Berechnungen der Lochfraßbeständigkeitszahl

Was die Pitting Resistance Equivalent Number misst

PREN als empirischer Vergleichsindex

Die Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) ist ein zusammensetzungsbasierter, semiquantitativer Index zum Vergleich der Beständigkeit nichtrostender Stähle gegenüber lokaler Korrosion, insbesondere Lochfraß in chloridhaltigen Umgebungen. Sie stellt keine Korrosionsbewertung auf einer universellen Skala dar. Eine höhere Zahl weist im Allgemeinen auf eine größere Widerstandsfähigkeit gegen die Initiierung von Lochfraß unter vergleichbaren Bedingungen hin, legt jedoch weder eine garantierte Einsatzgrenze noch ein festes Lochfraßpotenzial oder eine vorhergesagte Betriebslebensdauer fest.

Der allgemein verwendete Ausdruck lautet:

$$\text{PREN}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)$$

PRENPREN Äquivalenzzahl der Lochkorrosionsbeständigkeit: ein empirischer, auf der Zusammensetzung beruhender Index zum Vergleich von nichtrostenden Stählen hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegen lokale Korrosion, insbesondere Lochkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen.

Die Gehalte der Legierungselemente werden als Gewichtsprozentsätze angegeben. Chrom, Molybdän und Stickstoff sind die Terme dieses Ausdrucks; jedem ist ein empirischer Koeffizient zugeordnet, der seinen relativen Beitrag zur Beständigkeit gegenüber lokaler Korrosion widerspiegelt. Die British Stainless Steel Association veröffentlichte diese Form in ihrer Erläuterung der PREN-Berechnungen aus dem Jahr 2025.

Eine Legierung mit beispielsweise 22 % Chrom, 3 % Molybdän und 0,18 % Stickstoff hätte:

$$22+3.3\left(3\right)+16\left(0.18\right)=34.78$$

Dieses Ergebnis ist ein berechneter Index und keine gemessene Korrosionsrate. Es ermöglicht, die Zusammensetzung eines nichtrostenden Stahls mit der eines anderen auf einer gemeinsamen Grundlage zu vergleichen. Ein nominal höherer Wert ordnet die Legierung in der Regel einer höheren Beständigkeitskategorie zu, sofern die Werkstoffe unter ähnlichen metallurgischen und Umgebungsbedingungen verglichen werden.

Die Gleichung erklärt auch, warum der Vergleich von Werkstoffgüten mehr erfordert als das Ablesen einer Produktbezeichnung. Type 304, üblicherweise durch UNS S30400 repräsentiert, enthält wenig oder kein Molybdän und weist daher normalerweise eine niedrigere PREN auf als Type 316L, UNS S31603, dessen Zusammensetzung Molybdän enthält. Duplexstähle wie UNS S32205 und UNS S31803 enthalten erhebliche Mengen an Chrom, Molybdän und Stickstoff und erreichen dadurch einen höheren berechneten Wert als viele austenitische Güten. Superduplex-Güten wie UNS S32750 und UNS S32760 weisen im Allgemeinen noch höhere Werte auf. Auch ferritische Güten können hohe Chrom- und Molybdängehalte aufweisen; die PREN ist daher nicht auf eine einzige Familie nichtrostender Stähle beschränkt.

Die Zahl berücksichtigt nicht jedes Element, das die Korrosion beeinflusst. Nickel ist, wie die Society of Petroleum Engineers im Jahr 2025 feststellte, nicht in der gebräuchlichen Gleichung enthalten. Dieses Weglassen bedeutet nicht, dass Nickel keine metallurgische oder korrosionsbezogene Bedeutung hätte. Nickel beeinflusst das Phasengleichgewicht, das Verhalten der Passivschicht, die Zähigkeit und die Beständigkeit gegenüber bestimmten reduzierenden Umgebungen; sein Beitrag wird jedoch nicht durch die Standardkoeffizienten der PREN dargestellt. Auch Kohlenstoff, Silizium, Kupfer, Mangan und andere Elemente können die Leistungsfähigkeit beeinflussen, ohne im Grundausdruck zu erscheinen.

[1][1] Duplex Stainless Steels. International Stainless Steel Forum. International Stainless Steel Forum publication, 2025.

Für bestimmte Legierungsfamilien oder Berechnungskonventionen werden alternative Gleichungen verwendet. Das International Stainless Steel Forum gab den wolframhaltigen Ausdruck im Jahr 2025 wie folgt an:

$${\text{PREN}}_W=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo}+0.5\%W)+16(\%N)$$

Hier erhält Wolfram innerhalb der Klammer die Hälfte des Molybdänterms. Dieselbe ISSF-Veröffentlichung enthält einen manganangepassten Ausdruck:

$${\text{PREN}}_{\mathrm{Mn}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)-\%\mathrm{Mn}$$

Diese Werte sollten nicht unkritisch miteinander vermischt werden. Eine angegebene PREN muss die verwendete Gleichung nennen, insbesondere beim Vergleich wolframhaltiger Duplexstähle oder bei Anwendung der Mangananpassung. Wenn jedes Ergebnis einfach als „PREN“ bezeichnet wird, kann dies einen wesentlichen Unterschied in der Berechnungsmethode verbergen.

Die PREN ist daher als Instrument für eine Vorauswahl und Rangordnung nützlich. Sie hilft Ingenieuren, Unterschiede in der Zusammensetzung zu erkennen, die für den Einsatz in chloridhaltigen Medien relevant sein können, und ermöglicht einen schnellen Vergleich vor Prüfungen oder einer detaillierten Konstruktionsprüfung. Sie ersetzt weder das Werkstoffzeugnis noch die Wärmebehandlungshistorie, die Schweißnahtbewertung oder die Korrosionsprüfung.

Lochfraß, Spaltkorrosion und Chloridbelastung

Lochfraß ist ein örtlich begrenzter Zusammenbruch der Passivschicht. Nichtrostender Stahl schützt sich normalerweise durch eine dünne, chromreiche Oxidschicht. Chloridionen können sich jedoch an Fehlstellen oder Schwachpunkten dieser Schicht anreichern. Sobald ein Lochfraßangriff beginnt, kann sein Inneres sauer und mit Chlorid angereichert werden, wodurch eine elektrochemische Umgebung aufrechterhalten wird, die sich deutlich von der umgebenden Oberfläche unterscheidet. Eine kleine Öffnung an der Oberfläche kann daher eine beträchtliche Tiefe verbergen.

Molybdän und Stickstoff verbessern die Beständigkeit gegenüber dieser Angriffsform durch mehrere miteinander wechselwirkende Effekte auf die Passivität und die Chemie im Lochfraßbereich. Chrom unterstützt die Bildung und Reparatur der Passivschicht. Die PREN-Gleichung behandelt die Effekte als additiv; das tatsächliche Verhalten der Legierung hängt jedoch davon ab, wie die Elemente im Gefüge verteilt sind und ob sie in der umgebenden Matrix verfügbar bleiben.

Spaltkorrosion ist verwandt, aber nicht identisch. Sie entsteht in abgeschirmten Zwischenräumen, beispielsweise unter Dichtungen, an Überlappungsverbindungen, unter Ablagerungen oder in unzureichend gespülten Verbindungen. Der Sauerstoffmangel innerhalb des Spalts verändert die elektrochemischen Bedingungen, während sich dort Chlorid- und saure Spezies anreichern können. Ein Stahl kann gegenüber Lochfraß auf einer frei liegenden Oberfläche beständig sein, sich jedoch in einem engen Spalt schlecht verhalten, insbesondere wenn die Spaltgeometrie eine stagnierende Lösung begünstigt.

Ein höherer PREN entspricht in chloridhaltigen Lösungen im Allgemeinen einer größeren Beständigkeit gegen lokalen Angriff. Limited evidence

[2][2] Localized corrosion resistance and PREN relationship. Metals authors. Metals, 2021.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil die Bezeichnung PREN häufig zu weit gefasst verwendet wird. Die Gleichung wird hauptsächlich mit der Lochfraßbeständigkeit in Verbindung gebracht, obwohl höhere Werte häufig mit einer verbesserten Beständigkeit gegenüber anderen Formen lokaler Korrosion korrelieren. Die Veröffentlichung in Metals aus dem Jahr 2021 berichtete, dass eine höhere PREN einer größeren Beständigkeit gegenüber lokaler Korrosion in chloridhaltigen Lösungen entspricht. Dabei handelt es sich um eine vergleichende Beziehung und nicht um eine Zusicherung, dass alle Mechanismen lokaler Korrosion in gleicher Weise reagieren.

Chloridkonzentration, Temperatur, Säuregrad, Sauerstoffverfügbarkeit, Strömung, Ablagerungen und Einwirkungsdauer können das Ergebnis erheblich verändern. Meerwasser, eine heiße Chlorid-Prozesslösung und ein Laborbad mit Eisen(III)-chlorid sind keine austauschbaren Umgebungen. Chloridhaltige Böden bringen weitere Einflussgrößen hinzu, darunter Feuchterückhalt, unterschiedliche Belüftung und Verunreinigungen. Das ISSF stellte im Jahr 2025 fest, dass ein höherer Wert auf eine semiquantitativ größere Beständigkeit gegenüber lokaler Korrosion in chloridhaltigen Böden hinweist; „semiquantitativ“ ist dabei von Bedeutung. Der Begriff signalisiert eine Tendenz zur Rangordnung und keine Formel zur Berechnung der Einsatzlebensdauer vor Ort.

ASTM G48 stellt festgelegte Laborverfahren mit Eisen(III)-chlorid zum Vergleich der Beständigkeit gegen den Beginn von Loch- und Spaltkorrosion bereit. Strong evidence

ASTM G48 bietet eine Möglichkeit, zwischen Berechnung und Validierung zu unterscheiden. ASTM G48:2011 legt Laborverfahren fest, mit denen nichtrostende Stähle und verwandte Legierungen durch Messung ihrer Beständigkeit gegenüber der Initiierung von Lochfraß und Spaltkorrosion unter definierten Bedingungen mit Eisen(III)-chlorid verglichen werden. Je nach ausgewähltem Verfahren können die Ergebnisse eine kritische Lochfraßtemperatur, eine kritische Spaltkorrosionstemperatur oder einen Masseverlust nach der Einwirkung umfassen. Solche Prüfungen schaffen kontrollierte Bedingungen und ermöglichen Vergleiche; Eisen(III)-chlorid ist jedoch absichtlich äußerst aggressiv und bildet nicht jede betriebliche, maritime oder bodengebundene Umgebung nach.

Das Schweißen bringt eine weitere Komplikation hinzu. Eine Schweißverbindung kann Wärmeeinflusszonen, ein verändertes Phasengleichgewicht, Zunderschichten, Eigenspannungen sowie chrom- oder molybdänverarmte Bereiche enthalten. Die Berechnung der PREN anhand der Spezifikation des Grundwerkstoffs kann das Korrosionsverhalten des Schweißguts oder der Wärmeeinflusszone nicht bestimmen. Duplexstähle erfordern besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich des Ferrit-Austenit-Gleichgewichts und des Stickstoffrückhalts; eine nominelle chemische Zusammensetzung allein bestätigt nicht, dass die fertige Schweißverbindung die vorgesehene Beständigkeit aufweist.

Was ein PREN-Wert nicht vorhersagen kann

Ein PREN-Wert kann keine unmittelbare Einsatzlebensdauer vorhersagen. Er besagt nicht, dass eine Legierung mit einem Wert von 40 doppelt so lange hält wie eine Legierung mit einem Wert von 20, und er definiert auch keine universelle Grenze wie „oberhalb dieser Zahl kann kein Lochfraß auftreten“. Für jede Chloridkonzentration, Temperatur, Oberflächenbeschaffenheit, Geometrie oder Fertigungsroute gilt ein anderer PREN-Grenzwert; einen für alle Fälle gültigen Grenzwert gibt es nicht.

Ebenso kann die PREN kein exaktes Lochfraßpotenzial vorhersagen. Das Lochfraßpotenzial wird elektrochemisch gemessen und variiert in Abhängigkeit von Prüflösung, Temperatur, Scanverfahren, Oberflächenvorbereitung und Probenzustand. Die PREN kann dazu beitragen zu erklären, warum eine Zusammensetzung tendenziell eine höhere Lochfraßbeständigkeit als eine andere aufweist; sie liefert jedoch nicht die gemessene Spannung.

Die PREN kann auch keine Beständigkeit gegenüber allgemeiner Korrosion feststellen. Gleichmäßige Korrosion, galvanische Korrosion, Erosionskorrosion, Spannungsrisskorrosion und Korrosionsermüdung werden durch unterschiedliche Faktoren bestimmt. Eine Legierung kann eine günstige PREN aufweisen und dennoch in einer starken Säure einen unzulässigen allgemeinen Angriff erleiden, in einer heißen Chloridumgebung Rissbildung zeigen oder dort beschleunigt geschädigt werden, wo eine hohe Strömungsgeschwindigkeit die Passivschicht entfernt. Das Fehlen von Nickel in der Gleichung ist besonders relevant bei der Bewertung von Umgebungen, in denen Phasenstabilität oder die Beständigkeit gegenüber reduzierenden Säuren von Bedeutung ist.

Die Berechnung kann außerdem Einschlüsse, Seigerungen, Oberflächenverunreinigungen, Rauheit, Eisenverunreinigungen, Anlassfarben, Spaltabmessungen oder Ablagerungen nicht vollständig berücksichtigen. Diese Merkmale können örtliche Bedingungen schaffen, die die nominelle chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffs dominieren. Eine polierte Laborprobe und eine oxidierte Schweißnahtwurzel aus derselben Stahlschmelze stellen nicht dieselbe Korrosionsoberfläche dar.

Aus diesem Grund sollte die PREN zusammen mit der Gleichung, der Grundlage für die Zusammensetzung und der Werkstoffbezeichnung angegeben werden. Sie ist ein wertvoller empirischer Vergleichsindex für die Beständigkeit gegenüber chloridbezogener lokaler Korrosion. Sie ist jedoch weder ein Bestehens-/Nichtbestehens-Zertifikat noch eine universelle Korrosionsbewertung oder ein Ersatz für Prüfungen nach ASTM G48, eine standortspezifische Bewertung und eine zuverlässige Kontrolle der Fertigungsprozesse.

Die gängige PREN-Formel

Die häufig verwendete Berechnung der Pitting Resistance Equivalent Number lautet:

$$\mathrm{PREN}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)$$

Hier stehen $\%\mathrm{Cr}$, $\%\mathrm{Mo}$ und $\%N$ für die Chrom-, Molybdän- und Stickstoffgehalte der Legierung, jeweils als Massenprozent angegeben. Das Ergebnis ist eine dimensionslose Zahl. Es handelt sich weder um einen Prozentsatz noch um eine Korrosionsrate oder um einen garantierten Wert für die Gebrauchsdauer.

Dieser Ausdruck ist ein empirischer, auf der Zusammensetzung basierender Kennwert. Er wird verwendet, um nichtrostende Stähle hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegen örtlich begrenzte Korrosion, insbesondere Lochkorrosion, in chloridhaltigen Umgebungen einzustufen oder zu vergleichen. Die British Stainless Steel Association hat die Gleichung 2025 in dieser Form wiedergegeben, während Outokumpu PRE beziehungsweise PREN als Kennwert zur Bewertung nichtrostender Stähle im Vergleich zueinander beschreibt und nicht als direkte Messung des Korrosionsverhaltens. Ein höherer Wert weist im Allgemeinen auf eine höhere Beständigkeit gegen chloridinduzierte örtlich begrenzte Korrosion hin. Der Vergleich ist jedoch nur aussagekräftig, wenn die Legierungen sowie die Prüf- oder Betriebsbedingungen gemeinsam betrachtet werden.

Die Terme für Chrom, Molybdän und Stickstoff

Chrom verleiht nichtrostendem Stahl seine grundlegende Korrosionsbeständigkeit. In Luft oder einer oxidierenden wässrigen Umgebung unterstützt Chrom die Bildung eines dünnen, chromreichen Passivfilms auf der Metalloberfläche. Dieser Film verringert die Geschwindigkeit, mit der Eisen in Lösung geht. Normen für nichtrostende Stähle verlangen für die Bezeichnung „nichtrostend“ üblicherweise mindestens etwa 10,5 % Chrom. PREN-Berechnungen werden jedoch hauptsächlich verwendet, um zwischen Legierungen zu unterscheiden, die deutlich mehr Chrom als dieses Minimum enthalten.

Molybdän erhält in der gängigen Gleichung den Multiplikator 3,3. Sein Beitrag steht insbesondere mit einer verbesserten Beständigkeit gegen die Entstehung und Ausbreitung von Lochkorrosion in chloridhaltigen Lösungen in Zusammenhang. Chrom und Molybdän erfüllen keine austauschbaren Funktionen, und ein Stahl mit mehr Chrom ist nicht automatisch einem Stahl mit mehr Molybdän gleichwertig. Die Formel weist jedem Element einen eigenen Term zu, weil sich ihre Auswirkungen auf örtlich begrenzte Korrosion unterscheiden.

Stickstoff besitzt den größten Koeffizienten: 16. In geeigneten Gefügen nichtrostender Stähle kann Stickstoff die Lochkorrosionsbeständigkeit erhöhen, gleichzeitig den Austenit verfestigen und das Phasengleichgewicht beeinflussen. Seine metallurgische Rolle ist insbesondere bei nichtrostenden Duplexstählen von Bedeutung, bei denen Stickstoff neben Ferrit zur Stabilisierung der austenitischen Phase beiträgt. Damit sich der gewünschte Nutzen ergibt, muss Stickstoff in Lösung oder in geeigneten Legierungsphasen vorliegen. Eine nominelle chemische Analyse beschreibt allein nicht sämtliche Auswirkungen von Verarbeitung, Wärmebehandlung, Schweißen oder Seigerung.

