Auswahl von Titanlegierungen für die chemische Verarbeitung: Ein Praxishandbuch für Korrosionsingenieure

Nicht alle Titanlegierungen weisen im chemischen Einsatz die gleiche Leistungsfähigkeit auf. Die Sorte 2 bewährt sich zuverlässig in oxidierenden Umgebungen wie Salpetersäure, versagt jedoch in reduzierenden Säuren wie Salz- und Schwefelsäure bei Konzentrationen über ~5%. Güteklasse 7 – Güteklasse 2 mit einem Palladiumzusatz – erweitert die Beständigkeit auf reduzierende Säureumgebungen bis zu ~10% HCl und ~30% H₂SO₄ bei Umgebungstemperatur. Die Sorte 12 (Ti-Mo-Ni) nimmt eine Mittelposition ein: Sie bietet eine bessere Beständigkeit gegen Chlorid und heiße Salzlauge als die Sorte 2 und ist dabei kostengünstiger als die Sorte 7. Die Sorte 16, eine Variante der Sorte 7 mit geringerem Palladiumanteil, bietet eine nahezu gleichwertige Korrosionsbeständigkeit bei einer erheblichen Kostenersparnis und verdient mehr Beachtung, als ihr üblicherweise zuteilwird. Dieser Leitfaden ordnet jede Güteklasse bestimmten Säureumgebungen zu und nennt Konzentrations- und Temperaturgrenzwerte, anhand derer Ingenieure Maßnahmen ergreifen können.

Warum die Notenentscheidung folgenreicher ist, als Sie denken

Die Korrosionsbeständigkeit von Titan beruht auf einem dünnen, sich selbst regenerierenden Passivfilm aus Titandioxid (TiO₂), der sich in Gegenwart von Sauerstoff oder Feuchtigkeit spontan bildet. In oxidierenden Umgebungen – Salpetersäure, Chromsäure, die meisten wässrigen Chloridlösungen bei Raumtemperatur – ist dieser Film stabil und regeneriert sich bei Beschädigung rasch. Deshalb hat unlegiertes Titan eine 40-jährige Einsatzgeschichte in Kondensatoren von Salpetersäureanlagen.

Das Problem sind korrosionsfördernde Umgebungen. In heißer Schwefelsäure, heißer Salzsäure oder jeder anderen Umgebung, in der der Gehalt an gelöstem Sauerstoff erschöpft ist (niedriger pH-Wert, hohe Temperatur, Spaltengeometrie), kann sich dieser Passivfilm nicht aufrechterhalten. Unlegiertes Titan beginnt zu korrodieren, manchmal sogar sehr schnell.

Die Legierungsstrategie bei den Güteklassen 7, 11, 16 und 17 geht direkt auf dieses Problem ein. Eine geringe Zugabe von Palladium (0,05–0,25%) senkt das Korrosionspotential von Titan auf einen Wert, bei dem der Passivfilm selbst unter entgasten, reduzierenden Bedingungen stabil ist. Der Mechanismus ist elektrochemischer Natur: Pd wirkt als kathodischer Depolarisator und verschiebt das Betriebspotential in den Passivbereich. Aus diesem Grund verändert eine Pd-Zugabe von 0,2% das Verhalten der Sorte 2 in HCl oder H₂SO₄ – es handelt sich dabei nicht um eine geringfügige Anpassung der Zusammensetzung, sondern um ein grundlegend anderes Korrosionsverhalten.

Die Klasse 12 verfolgt einen anderen Ansatz – die Zugabe von Molybdän und Nickel, die die Stabilität des Passivfilms in heißen Chloridlösungen verbessert –, ohne dass teures Palladium erforderlich ist.

Die Wahl der falschen Note – egal in welche Richtung – ist mit echten Kosten verbunden. Eine überdimensionierte Auslegung der Güteklasse 7 für den Einsatz mit reiner Salpetersäure, für den die Güteklasse 2 völlig ausreicht, erhöht die Materialkosten um das 2- bis 3-Fache, ohne dass dadurch ein technischer Vorteil entsteht. Eine zu niedrige Spezifikation der Güteklasse 2 in einem 20%-H₂SO₄-Wärmetauscher führt innerhalb von 12 bis 18 Monaten zu einem Korrosionsversagen. Die Entscheidung ist nicht schwer, sobald die korrosive Umgebung richtig charakterisiert ist.

