Das Oxidationsverhalten des Schleudergusswerkstoffs 20Cr-32Ni-1Nb und verschiedener Schweißzusatzwerkstoffe bei 816, 871, 927 und 982°C

E. Berghof-Hasselbächer, A. Soleimani Dorcheh, G.T. Schmidt, M.C. Galetz

Im Rahmen eines vom amerikanischen Materials Technology Institute (MTI) geförderten und finanzierten Projektes zur Untersuchung des mechanischen Hochtemperaturverhaltens von Schweißnähten an Schleudergussrohren aus dem Werkstoff 20Cr-32Ni-1Nb wurden von der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH (SZMF) Kriechversuche im Temperaturbereich von 816-982°C in Luft durchgeführt. Rohre aus diesen Werkstoffen werden üblicherweise in Dampfreformern (SMR = steam methane reformer) zur Herstellung von Synthesegas, einer Mischung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff aus dem kohlenstoffhaltigen Energieträger Methanol, eingesetzt. Die Kriechproben wurden vom Dechema-Forschungsinstitut SbR (DFI) über die mikrostrukturellen Veränderungen im Rahmen des Projekts hinaus auch im Hinblick auf das Oxidationsverhalten von Grundwerkstoff und Schweißzusatz untersucht. Unter Anwendung einer konventionellen Bildanalysesoftware Layers (GFaI Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V., Berlin) wurden am metallographischen Querschliff der Kriechproben die zeit- und temperaturabhängigen Oxidschichtdicken durch Schichtdetektion per Mausklick mittels markerbasierter Wasserscheidentransformation (WST) bestimmt. Hierbei erfolgt die Flutung der Oxidschicht nur von bestimmten interaktiv gesetzten Markerpositionen aus. Durch die Möglichkeit des interaktiven Markierens von partiellen Schichträndern konnte das Segmentierungsergebnis im Einzelfall, bei dem der Schichtrand sich unklar abzeichnete, erheblich verbessert werden. Aus dem Schichtverlauf wird mittels Euklidischer Distanztransformation (EDT) eine Mittellinie generiert, die entweder direkt zum Schichtdickenverlauf bzw. zu einer Generierung von diskreten Schnittlinien führt.

Das Oxidschichtwachstum kann im vorliegenden Fall mittels eines parabolischen Wachstumsgesetzes beschrieben werden. Für Hochtemperaturwerkstoffe ist dieser Wachstumsmechanismus wünschenswert, da die Oxidation nach dem parabolischen Gesetz relativ langsam verläuft und die gebildete Oxidschicht den Werkstoff vor weiterer Oxidation schützt, indem sie eine Diffusionsbarriere zwischen dem Werkstoff und der oxidierenden Atmosphäre bietet. Voraussetzung für deren Ausbildung ist ein ausreichender Cr-Gehalt in der Legierung, der auch während der Oxidation nicht unter einen kritischen Wert fällt.

Aus der graphischen Darstellung des Quadrates der Oxidschichtdicken als Funktion der Bruchzeit t [s] für verschiedene Temperaturen T [°K] wurden die parabolischen Wachstumskonstanten kp aus der Geradensteigung bestimmt. Die parabolische Wachstumskonstante kp hängt von der Tempe-ratur nach einer Arrhenius-Funktion ab: kp=kp0e-Q/RT, wobei Q die Aktivierungsenergie und R die Gaskonstante darstellen.

Aus der graphischen Darstellung des natürlichen Logarithmus der Quadrate der Geradensteigungen aufgetragen gegen den Kehrwert der Temperatur [°K] wurde wiederum aus der Steigung die Aktivierungsenergie ermittelt. Empirisch gewonnene Oxidschichtdicken werden exemplarisch mit kalkulierten Daten verglichen. Des Weiteren werden in der vorliegenden Arbeit im Vergleich zu dem Werkstoff 20Cr-32Ni-1Nb auch die sich auf den Schweißzusatzwerkstoffen (Mn-Füller und Ni-Basis) gebildeten Oxidschichten lichtoptisch dargestellt und durch wellenlängendispersive ESMA-Punktanalysen und Elementverteilungsbilder charakterisiert. Daneben wird auch die Abreicherung der oxidschichtbildenden Elemente in der Metallrandzone (Verarmungszone) betrachtet.

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