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Ein typischer Einsatzfall rostfreier Stähle in Hydraulikventilen sind Offshore-Bohrinseln. Bild: Ek – stock.adobe.com

Witterungsverhältnisse wie Schneefall, Regen, Frost oder Nebel, starker Seegang auf Hochseeschiffen und Offshore-Bohrplattformen, extreme Temperaturschwankungen die zur Bildung von Kondenswasser führen können, hohe Luftfeuchtigkeit in tropischen und subtropischen Regionen, korrosive, ätzende Stoffe in der chemischen Industrie oder sogar eine nicht fachgerechte Lagerung – unter all diesen Umständen und Einsatzbedingungen sind metallische Oberflächen einem hohen Korrosionsrisiko ausgesetzt. Komponenten eines Hydrauliksystems, wie Ventile zum Beispiel, bilden diesbezüglich keine Ausnahme.

Je nach Industriezweig, Einsatzgebiet oder Projektspezifikation, können die Anforderungen an den Korrosionsschutz sehr verschieden sein. Neben ästhetischen Aspekten spielt vor allem die Gewährleistung der Funktionstüchtigkeit eine wichtige Rolle. In der Hydraulik gilt: Je langlebiger die Komponente und das System, umso mehr ist der Anspruch auf Qualität erfüllt. Um diesem gerecht zu werden, ist ein zuverlässiger Korrosionsschutz bei vielen Anwendungen unentbehrlich.

Hersteller von Hydraulikventilen wenden verschiedene Beschichtungsmethoden oder chemische Verfahren an, um ihre Produkte den Einsatzbedingungen entsprechend zu schützen. Beispiele für Beschichtungsverfahren sind Nasslackbeschichten und Pulverlackbeschichten oder auch metallische Beschichtungen, wie Vernickeln und Verzinken. Entscheidend für den Korrosionsschutz ist die Haftfestigkeit der Schicht auf der Metalloberfläche. Für diese werden meist spezielle Vorbehandlungen durchgeführt oder vor dem Beschichten Haftvermittler eingesetzt. Weitere Möglichkeiten bieten chemische oder thermochemische Verfahren, wie Phosphatieren oder Nitrocarburieren, bei welchem die Randschicht eines Bauteils mit Stickstoff und Kohlenstoff angereichert wird.

Wenn Zink-Nickel nicht ausreicht

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Strandreinigung in Florida: In den Tropen und Subtropen macht die teilweise hohe Luftfeuchtigkeit guten Korrosionsschutz erforderlich. Bild: icholakov – stock.adobe.com

Hydraulische Systeme werden immer komplexer und die Anwendungsbereiche vielseitiger, wodurch auch die Anforderungen an den Korrosionsschutz stetig wachsen. Eine Schutzart, welche sich in den vergangenen Jahren bei etlichen Ventilherstellern etabliert hat, basiert auf dem Zink-Nickel Verfahren. Bei diesem werden sämtliche metallische Aussenteile mit einer Legierungsschicht aus Zink-Nickel überzogen. Dies bietet einen sehr guten Langzeitkorrosionsschutz mit einer hohen Temperaturbeständigkeit, welcher sehr häufig in der Mobilhydraulik bei Steuerblöcken und bei Ventilen in Schraubpatronenbauart eingesetzt wird. Je nach Bauteil wird so Rostresistenz von etwa 400 bis 1.000 Stunden Salzsprühtest nach DIN EN ISO 9227 gewährleistet.

Es gibt Branchen und Anwendungen bei denen technische Spezifikationen einen noch besseren Korrosionsschutz beziehungsweise den Einsatz spezieller Materialien vorschreiben. Einige Hersteller bieten Ventile an, deren Außenteile teilweise oder gänzlich aus rostfreien Stählen bestehen. Im Öl- und Gas-Sektor oder im Offshore-Bereich begegnet man häufig der internationalen Bezeichnung AISI 316L. Diese verweist auf einen rostfreien Stahl, der die Werkstoffgüten 1.4404 und 1.4435 abdeckt. Dabei handelt es sich um nichtrostende, austenitische Chrom-Nickel-Molybdän-Stähle, die sogar in Säuren und chlorhaltigen Medien eine gute Beständigkeit aufweisen. Aufgrund der chemischen Zusammensetzung sind diese Metalllegierungen von Natur aus korrosionsbeständig. Eine typische Offshore-Anwendung für die aus diesem Material gefertigten Ventile ist der Betrieb einer Bohranlage auf einer im Meer befindlichen Bohrinsel. Durch die hohe Salinität des Meerwassers erhöht sich auch der Salzgehalt der Luft, wodurch eine korrosive Atmosphäre entsteht. Dank des sehr hohen Schutzgrades können Ventile in rostfreier Ausführung unter diesen harschen Bedingungen problemlos eingesetzt werden.

