Was macht Edelstahl rostfrei?

Diese MSG-Wulst muss nach dem Schweißen gereinigt werden, um Anlauffarben (Oxide) und Spritzer zu entfernen, die beide Korrosion fördern können.

Im Film „Caddyshack“ erklärt Bill Murray seine Strategie im Umgang mit dem Gopher mit den Worten: „Um das Tier zu besiegen, muss ich lernen, wie ein Tier zu denken. Und, wann immer möglich, wie eines auszusehen.“ Wir müssen in das Fell dieses Kerls eindringen und ein paar Tage lang herumkriechen.“

Ebenso sollten Hersteller zunächst darüber nachdenken, was Edelstahl seine rostfreien Eigenschaften verleiht und wie sie sicherstellen können, dass diese Eigenschaften vor, während und nach dem Schweißen erhalten bleiben.

Die Grundlage für die Bewältigung vieler Schweißherausforderungen beginnt mit der Erinnerung daran, dass rostfreier Stahl seine rostfreie Eigenschaft durch die Bildung einer Chromoxidschicht erhält.

Schauen wir uns zunächst Kohlenstoffstahl an. Bei Einwirkung von Feuchtigkeit reagiert das Eisen im Kohlenstoffstahl mit Sauerstoff und bildet langsam ein rötliches Eisenoxid. Eine schnelle Berührung mit einer Schleifscheibe entfernt den Rost und bringt den sauberen Stahl darunter zum Vorschein.

Vergleichen Sie das nun mit der Bildung von Chromoxid auf Edelstahl. Edelstahl besteht je nach Sorte zu etwa 50 Prozent aus Eisen und zwischen 10,5 Prozent (12 Prozent sind eine typische Mindestmenge) und 30 Prozent Chrom.

Die Chromoxidschicht bildet sich auf der Edelstahloberfläche, wenn Chrom mit Sauerstoff reagiert. Dies geschieht sofort, wobei die Bildungsgeschwindigkeit in Nanosekunden und die Filmdicke in Mikrometern gemessen wird.

Warum ist das also wichtig? Dies bedeutet, dass die herausragendste rostfreie Eigenschaft von Edelstahl die Korrosionsbeständigkeit ist, die aus seiner Fähigkeit resultiert, in Gegenwart von Sauerstoff eine Chromoxidschicht zu bilden und zu regenerieren. Allerdings bietet Edelstahl unterhalb der Oxidschicht keine Korrosionsbeständigkeit. Dies hat zur Folge, dass Korrosion, sobald sie einmal begonnen hat, schnell voranschreitet.

Ein gutes Beispiel hierfür ist die Lochfraß- oder Spaltkorrosion, die bei Wärmetauschern in den Spalten zwischen Rohren und Rohrboden auftreten kann. Das Blech ist mit Hunderten von Löchern versehen, um Rohrbündel zu tragen, und Kühlwasser oder Dampf strömt um die Rohre herum. Korrosion beginnt, wenn Flüssigkeiten in den Spalt zwischen Rohr und Rohrboden eindringen, weil Sauerstoff keinen Zugang zu diesem Bereich hat, um Chromoxid neu zu bilden. Aus diesem Grund versehen Hersteller von Wärmetauschern jedes Rohr mit einer Dichtungsschweißnaht, üblicherweise durch Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißen (GTAW). Die Schweißnaht muss nicht stark sein, aber sie muss wasserdicht sein.

Während sich Metallkünstler und Bastler möglicherweise von der beim Schweißen entstehenden Hitzefärbung angezogen fühlen, senden diese Farben dem Hersteller Signale darüber, wie viel Oxidation während des Schweißens stattgefunden hat.

Anlauffarben entstehen, weil der Sauerstoff in einem aktiven Gas oder der Atmosphäre eine schwere Oxidschicht bildet und dabei das Chrom verbraucht, das sich unmittelbar unter der oberen Oberflächenschicht befindet. Schichten mit einer silbernen bis strohgelben Farbe sind gut, während schwerere Schichten, die von einem violetten/bläulichen Farbton zu einem grauen/schwarzen Farbton übergehen, nicht so gut sind. Hersteller verwenden den umgangssprachlichen Begriff „Ausbrennen des Chroms“, da die dunkleren Farben häufig auf eine übermäßige Wärmezufuhr hinweisen. Die Hauptursache hierfür ist jedoch eine übermäßige Oxidation.