Die fünf Noten, auf die es im Fach Chemie wirklich ankommt

Über 95% des in der industriellen chemischen Verarbeitung verwendeten Titans lassen sich in fünf Güteklassen einteilen. Die Güteklassen 1, 3, 4 und 5 haben jeweils ihre eigenen Anwendungsbereiche, doch die Güteklassen 1 und 3 werden im chemischen Bereich weitgehend durch die Güteklasse 2 ersetzt, die Güteklasse 4 bietet zwar eine höhere Festigkeit, jedoch keine Korrosionsbeständigkeit, und die Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V) ist eine Legierung für die Luft- und Raumfahrt, die tatsächlich schlechter Korrosionsbeständigkeit als CP-Güten in den meisten chemischen Umgebungen.

Klasse	Bezeichnung	Zusammensetzung	Kostenstufe	Hauptverwendungszweck der Chemikalie
Klasse 2	CP-Ti, ASTM R50400	99%+ Ti	Ausgangswert	Oxidierende Säuren, Salpetersäure, verdünnte reduzierende Säuren bei Raumtemperatur
Klasse 7	Ti-0,2Pd, ASTM R52400	Güteklasse 2 + 0,12–0,251 TP3T Pd	2–3× Stufe 2	Reduzierende Säuren: HCl, H₂SO₄, Phosphorsäure, organische Säuren
11. Klasse	Ti-0,2Pd, ASTM R52250	Güteklasse 1 + 0,12–0,251 TP3T Pd	Ähnlich wie in der 7. Klasse	Wie bei Güteklasse 7, höhere Umformbarkeit (dünnwandige Bauteile)
Klasse 12	Ti-Mo-Ni, ASTM R53400	Ti + 0,3% Mo + 0,8% Ni	~1,3–1,5× Klasse 2	Heiße Chlorid-Sole, Meerwasser, gemischte Säureumgebungen
Klasse 16	Ti-0,05Pd, ASTM R52402	Güteklasse 2 + 0,04–0,081 TP3T Pd	~1,5–2× Stufe 2	Nahezu gleichwertig mit Klasse 7 bei geringeren Pd-Kosten

Geltende Normen für Produktformen: Bleche/Bänder/Platten (ASTM B265), nahtlose und geschweißte Rohre für korrosionsbeanspruchte Anwendungen (ASTM B337), geschweißte Rohre für Wärmetauscher (ASTM B338), nahtlose Rohre (ASTM B861), geschweißte Rohre (ASTM B862), Schmiedeteile (ASTM B381).

Stufe 2 – Die Ausgangsbasis für oxidierende saure Umgebungen

Die Güteklasse 2 ist die richtige Standardwahl für den Einsatz in oxidierenden Säureumgebungen; unter reduzierenden Bedingungen ist sie jedoch die falsche Wahl.

In der Praxis schneidet die 2. Klasse in folgenden Bereichen außerordentlich gut ab:

• Salpetersäure (HNO₃): Beständig über den gesamten Bereich der im industriellen Einsatz vorkommenden Konzentrationen (10–65%) und bei Temperaturen bis zum Siedepunkt. Die Leistungsfähigkeit ist besser als bei den meisten Nickellegierungen in verunreinigten Salpetersäureströmen, die Fluoride enthalten, welche die Korrosion bei rostfreien Stählen beschleunigen, bei Titan jedoch nicht.
• Chromsäure: Bei Raumtemperatur in allen Konzentrationen beständig.
• Nasschlor und Hypochlorit: Stabil bis zu 2% Cl₂ unter Umgebungsbedingungen – findet breite Anwendung in Chlor-Alkali-Anlagen für Anoden, Rohrleitungen und Förderanlagen.
• Verdünne Schwefelsäure und Salzsäure bei Raumtemperatur: Die Klasse 2 verträgt verdünnte reduzierende Säuren, sofern die Temperatur niedrig ist und gelöster Sauerstoff vorhanden ist. Die praktischen Grenzwerte: H₂SO₄ bis zu ~5% bei 25 °C, HCl bis zu ~1–2% bei 25 °C mit gelöstem Sauerstoff.