PREN-Beitrag

Die numerische Gewichtung ist leicht zu erkennen. Jeder zusätzliche Prozentpunkt Chrom erhöht den PREN-Wert um 1 Einheit. Jeder zusätzliche Prozentpunkt Molybdän erhöht ihn um 3,3 Einheiten, und jeder zusätzliche Prozentpunkt Stickstoff um 16 Einheiten. Somit trägt 2 % Mo 6,6 Einheiten bei, während 0,20 % N 3,2 Einheiten beitragen. Diese Werte bedeuten nicht, dass Stickstoff in jeder Korrosionssituation physikalisch „16-mal besser“ als Chrom ist. Sie geben die für diese spezifische empirische Korrelation gewählte Skala wieder.

Nickel ist in dieser gängigen Gleichung nicht enthalten. Diese Auslassung bedeutet nicht, dass Nickel keine metallurgische oder korrosionsbezogene Bedeutung besitzt. Nickel stabilisiert Austenit, beeinflusst das Phasengleichgewicht, wirkt sich auf Passivität und Repassivierung aus und ist in vielen austenitischen und Duplexgüten enthalten. Es ist lediglich kein Bestandteil der Zusammensetzungsterme im standardmäßigen PREN-Ausdruck mit drei Elementen. Die Society of Petroleum Engineers hat diese Unterscheidung in ihrer Diskussion der PREN-basierten Werkstoffauswahl im Jahr 2025 ausdrücklich dargelegt.

Aus demselben Grund berücksichtigt PREN in seiner Grundform Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Kupfer, Wolfram, Schwefel, die Phasenverteilung, die Anzahl und Verteilung von Einschlüssen, den Oberflächenzustand oder die Verdünnung des Schweißguts nicht direkt. Diese Faktoren können das tatsächliche Verhalten gegenüber örtlich begrenzter Korrosion beeinflussen, selbst wenn zwei Stähle ähnliche berechnete PREN-Werte aufweisen.

Ein einfacher Vergleich veranschaulicht die Berechnung. Betrachtet wird eine Legierung mit 22,0 % Cr, 3,0 % Mo und 0,18 % N:

$$\mathrm{PREN}=22.0+3.3\left(3.0\right)+16\left(0.18\right)$$

$$\mathrm{PREN}=22.0+9.9+2.88=34.78$$

Das Ergebnis wird üblicherweise als PREN 34,8 oder manchmal gerundet als PREN 35 angegeben. Die Rundung darf nicht mit einem Präzisionsgrad verwechselt werden, den das zugrunde liegende Korrosionsverhalten tatsächlich rechtfertigen könnte.

Warum die Koeffizienten 3,3 und 16 lauten

Die Koeffizienten 3,3 und 16 sind empirische Gewichtungsfaktoren. Sie wurden aus beobachteten Zusammenhängen zwischen der Zusammensetzung nichtrostender Stähle und ihrer Beständigkeit gegen örtlich begrenzte Korrosion entwickelt und nicht aus einer grundlegenden thermodynamischen Gleichung für die Einleitung von Lochkorrosion abgeleitet. Die Formel fasst mehrere experimentelle Trends in einem zweckmäßigen numerischen Kennwert zusammen.

Chrom wird der Koeffizient 1 zugewiesen und legt damit die Referenzskala fest. Molybdän erhält den Koeffizienten 3,3, weil festgestellt wurde, dass Änderungen des Molybdängehalts innerhalb der zur Ermittlung der Korrelation verwendeten Legierungsbereiche einen stärkeren Einfluss auf die Beständigkeit gegen örtlich begrenzte Korrosion hatten als gleich große Änderungen des Chromgehalts. Stickstoff wird der Koeffizient 16 zugewiesen, weil relativ kleine Änderungen des Stickstoffgehalts in den entsprechenden Daten zu nichtrostenden Stählen mit einer vergleichsweise großen Wirkung verbunden waren.

Beitrag des Stickstoffs

Das ist der praktische Grund dafür, dass eine geringe Stickstoffzugabe den berechneten Wert deutlich verändern kann. Eine Erhöhung des Stickstoffgehalts von 0,10 % auf 0,20 % erhöht den PREN-Wert um $16\times 0.10=1.6$ Einheiten. Eine Erhöhung des Chromgehalts um denselben Zahlenbetrag, also um 0,10 Prozentpunkte, erhöht ihn dagegen nur um 0,10 Einheiten. Die Arithmetik ist eindeutig; die physikalische Interpretation muss jedoch begrenzt bleiben. Der Koeffizient stellt keine universelle Umrechnung zwischen Legierungselementen dar und sagt kein identisches elektrochemisches Verhalten von ferritischen, austenitischen, martensitischen, ausscheidungshärtenden und nichtrostenden Duplexstählen voraus.

Die Gleichung sollte daher am besten als Konvention zur Einstufung innerhalb einer relevanten Gruppe von Legierungen betrachtet werden. Die 2021 in Metals veröffentlichte Arbeit stellte den üblichen Zusammenhang fest, dass ein höherer PREN-Wert einer höheren Beständigkeit gegen örtlich begrenzte Korrosion in chloridhaltigen Lösungen entspricht. Dieser Zusammenhang ist jedoch halbquantitativ. Er besagt nicht, dass jede Legierung mit PREN 40 in jeder Umgebung besser abschneidet als jede Legierung mit PREN 35.

Die Verarbeitung kann eine einfache Einstufung nach der Zusammensetzung außer Kraft setzen. Eine Wärmeeinflusszone einer Schweißnaht kann ein anderes Phasengleichgewicht aufweisen als das Grundblech. Intermetallische Phasen, Chromnitride, Sulfideinschlüsse, Oberflächenverunreinigungen, Spalten und eine unzureichende Wärmebehandlung können Stellen für die Einleitung von Lochkorrosion schaffen. Auch Chloridkonzentration, Temperatur, Säuregrad, Sauerstoffverfügbarkeit, Strömung, Ablagerungen und elektrochemisches Potenzial beeinflussen das Ergebnis. PREN kann diese Betriebsvariablen nicht abbilden.[3][3] Standard test methods for pitting and crevice corrosion resistance of stainless steels. ASTM International. ASTM G48, 2011.

Eine Validierung erfordert Prüfungen oder eine korrosionskundliche Bewertung unter den jeweiligen Betriebsbedingungen. ASTM G48 legt Laborverfahren zum Vergleich nichtrostender Stähle und verwandter Legierungen fest, indem die Beständigkeit gegen die Einleitung von Loch- und Spaltkorrosion unter definierten Eisen(III)-chloridbedingungen gemessen wird. Ein Ergebnis nach ASTM G48 ist nicht dasselbe wie ein PREN-Wert. PREN wird aus der Zusammensetzung berechnet; ASTM G48 liefert ein gemessenes Verhalten unter einem festgelegten Prüfverfahren. Keines von beiden bildet für sich genommen jede Betriebsumgebung ab.

Massenprozent und Schreibweise

GewichtsprozentsatzGewichtsprozentsatz Der Massenanteil eines Elements in der Legierung. PREN-Eingangswerte sind weder Atomprozentsätze noch Volumenanteile oder dezimale Massenanteile.

Die Prozentzeichen in der Formel beziehen sich auf Massenprozente, auch als Gewichtsprozente bezeichnet. Sie beziehen sich nicht auf Atomprozente, Volumenanteile oder den Anteil eines Elements, der im Passivfilm verbleibt. Wenn ein Werkszeugnis 20,00 % Cr, 2,50 % Mo und 0,10 % N ausweist, werden diese angegebenen Massenprozente direkt eingesetzt:

$$\mathrm{PREN}=20.00+3.3\left(2.50\right)+16\left(0.10\right)$$

$$\mathrm{PREN}=20.00+8.25+1.60=29.85$$

Die Schreibweise $\%\mathrm{Cr}$ ist eine Kurzform für „Chromgehalt in Massenprozent“. Die Klammern zeigen, dass der Koeffizient mit dem vollständigen Elementterm multipliziert wird. Es ist nicht korrekt, $3.3(\%\mathrm{Mo})$ als 3,3 % Molybdän zu lesen oder das gesamte PREN-Ergebnis mit 3,3 zu multiplizieren.

Für Legierungssysteme mit Wolfram oder für Vergleiche, bei denen Mangan als reduzierender Faktor behandelt wird, gibt es außerdem Varianten der Legierungssysteme. Das International Stainless Steel Forum gab 2025 den wolframhaltigen Ausdruck wie folgt an:

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{W}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo}+0.5\%W)+16(\%N)$$

Die Schreibweise $0.5\%W$ bedeutet, dass die Hälfte des Wolframanteils in Massenprozent vor der Multiplikation mit 3,3 zum Molybdänterm addiert wird. ISSF gab außerdem folgende Gleichung an:

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{Mn}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)-\%\mathrm{Mn}$$

Diese Bezeichnungen sind nicht austauschbar und dürfen nicht als Bezeichnungen für die Grundgleichung verwendet werden. Die gewählte Gleichung muss angegeben werden, wenn ein Wert berichtet wird, insbesondere bei wolframhaltigen Duplexgüten oder bei technischen Vergleichen, in denen die Mangananpassung angewendet wird.

Für eine aussagekräftige Berechnung ist die Zusammensetzung des tatsächlich untersuchten Produkts oder Schweißbereichs zu verwenden. Alle Eingangsgrößen müssen auf derselben Massenprozentbasis angegeben werden, und die verwendete Gleichung muss benannt werden. Chemische Bereiche in einer Gütespezifikation können eine Bandbreite möglicher PREN-Werte statt einer einzigen exakten Zahl ergeben. Ein berechneter Wert ist ein nützliches Instrument für eine erste Bewertung und einen Vergleich. Er ist jedoch keine universelle Korrosionsbewertung.

Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Berechnung von PREN

Die allgemein verwendete Pitting Resistance Equivalent Number wird wie folgt berechnet:

$$\mathrm{PREN}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)$$

Dabei werden Chrom, Molybdän und Stickstoff als Gewichtsprozente angegeben, nicht als Bruchteile, Atomprozente oder Massenkonzentrationen in einer Lösung. Das Ergebnis ist ein dimensionsloser Index. Es handelt sich nicht um einen Prozentsatz, und der Wert hat keine Einheit.

Diese Gleichung entspricht der Form, die die British Stainless Steel Association im Jahr 2025 angegeben hat. PREN ist ein empirischer, auf der Zusammensetzung basierender Index zur Einstufung und zum Vergleich nichtrostender Stähle im Hinblick auf lokale Korrosion, insbesondere Lochkorrosion, in chloridhaltigen Umgebungen. Ein höherer berechneter Wert weist unter vergleichbaren Bedingungen im Allgemeinen auf eine höhere Beständigkeit hin. PREN sagt die Einsatzlebensdauer jedoch nicht direkt voraus, garantiert kein bestimmtes Lochkorrosionspotenzial und ersetzt keine Korrosionsprüfung.

Die Berechnung ist einfach. Die Auswahl der richtigen Zusammensetzungsgrundlage ist es nicht.

Ablesen von Zusammensetzungsdaten aus einer Werkstoffspezifikation

Beginnen Sie mit dem Werkstoffdokument, nicht mit einer allgemeinen Werkstofftabelle. Ein Werksprüfzeugnis, eine Schmelzenanalyse, eine Produktspezifikation oder eine Norm kann mehrere unterschiedliche Arten chemischer Angaben enthalten. Das Dokument kann eine Nennzusammensetzung, einen festgelegten Bereich, einen zulässigen Höchstwert, einen Mindestwert oder die gemessene Analyse einer bestimmten Schmelze angeben. Diese Werte sind nicht austauschbar.

Nehmen wir für eine hypothetische Schmelzenanalyse eines nichtrostenden Stahls an, dass das Zertifikat folgende Werte ausweist:

• Cr: 22,10 Gew.-%
• Mo: 3,05 Gew.-%
• N: 0,185 Gew.-%

Diese Zahlen wurden ausschließlich zu Übungszwecken für die Berechnung erfunden. Sie stellen weder eine Normzusammensetzung noch eine eingetragene Werkstoffgüte oder Produktdaten dar.

Relevant sind die gemessenen Gehalte an Chrom, Molybdän und Stickstoff. Nickel kommt in der üblichen PREN-Gleichung nicht vor. Die Society of Petroleum Engineers hat diesen Punkt im Jahr 2025 direkt festgestellt: Nickel ist nicht in der Gleichung enthalten. Das Fehlen von Nickel bedeutet nicht, dass Nickel keine metallurgische Wirkung hat; es bedeutet, dass der gewählte empirische Ausdruck keinen separaten Nickelterm enthält.

Lesen Sie die Symbole sorgfältig. „Cr“ steht für Chrom, „Mo“ für Molybdän und „N“ für Stickstoff. Ersetzen Sie diese Werte nicht durch den Gesamtlegierungsgehalt, die Restangabe oder einen Wert aus einer anderen Schmelze. Wenn ein Zertifikat für Stickstoff „<0,010“ angibt, handelt es sich nicht um einen gemessenen Wert von 0,010 %, sondern um eine Berichtsgrenze oder Obergrenze. Eine Berechnung mit 0,010 % wäre eine Annahme und muss als solche kenntlich gemacht werden.

Die Grundlage der verwendeten Quelle sollte neben dem Ergebnis angegeben werden. Beispielsweise ist „PREN, berechnet aus der angegebenen Schmelzenanalyse“ sachlich etwas anderes als „PREN, berechnet aus der Nennzusammensetzung“. Wenn das Dokument ausschließlich Spezifikationsgrenzen angibt, sollte diese Tatsache berichtet werden, anstatt das Ergebnis als gemessenes PREN des Werkstoffs darzustellen.

Betrachten wir einen zweiten hypothetischen Fall auf Grundlage eines Spezifikationsbereichs:

• Cr: 21,00–23,00 Gew.-%
• Mo: 2,50–3,50 Gew.-%
• N: 0,10–0,20 Gew.-%

Dieser Bereich ergibt keine eindeutig bestimmte Zusammensetzung. Wenn die Terme unabhängig voneinander variiert werden, ergibt sich ein Bereich möglicher berechneter PREN-Werte.

Berechneter PREN

Unter Verwendung der jeweils unteren angegebenen Werte:

$$\%\mathrm{Cr}=21.00$$

$$3.3(\%\mathrm{Mo})=3.3\left(2.50\right)=8.25$$

$$16(\%N)=16\left(0.10\right)=1.60$$

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{lower}}=21.00+8.25+1.60=30.85$$

Unter Verwendung der jeweils oberen angegebenen Werte:

$$\%\mathrm{Cr}=23.00$$

$$3.3(\%\mathrm{Mo})=3.3\left(3.50\right)=11.55$$

$$16(\%N)=16\left(0.20\right)=3.20$$

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{upper}}=23.00+11.55+3.20=37.75$$

Das resultierende Intervall von 30,85 bis 37,75 ist eine mathematische Umhüllung auf Grundlage der angegebenen Grenzwerte. Es stellt nicht zwangsläufig den tatsächlichen Bereich der Schmelzen dar, da die Legierungselemente möglicherweise nicht gleichzeitig alle Grenzwerte erreichen und die Spezifikation zusätzliche Einschränkungen enthalten kann. Dennoch zeigt dieses Beispiel, warum eine einzelne, aus den Höchstwerten abgeleitete Zahl den Wert eines bestimmten Werkstoffs überschätzen kann.

Nennwerte ergeben ein drittes Ergebnis. Wenn die hypothetische Nennzusammensetzung Cr 22,00 %, Mo 3,00 % und N 0,15 % beträgt, gilt:

$$\text{Chrombeitrag}=22.00$$

$$\text{Molybdänbeitrag}=3.3\left(3.00\right)=9.90$$

$$\text{Stickstoffbeitrag}=16\left(0.15\right)=2.40$$

$$\mathrm{PREN}=22.00+9.90+2.40=34.30$$

Der Wert 34,30 ist eine Berechnung auf Grundlage der Nennzusammensetzung und keine Messung jeder Schmelze, die innerhalb dieses Zusammensetzungsbereichs verkauft oder hergestellt wurde.

Einsetzen von Werten ohne Änderung der Einheiten

Die Koeffizienten 3,3 und 16 sind auf Eingabewerte in Gewichtsprozent abgestimmt. Werden Prozentsätze als Dezimalbrüche eingegeben, ändert sich das Ergebnis um den Faktor 100. Dies ist ein häufiger Fehler.

Unter Verwendung der oben genannten hypothetischen Schmelzenanalyse:

\[ \%Cr=22.10,\quad \%Mo=3.05,\quad \%N=0.185 \]

Berechnen Sie jeden Beitrag separat:

$$\text{Chrombeitrag}=22.10$$

$$\text{Molybdänbeitrag}=3.3\left(3.05\right)=10.065$$

$$\text{Stickstoffbeitrag}=16\left(0.185\right)=2.960$$

Addieren Sie anschließend die Beiträge:

$$\mathrm{PREN}=22.10+10.065+2.960=35.125$$

Legen Sie vor der Berichterstattung eine Rundungsregel fest und wenden Sie diese konsequent an.

Dieselbe Berechnung unter Verwendung dezimaler Massenanteile würde eine andere Form der Gleichung erfordern. Beispielsweise entspricht 22,10 Gew.-% als Bruch dem Wert 0,2210. Wird 0,2210 jedoch direkt in die angegebene Gleichung eingesetzt, ergibt sich:

$$0.2210+3.3\left(0.0305\right)+16\left(0.00185\right)=0.35125$$

Dies entspricht nicht der im Ausgangsformelwerk verwendeten PREN-Konvention. Die Gleichung erwartet 22,10, 3,05 und 0,185 und nicht 0,2210, 0,0305 und 0,00185.