Rostfrei, aber magnetbetätigt

Bei mechanisch verstellbaren Hydraulikventilen können rostfreie Stähle für aussenliegende Teile nahezu bedingungslos verwendet werden. Bei magnetbetätigten beziehungsweise bei Proportionalventilen ist dies nicht der Fall. Die meisten aller weltweit eingesetzten rostfreien Stähle sind Chrom-Nickel-Stähle und somit nicht magnetisierbar. Das macht die Betätigung eines elektrohydraulischen Ventils mit einer Magnetspule in rostfreier Ausführung deshalb sehr schwierig bis unmöglich. Wandfluh verwendet daher Magnetspulen, deren Spulengehäuse aus Automatenstahl bestehen und Zink-Nickel-beschichtet sind. Dank dieser Kombination aus AISI 316L und der Zink-Nickel-Schicht der Magnetspule kann eine Rostresistenz von mindestens 1000 Stunden des bereits erwähnten Salzsprühtests gewährleitstet werden. Dieses Konzept kommt nicht nur im Offshore-Bereich, sondern auch bei Marine-Anwendungen seit vielen Jahren erfolgreich zum Einsatz.

Nur sehr wenige Hersteller bieten Magnetventile an, bei denen alle Außenteile aus rostfreiem Stahl bestehen. Für Anwendungen unter extremen Bedingungen im Offshore-Bereich oder in der chemischen Industrie bietet beispielsweise Wandfluh explosionsgeschützte Magnetventile an, bei denen sämtliche Aussenteile, Magnetspulen und Ventilkörper, aus AISI 316L gefertigt werden. Die dadurch gewährleistete Korrosionsresistenz ist mit mindestens 2000 Stunden Salzsprühtest gegenüber der der Zink-Nickel-Beschichtung deutlich höher. Die Magnetisierbarkeit der Spule wird durch den aus Automatenstahl gefertigten Spulenkern gewährleistet, dessen Umhüllung aus AISI 316L besteht.

Schutz von innen

Ein Spezialfall stellen Ventile dar, welche für den Betrieb mit Alternativmedien auf Wasser-Basis kompatibel sind. Beispiele hierfür sind verschiedene Öl-in-Wasser-Emulsionen wie HFA, mit einem Wassergehalt von mindestens 80 % oder auch Wasserglykole (HFC), bei denen der Wassergehalt bis 95 %, in manchen Fällen sogar bis zu 98 % betragen kann. Aus diesem Grund muss auch ein Korrosionsschutz des Innenlebens der Ventile sichergestellt werden. Hierfür werden ebenfalls spezielle rostfreie Stähle verwendet. Doch ist es nicht nur der Schutz gegen Rost, der die Auswahl geeigneter Materialien für derartige Ventilausführungen erforderlich macht. Die Viskosität einer Betriebsflüssigkeit kann sich je nach Wasseranteil stark verringern. Der Einsatz sich schnell bewegender Teile, wie zum Beispiel Regelkolben bei Hydraulikventilen, in niederviskosen Fluiden, kann zu sogenannter Kavitation führen. Dabei bilden sich Dampfblasen, die innerhalb einer Wechselwirkung zwischen Dampfdruck und statischem Druck kollabieren und dadurch hohe Druck- und Temperaturspitzen verursachen. Sämtliche Innenteile der Hydraulikventile können dadurch stark beschädigt werden, was zu einem gänzlichen Funktionsausfall des Ventils führen kann. Dies muss bei der Konstruktion der Ventile berücksichtigt werden, damit die einwandfreie Funktion gewährleistet ist.