Wo die 2. Klasse versagt:

• H₂SO₄ mit einer Konzentration über 5% oder einer Temperatur über 60 °C
• HCl oberhalb von ~5–7% bei Raumtemperatur unter belüfteten Bedingungen oder oberhalb von ~1–2% bei erhöhten Temperaturen oder bei Sauerstoffmangel
• Heiße Phosphorsäure mit einer Temperatur über 60 °C und einer Konzentration über 10%
• Jede Spaltgeometrie in heißen Chloridlösungen mit Temperaturen über 80 °C

Der Schwellenwert von 80 °C für Spaltkorrosion ist für die Konstruktion von Anlagen von Bedeutung. Bei Rohr-Rohrboden-Verbindungen in Wärmetauschern, an den Kontaktflächen von Flanschen oder bei gedichteten Verbindungen lassen sich Spaltgeometrien nicht vermeiden. Bei Temperaturen über 80 °C in chloridhaltigen Medien kann es bei der Güteklasse 2 zu lokaler Spaltkorrosion kommen, selbst in Umgebungen, in denen keine allgemeine Korrosion auftritt.

Klasse 7 – Die erste Wahl zur Reduzierung saurer Umgebungen

Die Titanlegierung der Güteklasse 7 ist die korrosionsbeständigste im Handel erhältliche Titanlegierung und die richtige Wahl, wenn reduzierende Säuren, erhöhte Temperaturen oder das Risiko von Spaltkorrosion vorliegen.

Der Palladiumgehalt (0,12–0,251 TP3T, bezogen auf das Gewicht) verschiebt das Korrosionspotential von Titan um etwa +200 mV gegenüber dem unlegierten Werkstoff. Diese Verschiebung reicht aus, um das Betriebspotential in entgaste, reduzierende Säureumgebungen in den passiven Bereich zu verlagern, in denen die Güteklasse 2 aktiv wäre und korrodieren würde.

Praktische Leistungsdaten:

• Salzsäure (HCl): Die Güteklasse 7 ist bei 25 °C bis zu einer Konzentration von ca. 20–27% korrosionsbeständig (Iso-Korrosionskurven gemäß Werksangaben von TIMET). Die Sorte 2 in belüfteter HCl hält bei Raumtemperatur bis zu ~5–7% stand, doch diese Grenze sinkt bei erhöhten Temperaturen oder bei Erschöpfung des gelösten Sauerstoffs stark ab.
• Schwefelsäure (H₂SO₄): Beständig bis zu ~45% bei 25 °C, ~20% bei 60 °C und ~7% beim Siedepunkt. Unlegierter Werkstoff der Güteklasse 2 beginnt bei Raumtemperatur oberhalb von ~5% zu korrodieren.
• Phosphorsäure (H₃PO₄): Die Güteklasse 7 verträgt Konzentrationen von bis zu ~80% bei Raumtemperatur; die Güteklasse 2 ist auf ~30% bei 25 °C begrenzt und bei höheren Temperaturen deutlich geringer.
• Organische Säuren (Essigsäure, Ameisensäure, Oxalsäure): Güteklasse 7 ist im gesamten Bereich der handelsüblichen Konzentrationen bei Temperaturen bis zu 100 °C im Wesentlichen inert.
• Schwellenwert für Spaltkorrosion: Die Güteklasse 7 ist in Chloridlösungen bei Temperaturen unter 250 °C (bei einem pH-Wert über 1) unempfindlich gegen Spaltkorrosion. Bei der Güteklasse 2 liegt die Schwelle bei 80 °C. Allein dieser Unterschied rechtfertigt den Einsatz der Güteklasse 7 für Wärmetauscher für heiße Sole, bei denen sich Spaltgeometrien nicht vermeiden lassen.

Die Güteklasse 7 bietet zudem Beständigkeit gegenüber feuchtem HCl-Gas und gemischten Säuresystemen, wie sie in der pharmazeutischen Produktion üblich sind – also in Umgebungen, in denen weder Edelstahl noch Nickellegierungen ohne eine kostspielige Legierungsauswahl eine ausreichende Leistung erbringen.

Die beiden Bereiche, in denen die 7. Klasse noch Schwächen aufweist:

• Fluorwasserstoffsäure (HF): Alle Titanwerkstoffe werden durch HF angegriffen. Das Fluoridion löst den TiO₂-Passivfilm auf. Kein Titanwerkstoff ist für den Einsatz mit HF geeignet – verwenden Sie Zirkonium, PTFE-ausgekleidete Anlagen oder Hastelloy C-276.
• Rauchende Salpetersäure (rotes, rauchendes HNO₃ mit >5% NO₂): Kann bei Titan zu Spannungsrisskorrosion führen. Dies stellt eine spezifische Ausnahme von der im Allgemeinen hervorragenden Salpetersäurebeständigkeit von Titan dar.