Die Einheitenumrechnung ist ebenfalls wichtig, wenn ein Laborbericht Angaben in Teilen pro Million verwendet. Stickstoff mit 1.850 ppm Massenanteil entspricht 0,185 Gew.-%, denn:

$$1850\mathrm{ppm}÷\mathrm{10,000}=0.185\%$$

Erst nach dieser Umrechnung sollte 0,185 in die Gleichung eingesetzt werden. Ein Bericht mit einem Stickstoffgehalt von 0,0185 % würde dagegen 185 ppm entsprechen und zu einem anderen Stickstoffbeitrag führen.

Für einen Wolfram enthaltenden nichtrostenden Stahl gibt das International Stainless Steel Forum folgenden Ausdruck an:

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{W}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo}+0.5\%W)+16(\%N)$$

Der Wolframterm muss innerhalb der Klammer des Molybdänterms stehen. Für eine eindeutig hypothetische Zusammensetzung von Cr 24,00 %, Mo 3,00 %, W 2,00 % und N 0,20 % gilt:

$$\text{Chrombeitrag}=24.00$$

$$\text{Modifizierter Mo-Term}=3.3(3.00+0.5(2.00\left)\right)=3.3\left(4.00\right)=13.20$$

$$\text{Stickstoffbeitrag}=16\left(0.20\right)=3.20$$

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{W}}=24.00+13.20+3.20=40.40$$

Ersetzen Sie PREN nicht stillschweigend durch PRENW. Geben Sie an, welcher Ausdruck verwendet wurde.

Das ISSF berichtet außerdem eine manganangepasste Form:

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{Mn}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)-\%\mathrm{Mn}$$

Für die hypothetischen Werte Cr 22,00 %, Mo 3,00 %, N 0,15 % und Mn 1,00 % betragen die einzelnen Terme 22,00, 9,90, 2,40 und −1,00. Daher gilt:

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{Mn}}=22.00+9.90+2.40-1.00=33.30$$

Der Name der Formel und die Zusammensetzungsgrundlage gehören in den Bericht.

Rundung, signifikante Stellen und Berichterstattung

Behalten Sie während der Berechnung zusätzliche Stellen bei und runden Sie erst das Endergebnis. Bei der hypothetischen Schmelzenanalyse beträgt das ungerundete Ergebnis 35,125. Die Angabe „PREN 35,13“ bewahrt zwei Dezimalstellen; „PREN 35,1“ ist zurückhaltender, wenn die Zusammensetzungsdaten keine Hundertstel rechtfertigen.

Die Anzahl der angegebenen Stellen sollte die Genauigkeit der Eingabewerte widerspiegeln. Wenn Chrom nur mit 22 %, Molybdän mit 3 % und Stickstoff mit 0,2 % angegeben werden, weist ein Ergebnis wie 35,127 eine Scheingenauigkeit auf. Eine sinnvolle Aussage wäre „berechnetes PREN ≈35“, wobei die verwendeten Nennwerte oder gerundeten Eingabewerte angegeben werden sollten.

Runden Sie die einzelnen Beiträge nicht zu früh. Im Beispiel der Schmelzenanalyse ergibt das Runden des Molybdänbeitrags von 10,065 auf 10,1 und des Stickstoffbeitrags von 2,960 auf 3,0 vor der Addition einen Wert von 35,1, während die Beibehaltung der Werte 35,125 ergibt. Der Unterschied ist hier gering, kann jedoch bei Vergleichen nahe einem Grenzwert relevant sein.

Ein vollständiger Bericht sollte die Gleichung, die Quelle der Zusammensetzungsdaten und die Rundungskonvention angeben: „PREN = 35,13, berechnet mit PREN = %Cr + 3,3(%Mo) + 16(%N) aus der angegebenen Schmelzenanalyse; Eingabewerte in Gew.-%; auf zwei Dezimalstellen gerundet.“ Wenn Nennwerte, Spezifikationsmindestwerte oder Spezifikationshöchstwerte verwendet wurden, ist dies ausdrücklich anzugeben.

Schließlich ist eine Berechnung keine Validierung. ASTM G48 legt Laborverfahren zum Vergleich der Beständigkeit nichtrostender Stähle und verwandter Legierungen gegenüber der Initiierung von Loch- und Spaltkorrosion unter festgelegten Eisen(III)-chloridbedingungen fest. Die tatsächliche Leistungsfähigkeit hängt außerdem von der Mikrostruktur, Einschlüssen, dem Schweißen, dem Oberflächenzustand, der Temperatur, der Chloridkonzentration, der Sauerstoffverfügbarkeit und der Spaltgeometrie ab. PREN unterstützt den Vergleich des zusammensetzungsbasierten Potenzials; es bildet jedoch nicht jede Einsatzumgebung ab.

Warum Chrom, Molybdän und Stickstoff wichtig sind

Die häufig verwendete Pitting Resistance Equivalent Number wird wie folgt berechnet:

$$\mathrm{PREN}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)$$

Die Legierungsgehalte werden als Gewichtsprozente angegeben. Diese Rechenformel weist Chrom, Molybdän und Stickstoff unterschiedliche Koeffizienten zu, da jedes dieser Elemente durch empirische Vergleiche mit der Beständigkeit nichtrostender Stähle gegenüber chloridinduzierter lokaler Korrosion in Verbindung gebracht wurde. Der Ausdruck ist kein mechanistisches Gesetz und wandelt die Zusammensetzung nicht direkt in eine Prognose der Lebensdauer um. Es handelt sich um einen auf der Zusammensetzung basierenden Kennwert zur Einstufung oder zum Vergleich von Legierungen.

Die British Stainless Steel Association veröffentlichte den oben genannten Ausdruck im Jahr 2025, während Outokumpu „PRE oder PREN“ als einen auf der Zusammensetzung basierenden Kennwert beschreibt, der zur Einstufung und zum Vergleich nichtrostender Stähle hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegen Lochkorrosion verwendet wird. Die Richtung des Vergleichs ist nützlich: Ein höherer berechneter Wert entspricht im Allgemeinen einer höheren Beständigkeit gegen lokale Angriffe in chloridhaltigen Lösungen. Der Kennwert ist dennoch nur ein Teil der Bewertung. Mikrostruktur, Wärmebehandlung, Oberflächenzustand, Einschlüsse, Schweißen, Spaltgeometrie, Temperatur, Chloridkonzentration, pH-Wert, oxidierende Bedingungen und Strömung können die tatsächliche Leistungsfähigkeit verändern.

Chrom und die Bildung des Passivfilms

Chrom ist der erste Term in der Gleichung, weil es die chemische Grundlage für die Passivität nichtrostender Stähle bildet. Wenn eine Eisen-Chrom-Legierung Luft oder einer wässrigen Umgebung ausgesetzt wird, fördert das an der Oberfläche vorhandene Chrom die Bildung eines dünnen, fest anhaftenden, oxidreichen Passivfilms. Dieser Film verringert die Auflösungsrate der darunterliegenden Legierung im Vergleich zu unlegiertem Eisen oder gewöhnlichem Kohlenstoffstahl erheblich. Nichtrostender Stahl ist daher nicht korrosionssicher; seine günstigen Eigenschaften hängen davon ab, dass sich der Film bildet, an der Oberfläche haften bleibt und sich nach geringfügigen Beschädigungen selbst repariert.

Der bekannte Schwellenwert von etwa 10,5 % Chrom steht in vielen technischen Zusammenhängen mit der Definition nichtrostender Stähle in Verbindung, auch wenn das genaue Verhalten von der Legierungschemie und der Umgebung abhängt. Eine Erhöhung des Chromgehalts stärkt im Allgemeinen die Fähigkeit zur Bildung und Aufrechterhaltung des Passivfilms. Deshalb erhält Chrom in der grundlegenden PREN-Gleichung den Koeffizienten 1. Dieser Koeffizient darf nicht als Beleg dafür verstanden werden, dass Chrom unter allen Umständen weniger wichtig ist als Molybdän oder Stickstoff. Chrom schafft den passiven Zustand, auf dem die Wirkungen der anderen Legierungselemente aufbauen.

Lokale Korrosion beginnt, wenn ein kleiner Bereich der passiven Oberfläche instabil wird. Chloridionen können sich an Fehlstellen, Einschlüssen, Spalten oder beschädigten Bereichen anreichern. Die daraus entstehende elektrochemische Zelle kann dazu führen, dass ein Loch weiter wächst, während der größte Teil der Oberfläche passiv bleibt. Ein höherer Chromgehalt kann die Beständigkeit der Legierung gegenüber diesem Übergang verbessern, doch der gesamte Chromgehalt beschreibt nicht dessen vollständige Verteilung. In Chromnitriden oder Chromkarbiden gebundenes Chrom ist an der betroffenen Oberfläche nicht gleichwertig mit Chrom, das in der umgebenden Matrix verfügbar ist. Dies ist ein Grund dafür, dass Sensibilisierung, fehlerhafte Schweißpraxis oder eine ungeeignete Wärmebehandlung trotz eines beachtlichen nominalen PREN-Werts lokale Korrosion verursachen können.

Ferritische Güten wie EN 1.4016, üblicherweise als X6Cr17 bezeichnet, sind für ihre Passivität stark auf Chrom angewiesen, enthalten im Vergleich zu höher legierten Güten jedoch wenig oder kein Molybdän und keinen beziehungsweise nur sehr wenig Stickstoff. Austenitische Güten wie EN 1.4301, X5CrNi18-10, und EN 1.4404, X2CrNiMo17-12-2, zeigen, warum Chrom zusammen mit der übrigen Zusammensetzung betrachtet werden muss. Die letztgenannte Güte enthält neben Chrom auch Molybdän, sodass ihr berechneter PREN höher ist als der eines typischen Werkstoffs des Typs 304. Der Vergleich ist aussagekräftig, aber nicht absolut.

Molybdän und die Beständigkeit gegen lokalen Zusammenbruch

Molybdän wird in der gebräuchlichen Gleichung der Koeffizient 3,3 zugewiesen:

$$3.3(\%\mathrm{Mo})$$

Diese Gewichtung spiegelt den starken empirischen Zusammenhang mit der Beständigkeit gegen die Initiierung und das Wachstum von Lochkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen wider. Molybdän macht den Passivfilm nicht einfach „dicker“. Seine Wirkung wird im Allgemeinen im Zusammenhang mit einer verbesserten Stabilität und Reparatur des passiven Zustands an Stellen erörtert, an denen Chlorid bereits einen Angriff eingeleitet hat, sowie mit einer Verringerung der Stärke der lokalen Auflösung. Der genaue Mechanismus variiert je nach Legierungsstruktur, Potenzial und Umgebung. Deshalb sollte der Koeffizient eher als empirischer Vergleichsfaktor denn als universelles Maß für die physikalische Wirkung von Molybdän betrachtet werden.

Diese Unterscheidung ist beim Vergleich von Güten von Bedeutung. EN 1.4404, X2CrNiMo17-12-2, enthält innerhalb seines festgelegten Zusammensetzungsbereichs etwa 2 % Molybdän, während EN 1.4301, X5CrNi18-10, für seine Korrosionsbeständigkeit nicht gezielt auf Molybdän setzt. Eine nominale Berechnung mit einer repräsentativen chemischen Zusammensetzung ergibt für die molybdänhaltige Güte einen höheren PREN. Dieses Ergebnis stimmt mit ihrem üblichen Vorteil in chloridhaltigen Umgebungen überein, garantiert jedoch keine Immunität gegen Lochkorrosion, insbesondere nicht in warmen, konzentrierten Chloridlösungen oder unter Ablagerungen und in Spalten.

Molybdän kommt auch in ferritischen, austenitischen und Duplex-Stählen vor. Bei Duplex-Güten trägt das Element zur hohen Beständigkeit gegen lokale Korrosion bei, die mit Zusammensetzungen wie EN 1.4462, X2CrNiMoN22-5-3, verbunden ist. Das gemessene Verhalten einer Duplex-Schweißnaht oder einer Wärmeeinflusszone kann sich jedoch von dem eines korrekt lösungsgeglühten Grundwerkstoffs unterscheiden. Phasenanteil, intermetallische Phasen, Stickstoffverteilung sowie die Verteilung von Chrom und Molybdän sind allesamt von Bedeutung. Eine Berechnung auf Grundlage der Gesamtzusammensetzung kann diese lokalen Bedingungen nicht erfassen.

Das International Stainless Steel Forum berichtet über eine wolframhaltige Form:

$$\mathrm{PRENW}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo}+0.5\%W)+16(\%N)$$

Dabei wird Wolfram innerhalb des molybdänbezogenen Terms mit der Hälfte des Beitrags von Molybdän berücksichtigt. Das ISSF berichtet außerdem über einen manganangepassten Ausdruck:

$$\mathrm{PRENMn}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)-\%\mathrm{Mn}$$

Diese Varianten zeigen, dass PREN-Konventionen keine austauschbaren Bezeichnungen sind. Der verwendete Ausdruck sollte angegeben werden, insbesondere bei wolframhaltigen oder hochmanganhaltigen Legierungen.

Stickstoff bei der Entwicklung nichtrostender Stahllegierungen

Stickstoff hat in der gebräuchlichen Gleichung den größten Koeffizienten, nämlich 16:

$$16(\%N)$$

Dieser große Koeffizient bedeutet nicht, dass Stickstoff bei jedem metallurgischen Vorgang sechzehnmal so wichtig ist wie Chrom. Er bildet den empirischen Beitrag pro Gewichtsprozent in den Legierungen und Prüfdaten ab, auf deren Grundlage der Ausdruck entwickelt wurde. Stickstoff kann die Beständigkeit gegen lokale Korrosion verbessern, den Austenit festigen und das Phasengleichgewicht nichtrostender Duplex-Stähle beeinflussen. Diese Wirkungen machen ihn für die moderne Legierungsentwicklung besonders bedeutsam.

In nichtrostenden Duplex-Stählen trägt Stickstoff zur Stabilisierung der austenitischen Phase bei, während Chrom und Molybdän die Korrosionsbeständigkeit der ferritischen Phase unterstützen. Das Ziel besteht nicht einfach in einem möglichst hohen Stickstoffgehalt. Die Legierung muss nach Fertigung, Schweißen und Abkühlen ein geeignetes Ferrit-Austenit-Gleichgewicht bewahren. Ein Verlust oder eine Umverteilung von Stickstoff während des Schweißens kann das Schweißgut und die Wärmeeinflusszone beeinflussen, während eine übermäßige thermische Einwirkung die Bildung unerwünschter Ausscheidungen fördern kann, die der umgebenden Matrix Chrom oder Molybdän entziehen. Folglich kann eine Duplex-Güte mit einem hohen berechneten PREN dennoch unter lokalem Angriff leiden, wenn ihre verarbeitete Mikrostruktur nicht korrekt ist.

Stickstoff trägt auch zur Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit hochlegierter austenitischer Güten bei. In einer Legierung wie EN 1.4410, X2CrNiMoN25-7-4, ist Stickstoff Bestandteil einer sorgfältig abgestimmten Zusammensetzung mit beträchtlichen Gehalten an Chrom und Molybdän. Seine Rolle wirkt mit diesen Elementen zusammen und lässt sich unter praktischen Einsatzbedingungen nicht von ihnen trennen. Derselbe nominale Stickstoffzusatz kann je nach dem erzielten Ergebnis unterschiedliche Wirkungen haben: ob der Stickstoff gelöst in der Matrix verbleibt, Nitride bildet oder durch eine entmischte chemische Zusammensetzung beeinflusst wird.

Nickel ist, wie die Society of Petroleum Engineers im Jahr 2025 feststellte, nicht in der grundlegenden PREN-Gleichung enthalten. Diese Auslassung bedeutet nicht, dass Nickel metallurgisch unbedeutend ist. Nickel beeinflusst die Austenitstabilität, das Phasengleichgewicht, das Umwandlungsverhalten und die allgemeine Korrosionsleistung. Der grundlegende Kennwert wurde jedoch um die wichtigsten Zusammensetzungsterme herum entwickelt, die zum Vergleich der Beständigkeit gegen lokale Korrosion verwendet werden. Nickel darf daher nicht allein deshalb in die Formel aufgenommen werden, weil es ein wichtiges Legierungselement nichtrostender Stähle ist.

Die PREN-Berechnung und die Validierung der Korrosionsbeständigkeit sind voneinander getrennte Aufgaben. ASTM G48 legt Laborverfahren zum Vergleich nichtrostender Stähle und verwandter Legierungen fest, bei denen die Beständigkeit gegen die Initiierung von Loch- und Spaltkorrosion unter definierten Bedingungen mit Eisen(III)-chlorid bestimmt wird. Diese Prüfungen können Werkstoffe unter kontrollierten Bedingungen unterscheiden; sie bilden jedoch nicht jede Chloridlösung, Ablagerung, Schweißnaht, Oberflächenbearbeitung oder Betriebstemperatur ab. PREN unterstützt die systematische Ordnung von Legierungsvergleichen. Der Kennwert ersetzt weder Prüfungen nach ASTM G48 noch Felddaten oder eine Bewertung der tatsächlichen Einsatzumgebung.

PRENW: Die Wolfram enthaltende Variante

Der PRENW-Ausdruck

PRENWPRENW Eine wolframhaltige PREN-Konvention, bei der die Hälfte des Wolfram-Gewichtsprozentsatzes zum Molybdänterm addiert wird, bevor mit 3.3 multipliziert wird.

Die Wolfram enthaltende Form der Lochfraßbeständigkeitsäquivalenzzahl lautet:

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{W}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo}+0.5\%W)+16(\%N)$$

Alle Zusammensetzungswerte sind Massenprozentangaben. Dieser Ausdruck wird von der British Stainless Steel Association (BSSA), dem International Stainless Steel Forum (ISSF) und der zitierten Veröffentlichung aus dem Jahr 2021 in Metals als Variante für den Vergleich von nichtrostenden Stählen angegeben, die Wolfram enthalten. Er ist kein Ersatz, der automatisch auf jede Zusammensetzung eines nichtrostenden Stahls angewendet werden sollte.

