Schweißzusatzwerkstoffs, der Prozessparameter, der Nahtvorbereitung und der Oberflächenbehandlung nach dem Schweißen sind allesamt wichtige Faktoren. Bei Edelstählen kann eine Verfärbung der Schweißnaht die Beständigkeit der Passivschicht lokal verringern.

Isokorrosionsdiagramme – warum sind sie wichtig?

Isokorrosionsdiagramme werden häufig zur Auswahl von Werkstoffen in sauren Umgebungen verwendet. Sie zeigen den Zusammenhang zwischen der Konzentration im Medium, der Temperatur und der spezifischen Korrosionsrate des Werkstoffs.
Sie sind wesentlich aussagekräftiger als die bloße Angabe, dass ein bestimmter Werkstoff „schwefelsäurebeständig“ oder „phosphorsäurebeständig“ ist. Ein Werkstoff kann in einem Teil des Konzentrations-Temperatur-Bereichs eine sehr gute Beständigkeit aufweisen und in einem anderen Teil unannehmbare Korrosionsraten zeigen.
Die Diagramme müssen jedoch im Kontext der Bedingungen betrachtet werden, unter denen sie erstellt wurden. Die Anwesenheit von Chloriden, Fluoriden, Oxidationsmitteln oder anderen Verunreinigungen kann zu einem anderen Verhalten führen als in einer reinen Laborlösung beobachtet.

Wie wählt man ein Material für ein saures Milieu aus?

Grundlage für die Materialauswahl ist eine präzise Definition des Mediums. Dabei müssen die Säureart, ihre minimale und maximale Konzentration, die normale und maximale Temperatur, die Zusammensetzung der Verunreinigungen, das mögliche Vorhandensein von Chloriden und Fluoriden, das Redoxpotenzial und die Strömungsbedingungen bekannt sein.
Es ist außerdem wichtig festzustellen, ob das System kontinuierlich, intermittierend oder zyklisch arbeitet. Anfahren, Abschalten, Spülen und Reinigen können dazu führen, dass Material mit einem Medium in Kontakt kommt, dessen Zusammensetzung sich völlig von der im Normalbetrieb unterscheidet.
Bei kritischen Anlagen sollte die Auswahl auf Korrosionsdaten der Materialhersteller, Isokorrosionsdiagrammen, Betriebserfahrung und gegebenenfalls Korrosionsprüfungen in einem dem tatsächlichen Prozess entsprechenden Medium basieren.

Wie lässt sich Korrosion in sauren Umgebungen reduzieren?

• Wählen Sie das Material für eine bestimmte Säureart, Konzentration und Temperatur aus.
• Analysiere die gesamte Zusammensetzung des Mediums, nicht nur die Hauptkomponente.
• den Gehalt an Chloriden, Fluoriden und anderen aggressiven Schadstoffen kontrollieren,
• Berücksichtigen Sie die Bedingungen für das Starten, Stoppen und Reinigen der Anlage.
• Grenzspalten und Stellen, an denen sich Sedimente ansammeln,
• die Oberflächentemperatur von Wärmetauschern steuern,
• die richtige Schweißtechnologie und die passenden Zusatzmaterialien auswählen,
• Verfärbungen und Oberflächenverunreinigungen nach dem Schweißen entfernen.
• Die Möglichkeit einer Säurekonzentration durch Verdunstung muss berücksichtigt werden.
• Bei anspruchsvollen Anwendungen sollten Isokorrosionsdiagramme und Testdaten für ein bestimmtes Medium verwendet werden.

Korrosion in sauren Umgebungen lässt sich nicht durch eine einfache Beziehung zwischen pH-Wert und Materialwiderstand beschreiben. Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Essigsäure und Ameisensäure erzeugen Umgebungen mit sehr unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften.
Die Standard-Edelstähle 304L und 316L weisen in bestimmten Umgebungen eine sehr gute Beständigkeit auf, ihre Leistungsfähigkeit ist jedoch in stark aggressiven Säuren begrenzt. Für anspruchsvollere Anwendungen werden Stähle wie 904L und 6Mo sowie geeignet ausgewählte Nickellegierungen eingesetzt.
Grundlage für eine sachgerechte Auswahl ist die Analyse des Gesamtsystems: Material – Säureart – Konzentration – Temperatur – Redoxpotential – Chloride und andere Verunreinigungen – Durchfluss – Auslegung – Betriebsbedingungen.

Arten der Korrosion von Stahl und Metallen

Gleichmäßige Korrosion von Stahl und Metallen
Lochfraßkorrosion von Edelstählen
Spaltkorrosion von Edelstählen
Interkristalline Korrosion von Edelstahl
Spannungsrisskorrosion
Galvanische Korrosion
Erosive Korrosion
Kavitationskorrosion
Korrosionsermüdung
Reibkorrosion
Mikrobiologische Korrosion (MIC)
Hochtemperaturkorrosion

Aufteilung der Korrosion nach Umwelteinflüssen

Marine Korrosion – Korrosion von Stahl und Metallen in Meerwasser
Korozja atmosferyczna
Bodenkorrosion
Korrosion in Süß- und Brauchwasser
Korrosion in chloridhaltigen Umgebungen
Korrosion in sauren Umgebungen
Korrosion in alkalischen Umgebungen
Korrosion in Gasen und Abgasen
Korrosion in Abwasser- und Abwassersystemen
Korrosion in chemischen und petrochemischen Umgebungen

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