Klasse 12 – Das kostengünstige Arbeitstier für den Einsatz mit Chlorid und heißer Sole

Durch die Zugabe von Molybdän und Nickel weist die Güteklasse 12 eine Beständigkeit in heißen Chloridumgebungen auf, die die Güteklasse 2 nicht erreichen kann – und das zu etwa der Hälfte des Aufpreises der Güteklasse 7.

Bei der Güteklasse 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) wird kein Palladium verwendet, wodurch der größte Kostenfaktor bei der Preisgestaltung der Güteklasse 7 entfällt. Stattdessen stabilisieren Mo und Ni den Passivfilm speziell in heißer Sole, Meerwasser und gemischten Chlorid-Säure-Umgebungen.

Im Vergleich zur 2. Klasse:

• Die Beständigkeit gegen Spaltkorrosion in Meerwasser reicht bis zu etwa 120 °C (gegenüber 80 °C bei der Güteklasse 2)
• Bessere Beständigkeit gegenüber heißer Phosphorsäure, die Halogenidverunreinigungen enthält
• Verbesserte Zugfestigkeit (mindestens ca. 483 MPa gegenüber mindestens 345 MPa bei der Güteklasse 2) – ermöglicht eine dünnwandigere Bauweise
• Bessere Beständigkeit in heißen Natriumhypochloritlösungen

Im Vergleich zur 7. Klasse:

• Die Klasse 12 weist im Einsatz mit reinen reduzierenden Säuren (HCl, H₂SO₄) im Allgemeinen eine geringere Beständigkeit auf.
• Die Güteklasse 12 schneidet in heißen Chlorid-Sole- und Meerwassersystemen, bei denen vor allem Spaltkorrosion und nicht die Korrosion durch reduzierende Säuren ein Problem darstellt, vergleichbar oder besser ab.
• Klasse 12 bietet in HF-Umgebungen keinen Vorteil (beide versagen)

Am besten geeignete Szenarien für die 12. Klasse:

• Offshore-Entsalzung und Aufbereitung von Produktionswasser (heißes Salzwasser, erhöhte Temperatur)
• Anlagenausrüstung für Bleichanlagen in der Zellstoff- und Papierindustrie, die Chlorid-/Hypochlorit-Gemischen ausgesetzt ist
• Chemische Verarbeitung im maritimen Bereich, bei der die Kühlung mit Meerwasser mit einer Einwirkung milder Säuren kombiniert wird
• Raffinerien mit Sole-Rückführungssystemen, bei denen keine Beständigkeit gegen reine Säure erforderlich ist

Klasse 16 – Die zu wenig diskutierte Alternative zur Klasse 7

Die Güteklasse 16 enthält etwa halb so viel Palladium wie die Güteklasse 7 (0,04–0,081 TP3T gegenüber 0,12–0,251 TP3T) und bietet eine Korrosionsbeständigkeit, die in den meisten praktischen chemischen Umgebungen nicht von der der Güteklasse 7 zu unterscheiden ist.

Diese Güteklasse findet in den üblichen technischen Leitfäden kaum Beachtung, obwohl ihr Wertvorteil auf der Hand liegt: Palladium macht durchweg einen erheblichen Anteil des Kostenaufschlags bei Platten und Rohren der Güteklassen 7 und 11 aus. Bei den aktuellen Pd-Marktpreisen kann eine Plattenbestellung in der Güteklasse 16 in den meisten Prozessumgebungen 20–35% weniger kosten als eine gleichwertige Bestellung der Güteklasse 7 mit vergleichbarer Korrosionsbeständigkeit.

Der Korrosionsmechanismus ist derselbe – die Zugabe von Pd verschiebt das Korrosionspotenzial in den passiven Bereich –, und Testdaten von TIMET sowie aus der Fachliteratur zum Korrosionsingenieurwesen zeigen, dass 0,05% Pd ausreicht, um in den meisten reduzierenden Säureumgebungen ein passives Verhalten zu erzielen. Der Vorteil eines höheren Pd-Gehalts (Güteklasse 7) zeigt sich vor allem unter Extrembedingungen: bei sehr konzentrierten reduzierenden Säuren, sehr hohen Temperaturen oder in Umgebungen, in denen das Korrosionspotential besonders tief gedrückt wird.