Der an anderer Stelle in diesem Artikel behandelte gewöhnliche Ausdruck lautet:

$$\mathrm{PREN}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)$$

Der Unterschied beschränkt sich auf die Behandlung von Wolfram. Chrom, Molybdän und Stickstoff bleiben die maßgeblichen Terme, während Nickel außerhalb beider Ausdrücke bleibt. Die Society of Petroleum Engineers stellte im Jahr 2025 fest, dass Nickel nicht in die PREN-Gleichung aufgenommen wird. Dieses Weglassen bedeutet nicht, dass Nickel keine metallurgische Bedeutung hat. Nickel beeinflusst das Phasengleichgewicht, die Austenitbildung, die mechanischen Eigenschaften und das Korrosionsverhalten bestimmter Mikrostrukturen. Es bedeutet lediglich, dass Nickel in diesem empirischen Index kein Koeffizient zugewiesen wird.

PRENW ist daher ein zusammensetzungsbasiertes Vergleichsinstrument und keine universelle Korrosionsbewertung. Outokumpu beschreibt PRE beziehungsweise PREN als einen Index, der zur Einstufung und zum Vergleich nichtrostender Stähle hinsichtlich ihrer Lochfraßbeständigkeit verwendet wird. Die Veröffentlichung aus dem Jahr 2021 in Metals berichtet ebenfalls, dass ein höherer PREN-Wert im Allgemeinen einer höheren Beständigkeit gegen lokalen Angriff in chloridhaltigen Lösungen entspricht. Das Wort „im Allgemeinen“ ist entscheidend. Der Wert stuft Zusammensetzungen gemäß der verwendeten Konvention ein; er berechnet weder unmittelbar eine Lebensdauer im Betrieb noch ein garantiertes Lochfraßpotenzial oder eine sichere Chloridkonzentration.

Die Wolfram enthaltende Konvention ist besonders relevant, wenn nichtrostende Stahlsorten verglichen werden, bei denen Wolfram gezielt als Legierungszusatz eingesetzt wird. Solche Vergleiche können Duplex- und ferritische Sorten sowie andere hochlegierte nichtrostende Stähle umfassen. Für die Berechnung sollte die zertifizierte oder spezifizierte Zusammensetzung der Sorte verwendet werden, und für jede verglichene Legierung sollte dieselbe Konvention gelten. Wird für einen Stahl ein Standard-PREN-Wert und für einen anderen ein PRENW-Wert verwendet, kann dadurch ein scheinbarer Unterschied entstehen, der auf die Formel und nicht auf den Werkstoff zurückzuführen ist.

Betrachten wir beispielsweise eine hypothetische Zusammensetzung mit 25,0 % Cr, 3,0 % Mo, 0,7 % W und 0,25 % N. Nach der gewöhnlichen Formel, die Wolfram unberücksichtigt lässt, ergibt sich:

$$25.0+3.3\left(3.0\right)+16\left(0.25\right)$$

$$=25.0+9.9+4.0=38.9$$

Nach PRENW ergibt sich für dieselbe Zusammensetzung:

$$25.0+3.3(3.0+0.5(0.7\left)\right)+16\left(0.25\right)$$

$$=25.0+3.3\left(3.35\right)+4.0$$

$$=25.0+11.055+4.0=40.055$$

Der Unterschied beträgt 1,155 Indexpunkte. Dieser Unterschied entspricht dem Beitrag, der 0,7 % Wolfram nach dieser Konvention zugewiesen wird, und nicht einer gemessenen Erhöhung der kritischen Lochfraßtemperatur oder einer direkten Vorhersage des Betriebsverhaltens.

Der Beitrag von 0,5W innerhalb des Molybdänterms

Die Platzierung von $0.5\%W$ innerhalb der Klammern kann leicht missverstanden werden. Sie bedeutet nicht, dass Wolfram je Massenprozent 0,5 PREN-Punkte beiträgt. Der gesamte Klammerterm wird mit 3,3 multipliziert.

Durch algebraisches Ausmultiplizieren der Gleichung wird die Gewichtung deutlich:

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{W}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo}+0.5\%W)+16(\%N)$$

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{W}}=\%\mathrm{Cr}+3.3\%\mathrm{Mo}+3.3(0.5\%W)+16\%N$$

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{W}}=\%\mathrm{Cr}+3.3\%\mathrm{Mo}+1.65\%W+16\%N$$

Innerhalb dieser Konvention trägt somit ein zusätzlicher Prozentpunkt Wolfram 1,65 PREN-Punkte bei. Eine Zusammensetzung mit 0,5 % W erhält einen Wolframterm von:

$$1.65\left(0.5\right)=0.825$$

Eine Zusammensetzung mit 1,0 % W erhält 1,65 Punkte. Bei 2,0 % W beträgt der Beitrag 3,30 Punkte. Der Koeffizient ist eine Konvention für Vergleichsberechnungen; er sollte nicht als Beleg dafür verstanden werden, dass Wolfram und Molybdän in jeder Legierung, jedem Phasengleichgewicht oder jeder Chloridumgebung identische Wirkungen entfalten.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil die Formel mehrere metallurgische Effekte in einer einzigen Zahl zusammenfasst. Wolfram kann die Stabilität und Chemie passiver Filme beeinflussen, insbesondere in Kombination mit Chrom und Molybdän; die Reaktion hängt jedoch ebenfalls von Entmischung, Einschlüssen, Wärmebehandlung, Phasenverteilung, Oberflächenzustand und der lokalen Umgebung ab. In Duplexstählen können beispielsweise Ferrit und Austenit unterschiedliche Legierungsgehalte aufweisen. Eine in PRENW eingesetzte Gesamtzusammensetzung kann nicht zeigen, ob eine Phase lokal an Chrom, Molybdän oder Stickstoff verarmt ist.

Der Ausdruck wandelt Wolfram außerdem nicht im Werkstoff selbst in Molybdän um. Ein Stahl mit 3 % Mo und 1 % W ist nicht in jeder Hinsicht chemisch gleichwertig mit einem Stahl mit 3,5 % Mo. PRENW weist den beiden Zusammensetzungen für diese Terme denselben zusätzlichen Indexbeitrag zu — 3.3(3.0 + 0.5) entspricht 11.55 —, doch ihre Phasenchemie, Fertigungsgeschichte und ihr Verhalten gegenüber lokal begrenzter Korrosion können weiterhin unterschiedlich sein.

Aus diesem Grund sollte die Arithmetik angegeben werden, wenn PRENW berichtet wird. Die alleinige Angabe „die Sorte hat einen PREN-Wert von 40“ verschleiert, ob bei der Berechnung 1.65W, kein Wolframterm oder eine andere veröffentlichte Konvention verwendet wurde. Ein transparenter Bericht sollte die Formel nennen, die Grundlage der Zusammensetzung angeben, während der Berechnung eine ausreichende Anzahl von Dezimalstellen beibehalten und erklären, ob es sich um PREN oder PRENW handelt.

Wann die Wolfram enthaltende Konvention angegeben werden sollte

Die Wolfram enthaltende Konvention sollte immer dann angegeben werden, wenn Wolfram in die Berechnung einbezogen wird, wenn eine Quelle einen Wert als PRENW bezeichnet und wenn Sorten mit nennenswerten Wolframzusätzen mit Sorten verglichen werden, die wenig oder kein Wolfram enthalten. Dies ist besonders wichtig bei Spezifikationen und Datenblättern für wolframhaltige Duplexstähle, einschließlich Bezeichnungen wie UNS S32760, deren spezifizierte Chemie Wolfram einschließt. Die genaue Produktspezifikation ist weiterhin maßgeblich für die zulässige Zusammensetzung; eine nominale Sortenbezeichnung sollte nicht an die Stelle der für die Berechnung verwendeten Werte der Schmelzenanalyse treten.

Die Bezeichnung sollte auch in technischen Berichten, Dokumenten zur Werkstoffauswahl und Vergleichen von Korrosionstests erscheinen. Eine klare Formulierung könnte lauten: „PRENW berechnet als %Cr + 3.3(%Mo + 0.5%W) + 16(%N) unter Verwendung von Massenprozentwerten aus der Schmelzenanalyse.“ Wenn Wolfram nicht einbezogen wurde, sollte stattdessen angegeben werden, dass der gewöhnliche Ausdruck verwendet wurde: „PREN berechnet als %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N).“ Eine Wolframkorrektur sollte nicht stillschweigend hinzugefügt werden, nur weil eine Sorte eine nachweisbare Menge W enthält.

Dieser letzte Punkt ist wesentlich. Der gewöhnliche PREN-Ausdruck bleibt für viele Vergleiche nichtrostender Stähle die richtige Konvention, einschließlich solcher Vergleiche, bei denen Wolfram fehlt oder nicht als beitragender Term behandelt wird. ISSF gibt außerdem einen manganangepassten Ausdruck, PRENMn, an:

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{Mn}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)-\%\mathrm{Mn}$$

Das Vorhandensein von PRENW und PRENMn zeigt, dass „PREN“ in allen Veröffentlichungen nicht eine einzige unveränderliche Gleichung ist. Das Suffix gibt dem Leser an, welche Zusammensetzungskonvention gewählt wurde. Wenn eine Quelle für eine wolframhaltige Sorte einen Wert ohne Suffix angibt, sollte die Berechnungsgrundlage überprüft und nicht vermutet werden.

Schließlich bleibt PRENW ein Index zur Einstufung der Beständigkeit gegenüber lokal begrenzter Korrosion unter chloridhaltigen Bedingungen und stellt keine Validierung eines Bauteils im Betrieb dar. ASTM G48 legt Laborverfahren zum Vergleich nichtrostender Stähle und verwandter Legierungen fest, indem die Beständigkeit gegen die Einleitung von Lochfraß und Spaltkorrosion unter definierten Eisen(III)-chloridbedingungen gemessen wird. Diese Prüfungen können einen berechnungsbasierten Vergleich unterstützen, bilden jedoch nicht jede im Betrieb auftretende Kombination aus Temperatur, Chloridaktivität, Ablagerungen, Schweißen, Spalten, Sauerstoffverfügbarkeit und mechanischer Beschädigung ab.

Ein höherer PRENW-Wert kann innerhalb einer relevanten Vergleichsgruppe die Erwartung einer höheren Beständigkeit stützen. Er kann jedoch weder garantieren, dass eine wolframhaltige Sorte in jeder Chloridumgebung dem Angriff widersteht, noch die Notwendigkeit von Prüfungen und einer konstruktiven Überprüfung beseitigen. Geben Sie die Variante an, zeigen Sie die Berechnung und behandeln Sie das Ergebnis als empirischen Beleg — nicht als universelle Korrosionsbewertung.

PRENMn und die Behandlung von Mangan

PRENMn ist eine manganangepasste Form der Lochfraßbeständigkeitsäquivalentzahl. Sein Zweck besteht nicht darin, PREN für jeden nichtrostenden Stahl neu zu definieren, sondern einen alternativen, auf der Zusammensetzung basierenden Vergleich bereitzustellen, wenn Mangan als Faktor betrachtet wird, der die Beständigkeit gegen lokalisierte Korrosion verringert. Diese Unterscheidung ist relevant, weil Mangan in vielen Zusammensetzungen nichtrostender Stähle vorkommt, jedoch in der üblichen PREN-Gleichung fehlt.

PREN bleibt ein empirischer Kennwert. Ein höherer Wert entspricht im Allgemeinen einer höheren Beständigkeit gegen lokalen Angriff in chloridhaltigen Lösungen, wie in der 2021 veröffentlichten Arbeit in Metals berichtet wird. Die Zahl ist jedoch weder eine Vorhersage der Lebensdauer im Einsatz noch ein garantierter Lochfraßpotenzialwert oder ein Ersatz für Korrosionsprüfungen. Der Mangankoeffizient verändert den berechneten Kennwert; er macht die Berechnung nicht zu einem direkten Korrosionsmodell.

Der PRENMn-Ausdruck der ISSF

Das International Stainless Steel Forum (ISSF) gibt den manganangepassten Ausdruck wie folgt an:

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{Mn}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)-\%\mathrm{Mn}$$

Dies ist die exakte Form, die von der ISSF in ihrer Veröffentlichung Duplex Stainless Steels aus dem Jahr 2025 angegeben wird. Chrom, Molybdän, Stickstoff und Mangan werden als Massenprozent angegeben. Der Mangangehalt wird direkt mit einem Koeffizienten von eins subtrahiert.

Diese Konstruktion ergibt bei Verwendung derselben chemischen Analyse einen niedrigeren Wert als der übliche Ausdruck:

$$\mathrm{PREN}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)$$

Die British Stainless Steel Association veröffentlichte diese übliche Gleichung im Jahr 2025. Sie weist Mangan keinen direkten Term zu. Der Grund dafür ist nicht, dass Mangan keine metallurgische Bedeutung hätte. Mangan kann unter anderem die Austenitstabilität, die Stickstofflöslichkeit, das Phasengleichgewicht, Einschlüsse und die Zusammensetzung des Passivfilms beeinflussen. Seine Wirkung auf lokalisierte Korrosion hängt außerdem vom übrigen Legierungssystem und von der Verarbeitungsgeschichte ab. Der übliche PREN-Ausdruck ist schlicht eine etablierte empirische Konvention, deren wesentliche Terme Chrom, Molybdän und Stickstoff sind.

Betrachten wir eine Stahlanalyse mit 22,0 % Cr, 3,0 % Mo, 0,18 % N und 2,0 % Mn. Die übliche Berechnung lautet:

$$22.0+3.3\left(3.0\right)+16\left(0.18\right)=34.38$$

Bei Anwendung des PRENMn-Ausdrucks der ISSF ergibt sich:

$$22.0+3.3\left(3.0\right)+16\left(0.18\right)-2.0=32.38$$

Die beiden Zahlen beschreiben dieselbe Schmelze, stellen jedoch nicht denselben Kennwert dar. Beide Werte ohne Angabe der jeweiligen Gleichung schlicht als „PREN 34,4“ und „PREN 32,4“ zu bezeichnen, führt zu einem irreführenden Vergleich.

Diese Betrachtungsweise ist besonders relevant beim Vergleich von Duplex-, ferritischen und anderen Familien nichtrostender Stähle mit unterschiedlichen Mangangehalten. UNS S32205, allgemein als nichtrostender Duplexstahl 2205 bezeichnet, wird beispielsweise häufig anhand der konventionellen PREN-Beziehung diskutiert. Ein manganangepasster Wert kann ebenfalls berechnet werden, wenn diese Konvention ausdrücklich ausgewählt wird. Keines der beiden Ergebnisse sollte als alleinige intrinsische Korrosionsbewertung der Güte dargestellt werden. Das tatsächliche Verhalten hängt vom Phasengleichgewicht, von der Entmischung, der Wärmebehandlung, dem Oberflächenzustand, dem Gefüge der Schweißzone und der Chloridumgebung ab.

Nickel kommt weder in der üblichen PREN-Gleichung noch in der PRENMn-Gleichung der ISSF vor. Die Society of Petroleum Engineers stellt fest, dass „Nickel nicht in der Gleichung enthalten ist“. Dieses Fehlen bedeutet nicht, dass Nickel metallurgisch unbedeutend ist. Nickel beeinflusst unter anderem die Phasenstabilität und das ferritisch-austenitische Gleichgewicht, doch die Gleichungsfamilie von PREN weist ihm keinen numerischen Koeffizienten zu.

Warum Varianten der Gleichung gekennzeichnet werden müssen

PRENMn, das gewöhnliche PREN und das Wolfram enthaltende PRENW sind verwandte Konventionen, jedoch keine austauschbaren Gleichungen. Die ISSF gibt PRENW wie folgt an:

$${\mathrm{PREN}}_W=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo}+0.5\%W)+16(\%N)$$

Der Wolframterm wird innerhalb der Klammer des Molybdänäquivalents somit mit 0,5 multipliziert, während Mangan bei PRENMn außerhalb der Klammer subtrahiert wird. Ein Bericht, der lediglich „PREN = 40“ angibt, lässt offen, welche Beziehung die Zahl hervorgebracht hat.

Die Grundlage der Zusammensetzung muss ebenfalls zusammen mit der Gleichung angegeben werden. Eine Berechnung sollte ausweisen, ob die Eingaben nominale Grenzwerte der Güte, die spezifizierte Produktchemie, eine Pfannenanalyse, eine Kontrollanalyse oder eine gemessene lokale Zusammensetzung darstellen. Normen und Datenblätter führen üblicherweise Bereiche und kein einzelnes chemisches Ergebnis auf. Für jeden Bereich den Mittelwert einzusetzen, kann eine zweckmäßige Schätzung ergeben, ist jedoch nicht gleichbedeutend mit einer Berechnung anhand der zertifizierten Schmelzenanalyse. Stickstoff erfordert besondere Sorgfalt, weil kleine Änderungen mit 16 multipliziert werden, während Molybdän mit 3,3 multipliziert wird.

Auch bei den Einheiten ist dieselbe Disziplin erforderlich. Diese Ausdrücke verwenden Massenprozent und keine als Dezimalzahlen geschriebenen Massenanteile. Wird für 22 % Cr der Wert 0,22 statt 22,0 eingegeben, verringert sich der Chrombeitrag um nahezu zwei Größenordnungen. Die Schreibweise „%Cr“ bezeichnet innerhalb dieser Berechnungskonvention den Chromgehalt in Massenprozent.

Auch die Rundung muss angegeben werden. Wenn jeder Wert der Zusammensetzung vor der Berechnung gerundet wird, kann sich ein anderes Ergebnis ergeben als bei einer Berechnung, bei der die analytischen Stellen bis zum letzten Rechenschritt beibehalten werden. Ein zweckmäßiger Bericht nennt daher die Gleichung, die Quelle und Grundlage der Zusammensetzung, gegebenenfalls das Berechnungsdatum oder die Dokumentrevision sowie die abschließende Rundungsregel. „PRENMn = 32,4, ISSF-Gleichung, Massenprozent gemäß Schmelzenanalyse, auf eine Dezimalstelle gerundet“ ist reproduzierbar. „PREN ungefähr 32“ ist es nicht.

