Demonstrator aus dem Projekt Z-Ultra: ein 12-Tonnen-Schmiedestück.
Saarstahl
Um Korrosionsschäden zu vermeiden, sei es "ein glücklicher Umstand", schreiben die Springer-Autoren Bernhard Ilschner und Robert F. Singer in "Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik" (Seite 188), dass die unedlen Metalle mit großer technischer Bedeutung wie Eisen, Chrom, Aluminium oder Titan auch eine "besondere Affinität zum Sauerstoff" haben. Denn dies führe dazu, dass sie selbst bei Raumtemperatur mit Sauerstoff reagieren könnten, indem sie die Metalloberfläche mit einem submikroskopisch dünnen Oxidfilm überziehen würden. "Diese Filme unterbinden vor allem die anodischen, teilweise auch die kathodischen Reaktionen, sodass das Metall nicht mehr korrodieren kann."
So hat Chrom die für Werkstoffingenieure angenehme Eigenschaft, eine schützende Chromoxidschicht auf Stahloberflächen zu bilden, und dies umso wirkungsvoller, je höher der Chromgehalt ist. Auf diese Weise können Stahlwerkstoffe beispielsweise den hohen Betriebstemperaturen in Kraftwerken standhalten. Mit den heutigen 9%-Chrom-Stählen lassen sich Betriebstemperaturen von 615 Grad Celsius erreichen; vor 100 Jahren waren gerade einmal 300 Grad Celsius das Maximum. Höhere Betriebstemperaturen bedeuten höhere Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung und damit weniger CO2-Ausstoß pro Kilowattstunde Strom.
Hoher Chromgehalt hat leider einen Pferdefuß
"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 Hermann Riedel vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) in Feiburg. Chromatome können bei hohen 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 des Stahls schlecht 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", sagt Riedel. Deshalb seien die 12%-Chromstähle bisher nicht in Kraftwerken einsetzbar, da diese für eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahre ausgelegt werden.
Z-Phase kann als Stabilisator genutzt werden
Das Konsortium des EU- Projekts Z-Ultra hat nun unter Leitung des IWM neue 12%-Chrom-Stähle für Hochtemperaturanwendungen entwickelt. Die besten der sieben im Projekt erprobten Legierungen sind nach Angaben der Forscher rund 30 % fester als die herkömmlichen 9%-Chromstähle, haben eine 10 mal höhere Lebensdauer bei gleichen Belastungsbedingungen und ihre Korrosionsfestigkeit ist ebenfalls erheblich besser. "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 verteilen."