Wann sollte man die Güteklasse 16 anstelle der Güteklasse 7 angeben:

• Betriebsbedingungen im moderaten Bereich (H₂SO₄ < 20%, HCl < 5%, Temperaturen unter 80 °C)
• Anwendungen, bei denen der Kostendruck erheblich ist und der Ingenieur die Gleichwertigkeit anhand veröffentlichter Prüfdaten nachweisen kann
• Projekte, bei denen große Plattenmengen benötigt werden und die Kostendifferenz erheblich ist (Fertigung von Reaktormänteln, großen Wärmetauschermänteln)

Wann man bei der 7. Klasse bleiben sollte:

• Einsatz in heißer, konzentrierter, reduzierender Säure nahe den oberen Grenzen der Korrosionsbeständigkeit der Güteklasse 7
• Anwendungen, bei denen vertraglich eine konservative Auslegung vorgeschrieben ist (Kernkraftwerke, pharmazeutische Prozessanlagen mit FDA-Validierung)
• Spaltumgebungen bei Temperaturen über 200 °C – der höhere Pd-Gehalt sorgt für mehr Sicherheitsreserve

Die Güteklasse 17 entspricht der auf der Güteklasse 1 basierenden Güteklasse 16 (duktiler, geringere Festigkeit) und folgt derselben Logik für Anwendungen, die eine extreme Formbarkeit bei gleichzeitig geringerer Säurebeständigkeit erfordern.

Auswahlrahmen für einzelne Säuren

Die direkteste Art, diese Informationen zu nutzen, ist eine Matrix für saure Umgebungen. Die nachstehende Tabelle enthält häufig herangezogene Daten aus den TIMET-Korrosionshandbüchern und der veröffentlichten Fachliteratur zum Thema Korrosionsschutz.

Auswahl der Titanlegierung je nach Säureumgebung

Säure	Konzentration	Temperatur	Empfohlene Note	Anmerkungen
Salpetersäure (HNO₃)	10–65%	Zum Kochen bringen	Klasse 2	Alle CP-Noten sind ausreichend; die Note 7 bietet keinen Vorteil
Salpetersäure (rot, rauchend)	>5% NO₂	Beliebig	Vermeiden Sie jegliches Ti	SCC-Risiko in allen Schweregraden
Schwefelsäure (H₂SO₄)	<5%	<60 °C	Klasse 2	Es muss gelöstes O₂ vorhanden sein
Schwefelsäure	5–45%	<60 °C	Klasse 7 oder Klasse 16	Güteklasse 2 korrodiert bei Werten über 5%
Schwefelsäure	>45%	Beliebig	Stufe 7 (mit Vorsicht)	Testdaten erforderlich; Zr oder Ta oberhalb von 60% in Betracht ziehen
Salzsäure (HCl)	<5–7%, belüftet	Nur RT	Klasse 2	Erforderlicher Gehalt an gelöstem Sauerstoff; der Grenzwert sinkt bei erhöhter Temperatur stark ab
Salzsäure	5–27%	Bis zu 50 °C	Klasse 7 oder Klasse 16	Klasse 2 nicht ausreichend, oberhalb von ~5–7% belüftet
Salzsäure	>27%	Beliebig	Testdaten einsehen	Die Sorte 7 kann bei erhöhten Temperaturen über 27% korrodieren.
Phosphorsäure (H₃PO₄)	<30%	<80 °C	Klasse 2	Bei Belüftung zulässig
Phosphorsäure	30–80%	Beliebig	Klasse 7 oder Klasse 16	Klasse 12 ist zulässig, sofern halogenidfrei
Flusssäure (HF)	Beliebig	Beliebig	Keine	Alle Titan-Sorten sind ungeeignet – verwenden Sie Zr, PTFE-ausgekleidete oder Hastelloy-Werkstoffe
Organische Säuren (Essigsäure, Ameisensäure)	Alle gewerblichen	<100 °C	Klasse 2 oder Klasse 7	Stufe 2 für verdünnt, Stufe 7 für konzentriert/heiß
Heiße Chloridsole	NaCl >10%, >80 °C	80–150 °C	12. Klasse oder 7. Klasse	Spaltrisiko der Stufe 2 bei Temperaturen über 80 °C
Heißes Hypochlorit	NaOCl >1%, >60 °C	Zum Kochen bringen	12. Klasse oder 7. Klasse	Klasse 2, Randbereich über 60 °C
Feuchtes Cl₂-Gas	Bis zu 2%	<100 °C	Klasse 2	Alle CP-Qualitäten sind in feuchtem Cl₂ geeignet

Dieses Rahmenwerk deckt die gängigsten sauren Umgebungen in der chemischen Verarbeitung ab. Mischsäuresysteme, verunreinigte Ströme (z. B. HNO₃ + HF beim Beizen von Edelstahl) und firmeneigene Prozessflüssigkeiten erfordern individuelle Korrosionsprüfungen – keine veröffentlichte Tabelle kann die Eintauchprüfung in der tatsächlichen Prozessflüssigkeit vollständig ersetzen.