Die Subtraktion von Mangan sollte nicht als universelle Korrektur verstanden werden, die auf jeden nichtrostenden Stahl angewendet werden muss. Der Ausdruck der ISSF ist eine empirische Konvention für einen bestimmten Vergleichsrahmen. Seine Anwendung auf eine nickelreiche austenitische Güte, eine ferritische Güte oder eine Duplexgüte hebt Unterschiede im Gefüge und in der Korrosionsgeschichte nicht auf. Ebenso wenig belegt sie, dass Mangan den Lochfraßwiderstand in jeder Umgebung für jedes zusätzliche Massenprozent exakt um einen PREN-Punkt verringert.

Vergleich von Ergebnissen, die nach unterschiedlichen Konventionen berechnet wurden

Ein Vergleich ist nur dann sinnvoll, wenn dieselbe chemische Analyse anhand eindeutig gekennzeichneter Gleichungen durchgeführt wird. Angenommen, eine Legierung enthält 25,0 % Cr, 4,0 % Mo, 0,30 % N, 2,0 % Mn und 0,5 % W. Das übliche PREN lautet:

$$25.0+3.3\left(4.0\right)+16\left(0.30\right)=40.60$$

Das manganangepasste Ergebnis lautet:

$$40.60-2.0=38.60$$

Das Ergebnis für die wolframhaltige Variante lautet:

$$25.0+3.3(4.0+0.5\times 0.5)+16\left(0.30\right)=41.425$$

Auf eine Dezimalstelle gerundet ergeben sich daraus 40,6, 38,6 und 41,4. Die Streuung entsteht durch die Konvention und nicht durch drei verschiedene Stähle. Werden die Zahlen ohne ihre Kennzeichnungen angegeben, könnte PRENW eine höhere Beständigkeit als PRENMn zu zeigen scheinen, obwohl die Formeln unterschiedliche empirische Vergleichsfragen beantworten.

Aus demselben Grund sollte eine Tabelle zum Vergleich von UNS S32750, UNS S32205 und UNS S31603 die Gleichung in der Überschrift oder in einem Hinweis in unmittelbarer Nähe nennen. Eine Tabelle mit „PREN-Werten“, in der konventionelles PREN, PRENW und PRENMn vermischt werden, ist methodisch nicht belastbar, sofern nicht jeder Eintrag gekennzeichnet ist. Auch die Rangfolge kann sich ändern, insbesondere wenn Güten ähnliche Gehalte an Chrom, Molybdän und Stickstoff, jedoch unterschiedliche Gehalte an Wolfram oder Mangan aufweisen.

Die Berechnung erfordert weiterhin eine Validierung. ASTM G48 legt Laborverfahren zum Vergleich nichtrostender Stähle und verwandter Legierungen fest, bei denen die Beständigkeit gegen die Einleitung von Lochfraß und Spaltkorrosion unter definierten Eisen(III)-chloridbedingungen gemessen wird. Diese Prüfungen ermöglichen den Vergleich von Proben unter kontrollierten Verfahren; sie bilden jedoch nicht jede Einsatzumgebung nach. Chloridkonzentration, Temperatur, Sauerstoffzutritt, Ablagerungen, Spalten, Schweißen, Oberflächenbeschaffenheit und Expositionsdauer können das Ergebnis verändern.

PRENMn sollte daher als gekennzeichneter Kennwert und nicht als universelle Korrosionsbewertung angegeben werden. Verwenden Sie die ISSF-Gleichung, wenn diese Konvention beabsichtigt ist, behalten Sie die übliche PREN-Gleichung bei, wenn sie die etablierte Vergleichsgrundlage darstellt, und stellen Sie niemals Ergebnisse aus unterschiedlichen Formeln in derselben Rangfolge gegenüber, ohne zu zeigen, wie jede Zahl berechnet wurde.

PREN bei ferritischen, Duplex- und anderen nichtrostenden Stählen

Die Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) wird bei mehreren Familien nichtrostender Stähle verwendet, darunter ferritische, Duplex-, austenitische und martensitische Güten. Ihre gemeinsame Verwendung macht PREN jedoch nicht zu einer universellen Korrosionsbewertung. Sie bleibt ein empirischer, auf der Zusammensetzung basierender Index zum Vergleich der voraussichtlichen Beständigkeit gegen lokale Korrosion unter chloridhaltigen Bedingungen.

Die üblicherweise angegebene Berechnung lautet:

$$\text{PREN}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)$$

Chrom, Molybdän und Stickstoff werden als Massenprozentsätze eingesetzt. Die British Stainless Steel Association gab diesen Ausdruck in ihrer Erläuterung der PREN-Berechnungen aus dem Jahr 2025 an. Ein höheres Ergebnis weist im Allgemeinen auf eine höhere Beständigkeit gegen chloridinduzierten Lochfraß hin, da Molybdän und Stickstoff zusätzlich zu Chrom stark zum berechneten Wert beitragen. Der von MDPI veröffentlichte Metals-Artikel aus dem Jahr 2021 beschreibt den Zusammenhang ebenfalls dahingehend, dass ein höherer PREN einer höheren Beständigkeit gegen lokalen Angriff in chloridhaltigen Lösungen entspricht.

Die Zahl ist weder ein Lochfraßpotenzial noch eine Vorhersage der Lebensdauer oder eine Bestehens-/Nichtbestehensgrenze. Outokumpu bezeichnet „PRE oder PREN“ als „einen auf der Zusammensetzung basierenden Index, der zur Einstufung und zum Vergleich nichtrostender Stähle hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegen Lochfraßkorrosion verwendet wird“. Diese Formulierung ist maßgeblich. PREN vergleicht Zusammensetzungen unter einer festgelegten Auslegung; die Auswirkungen von Schweißen, Oberflächenverunreinigungen, Wärmebehandlung, Spalten, Ablagerungen, Temperatur, Säuregrad, Sauerstoffkonzentration oder Strömung werden dadurch nicht abgebildet.

Nickel wird im üblichen PREN-Ausdruck weggelassen, obwohl es die Phasenverteilung sowie weitere metallurgische und korrosionsbezogene Eigenschaften beeinflusst. Limited evidence

Nickel ist in der üblichen Gleichung nicht enthalten. Die Society of Petroleum Engineers hat diesen Punkt im Jahr 2025 ausdrücklich hervorgehoben. Nickel beeinflusst weiterhin die Phasenstabilität, die Austenitbildung, die Zähigkeit und das allgemeine Korrosionsverhalten; sein Fehlen in der Formel verhindert jedoch, dass PREN als vollständige Beschreibung einer Legierung betrachtet wird.

Ferritische nichtrostende Stähle

Ferritische nichtrostende Stähle besitzen eine kubisch-raumzentrierte ferritische Matrix und werden im Allgemeinen mit Chrom als wichtigstem Legierungselement ausgelegt. Ihre Zusammensetzungen können abhängig von der Güte und dem vorgesehenen Einsatz auch Molybdän, Stickstoff, Titan, Niob oder weitere Zusätze enthalten. Da die übliche PREN-Gleichung Chrom, Molybdän und Stickstoff verwendet, kann sie für ferritische Güten ebenso berechnet werden wie für andere nichtrostende Stähle.

Diese Berechnung ist hilfreich, um ferritische Zusammensetzungen auf einer Vergleichsskala einzuordnen. Sie beseitigt jedoch nicht die metallurgischen Merkmale, durch die sich ferritische nichtrostende Stähle von austenitischen oder Duplex-Stählen unterscheiden. Ferritische Güten können anders auf Schweißen, thermische Einwirkungen und Oberflächenbeschädigungen reagieren, selbst wenn ihre berechneten PREN-Werte denen von Güten einer anderen Familie ähneln. Korngröße, Ausscheidungen, die Chemie der Schweißzone und der Zustand des Passivfilms können den beobachteten Beginn des Lochfraßes beeinflussen.

Die ferritische Familie umfasst Bezeichnungen wie EN 1.4003, EN 1.4016 und EN 1.4521; höherlegierte ferritische Zusammensetzungen werden außerdem von anderen nationalen, regionalen oder Produktspezifikationen erfasst. Diese Bezeichnungen sollten nicht als austauschbare Namen für eine einzige Korrosionsklasse behandelt werden. Jede Bezeichnung verweist auf einen festgelegten Chemiebereich und eine Produktbezeichnung, und für die tatsächliche PREN-Berechnung sollte die für das zu bewertende Material geltende Zusammensetzung verwendet werden.

Eine nominelle Gütenbezeichnung kann einen Bereich statt einer einzigen exakten Analyse angeben. Daher können zwei Schmelzen, die dieselbe Spezifikation erfüllen, geringfügig unterschiedliche berechnete PREN-Werte ergeben. Wenn ein Lieferantenzertifikat gemessene Gehalte an Chrom, Molybdän und Stickstoff angibt, können diese Werte in die Gleichung eingesetzt werden. Wenn nur nominelle oder maximale Werte verfügbar sind, handelt es sich bei dem Ergebnis um eine Schätzung, die an diese Annahmen gebunden ist.

Ferritische nichtrostende Stähle verdeutlichen außerdem, warum der Oberflächenzustand von Bedeutung ist. Schleifen, Beizen, Polieren und die Einwirkung von Eisenverunreinigungen können die einer Chloridlösung ausgesetzte Oberfläche verändern, ohne den PREN des Grundwerkstoffs zu ändern. Eine mechanisch beschädigte oder verunreinigte Oberfläche kann den Angriff früher einleiten als eine saubere, ordnungsgemäß behandelte Oberfläche aus derselben Stahlschmelze. PREN kann diesen Unterschied nicht berücksichtigen.

Die vom International Stainless Steel Forum (ISSF) veröffentlichte Orientierung zu ferritischen Stählen stellt PREN als eine Möglichkeit zur Zusammensetzungsbewertung dar, um die Beständigkeit nichtrostender Stahlerzeugnisse gegen lokale Korrosion zu erörtern. Sie sollte daher als Vergleichshilfe und nicht als Nachweis dafür verstanden werden, dass sich jede ferritische Güte mit einem bestimmten berechneten Wert im Einsatz identisch verhält.

Duplex-Stähle

Duplex-Stähle enthalten sowohl ferritische als auch austenitische Phasen. Ihre Leistungsfähigkeit hängt nicht nur von der chemischen Zusammensetzung des Grundwerkstoffs ab, sondern auch vom Gleichgewicht, der Verteilung und dem Zustand dieser Phasen. Die Duplex-Familie umfasst Bezeichnungen wie EN 1.4462 sowie die entsprechenden UNS-Bezeichnungen UNS S31803 und UNS S32205, sofern die jeweilige Produktspezifikation diese als anwendbar ausweist. Magerlegierte und höherlegierte Duplex-Güten verwenden andere genaue Bezeichnungen. Die Bezeichnung allein macht eine Überprüfung der geltenden chemischen und produktspezifischen Anforderungen nicht überflüssig.

PREN ist insbesondere bei der Erörterung von Duplex-Stählen weit verbreitet, da Stickstoff, Chrom und Molybdän für deren Beständigkeit gegen lokale Korrosion von Bedeutung sind. Stickstoff unterstützt die Austenitbildung und trägt mit einem großen Koeffizienten zur Gleichung bei. Molybdän und Chrom gehen über die anderen Terme ein. Für wolframhaltige Duplex-Zusammensetzungen gibt das Duplex-Dokument der ISSF aus dem Jahr 2025 den alternativen Ausdruck an:

$${\text{PREN}}_W=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo}+0.5\%W)+16(\%N)$$

Hier wird Wolfram mit der Hälfte seines Massenprozentsatzes in den molybdänbezogenen Term einbezogen. Dieser Ausdruck darf nicht unkritisch mit der gewöhnlichen PREN-Berechnung vermischt werden. Bei einem angegebenen Wert sollte ausgewiesen werden, ob PREN oder PREN${}_W$ verwendet wurde.

Dasselbe ISSF-Dokument gibt außerdem einen manganadjustierten Ausdruck an:

$${\text{PREN}}_{\mathrm{Mn}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)-\%\mathrm{Mn}$$

Diese Form stellt den Versuch dar, Mangan bei Vergleichen von Duplex-Zusammensetzungen zu berücksichtigen. Sie ist nicht derselbe Index wie der konventionelle Ausdruck. Ein mit PREN${}_{\mathrm{Mn}}$ berechnetes numerisches Ergebnis sollte entsprechend gekennzeichnet werden, da ein direkter Vergleich mit einem nicht näher bezeichneten konventionellen PREN einen falschen Eindruck von Genauigkeit erzeugen kann.

Die Duplex-Metallurgie macht die Grenzen einer einzelnen Zahl besonders deutlich. Schweißen kann das Ferrit-Austenit-Gleichgewicht im Schweißgut und in der Wärmeeinflusszone verändern. Ein übermäßiger Ferritanteil, eine ungeeignete Abkühlung oder Ausscheidungen während thermischer Einwirkungen können die Beständigkeit gegen lokale Korrosion verringern, selbst wenn die Chemie des Grundmetalls einen hohen PREN ergibt. Umgekehrt kann ein kontrolliertes Fertigungsverfahren ein günstigeres Phasengleichgewicht und einen besseren Oberflächenzustand bewahren.

Auch die Wärmebehandlung ist von Bedeutung. Duplex-Erzeugnisse werden unter Bedingungen gefertigt und lösungsgeglüht, die darauf ausgerichtet sind, das Phasengleichgewicht zu steuern und schädliche intermetallische Phasen zu vermeiden. Sigma-Phase und verwandte Ausscheidungen können lokal Chrom und Molybdän verbrauchen und dadurch Bereiche mit einer geringeren Beständigkeit erzeugen, als die Zusammensetzung des Grundwerkstoffs vermuten lässt. Eine aus dem Zertifikat berechnete PREN kann eine solche mikrostrukturelle Verarmung nicht erkennen.

Das Duplex-Dokument der ISSF beschreibt außerdem einen höheren Wert als einen semi-quantitativen Hinweis auf eine höhere Beständigkeit gegen lokale Korrosion in chloridhaltigen Böden. „Semi-quantitativ“ ist die wichtige Einschränkung. Der Index unterstützt eine Rangfolge; er legt jedoch keinen universellen Grenzwert für jeden Boden, jedes Meerwasser, jeden Prozessstrom oder jede Spaltgeometrie fest.

Warum die Gütenfamilie die Interpretation verändert

Ein PREN-Wert hat nur zusammen mit der Familie des nichtrostenden Stahls, der Spezifikation, dem Zustand und der vorgesehenen Umgebung eine Bedeutung. Derselbe für einen ferritischen und einen Duplex-Stahl berechnete Zahlenwert garantiert keine gleiche Lochfraßbeständigkeit. Ihre Phasenstrukturen unterscheiden sich, ebenso ihr Verhalten beim Schweißen und ihre Anfälligkeit für Ausscheidungen oder ein unausgeglichenes Phasengefüge.

Dieselbe Vorsicht gilt beim Vergleich einer Duplex-Güte mit einer austenitischen oder martensitischen Güte. Die gewöhnliche Formel behandelt ausgewählte Elemente als gewichtete Beiträge, enthält jedoch weder Nickel, Kupfer, Silizium und Kohlenstoff noch Oberflächenbearbeitung, Korngröße oder Fertigungsgeschichte. Außerdem legt sie nicht fest, ob es sich bei der angegebenen Zusammensetzung um eine Schmelzenanalyse, eine Produktanalyse oder einen nominellen Wert handelt.

Eine Validierung erfordert Prüfungen und ingenieurtechnische Beurteilung. ASTM G48:2011 legt Laborverfahren zum Vergleich nichtrostender Stähle und verwandter Legierungen fest, bei denen die Beständigkeit gegen die Einleitung von Lochfraß- und Spaltkorrosion unter definierten Eisenchloridbedingungen gemessen wird. Diese Verfahren ermöglichen kontrollierte Vergleiche; Eisenchlorid ist jedoch kein vollständiges Modell für jede Betriebsumgebung. Eine chloridhaltige Prozesslösung kann sich hinsichtlich Temperatur, pH-Wert, Oxidationsvermögen und Benetzungsverhalten unterscheiden; ein erdverlegtes Bauteil kann Ablagerungen und unterschiedliche Belüftung erfahren; eine geschweißte Konstruktion kann mehrere metallurgisch unterschiedliche Zonen enthalten.

Aus diesem Grund ist PREN am aussagekräftigsten, wenn der Wert zusammen mit seiner Formel, der Grundlage der Zusammensetzung und dem Werkstoffzustand angegeben wird. „PREN 40“ ist ohne diese Angaben unvollständig. Ein sinnvoller Vergleich nennt, ob es sich um den konventionellen PREN, PREN${}_W$ oder PREN${}_{\mathrm{Mn}}$ handelt, gibt die Gütenbezeichnung an, legt dar, ob die chemische Zusammensetzung nominell oder gemessen ist, und trennt Berechnungen für den Grundwerkstoff von der Bewertung der Schweißnaht oder der Wärmeeinflusszone.

Bei disziplinierter Anwendung ermöglicht PREN, ferritische, Duplex- und andere nichtrostende Stähle auf einer gemeinsamen Zusammensetzungsskala zu erörtern. Dadurch werden diese Familien jedoch weder metallurgisch gleichwertig, noch kann PREN Prüfungen ersetzen, wenn lokale Korrosion schwerwiegende Folgen haben kann.

