Korrosionsbeständigkeit von Messing: Wichtige Einblicke und Überlegungen

Allgemeine Korrosionseigenschaften von Messing

Messing, eine Cu-Zn-Legierung mit Zink als Hauptlegierungselement, hat seinen Namen von seiner gelben Farbe.

Je nach Art und Gehalt der zugesetzten Legierungselemente kann Messing in drei Haupttypen eingeteilt werden: Einphasenmessing, Duplexmessing und Sondermessing.

Liegt der Zinkgehalt unter 36%, bildet es einen einphasigen α-Mischkristall und wird daher als α-Messing bezeichnet. Liegt der Zinkgehalt zwischen 36% und 45%, wird es zu α+β-Duplex-Messing.

Messing mit einem Zinkgehalt von mehr als 45% ist wegen übermäßiger Sprödigkeit aufgrund einer zu starken β-Phase unpraktisch. Spezialmessinge werden durch Zugabe von Elementen wie Sn, Mn, Al, Fe, Ni, Si, Pb usw. zur Cu-Zn-Basis formuliert.

Messing korrodiert langsam in der Atmosphäre und hat auch in reinem Süßwasser eine geringe Korrosionsrate (0,0025-0,025 mm/Jahr). In Meerwasser hingegen korrodiert es etwas schneller (0,0075-0,1 mm/Jahr).

Fluoride wirken sich nur geringfügig auf die Korrosion von Messing aus, Chloride haben eine stärkere Wirkung, während Jodide eine starke Korrosion verursachen. In Wasser, das Gase wie O2, CO2, H2S, SO2, NH3 usw. enthält, steigt die Korrosionsrate von Messing stark an.

Es korrodiert leicht in Mineralwasser, insbesondere in Wasser, das Fe2(SO4)3 enthält. Messing unterliegt starker Korrosion in Salpeter- und Salzsäure, korrodiert langsamer in Schwefelsäure und ist resistent gegen NaOH-Lösungen. Messing hat eine bessere Schlagkorrosionsbeständigkeit als reines Kupfer.

Spezialmessinge haben eine bessere Korrosionsbeständigkeit als gewöhnliches Messing. Durch die Zugabe von etwa 1% Sn zu Messing wird die Entzinkungskorrosion deutlich reduziert und die Beständigkeit gegenüber Meerwasser verbessert. Die Beimischung von etwa 2% Pb in Messing erhöht die Verschleißfestigkeit und verringert dadurch die Korrosionsrate in fließendem Meerwasser erheblich.

Um eine Entzinkung zu verhindern, können kleine Mengen As, Sb oder P (0,02%-0,05%) hinzugefügt werden. Naval-Messing mit 0,5%-1,0% Mn hat eine erhöhte Festigkeit und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Bei Messing, das 65% Cu und 55% Cu enthält, ändert sich durch den Ersatz eines Teils des Zn durch 12%-18% Ni die Farbe in silberweiß, weshalb es Neusilber oder Neusilber genannt wird.

Diese Legierung weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in Salzen, Alkalien und nicht oxidierenden Säuren auf. Die weitgehende Substitution von Ni durch Zn verhindert die Entzinkung. Neben diesen Korrosionsmerkmalen gibt es bei Messing auch zwei bedeutende Korrosionsformen: Entzinkung und Spannungsrisskorrosion.

Spannungsrisskorrosion bei Messing

Zu den Faktoren, die die Spannungsrisskorrosion in Messing beeinflussen, gehören das korrosive Medium, die Spannung, die Legierungszusammensetzung und das Gefüge. Eine bestimmte Legierung erleidet nur unter bestimmten Medien und spezifischen Spannungsbedingungen Risskorrosion.

(1) Ätzendes Medium

Messing, das unter Zugspannung steht, kann in allen Umgebungen, die Ammoniak (oder NH4+) enthalten, sowie in der Atmosphäre, im Meerwasser, im Süßwasser, in Hochtemperatur- und Hochdruckwasser und in Dampf Spannungsrisskorrosion erfahren. Ein typisches Beispiel für Spannungsrisskorrosion bei Messing ist die Rissbildung an Geschosshülsen aus Messing während der Regenzeit im Sommer (auch bekannt als "season cracking").

Außerdem kann die Morphologie der Spannungsrisskorrosion von Messing entweder intergranular oder transgranular sein. In filmbildenden Lösungen treten vor allem intergranulare Brüche auf, während in nicht filmbildenden Lösungen transgranulare Brüche häufiger sind.