Der Palladium-Aufschlag: Wenn sich die Kosten für die Güteklasse 7 nur schwer rechtfertigen lassen

Palladium wird zu einem Preis von etwa $1.000–$1.500 pro Feinunze gehandelt. Die Güteklasse 7 enthält 0,12–0,25% Pd nach Gewicht – bei einer Bestellung von 1.000 lb Platten entspricht dies etwa 1,2–2,5 lbs in der Legierung enthaltenem Palladium. Dieser Pd-Gehalt führt zu einem Materialaufschlag, der direkt an den Palladium-Spotpreis gekoppelt ist.

Wenn eine Platte der Güteklasse 2 $5–8/lb und eine der Güteklasse 7 $12–18/lb kostet, sollte die Kostenentscheidung auf der Grundlage fundierter technischer Überlegungen getroffen werden, anstatt aus Vorsicht automatisch die höhere Güteklasse zu wählen.

Ein einfaches Konzept zum ROI:

• Kosten eines vorzeitigen Versagens der Stufe 2: Ein ungeplanter Stillstand zum Austausch eines Wärmetauschers in einer chemischen Anlage mit kontinuierlichem Prozess kann Produktionsausfälle in Höhe von $200.000–$500.000 verursachen, zuzüglich $50.000–$150.000 für Ersatzmaterialien und Arbeitskosten.
• Kosten für den Aufstieg in die 7. Klasse: Bei einem 10.000 lb schweren Wärmetauscherbündel könnte der Aufpreis der Güteklasse 7 gegenüber der Güteklasse 2 zwischen $70.000 und $100.000 liegen.
• Gewinnschwelle: Wenn die Güteklasse 7 die Lebensdauer in einer säurehaltigen Umgebung, in der die Güteklasse 2 bereits nach 1–2 Jahren versagen würde, um nur 2–3 Jahre verlängert, spricht die Wirtschaftlichkeit eindeutig für die Güteklasse 7.

Die Güteklasse 16 verändert diese Rechnung noch weiter. Wenn der Preis für die Güteklasse 16 bei $8–12/lb liegt – was den geringeren Pd-Gehalt widerspiegelt – und sie in dieser spezifischen Umgebung eine gleichwertige Lebensdauer bietet, sinkt der Aufpreis gegenüber der Güteklasse 2 auf ein Niveau, bei dem bereits eine bescheidene Verbesserung der Zuverlässigkeit die Umstellung rechtfertigt.

Die praktische Empfehlung: Standardmäßig wird für nachweislich ausschließlich oxidierende Umgebungen die Güteklasse 2, für mäßig reduzierende Säureumgebungen, bei denen die Kosten eine Rolle spielen, die Güteklasse 16 und für aggressive reduzierende Säureumgebungen oder bei bekannter Gefahr von Spaltkorrosion bei erhöhten Temperaturen die Güteklasse 7 gewählt.

Fertigung und Schweißen: Wo die Wahl der Stahlsorte ihre Gültigkeit verliert

Die Korrosionsbeständigkeit von Titan kann durch unsachgemäße Schweißverfahren beeinträchtigt werden, unabhängig von der spezifizierten Güteklasse. Dieser Punkt wird in den meisten Leitfäden zur Güteklassenauswahl nicht ausreichend hervorgehoben.

Der entscheidende Punkt: die Bildung von Großbuchstaben. Wenn Titan geschweißt oder in Gegenwart von Luft, Stickstoff oder Sauerstoff auf über 600 °C erhitzt wird, bildet sich eine harte, spröde, sauerstoffreiche Oberflächenschicht, die als Alpha-Case bezeichnet wird. Alpha-Case weist eine geringe Duktilität und – was entscheidend ist – eine verminderte Korrosionsbeständigkeit auf, da seine chemische Zusammensetzung nicht mehr mit der der Grundlegierung übereinstimmt.