Nickel, Legierungsentwicklung und eine häufige Fehlinterpretation

Warum Nickel in der üblichen Gleichung fehlt

Die übliche Berechnung lautet:

$$\mathrm{PREN}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)$$

Die Legierungsgehalte werden als Massenprozentsätze angegeben. Für Chrom, Molybdän und Stickstoff gibt es Terme; Nickel wird nicht berücksichtigt. Die Society of Petroleum Engineers stellt dies in ihrer Diskussion zur Werkstoffauswahl aus dem Jahr 2025 ausdrücklich fest: „Nickel ist in der Gleichung nicht enthalten.“ Dabei handelt es sich weder um eine versehentliche Auslassung noch um eine typografische Lücke in der Formel.

Der Grund ist, dass PREN ein begrenzter empirischer Index und keine vollständige numerische Beschreibung der Metallurgie nichtrostender Stähle ist. Der Index wurde entwickelt, um die Neigung nichtrostender Stähle zu lokaler Korrosion, insbesondere zu Lochkorrosion, unter chloridhaltigen Bedingungen zu vergleichen. Im üblichen Ausdruck steht Chrom für den wesentlichen Beitrag zur Bildung des Passivfilms, während Molybdän und Stickstoff im Allgemeinen die Beständigkeit gegen lokale Filmzusammenbrüche erhöhen. Die Koeffizienten—3,3 für Molybdän und 16 für Stickstoff—sind empirische Gewichtungsfaktoren und keine universellen physikalischen Konstanten.

Die British Stainless Steel Association gibt die Gleichung in dieser genau gleichen Form in ihrer Erläuterung der PREN-Berechnungen aus dem Jahr 2025 an. Ein höherer berechneter Wert weist normalerweise auf eine höhere Beständigkeit gegen lokale Angriffe in chloridhaltigen Umgebungen hin, wie im Metals-Beitrag von 2021 berichtet wird; das Wort „normalerweise“ ist jedoch entscheidend. PREN ordnet Zusammensetzungen innerhalb eines definierten Vergleichsschemas ein. Der Index berechnet weder eine Lebensdauer im Einsatz noch ein garantiertes Lochkorrosionspotential oder eine garantierte Mindesttemperatur, ab der ein Angriff einsetzt.

Alternative Ausdrücke unterstreichen, dass PREN eine Gruppe empirischer Vergleichsformeln und kein vollständiges Korrosionsmodell ist. Das International Stainless Steel Forum gibt für einen wolframhaltigen Ausdruck Folgendes an:

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{W}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo}+0.5\%W)+16(\%N)$$

und für einen manganangepassten Ausdruck:

$${\mathrm{PREN}}_{\mathrm{Mn}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)-\%\mathrm{Mn}$$

Nickel fehlt auch in diesen beiden angegebenen Formen. Die Änderung der Formel zur Berücksichtigung von Wolfram oder Mangan macht PREN nicht zu einer universell einsetzbaren Bewertungszahl für die Leistungsfähigkeit einer Legierung. Sie verändert lediglich den empirischen Vergleich, der für eine bestimmte Gruppe nichtrostender Stähle oder für eine bestimmte Auslegung der Zusammensetzung verwendet wird.

Eine einfache Berechnung zeigt, warum eine nickel­freie Arithmetik nicht als nickel­freie Metallurgie verstanden werden sollte. Bei Verwendung ungefährer Nennzusammensetzungen ergibt nichtrostender Stahl des Typs 304 mit 18 Gew.-% Cr, ohne einen beabsichtigten Mo-Term und mit 0,08 Gew.-% N einen üblichen PREN von etwa 19,3. Nichtrostender Stahl des Typs 316L mit 17 Gew.-% Cr, 2,5 Gew.-% Mo und 0,05 Gew.-% N ergibt etwa 26,1. Nickel ist in beiden Güten enthalten, sein prozentualer Anteil wird jedoch nicht eingesetzt. Der Unterschied zwischen diesen beispielhaften PREN-Werten ergibt sich aus den Termen, deren Gewichtung der Gleichung zugrunde liegt, und nicht aus der Behauptung, dass Nickel auf eine der beiden Legierungen keine Wirkung hätte.

Die Zusammensetzung ist außerdem nicht mit dem Zustand des Werkstoffs gleichzusetzen. Entmischung, Einschlüsse, Wärmebehandlung, thermische Zyklen beim Schweißen, Oberflächenverunreinigungen, das Phasengleichgewicht und die Oberflächenbearbeitung können die Beständigkeit gegen lokale Korrosion verändern. Zwei Schmelzen mit ähnlichen nominalen PREN-Werten müssen sich in einer Prüfung oder im Einsatz nicht identisch verhalten. ASTM G48:2011 legt Laborverfahren zum Vergleich nichtrostender Stähle und verwandter Legierungen fest, bei denen die Beständigkeit gegen die Einleitung von Loch- und Spaltkorrosion unter definierten Eisen(III)-chloridbedingungen gemessen wird. Solche Prüfungen können einen Vergleich für das ausgewählte Verfahren validieren. Sie machen die PREN-Gleichung jedoch nicht zu einem Ersatz für Prüfungen.

Die metallurgische Rolle von Nickel im Vergleich zum Geltungsbereich von PREN

Nickel spielt eine bedeutende metallurgische Rolle, obwohl es in der üblichen PREN-Gleichung keinen Term besitzt. In nichtrostenden Eisen-Chrom-Nickel-Stählen stabilisiert Nickel die austenitische Phase. Typ 304, bezeichnet als UNS S30400, ist ein austenitischer nichtrostender Stahl, dessen Chrom-Nickel-Gleichgewicht über einen breiten Bereich von Verarbeitungsbedingungen eine austenitische Struktur unterstützt. Typ 316L, bezeichnet als UNS S31603, nutzt Nickel als Bestandteil dieses Phasengleichgewichts und enthält zusätzlich Molybdän, um im Vergleich zur herkömmlichen 18Cr-8Ni-Familie eine verbesserte Beständigkeit gegen lokale Korrosion zu erzielen.

Diese Phasenwirkung beeinflusst mehr als nur die Kristallstruktur. Nickel beeinflusst die Zähigkeit, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, die Duktilität, die Kaltverfestigung, das magnetische Verhalten, das Verhalten beim Warm- und Kaltumformen sowie das Gleichgewicht zwischen Ferrit und Austenit während des Schweißens. Bei austenitischen Güten trägt ein ausreichender Nickelgehalt dazu bei, eine unerwünschte Umwandlung in Ferrit oder Martensit während der Verarbeitung zu unterdrücken, obwohl das endgültige Phasengleichgewicht von der gesamten Zusammensetzung und der thermischen Vorgeschichte abhängt. Nickel steht außerdem in Wechselwirkung mit Kohlenstoff, Stickstoff, Mangan, Chrom und Molybdän. Es ist daher Bestandteil der Legierungsentwicklung, auch wenn ein bestimmter Korrosionsindex ihm keinen numerischen Koeffizienten zuweist.

Der Gegensatz wird bei Duplexstählen deutlich. Eine Güte wie 2205, je nach festgelegtem Produkt und Bezeichnung üblicherweise als UNS S32205 oder UNS S31803 bezeichnet, ist so ausgelegt, dass sie sowohl Ferrit als auch Austenit enthält. Nickel trägt zur Einstellung des Austenitanteils bei, während Chrom, Molybdän und Stickstoff wesentlich zur Beständigkeit gegen lokale Korrosion beitragen. Stickstoff ist besonders wichtig, weil er die Austenitbildung unterstützt und die Legierung verfestigt und zugleich in der PREN-Gleichung mit einem großen Koeffizienten erscheint. Eine PREN-Berechnung erfasst nur ausgewählte Aspekte dieser Auslegung.

Ferritische Güten machen dieselbe Einschränkung aus einer anderen Richtung sichtbar. Typ 430, bezeichnet als UNS S43000, enthält im Vergleich zu austenitischen Güten wenig oder kein absichtlich zugesetztes Nickel; dennoch kann sein Korrosionsverhalten nicht allein aus dem Nickelgehalt abgeleitet werden. Seine ferritische Struktur, sein Chromgehalt, der Oberflächenzustand, Einschlüsse und die Umgebung sind gleichermaßen relevant. Eine nickel­freie oder nickel­arme Zusammensetzung besitzt nicht automatisch eine geringe Beständigkeit gegen lokale Korrosion, ebenso wie eine nickelhaltige Zusammensetzung nicht automatisch einen hohen PREN aufweist.

Nickel kann das Korrosionsverhalten auch außerhalb des engen Vergleichs der Lochkorrosion beeinflussen. Es wirkt sich in bestimmten Säuren und alkalischen Medien auf die allgemeinen Korrosionsraten, in bestimmten Umgebungen auf die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion, auf wasserstoffbezogene Vorgänge, auf die Korrosionsermüdung und auf die Stabilität passiver oder aktiver Oberflächenzustände aus. Diese Wirkungen sind umgebungsspezifisch. Ein einzelner Koeffizient für Nickel könnte sie nicht zuverlässig alle abbilden; seine Aufnahme in die übliche Formel ohne validierte Grundlage würde eine Scheingenauigkeit erzeugen.

Aus diesem Grund beschreibt die Erläuterung von Outokumpu aus dem Jahr 2025 PRE beziehungsweise PREN als einen auf der Zusammensetzung basierenden Index, der zur Einstufung und zum Vergleich nichtrostender Stähle hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegen Lochkorrosion verwendet wird. „Einstufen und vergleichen“ bezeichnet den maßgeblichen Geltungsbereich. Der Ausdruck ist gerade deshalb nützlich, weil er eng genug gefasst ist, um einen groben Vergleich zu ermöglichen—nicht weil er jede Eigenschaft einer Legierung vorhersagt.

Vermeidung der Behauptung, ausgelassene Elemente seien unwichtig

Ein nicht berücksichtigtes Element ist kein irrelevantes Element. Es ist ein Element, das vom ausgewählten Index nicht bewertet wird. Dieser Unterschied sollte immer ausdrücklich benannt werden, wenn PREN dargestellt wird.

Das Fehlen von Nickel bedeutet lediglich, dass der übliche empirische Index für die Lochkorrosionsbeständigkeit Nickel keinen direkten Term zuweist. Es bedeutet nicht, dass Nickel keine Rolle für die Phasenstabilität, die mechanischen Eigenschaften, die Schweißbarkeit oder das umfassendere Korrosionsverhalten spielt. Es bedeutet auch nicht, dass PREN jede Familie nichtrostender Stähle mit gleicher Sicherheit vergleichen kann. Ein Vergleich zwischen austenitischen, ferritischen und Duplexgüten muss deren unterschiedliche Mikrostrukturen und Verarbeitungsgeschichten berücksichtigen, selbst wenn dieselbe Arithmetik auf jede Zusammensetzung angewendet wird.

Ein berechneter Wert sollte außerdem nicht von der Umgebung losgelöst werden. Chloridkonzentration, Temperatur, Säuregrad, Sauerstoffverfügbarkeit, Ablagerungen, Spalte, Strömung, mikrobiologische Aktivität und galvanische Kopplung können die Wahrscheinlichkeit und das Ausmaß eines lokalen Angriffs verändern. Das International Stainless Steel Forum beschreibt einen höheren Wert als einen semiquantitativen Hinweis auf eine höhere Beständigkeit gegen lokale Korrosion in chloridhaltigen Böden. „Semiquantitativ“ begrenzt die Aussage. Der Einsatz im Boden ist nicht mit Meerwasser, einem heißen chloridhaltigen Prozessstrom oder einer Laborprüfung mit Eisen(III)-chlorid identisch.

PREN kann daher einen ersten Werkstoffvergleich unterstützen, insbesondere wenn die Güten verwandten Familien angehören und ihre Zusammensetzungen bekannt sind. Der Index kann jedoch nicht belegen, dass ein Bauteil in jeder Chloridumgebung länger halten wird als ein anderes. Ein Werkstoff mit höherem PREN kann aufgrund eines Schweißfehlers, einer verunreinigten Oberfläche, eines Einschlusses, eines unerwarteten Spalts oder einer Temperatur außerhalb der Vergleichsgrundlage dennoch Lochkorrosion entwickeln. Umgekehrt kann eine Güte mit niedrigerem PREN ausreichende Leistungen erbringen, wenn Chloridgehalt, Temperatur und Einwirkungsdauer begrenzt bleiben.

Die sachlich richtige Auslegung ist eng, aber nützlich: Nickel fehlt in der Gleichung, weil dieser bestimmte Index um ausgewählte Zusammensetzungsterme herum entwickelt wurde, die mit der Beständigkeit gegen lokale Korrosion verbunden sind. Legierungsentwickler benötigen Nickel weiterhin, um die Phasenzusammensetzung und das Eigenschaftsgleichgewicht zu steuern. Ingenieure benötigen weiterhin Normen, Fertigungsüberwachung und Korrosionsprüfungen—wie die festgelegten Verfahren in ASTM G48—wenn eine Betriebsentscheidung von der tatsächlichen Leistungsfähigkeit und nicht lediglich von einer zusammensetzungsbasierten Einstufung abhängt.

PREN im Vergleich zu Prüfungen nach ASTM G48

PREN und ASTM G48 beantworten miteinander verbundene, aber unterschiedliche Fragen. PREN wird aus der chemischen Zusammensetzung berechnet. ASTM G48 liefert eine experimentelle Reaktion eines bestimmten Probekörpers, der einem festgelegten Laborverfahren entsprechend exponiert wird. Werden beide Verfahren als austauschbar behandelt, ist dies eine häufige Ursache fehlerhafter Korrosionsvergleiche.

Der häufig verwendete Ausdruck lautet:

$$\text{PREN}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)$$

Chrom, Molybdän und Stickstoff werden als Gewichtsprozentsätze angegeben. Das Ergebnis ist dimensionslos. Es handelt sich um einen empirischen Index zur Einstufung nichtrostender Stähle nach ihrer erwarteten Beständigkeit gegen örtlich begrenzte Korrosion in chloridhaltigen Umgebungen, nicht um eine direkte Messung der Korrosionsrate, der Lebensdauer oder des Lochkorrosionspotenzials. Die British Stainless Steel Association gab diese Formel in ihrer Erläuterung der PREN-Berechnungen aus dem Jahr 2025 an.[4][4] How to Optimize Tubing Material Selections Using PREN Value. Society of Petroleum Engineers. Journal of Petroleum Technology, 2025.

Die Gleichung lässt Nickel ebenfalls unberücksichtigt. Die Society of Petroleum Engineers stellte 2025 fest: „Nickel ist in der Gleichung nicht enthalten.“ Dieses Fehlen bedeutet nicht, dass Nickel keine metallurgische Bedeutung hat. Nickel beeinflusst das Phasengleichgewicht, die Austenitstabilität, die Zähigkeit und das allgemeine Korrosionsverhalten, insbesondere bei Duplex- und austenitischen Güten. Es bedeutet lediglich, dass Nickel in diesem speziellen Lochkorrosionsbeständigkeitsindex kein Koeffizient zugewiesen wird.

Das International Stainless Steel Forum nennt außerdem zwei verwandte Ausdrücke. Für wolframhaltige Legierungen:

$${\text{PREN}}_W=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo}+0.5\%W)+16(\%N)$$

Für die manganangepasste Form:

$${\text{PREN}}_{\mathrm{Mn}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)-\%\mathrm{Mn}$$

Diese Varianten können die numerische Rangfolge verändern, insbesondere bei nichtrostenden Duplexstählen oder bei Zusammensetzungen mit nennenswerten Anteilen an Wolfram oder Mangan. Eine angegebene Zahl benötigt daher ihre Formel und nicht nur die Bezeichnung „PREN“.

Wofür ASTM G48 konzipiert ist

ASTM G48 ist eine Laborprüfnorm zum Vergleich nichtrostender Stähle und verwandter Legierungen anhand ihrer Beständigkeit gegen die Initiierung von Loch- und Spaltkorrosion unter festgelegten Eisen(III)-chlorid-Bedingungen. ASTM International beschrieb diesen Zweck in der Ausgabe von ASTM G48 aus dem Jahr 2011. Die Norm berechnet keinen Zusammensetzungsindex. Sie setzt Proben einer aggressiven Chloridumgebung aus und erfasst, ob ein örtlich begrenzter Angriff einsetzt und unter welchen Bedingungen.

Diese Unterscheidung ist wichtig. Ein Werkszeugnis kann die Gehalte an Chrom, Molybdän, Stickstoff und anderen chemischen Bestandteilen enthalten, aus denen PREN berechnet wird. Es kann jedoch keine kritische Lochkorrosionstemperatur nach ASTM G48 oder keinen Masseverlust liefern. Umgekehrt bezieht sich ein G48-Ergebnis auf den geprüften Werkstoffzustand und das angewandte Verfahren; es kann nicht automatisch in einen universellen PREN-Wert umgerechnet werden.

ASTM G48 umfasst Verfahren zur Untersuchung von Loch- und Spaltkorrosion, darunter Verfahren A für Eisen(III)-chlorid-Lochkorrosionsprüfungen und Verfahren B für Eisen(III)-chlorid-Spaltkorrosionsprüfungen. Weitere Verfahren der Norm behandeln temperaturbasierte Bestimmungen wie die kritische Lochkorrosionstemperatur oder die kritische Spaltkorrosionstemperatur. Die anzuwendende Ausgabe und das Verfahren müssen angegeben werden, da „nach ASTM G48 geprüft“ allein unvollständig ist.

Ein typisches Ergebnis kann ein Bestehen oder Nichtbestehen bei einer ausgewählten Temperatur und Prüfzeit, eine kritische Lochkorrosionstemperatur, eine kritische Spaltkorrosionstemperatur oder die Feststellung eines Angriffs nach der Exposition sein. Das Berichtsformat hängt vom Verfahren ab. Eine Probe, die bei einer bestimmten Temperatur frei von sichtbaren Lochkorrosionsstellen bleibt, hat damit nicht nachgewiesen, dass sie jeder Chloridlösung im Betrieb widersteht. Ebenso bedeutet eine Lochkorrosion der Probe in Eisen(III)-chlorid nicht zwangsläufig, dass die genaue Temperatur oder das genaue Potenzial vorhergesagt wurde, bei der beziehungsweise bei dem sie in einem Prozessstrom versagen wird.