Eine mikroskopisch kleine Schicht aus Chromoxid verleiht Edelstahl seine „rostfreie“ Eigenschaft. Chromoxid bildet sich sofort, wenn die Chromatome in Edelstahl dem Sauerstoff in der Atmosphäre ausgesetzt werden.

Als allgemeine Regel gilt, dass alle rostfreien Schweißteile nach dem Schweißen gereinigt werden müssen, um sicherzustellen, dass der Chromoxidfilm einer Oberfläche intakt ist. Andernfalls kann es im Schweißbereich zu Rostbildung kommen. Die Art der Reinigung hängt von der Endanwendung und den relevanten Vorschriften und Normen ab.

Wenn Sie eine mechanische Reinigung mit Drahtbürsten, Schleifscheiben, Meißelhämmern oder Strahlmitteln durchführen, stellen Sie sicher, dass diese Werkzeuge speziell für Edelstahl verwendet werden und darauf ausgerichtet sind, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden. Viele Hersteller heulten vor Schmerz, als ihnen klar wurde, dass sie ihre rostfreien Schweißkonstruktionen unbeabsichtigt mit Eisen imprägniert hatten.

Bedenken Sie als nächstes, dass grobe Oberflächen anfälliger für Korrosion und Verschmutzung sind als glatte Oberflächen. Dies erklärt, warum pharmazeutische Teile hochglanzpoliert sein müssen. Jegliche Schlacke-, Spritzer- oder Silikatinseln stellen eine potenziell anfällige Stelle für die Entstehung von Korrosion dar. Die Lehre daraus ist, dass die Zeit, die Sie für die Reinigung nach dem Schweißen aufwenden, gut investierte Zeit ist.

Einige Anwendungen erfordern auch ein Beizen oder Passivieren nach dem Schweißen (bitte beachten Sie, dass das Beizen ein Teil auch passiviert). Bei diesen Verfahren werden Salpetersäure oder Salpeter- und Flusssäurelösungen verwendet, die beide Sauerstoff enthalten, um freies Eisen zu entfernen und sicherzustellen, dass sich das gesamte Chrom an der Oberfläche mit Sauerstoff verbindet, wodurch die Korrosionsbeständigkeit maximiert wird.

Es ist wichtig zu beachten, dass beim Schweißen in einer inerten Atmosphäre keine Anlauffarben entstehen. Der Einsatz einer GTAW-Gaslinse verbessert die Schutzgasabdeckung erheblich und trägt dazu bei, einen zu hohen Gasdurchfluss zu verhindern, da das verwirbelte Gas Luftsauerstoff zurück in die Pfütze ziehen kann.

Natürlich ist die Farbe auf der Vorderseite eines Joints nur die halbe Wahrheit. Wenn die Rückseite einer Edelstahlschweißnaht nicht abgeschirmt wird, kann es zu „Zuckerbildung“ kommen, einer starken Oxidation, die wie schwärzliche Zuckerkristalle aussieht und zu Schweißfehlern führen kann.

Es gibt eine Vielzahl kommerzieller Optionen, um Vorvakuumgas zur Wurzelseite einer Verbindung zu leiten, am häufigsten sind jedoch selbstgebaute Vorvakuumgeräte und Spüldämme. Die beiden Schutzgase der Wahl sind Stickstoff und Argon. Bei kleinen Bauteilen oder wenn eine Argonquelle leicht verfügbar ist, kann die Verwendung von Argon praktischer sein und die Kosteneinsparungen durch die Verwaltung eines zweiten Gases nicht lohnen.

Bei fest sitzenden Verbindungen oder Schweißkonstruktionen, die die Rückseite der Verbindung fest umschließen, ist möglicherweise kein Schutzgas erforderlich. Wenn die Temperatur auf der Rückseite jedoch 500 Grad F übersteigt, benötigt die Verbindung technisch gesehen ein Schutzgas, um eine Oxidbildung zu verhindern. Einige Experten gehen gerne auf Nummer sicher und verwenden 300 Grad Fahrenheit als maximale Temperatur. Eine Ausnahme von der Abschirmung der Rückseite der Verbindung besteht, wenn diese im Rahmen einer Vollschweißung ausgehöhlt und geschliffen wird.

Frank Babish ist Anwendungsspezialist für Exaton™, eine Marke von ESAB, 2800 Airport Road, Denton, TX 76207, 800-372-2123, www.esabna.com.

Rohrböden von Wärmetauschern erfordern eine Nahtschweißung zwischen Rohr und Rohrboden, da sonst Wasser im Spalt dazwischen den für die Chromoxidbildung notwendigen Sauerstoff blockieren würde.