Für Schweißarbeiten im chemischen Bereich:

1. Eine Schutzgasatmosphäre ist zwingend erforderlich – sowohl an der Schweißnahtoberfläche als auch an der Schweißnahtwurzel. Die Rückspülung mit Argon (Reinheit mindestens 99,995%) ist beim Schweißen von Titan für den Einsatz in chemischen Anwendungen unverzichtbar. Eine “Farbprüfung” der Schweißnaht dient als praktischer Qualitätsindikator: Silberweiß ist akzeptabel, Strohgelb liegt an der Grenze der Akzeptanz, Blau oder Violett deuten auf eine Sauerstoffverunreinigung hin, und die Schweißnaht muss aussortiert werden.
2. Titan muss mit Titan-Schweißdraht geschweißt werden. derselben oder einer niedrigeren Güteklasse. Verwenden Sie keinen Schweißzusatz der Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V) für Grundmetalle der Güteklasse 2 oder 7 – der Aluminiumgehalt des Schweißzusatzes beeinträchtigt die Korrosionsbeständigkeit in der Schweißzone.
3. Sauberkeit der Oberfläche: Titan reagiert bei Schweißtemperaturen mit Eisen. Eisenverunreinigungen durch das Schleifen mit Stahlwerkzeugen, den Kontakt mit Stahldrahtbürsten oder Eisenpartikel in der Werkstattumgebung können zu lokaler Korrosion an den Schweißnähten führen. Es sind spezielle Edelstahlbürsten und saubere Arbeitsbereiche erforderlich.
4. Passivierung nach dem Schweißen: Titan erfordert in der Regel keine chemische Passivierung (im Gegensatz zu Edelstahl), doch empfiehlt es sich, vor der Inbetriebnahme der Anlagen verfärbte Schweißzonen mechanisch zu entfernen und anschließend mit einem Lösungsmittel zu reinigen.

Die Schweißung der Güteklassen 7 und 12 erfolgt im Wesentlichen genauso wie bei Güteklasse 2 – es sind keine besonderen Parameter erforderlich, die über die oben genannten Standardanforderungen für das Schweißen von Titan hinausgehen. Bei korrekter Ausführung entspricht die Korrosionsbeständigkeit an den Schweißnähten der des Grundmetalls.

Zusammenfassung: Die Klassenstufe an das Umfeld anpassen

Die Auswahl der geeigneten Titanlegierung für die chemische Verarbeitung beschränkt sich auf wenige Entscheidungen:

Ist das saure Milieu in erster Linie oxidierend? → Die Güteklasse 2 ist die Standardausführung. Sie bietet eine Lebensdauer von über 40 Jahren im Einsatz mit Salpetersäure, Chromsäure und feuchtem Chlor zu wettbewerbsfähigen Kosten.

Sind reduzierende Säuren vorhanden (HCl, H₂SO₄, heiße Phosphorsäure)? → Geben Sie die Güteklasse 7 oder 16 an. Der Palladiumzusatz ist in diesen Anwendungsbereichen kein Luxus – er ist vielmehr die Voraussetzung dafür, dass Titan überhaupt einsetzbar ist. Die Güteklasse 16 ist die kostengünstige Wahl für den Einsatz innerhalb moderater Konzentrations- und Temperaturgrenzen.

Ist heiße Chloridsole oder Meerwasser das Hauptproblem, und nicht die Reduktionssäuren? → Die Sorte 12 ist die richtige Wahl. Der Mo-Ni-Zusatz wirkt dem spezifischen Spaltkorrosionsmechanismus in heißen salzhaltigen Umgebungen entgegen – und das zu geringeren Kosten als Pd-haltige Sorten.

Spielt Flusssäure dabei eine Rolle? → Keine Titanlegierung ist geeignet. Brechen Sie die Prüfung ab und ziehen Sie Zirkonium, eine PTFE-ausgekleidete Konstruktion oder Hastelloy C-276 in Betracht.

Die Wahl der Stahlsorte selbst ist nur die Hälfte der technischen Entscheidung. Die Schweißqualität, die Auslegung der Verbindung zur Minimierung von Spaltengeometrien sowie die Charakterisierung des Prozessstroms (insbesondere der Gehalt an gelöstem Sauerstoff, das Temperaturprofil und die Verunreinigungsionen) entscheiden darüber, ob die spezifizierte Stahlsorte die beabsichtigte Leistung erbringt. Eine korrekt spezifizierte Güteklasse 2 mit sauberen Schweißnähten in einer Salpetersäureumgebung hält in derselben Umgebung stets länger als eine schlecht gefertigte Güteklasse 7.