ASTM G48 ist besonders nützlich für den Vergleich von Güten wie UNS S30400, üblicherweise als Typ 304 bezeichnet, UNS S31603, üblicherweise als Typ 316L bezeichnet, UNS S32205, üblicherweise als nichtrostender Duplexstahl 2205 bezeichnet, und höherlegierten Güten wie UNS S32750, üblicherweise als nichtrostender Superduplexstahl 2507 bezeichnet. Solche Vergleiche sind nur dann aussagekräftig, wenn Proben, Vorbereitung und Prüfbedingungen kontrolliert werden. Ein Vergleich zwischen lösungsgeglühter Platte und geschweißtem Rohr kann beispielsweise ebenso sehr den Zustand der Wärmeeinflusszone, Zunder an der Oberfläche oder die Fertigungsgeschichte widerspiegeln wie die nominelle Zusammensetzung der Güte.

Die Prüfung ist ein Instrument zur Vorauswahl und zum Vergleich, keine maßstabsgetreue Betriebsanlage. Eisen(III)-chlorid ist absichtlich aggressiv und kann rasch örtlich begrenzten Angriff hervorrufen. Seine hohe Aggressivität hilft, Legierungen im Labor voneinander zu unterscheiden, bildet jedoch nicht alle Kombinationen aus Sauerstoffgehalt, pH-Wert, Chloridaktivität, Strömung, Ablagerungen, Biofilmen, Druck, Temperatur und elektrochemischem Potenzial ab, die in Anlagen auftreten.

Laborbedingungen mit Eisen(III)-chlorid

Bei der Prüfung mit Eisen(III)-chlorid wird eine oxidierende Chloridlösung verwendet, die üblicherweise aus Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat, FeCl₃·6H₂O, in der Konzentration und dem Volumen hergestellt wird, die beziehungsweise das im jeweils anzuwendenden ASTM-G48-Verfahren festgelegt ist. Die Lösung ist nicht einfach „Salzwasser“. Eisen(III)-Ionen erhöhen den oxidierenden Charakter der Exposition, während Chlorid den Abbau der Passivschicht fördert und die kleinen anodischen Bereiche stabilisiert, die mit dem Wachstum von Lochkorrosion verbunden sind.

Die Temperatur ist eine wesentliche Regelgröße. Einige G48-Verfahren setzen Proben über einen festgelegten Zeitraum einer konstanten Temperatur aus; andere erhöhen die Temperatur oder bewerten sie auf andere Weise, um einen kritischen Wert zu bestimmen. Expositionsdauer, Lösungsherstellung, Anordnung des Prüfgefäßes und Ausrichtung der Probe können das beobachtete Ergebnis beeinflussen. Eine höhere kritische Lochkorrosionstemperatur weist innerhalb dieses Prüfsystems im Allgemeinen auf eine bessere Beständigkeit hin, jedoch nur, wenn dasselbe Verfahren und dieselben Bewertungskriterien verwendet werden.

Der Oberflächenzustand ist ebenso wichtig. Schleifen, Polieren, Beizen, Passivieren, Anlassfarben, eingebettete Partikel, Kratzer und Oberflächenverunreinigungen verändern die Stellen, an denen ein Angriff beginnen kann. Nichtrostender Stahl mit Schweißverfärbungen oder Oxidzunder kann sich anders verhalten als dieselbe nominelle Legierung nach einer geeigneten Reinigung. Das Ergebnis sollte daher die Oberflächenbearbeitung und das Reinigungsverfahren ausweisen, statt lediglich die Gütenbezeichnung anzugeben.

Bei der Spaltprüfung kommt eine weitere Variable hinzu: der Spaltbildner. Eine belastete Unterlegscheibe oder eine andere festgelegte Anordnung erzeugt einen Bereich mit eingeschränktem Sauerstoffzutritt, in dem die Erneuerung der Passivschicht erschwert ist. Kontaktdruck, Werkstoffpaarung, Geometrie und Montageverfahren beeinflussen die Stärke und den Ort des Angriffs. Ergebnisse zu Loch- und Spaltkorrosion sollten nicht zusammengeführt werden. Eine Legierung kann an der freien Oberfläche nur geringe Lochkorrosion zeigen, während sie unter einem Spaltbildner Korrosion entwickelt.

Nach der Exposition wird die Probe nach den Kriterien des jeweiligen Verfahrens untersucht. Die Untersuchung kann eine Sichtprüfung, eine Reinigung vor der Bewertung, die Messung der Lochtiefe oder die Beurteilung der Spaltkorrosion umfassen. Bei der Interpretation muss angegeben werden, was als Versagen galt. „Keine Korrosion“ kann bedeuten, dass bei einer bestimmten Prüfprozedur kein sichtbarer Angriff festgestellt wurde; es bedeutet nicht, dass keine elektrochemischen Veränderungen stattgefunden haben.

Warum berechnete Einstufung und Prüfreaktion voneinander abweichen können

PREN ist ein nützlicher erster Vergleich, weil die Legierungszusammensetzung die Stabilität der Passivschicht beeinflusst. Die 2021 in Metals veröffentlichte Arbeit berichtete, dass ein höherer PREN im Allgemeinen einer höheren Beständigkeit gegen örtlich begrenzten Angriff in chloridhaltigen Lösungen entspricht. Das International Stainless Steel Forum beschreibt einen höheren Wert ebenfalls als semi-quantitativen Hinweis auf eine höhere Beständigkeit gegen örtlich begrenzte Korrosion in chloridhaltigen Böden. „Semi-quantitativ“ ist dabei die entscheidende Einschränkung.

Die Berechnung behandelt die Zusammensetzung als maßgeblichen Eingangswert, während ASTM G48 einen realen Werkstoff mit einer bestimmten Mikrostruktur und Oberfläche prüft. Erstarrungsseigerungen, intermetallische Phasen, ausgeschiedene Nitride, chromverarmte Bereiche, das Ferrit-Austenit-Verhältnis und die Wärmebehandlungsgeschichte können das Verhalten gegenüber örtlich begrenzter Korrosion verändern, ohne die nominelle Gütenbezeichnung zu ändern. Dies ist insbesondere bei nichtrostenden Duplexstählen relevant, bei denen sich das Phasengleichgewicht und die Verteilung von Chrom, Molybdän und Stickstoff zwischen Ferrit und Austenit unterscheiden können.

Der Fertigungszustand kann eine erwartete Rangfolge ebenfalls umkehren. Eine Legierung mit hohem PREN und Anlassfarben durch das Schweißen, unzureichendem Beizen oder ungünstiger Wärmebehandlung kann den Angriff früher einleiten als eine Legierung mit niedrigerem PREN und einer sauberen, gut passivierten Oberfläche. Platte, Stab, Rohr und Schweißgut können unterschiedliche Wärmegeschichten aufweisen. Die für PREN verwendete chemische Analyse kann auf einem nominellen Spezifikationsbereich beruhen, während die G48-Probe die tatsächliche lokale Zusammensetzung und die Fehler dieses Produkts enthält.

Die Formel selbst führt eine weitere Ursache für Abweichungen ein. Stickstoff hat einen Koeffizienten von 16, sodass eine geringe analytische oder spezifikationsbedingte Abweichung den berechneten Wert erheblich beeinflussen kann. Wolframhaltige Güten können mit PREN_W statt mit dem grundlegenden PREN-Ausdruck verglichen werden. Wenn für eine Legierung die manganangepasste Gleichung PREN_Mn und für eine andere die grundlegende Gleichung verwendet wird, ist die Rangfolge inkonsistent, sofern der Grund dafür nicht eindeutig angegeben wird.

Weder PREN noch G48 bilden die Betriebsbedingungen vollständig ab. Natürliches Meerwasser kann beispielsweise Biofouling, Ablagerungen und eine veränderliche Sauerstoffkonzentration umfassen; ein heißer Chloridprozess kann saure Chemie, Verdampfung und Zugspannung beinhalten; und Anlagen für den Sauergasbetrieb können eine gesonderte Bewertung der Sulfid-Spannungsrisskorrosion und der Wasserstoffeffekte erfordern. G48 ersetzt diese Bewertungen nicht.

Ein technisch aussagekräftiger Bericht sollte daher sowohl den Index als auch die zugrunde liegenden Nachweise angeben: den exakten PREN-Ausdruck, jeden Elementwert und seine analytische Grundlage; die Legierungsbezeichnung und die Produktform; die Ausgabe und das Verfahren von ASTM G48; die Konzentration des Eisen(III)-chlorids, die Temperatur und die Expositionsdauer; die Ausrichtung der Probe und die Oberflächenbearbeitung; gegebenenfalls die Spaltanordnung; sowie das Kriterium zur Feststellung eines Angriffs. Ohne diese Angaben können eine PREN-Zahl und ein G48-Ergebnis eine Scheingenauigkeit erzeugen.

Die sachgerechte Interpretation ist begrenzt, aber nützlich: PREN hilft bei der Vorauswahl und Einstufung von Zusammensetzungen, während ASTM G48 zeigt, wie eine vorbereitete Probe unter einer festgelegten beschleunigten Labor-Exposition reagiert. Keine der beiden Zahlen ist eine universelle Korrosionsbewertung.

Grenzen von PREN in realen Betriebsumgebungen

PREN ist nur dann nützlich, wenn seine Bedeutung eng gefasst wird. Der gebräuchliche Ausdruck PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N) wandelt ausgewählte Legierungsgehalte, ausgedrückt als Massenprozentsätze, in einen empirischen Vergleichsindex um. Ein höherer Wert weist im Allgemeinen auf eine größere Beständigkeit gegen örtlich begrenzten Angriff in chloridhaltigen Lösungen hin, wie in der Metals-Arbeit von 2021 beschrieben. Er legt weder eine Nutzungsdauer fest noch garantiert er ein Lochfraßpotenzial oder stellt sicher, dass eine Komponente in jeder Betriebsanlage oder marinen Exposition länger hält als eine andere.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil PREN die Nennzusammensetzung einordnet, während Korrosion an einer tatsächlichen Oberfläche in einer tatsächlichen Umgebung auftritt. Die Oberfläche kann Oxid, Zunder, Schweißanlauffarbe, eingebettetes Eisen, Einschlüsse oder Ablagerungen enthalten. Die Umgebung kann stagnierend statt belüftet, heiß statt Umgebungstemperatur und innerhalb eines Spalts konzentriert sein, statt der Zusammensetzung der Hauptlösung zu entsprechen. PREN kann all diese Bedingungen nicht erfassen.

Das International Stainless Steel Forum (ISSF) berichtet außerdem über modifizierte Ausdrücke, darunter PRENW = %Cr + 3.3(%Mo + 0.5%W) + 16(%N) für wolframhaltige Legierungen und PRENMn = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N) − %Mn. Diese Alternativen bekräftigen dieselbe Einschränkung: Das Ergebnis hängt von der ausgewählten empirischen Formel und der verwendeten Zusammensetzung ab. Nickel ist in der konventionellen Gleichung nicht enthalten, wie die Society of Petroleum Engineers 2025 feststellte, obwohl Nickel weiterhin die Phasenstabilität, das Gefüge und das Korrosionsverhalten beeinflusst. Eine einzelne Zahl kann eine metallurgische Untersuchung und betriebsrelevante Prüfungen nicht ersetzen.

Chloridkonzentration, Temperatur und Sauerstoffbedingungen

Chlorid stellt keine einzelne, unveränderliche Expositionsbedingung dar. Seine Konzentration an der Metalloberfläche kann erheblich von der Konzentration abweichen, die im umgebenden Wasser gemessen wird. Durch Verdunstung kann sich Chlorid in einem dünnen Feuchtigkeitsfilm anreichern. Salzablagerungen können Feuchtigkeit an einer Rohr- oder Behälterwand halten. In einem Spalt unter einer Dichtung, einem Flansch, einer Halterung oder einer Ablagerung kann sich eine Chemie entwickeln, die sich von der Hauptflüssigkeit unterscheidet, mit erhöhter Azidität und veränderter Chloridaktivität. PREN berechnet diese Veränderungen nicht.

Die Temperatur fügt eine weitere wesentliche Variable hinzu. Eine Temperaturerhöhung erleichtert im Allgemeinen den Zusammenbruch des Passivfilms und kann die Ausbreitung eines bereits vorhandenen Lochs beschleunigen. Ein Werkstoff, der in einer kühlen, strömenden Chloridlösung passiv bleibt, kann angegriffen werden, wenn dasselbe Chlorid unter einer Isolierung oder in einer beheizten Prozessleitung vorhanden ist. Dennoch kann keine einheitliche Temperaturkorrektur auf PREN für ferritische, austenitische und Duplex-Edelstähle angewendet werden, da auch das Gefüge der Legierung, der Oberflächenzustand und die Lösungschemie das Ergebnis beeinflussen.

Die Strömung kann das Risiko sowohl verringern als auch erhöhen. Bewegte Flüssigkeit kann Ablagerungen entfernen und stagnierende Konzentrationszellen verhindern, doch hohe Strömungsgeschwindigkeit, Schwebstoffe oder Turbulenzen können den Passivfilm beschädigen. Erosionskorrosion kann wiederholt frisches Metall freilegen, während ein Totast chemisch stagnierend bleiben kann. Ein PREN-Vergleich zeigt nicht, welche dieser hydraulischen Bedingungen vorliegt.

Die Sauerstoffbedingungen sind gleichermaßen wichtig. Edelstahl ist auf einen dünnen, chromreichen Passivfilm angewiesen, und die Verfügbarkeit von Sauerstoff unterstützt die Bildung und Reparatur dieses Films. Eine gut belüftete Oberfläche und ein sauerstoffarmer Spalt können sich daher unterschiedlich verhalten, selbst wenn sie mit derselben Flüssigkeit in Kontakt stehen. Unterschiedliche Belüftung kann dazu führen, dass der sauerstoffärmere Bereich gegenüber der freiliegenden Oberfläche anodisch wird. Ablagerungen können eine solche Trennung erzeugen, ebenso wie Biofilme, Isolierungen, Schlamm und Sedimente. Gleichzeitig kann sauerstoffreiches Wasser außerhalb eines Lochs eine starke kathodische Reaktion unterstützen und dadurch die Triebkraft für eine örtlich begrenzte Auflösung erhöhen, sobald eine kleine Stelle aktiv geworden ist.[5][5] Stainless Steel Pipe. International Stainless Steel Forum. International Stainless Steel Forum publication, 2025.

Aus diesem Grund sollte PREN nicht als universelle Chloridbewertung behandelt werden. ASTM G48, erstmals in der zitierten Fassung von 2011 herausgegeben, legt Laborverfahren zum Vergleich von Edelstählen und verwandten Legierungen hinsichtlich der Einleitung von Loch- und Spaltkorrosion unter definierten Eisen(III)-chlorid-Bedingungen fest. Diese Prüfungen sind kontrollierte Vergleiche und keine Nachbildungen jeder Exposition gegenüber Meerwasser, Prozesswasser, Boden oder Atmosphäre. Das ISSF beschreibt einen höheren PREN als einen semiquantitativ größeren Widerstand gegen örtlich begrenzte Korrosion in chloridhaltigen Böden; „semiquantitativ“ ist dabei die wichtige Einschränkung. Der Index unterstützt eine Rangordnung, liefert jedoch keinen universellen Schwellenwert für einen zulässigen Betrieb.

Oberflächenzustand, Einschlüsse und Beschädigung des Passivfilms

Der berechnete Wert verwendet normalerweise die Gesamtzusammensetzung oder eine festgelegte Zusammensetzung. Korrosion beginnt an der Oberfläche, deren Chemie von der Schmelzenanalyse abweichen kann. Eine Edelstahlkomponente kann die korrekte Nennlegierung aufweisen und dennoch nach der Fertigung schlecht funktionieren, wenn sich freies Eisen, Schleifabrieb aus Kohlenstoffstahl, Schweißoxide, Anlauffarbe, Zunder oder andere Verunreinigungen auf ihrer Oberfläche befinden. Diese Stoffe können die Passivierung beeinträchtigen oder örtliche elektrochemische Zellen erzeugen.

Eisenverunreinigungen sind ein bekanntes Beispiel. Werkzeuge, Hebezeuge und Drahtbürsten aus Kohlenstoffstahl können Eisenpartikel auf Edelstahl übertragen. Die Partikel können rosten und die Oberfläche verfärben, doch eine solche Verfärbung ist nicht mit einem Loch im Edelstahlgrundwerkstoff gleichzusetzen. Noch wichtiger ist, dass Verunreinigungen einen gleichmäßigen Passivfilm beeinträchtigen und die Prüfung erschweren können. Beizen, eine geeignete mechanische Oberflächenbearbeitung und eine chemische Passivierung können eine sauberere Oberfläche wiederherstellen, doch ihre Eignung hängt von der Güte, der Geometrie und den Prozesskontrollen ab. PREN kann nicht angeben, ob diese Kontrollen angewendet wurden.

Auch die Rauheit verändert die Exposition. Vertiefungen können Chloridlösung und Ablagerungen zurückhalten, während Kratzer als Initiierungsstellen wirken können, wenn sie verschmiertes Metall oder eingebettete Partikel enthalten. Eine polierte Oberfläche und eine stark geschliffene Oberfläche aus demselben Edelstahl 316L haben denselben nominellen PREN, bieten der Umgebung jedoch nicht dieselbe Anzahl und Art von Fehlstellen. Eine Oberfläche, die während der Montage abgeschliffen wurde, benötigt möglicherweise Zeit zur Repassivierung, bevor sie einer stark chloridhaltigen Umgebung ausgesetzt wird.