Es wird allgemein angenommen, dass der Mechanismus der Spannungsrisskorrosion bei Messing die Bildung eines spröden Kupferoxidfilms auf der Messingoberfläche in filmbildenden Lösungen beinhaltet. Dieser Film reißt unter Spannung und Dehnung, was zu einer Rissausbreitung bis zum Grundmetall führt, die dann aufgrund von Schlupf zum Stillstand kommt, wobei die Rissspitze der korrosiven Lösung ausgesetzt wird.

Der Prozess des intergranularen Eindringens, der Filmbildung, des Sprödbruchs und der Rissausbreitung wiederholt sich und führt schließlich zu einer gestuften Bruchfläche. In nicht filmbildenden Lösungen führt die Spannung zu einer bevorzugten Auflösung von Versetzungen an der Messingoberfläche, was zu einer Rissausbreitung entlang des Pfades mit der höchsten Versetzungsdichte führt und einen Bruch verursacht.

Bei Messing mit geringerem Zinkgehalt sind die Versetzungen hauptsächlich zellulär, und die Korngrenzen weisen die höchste Versetzungsdichte auf, was zu intergranularen Brüchen führt.

In hochzinkhaltigem Messing sind die Versetzungen hauptsächlich planar, und Stapelfehler sind die Bereiche mit der höchsten Versetzungsdichte, was zu transgranularen Brüchen führt.

Darüber hinaus erhöht die Ansammlung von Zinkatomen an Versetzungen unter Spannung die Reaktivität an diesen Stellen, wodurch die Rissausbreitungsrate mit höherem Zinkgehalt zunimmt.

Experimentelle Studien zeigen, dass unter atmosphärischen Bedingungen Industrieatmosphären am ehesten Spannungsrisskorrosion bei Messing verursachen, mit der kürzesten Bruchlebensdauer, gefolgt von ländlichen Atmosphären; Meeresatmosphären haben die geringsten Auswirkungen.

Diese Unterschiede in der Atmosphäre sind auf den unterschiedlichen SO2-Gehalt zurückzuführen (am höchsten in industrieller Atmosphäre, am niedrigsten in ländlicher Atmosphäre und fast nicht vorhanden in Meeresatmosphäre).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Stoffe, die hauptsächlich Spannungsrisskorrosion in Messing verursachen, Ammoniak und seine Derivate oder Sulfide sind. Die Wirkung von Ammoniak ist gut bekannt, während die Rolle der Sulfide weniger klar ist. Zusätzlich haben Dampf, Sauerstoff, SO2, CO2, CN- eine beschleunigende Wirkung auf die Spannungskorrosion.

(2) Stress

Zugspannung ist eine notwendige Bedingung für das Auftreten von Spannungsrisskorrosion in Messing. Je größer die Zugspannung ist, desto höher ist die Empfindlichkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion.

Die Beseitigung von Zugeigenspannungen durch Anlassen bei niedrigen Temperaturen kann Spannungsrisskorrosion in Messing verhindern.

(3) Legierungszusammensetzung und Mikrogefüge

Je höher der Zinkgehalt in Messing ist, desto größer ist seine Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion. Der spezifische Zinkgehalt, unterhalb dessen keine Spannungsrisskorrosion auftritt, hängt von der Beschaffenheit des Mediums ab.

Bei Messing mit einem Zinkgehalt von weniger als 20% tritt in der Regel keine Spannungskorrosion in natürlicher Umgebung auf, aber Messing mit niedrigem Zinkgehalt kann in Ammoniakwasser Spannungsrisskorrosion erleiden.

Die Auswirkungen anderer Legierungselemente auf die Spannungskorrosion sind wie folgt:

Silizium verhindert wirksam die Spannungsrisskorrosion in α-Messing. Si und Mn verbessern die Beständigkeit von α+β- und β-Messing gegen Spannungsrisskorrosion. Unter Ammoniakatmosphäre verbessern Elemente wie Si, As, Ce, Mg die Spannungskorrosionsbeständigkeit von α-Messing.

Unter atmosphärischen Bedingungen erhöhen Si, Ce, Mg usw. die Spannungskorrosionsbeständigkeit. Expositionsversuche in Industrieatmosphäre zeigen, dass die Zugabe von Al, Ni und Sn zu Cu-Zn-Legierungen die Neigung zur Spannungsrisskorrosion verringert.