Häufig gestellte Fragen

Welche Titanlegierung ist für den Einsatz in der chemischen Industrie am korrosionsbeständigsten?
Die Legierung Grade 7 (Ti-0,2Pd) ist die korrosionsbeständigste im Handel erhältliche Titanlegierung. Durch den Palladiumzusatz wird das Korrosionspotenzial in reduzierenden sauren Umgebungen, in denen unlegiertes Titan korrodiert, in den passiven Bereich verschoben. Sie widersteht HCl bis zu ~10% und H₂SO₄ bis zu ~30% bei Raumtemperatur und unterliegt keiner Spaltkorrosion in Chloridlösungen unter 250 °C bei einem pH-Wert über 1.

Wann sollte ich die 12. Klasse anstelle der 7. Klasse verwenden?
Die Güteklasse 12 ist die bevorzugte Wahl, wenn das primäre Korrosionsrisiko in der Einwirkung von heißer Chloridsole oder Meerwasser besteht – nicht in der Einwirkung von reduzierenden Säuren. Durch den Mo-Ni-Zusatz bietet sie im Vergleich zur Güteklasse 2 eine überlegene Spaltkorrosionsbeständigkeit in heißen salzhaltigen Umgebungen, und das zu geringeren Kosten als die Güteklasse 7. Wenn in Ihrem Prozess heißes H₂SO₄ oder HCl zum Einsatz kommt, ist die Güteklasse 7 der Güteklasse 12 überlegen.

Was ist der Unterschied zwischen der Güteklasse 7 und der Güteklasse 16?
Bei beiden Güteklassen werden Palladiumzusätze verwendet, um die Korrosionsbeständigkeit gegenüber reduzierenden Säuren zu verbessern. Die Güteklasse 7 enthält 0,12–0,25% Pd; die Güteklasse 16 enthält 0,04–0,08% Pd. Die Sorte 16 ist aufgrund ihres geringeren Pd-Gehalts kostengünstiger, und in den meisten praktischen chemischen Verarbeitungsumgebungen bei moderaten Säurekonzentrationen und Temperaturen ist ihr Korrosionsverhalten mit dem der Sorte 7 vergleichbar. Die Sorte 7 bietet unter extremen Bedingungen eine größere Sicherheit.

Korrodiert Titan in Flusssäure?
Ja. Alle Titanlegierungen werden durch Flusssäure (HF) und fluoridhaltige Lösungen bei einem pH-Wert unter etwa 3 angegriffen. Fluoridionen lösen den schützenden TiO₂-Passivfilm auf. Für den Einsatz mit HF sollte keine Titanlegierung spezifiziert werden – verwenden Sie stattdessen mit Zirkonium oder Fluorpolymer (PTFE/PFA) ausgekleidete Anlagen oder Nickellegierungen wie Hastelloy C-276.

Ist Titan der Güteklasse 2 für den Einsatz mit Schwefelsäure geeignet?
Die Güteklasse 2 ist für verdünnte Schwefelsäure (weniger als 5% H₂SO₄) bei Umgebungstemperatur geeignet, sofern gelöster Sauerstoff vorhanden ist. Bei einer Konzentration über 5%, bei Temperaturen über 60 °C oder unter entlüfteten Bedingungen korrodiert die Güteklasse 2 in unzulässigem Ausmaß. Für den Einsatz von H₂SO₄ oberhalb dieser Grenzwerte sollte die Güteklasse 7 oder 16 vorgeschrieben werden.

Warum ist die Schweißqualität bei chemischen Anlagen aus Titan so wichtig?
Bei Titan, das ohne ausreichende Inertgas-Rückspülung geschweißt wird, bildet sich eine mit Sauerstoff verunreinigte Oberflächenschicht (Alpha-Schicht), die eine verminderte Korrosionsbeständigkeit und eine schlechte Duktilität aufweist. Eine optisch einwandfreie Schweißnaht mit blauer oder violetter Verfärbung ist im chemischen Einsatz eine fehlerhafte Schweißnaht. Das Schweißen von Titan erfordert eine Argon-Spülung, spezielle, eisenfreie Werkzeuge sowie eine Farbprüfung der Schweißnaht als obligatorische Qualitätskontrolle.