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Werkstoffe Neue Chromstähle trotzen Hochtemperaturen

Redakteur: Beate Christmann

Im Rahmen des EU-Projekts Z-Ultra hat ein Team rund um Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM neue Chromstähle mit einem höheren Chromgehalt entwickelt. Sie sollen 30 % fester als herkömmliche Chromstähle sein, längere Zeit höhere Temperaturen und Drücke aushalten können und damit eine gesteigerte Korrosionsfestigkeit und Lebensdauer aufweisen.

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Ein 12-t-Schmiedestück demonstiert die Eigenschaftne des neuen 12-%-Chromstahls.
Ein 12-t-Schmiedestück demonstiert die Eigenschaftne des neuen 12-%-Chromstahls.
(Bild: Saarstahl)

Stahl ist der ideale Werkstoff für Bauteile in Hochtemperaturanwendungen, wie sie in Kraftwerken oder in der chemischen Industrie auftreten können. Mit steigenden Temperaturen verliert aber auch Stahl seine Festigkeit. Zudem nimmt die Korrosion deutlich zu. Legierungen mit Chrom ändern das Materialverhalten von Stahl, so dass er höheren Temperaturen länger standhalten kann. Mit den heute gängigen 9%-Chrom-Stählen sind bereits Betriebstemperaturen von 615 °C möglich.

Das Konsortium des EU- Projekts Z-Ultra, unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM, hat nun die herkömmlichen 9-%-Stähle weiterentwickelt: Neue 12-%-Chrom-Stähle sollen bis zu 30 % fester sein und im Kraftwerk längere Zeit höheren Temperaturen und Drücke trotzen. Höhere Betriebstemperaturen in Gas- und Kohlekraftwerken bedeuten höhere Wirkungsgrade und damit weniger CO2-Ausstoß pro kWh. Atomistische Simulationsmethoden unterstützten die Wissenschaftler dabei, die Legierungen zielgerichtet zu entwickeln.

Mehr Chrom im Stahl: Vor- und Nachteile

Das Element Chrom hat die angenehme Eigenschaft, eine schützende Chromoxidschicht auf der Stahloberfläche zu bilden und das umso wirkungsvoller, je höher der Chromgehalt ist. Der dadurch verbesserte Korrosionsschutz erlaubt nicht nur höhere Temperaturen, sondern auch den Einsatz biologischer Abfälle und anderer erneuerbarer Brennstoffe, deren Verbrennungsprodukte sehr aggressiv sein können. „Nun gibt es aber leider einen Pferdefuß, der die Nutzung höherer Chromgehalte bisher verhindert hat: Die bemerkenswerte Festigkeit der derzeit besten warmfesten Stähle beruht nämlich auf fein verteilten Nitrid-Teilchen“, erklärt Prof. Dr. Hermann Riedel, Projektleiter am Fraunhofer-IWM. Chromatome können bei den Betriebstemperaturen in diese Teilchen einwandern und sie damit in die sogenannte Z-Phase umwandeln. Auf Kosten der feinen Nitride entstehen dann grobe Z-Phasenteilchen, die für die Festigkeit nutzlos sind. „In den derzeitigen 9-%-Chromstählen dauert diese unerwünschte Umwandlung Jahrzehnte, während sie bei 12 % Chromgehalt schon in einem Jahr zu einem nicht tolerierbaren Festigkeitsabfall führt“, so Riedel. Deshalb seien die 12-%-Chromstähle bisher nicht in Kraftwerken einsetzbar, da diese ja für eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahre ausgelegt werden.

„Wir haben uns im Projekt Z-Ultra das Ziel gesetzt, die grobkörnige, spröde Z-Phase in ihrem Wachstum so zu beeinflussen, dass sie nicht mehr schädlich ist, sondern den Stahl im Gegenteil stabiler macht“, erklärt Riedel. „Wir haben Legierungszusammensetzungen und Herstellungsverfahren gesucht und gefunden, welche die Z-Phase ganz fein im Stahl verteilt – das führt zu einer langfristig stabilen Teilchenstruktur“, so der Physiker. Die besten der sieben im Projekt neu entwickelten Legierungen sind rund 30 % fester als die herkömmlichen 9-%-Chromstähle, haben eine 10 Mal höhere Lebensdauer unter gleichen Belastungsbedingungen und ihre Korrosionsfestigkeit ist erheblich besser.

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