Doch warum Hydraulikventile diesem Risiko aussetzen? In einigen Branchen gelten strenge Vorschriften bezüglich Umweltschutz. Eine der unausweichlichen Maßnahmen bei hydraulischen Anwendungen ist daher der vorgeschriebene Einsatz von auf Wasser basierenden Betriebsfluiden. Dank diesem führt ein Auslaufen der Hydraulikflüssigkeit bei eventuellen Defekten in der Anwendung oder bei Unfällen zu erheblich kleineren Umweltbelastungen und der Verschmutzungsgrad kann deutlich geringer gehalten werden. Auch in der Lebensmittelindustrie müssen vereinzelt wasserhaltige Hydraulikflüssigkeiten verwendet werden, um somit hygienisch- und gesundheitsbedingten Vorschriften gerecht zu werden. Weiterhin spielen bei etlichen Anwendungen im Steinkohlebergbau und in der zivilen Luftfahrt Sicherheitsbestimmungen bezüglich Brandschutz eine wichtige Rolle. Die bereits erwähnten Öl-in-Wasser-Emulsionen HFA und Wasserglykole HFC gelten als schwer entflammbare Flüssigkeiten, die ein Brandrisiko deutlich verringern und somit den jeweiligen Auflagen und Vorschriften entsprechen.

Einsatz in extremer Kälte

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In sehr kalten Regionen sollten spezielle Ventile verwendet werden. Bild: Leonid Ikan - stock.adobe.com

Ventile werden auch in sehr kalten Regionen eingesetzt. Deshalb muss die Funktionalität auch bei extremen Umgebungstemperaturen sichergestellt sein. Standardventile sind für den Einsatz bis minus 25 °C freigegeben. Für Anwendungen in besonders kalten Regionen stehen (teilweise auf Anfrage) Spezialausführungen zur Verfügung, bei Wandfluh zum Beispiel Z604 und Z591. Der Einsatz von Z604 ist bis zu einer Umgebungstemperatur von minus 40 Grad Celsius zugelassen. Mit Z591 ist eine reibungslose Funktion bis minus 60 Grad Celsius sichergestellt ist. Die Grundlage für diese beiden Konzepte bilden spezielle Einsatzstähle diverser Konstruktionsteile und spezielle Dichtungen. Verschiedene Faktoren spielen hier eine Rolle, unter anderem die Beachtung und die Berechnung von Ausdehnungskoeffizienten, der Viskositätsbereich des verwendeten Hydrauliköls und Gleiteigenschaften unterschiedlicher Stähle.

Hinzu kommt die Anforderung die Leckage-Werte so gering wie möglich zu halten, was durch dahingehend angepasste Toleranzen im Innenleben der Ventile ermöglicht wird, denn Energieeffizienz ist bei vielen Anwendungen ebenfalls ein entscheidender Faktor. Dabei ist es wichtig, für Anwendungen in besonders kalten Regionen eine geeignete Kompromisslösung zu finden: Eine störungsfreie Funktion in extremer Kälte zu gewährleisten ist nicht die eigentliche Herausforderung. Nimmt man jedoch den Anspruch auf eine geringe Leckage mit hinzu, gilt es, ein Kolbenspiel zu finden, welches bei diesen Ventilen so definiert worden ist, dass eine reibungslose Funktion und eine geringe Leckage gleichzeitig gewährleistet werden kann.

Auf einen Blick

  1. Besonders gefährdet für Korrosion sind Ventile in einer Umgebung mit salzhaltiger Luft und Meerwasser oder anderen korrosiven Stoffen, bei Temperaturschwankungen, die zu Kondenswasser führen können und bei hoher Luftfeuchtigkeit.
  2. Es gibt verschiedene Wege, um Ventile dagegen zu schützen.
  3. Bei Druckmedien auf Wasserbasis muss auch der Schutz von innen gewährleistet sein.
  4. Für den Einsatz in sehr kalten Regionen ist ein guter Kompromiss zwischen Kälteresistenz und geringer Leckage anzustreben.

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