Nichtmetallische Einschlüsse sind ein weiterer Grund für die Grenzen einer auf der Gesamtzusammensetzung beruhenden Zahl. Sulfideinschlüsse, Oxideinschlüsse und komplexe Einschlusscluster können zu bevorzugten Initiierungsstellen werden. Ihre Chemie, Größe, Verteilung und Nähe zur Oberfläche sind von Bedeutung. Molybdän und Stickstoff in der durchschnittlichen Legierungszusammensetzung garantieren nicht, dass jeder mikroskopische Bereich dieselbe Beständigkeit wie die Matrix aufweist. Eine saubere, feine Einschlusspopulation kann sich anders verhalten als eine gröbere oder reaktivere Population bei derselben Nennlegierung.

Eine Beschädigung des Passivfilms kann mechanischer, chemischer oder thermischer Art sein. Gleitkontakt, Stoß, Kavitation und Erosion legen frisches Metall frei. Saure Ablagerungen oder Rückstände von Reinigungsmitteln können eine schnelle Repassivierung verhindern. Unter einer beschädigten Beschichtung oder Dichtung eingeschlossenes Chlorid kann dann einen kleinen Bereich angreifen, während die umgebende Edelstahloberfläche passiv bleibt. Sobald sich ein Loch bildet, wird sein Inneres zu einer begrenzten elektrochemischen Umgebung; Metallionen hydrolysieren, die Azidität nimmt zu und Chlorid wandert in den Hohlraum. Die ursprüngliche Rangordnung der Legierungen bleibt zwar relevant, doch Initiierung und Ausbreitung hängen nun von örtlichen Bedingungen ab, die PREN nicht beschreibt.

Schweißen, Wärmeeinflusszonen und örtliche Zusammensetzung

Beim Schweißen wird die Lücke zwischen Nennzusammensetzung und Betriebsverhalten besonders deutlich. Eine geschweißte Baugruppe ist keine einheitliche Legierung. Sie kann Grundwerkstoff, Schweißgut, eine Schmelzgrenze und eine oder mehrere Wärmeeinflusszonen (WEZ) enthalten, die jeweils unterschiedliche thermische Vorgeschichten und mitunter unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Der Schweißzusatz kann einen anderen PREN als die Grundwerkstoffgüte haben, während die Verdünnung die endgültige Chemie des Schweißguts verändert.

Bei Duplex-Edelstählen wie UNS S32205, die üblicherweise als 2205 bezeichnet werden, muss der thermische Schweißzyklus ein geeignetes Gleichgewicht zwischen Ferrit und Austenit bewahren. Übermäßiger Ferrit, übermäßiger Austenit oder schädliche Sekundärphasen können das Verhalten gegenüber örtlich begrenzter Korrosion verändern, selbst wenn die zertifizierte Gesamtzusammensetzung einen hohen PREN ergibt. Schnelle Abkühlung, zu hoher Wärmeeintrag, eine ungeeignete Zwischenlagentemperatur oder unzureichende Schutzgasabdeckung können dieses Gleichgewicht beeinflussen. Unter bestimmten Bedingungen können Chromnitride oder intermetallische Phasen wie Sigma entstehen, wodurch die angrenzenden Bereiche an Chrom oder Molybdän verarmen. Die verarmte Zone kann deutlich anfälliger sein, als es die durchschnittliche Zusammensetzung vermuten lässt.

Auch austenitische Güten weisen schweißtechnische Herausforderungen auf. Bei 304L und 316L verringern kohlenstoffarme Bezeichnungen das Risiko einer Chromkarbid-Sensibilisierung während des Schweißens, doch ein niedriger Kohlenstoffgehalt beseitigt nicht jedes Fertigungsrisiko. Eine falsche Wärmebehandlung, Verunreinigungen, eine übermäßige Anlauffarbe oder ein unzureichend kontrolliertes Schweißverfahren können eine Oberfläche hinterlassen, die eine Reinigung und Wiederherstellung erfordert. Eine geschweißte 316L-Komponente sollte nicht allein anhand des aus dem Werkszeugnis berechneten PREN beurteilt werden.

Bei ferritischen Edelstählen können Kornvergröberung oder andere Veränderungen der WEZ entstehen, die Zähigkeit und Korrosionsverhalten beeinflussen. Die Erstarrung des Schweißguts kann eine Entmischung hervorrufen, sodass interdendritische Bereiche nicht unbedingt der Nennanalyse entsprechen. Diese örtlichen Abweichungen sind volumenmäßig gering, aber von Bedeutung, wenn sie einen durchgehenden Pfad bilden oder an einer stark beanspruchten, exponierten Stelle liegen.

Die Reinigung nach dem Schweißen ist daher Bestandteil der Korrosionskontrolle und nicht lediglich eine Maßnahme zur Verbesserung des Erscheinungsbilds. Das Entfernen von Anlauffarbe und Verunreinigungen kann den Zugang zu einer chromreichen passiven Oberfläche wiederherstellen, doch die Behandlung muss auf die Edelstahlgüte und das Fertigungsverfahren abgestimmt sein. Bei der Prüfung sollten Schweißübergänge, Spalte, Einbrandkerben, Bindefehler, Schlackenrückstände und Bereiche berücksichtigt werden, in denen sich Ablagerungen sammeln können.

PREN bleibt für den Vergleich von Güten wie 316L, UNS S32205 und höherlegierten Duplexstählen unter vergleichbaren Annahmen wertvoll. Die Verwendung als eigenständige Abnahmeregel für ein geschweißtes, verunreinigtes oder geometrisch komplexes Bauteil ist jedoch irreführend. Die Zusammensetzung legt eine Ausgangseinstufung fest. Das Betriebsverhalten hängt von der Umgebung, der Oberfläche und dem Gefüge ab, die tatsächlich mit dem Chlorid in Kontakt kommen.

Wie eine PREN-Berechnung verantwortungsvoll angegeben wird

Ein PREN-Wert ist nur dann aussagekräftig, wenn seine Berechnung nachvollzogen werden kann. Die Angabe „PREN 40“ ohne Benennung der Chemischen Zusammensetzung, der Gleichung, der Einheiten oder der Quelle ist kein Technisches Ergebnis, sondern ein nicht belegter Vergleich. PREN ist ein empirischer, auf der Zusammensetzung beruhender Index zur Einstufung nichtrostender Stähle unter chloridhaltigen Bedingungen. Es handelt sich weder um eine universelle Korrosionsbewertung noch um ein garantiertes Lochkorrosionspotenzial oder eine Vorhersage der Betriebslebensdauer.

Die British Stainless Steel Association gibt den üblichen Ausdruck wie folgt an:

$$\text{PREN}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)$$

Chrom, Molybdän und Stickstoff werden als Massenprozent eingegeben. Das Ergebnis ist dimensionslos, obwohl es häufig informell als „PREN-Zahl“ bezeichnet wird. Die Gleichung enthält kein Nickel. Die Society of Petroleum Engineers weist ausdrücklich auf diese Auslassung hin. Dies ist von Bedeutung, weil der Nickelgehalt in der Bezeichnung einer nichtrostenden Stahlsorte oder in einem Datenblatt häufig prominent angegeben wird, obwohl er keinen direkten Beitrag zu dieser speziellen Berechnung leistet.

Identifizierung der Formel und ihrer Variante

Die erste Anforderung an die Berichterstattung besteht darin, die exakt verwendete Gleichung anzugeben. „PREN“ bezeichnet nicht in jeder Familie nichtrostender Stähle und in jeder Technischen Veröffentlichung ein vollkommen einheitliches Berechnungsverfahren.

Für den üblichen Ausdruck mit Chrom, Molybdän und Stickstoff ist Folgendes anzugeben:

$$\text{PREN}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)$$

Für wolframhaltige Legierungen gibt das International Stainless Steel Forum (ISSF, 2025) Folgendes an:

$${\text{PREN}}_W=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo}+0.5\%W)+16(\%N)$$

Für den manganangepassten Ausdruck gibt das ISSF Folgendes an:

$${\text{PREN}}_{\mathrm{Mn}}=\%\mathrm{Cr}+3.3(\%\mathrm{Mo})+16(\%N)-\%\mathrm{Mn}$$

Diese Bezeichnungen sind nicht austauschbar. Ein Bericht, der „PREN 39“ angibt, muss mitteilen, ob es sich um PREN, PREN_W oder PREN_Mn handelt. Andernfalls kann ein anderer Ingenieur die Zahl weder reproduzieren noch feststellen, ob zwei Werte auf derselben Grundlage berechnet wurden.

Der ausgewählte Ausdruck sollte dem Zweck des Vergleichs sowie der Konvention entsprechen, die in der maßgeblichen Spezifikation, der zuständigen Organisation oder dem Projektdokument verwendet wird. Die gewöhnliche Formel kann für den Vergleich üblicher austenitischer, ferritischer und nichtrostender Duplexstähle geeignet sein, wenn die Quelle diese Konvention verwendet. Für eine wolframhaltige Duplexgüte kann eine ausdrückliche Berücksichtigung des PREN_W-Ausdrucks erforderlich sein. Die manganangepasste Form sollte nicht allein deshalb verwendet werden, weil Mangan in der Chemischen Analyse erscheint; sie muss als bewusste Wahl der Formel ausgewiesen werden.

Eine Beispielrechnung sollte jeden Term zeigen. Für eine beispielhafte nominale Zusammensetzung von 22,0 % Cr, 3,0 % Mo und 0,18 % N gilt:

$$\text{PREN}=22.0+3.3\left(3.0\right)+16\left(0.18\right)=34.68$$

Wird das Ergebnis als 34,7 angegeben, sollte der Bericht feststellen, dass auf eine Dezimalstelle gerundet wurde. Rundungen können enge Vergleiche beeinflussen. Eine Differenz von nur 0,01 Prozentpunkten beim Stickstoff verändert das gewöhnliche PREN-Ergebnis um 0,16, während eine Differenz von 0,10 Prozentpunkten beim Molybdän eine Änderung um 0,33 bewirkt.

Die Formel muss außerdem von ihrer Interpretation getrennt werden. Die mit der Fachzeitschrift Metals verbundene Veröffentlichung aus dem Jahr 2021 brachte höhere PREN-Werte mit einer größeren Beständigkeit gegen örtlich begrenzten Angriff in chloridhaltigen Lösungen in Verbindung; dieser Zusammenhang ist jedoch semiquantitativ. Daraus folgt weder, dass ein Stahl mit PREN 40 einer bestimmten Umgebung doppelt so lange widersteht wie ein Stahl mit PREN 20, noch, dass jeder Stahl oberhalb eines angegebenen Schwellenwerts eine Betriebsanforderung erfüllt.

Quelle der Zusammensetzung und analytische Grundlage

Die Berechnung ist nur so zuverlässig wie die in sie eingesetzte Zusammensetzung. Ein Bericht muss angeben, ob eine Schmelzenanalyse, eine Erzeugnisanalyse, ein zertifizierter Werkstoffprüfbericht, ein unabhängiges Laborergebnis oder nominale Werte aus einer GüTabelle verwendet werden.

An erster Stelle steht die Gütenbezeichnung. Beispielsweise ist UNS S31603 und nicht lediglich „316L“ anzugeben, wenn die UNS-Bezeichnung die maßgebliche Identifizierung darstellt. Ist der Werkstoff nach ASTM A240 spezifiziert, sind diese Norm und gegebenenfalls die Erzeugnisform zu nennen. Bei Duplexwerkstoffen sind Bezeichnungen wie UNS S31803 und UNS S32205 voneinander zu unterscheiden, anstatt „2205“ als vollständige Werkstoffidentität zu behandeln. Dieselbe Handelskurzbezeichnung kann unterschiedliche Spezifikationsanforderungen umfassen, und die Grenzwerte der Chemischen Zusammensetzung müssen nicht identisch sein.

Anschließend ist anzugeben, ob es sich bei den Eingabewerten um nominale oder gemessene Werte handelt. Eine nominale Berechnung auf Grundlage gerundeter Gütenzusammensetzungen ist für einen vorläufigen Vergleich nützlich, stellt jedoch nicht den PREN-Wert einer bestimmten Schmelze dar. Eine gemessene Schmelzenanalyse kann einen anderen Wert ergeben und dennoch vollständig innerhalb der festgelegten Grenzwerte der Zusammensetzung liegen. Dies ist insbesondere für Stickstoff und Molybdän von Bedeutung, da ihre Koeffizienten relativ hoch sind.

Im Bericht sollte angegeben werden, dass alle Legierungsgehalte in Massenprozent und nicht als Dezimalwerte ausgedrückte Massenanteile angegeben sind. Die Eingabe von 0,18 Gew.-% Stickstoff ist für die obige Gleichung korrekt; die Eingabe von 18 % würde ein absurdes Ergebnis liefern. Meldet ein Labor 1.800 ppm Stickstoff, ist dieser Wert vor der Berechnung in 0,18 Gew.-% umzurechnen. Die vom Quelle bereitgestellte Genauigkeit ist zu dokumentieren, anstatt zusätzliche Ziffern zu erfinden. Ein aus einer Chemischen Zusammensetzung berechnetes Ergebnis, die nur auf 0,1 % genau angegeben ist, sollte nicht als 36,274 dargestellt werden.

Eine reproduzierbare Dokumentation kann dem folgenden Format entsprechen:

Güte und Bezeichnung: UNS S32205, Erzeugnisspezifikation und Erzeugnisform Grundlage der Zusammensetzung: Schmelzenanalyse aus dem Werkstoffprüfbericht oder nominale Spezifikationsgrenzwerte Eingabewerte, Gew.-%: Cr = __; Mo = __; N = __; W = __, falls zutreffend; Mn = __, falls zutreffend Formel: PREN, PREN_W oder PREN_Mn, vollständig ausgeschrieben Berechnung: eingesetzte Werte und Rechenweg Ergebnis: __, gerundet auf __ Dezimalstellen Quelle: Dokumentennummer, Änderungsstand, Schmelzennummer, Labormethode oder Spezifikationstabelle Nachweis der Validierung: ASTM G48-Methode, Prüftemperatur, Eisen(III)-chloridkonzentration, Einwirkungsdauer, Zustand der Probekörper und beobachtetes Ergebnis

Bei Verwendung von Spezifikationsgrenzwerten ist sorgfältig zu rechnen. Ein „Mindest-PREN“, der aus dem Mindestgehalt an Chrom, Molybdän und Stickstoff zusammengesetzt wird, kann für diese Terme mathematisch konservativ sein, muss jedoch keiner tatsächlichen Schmelze entsprechen. Hat Stickstoff lediglich einen Mindestgrenzwert und verwendet der Bericht diesen Mindestwert, ist dies anzugeben. Wird der Höchstgehalt an Mangan in PREN_Mn verwendet, ist auch diese Vorgehensweise kenntlich zu machen. Eine auf Grenzwerten beruhende Schätzung darf nicht als gemessene Leistungsfähigkeit bezeichnet werden.

Kombination von PREN mit Prüfungen und Auslegungsnachweisen

PREN sollte einen Werkstoffvergleich unterstützen, nicht jedoch eine Qualifizierung oder eine Auslegungsanalyse ersetzen. Das International Stainless Steel Forum beschreibt höhere Werte als einen semiquantitativen Hinweis auf eine größere Beständigkeit gegen örtlich begrenzte Korrosion in chloridhaltigen Böden. Diese Formulierung ist wichtig: Der Index liefert eine Vergleichsrichtung, jedoch keine universelle Bestehens- oder Versagensgrenze.

ASTM G48 enthält Laborverfahren zum Vergleich nichtrostender Stähle und verwandter Legierungen, bei denen Probekörper unter festgelegten Bedingungen einer Eisen(III)-chloridlösung ausgesetzt werden. Die Norm behandelt die Initiierung von Loch- und Spaltkorrosion; das Ergebnis wird durch die ausgewählte Methode, die Temperatur, die Einwirkungsdauer, die Vorbereitung der Probekörper und die Abnahmekriterien beeinflusst. Ein Bericht mit dem Hinweis „ASTM G48 bestanden“ ist daher unvollständig, sofern Methode und Prüfbedingungen nicht angegeben werden. ASTM G48 Methode A wird üblicherweise mit der Prüfung auf Lochkorrosion in Verbindung gebracht, während andere ASTM-G48-Methoden die Bewertung der Spaltkorrosion behandeln.

Die Prüfnachweise müssen außerdem an den Werkstoffzustand gebunden sein. Geschweißte und lösungsgeglühte Probekörper können sich anders verhalten als das Grundblech. Oberflächenbeschaffenheit, Wärmeanlauffarben, Verunreinigungen aus der Fertigung, Einschlüsse, das Phasengleichgewicht in nichtrostendem Duplexstahl und eine Nachbehandlung nach dem Schweißen können das Verhalten gegenüber örtlich begrenzter Korrosion verändern, ohne die nominale Gütenbezeichnung zu ändern. Ein aus der Zusammensetzung des Grundwerkstoffs berechneter PREN kann nicht alle diese Faktoren erfassen.

Nachweise aus der Betriebsauslegung gehören neben die Berechnung. Sofern relevant, sind Chloridkonzentration, Temperatur, Sauerstoffeinwirkung, pH-Wert, Spaltbedingungen, Strömungsverhältnisse, Ablagerungen, Reinigungschemikalien und der erwartete Schweißzustand anzugeben. Ein Stahl kann nach PREN höher eingestuft werden und dennoch in einem heißen, stagnierenden, sauren Spalt angegriffen werden. Umgekehrt kann ein niedrigerer berechneter Wert in einer weniger aggressiven Umgebung eine ausreichende Leistung erbringen.

Eine verantwortungsvolle Schlussfolgerung lautet daher folgendermaßen: Die gemessene oder nominale Zusammensetzung ergibt einen berechneten PREN eines angegebenen Typs; der Wert unterstützt einen relativen Vergleich mit ausdrücklich genannten Güten auf derselben Berechnungsgrundlage; und ASTM G48 oder betriebsspezifische Nachweise liefern eine unabhängige Validierung. Die Trennung dieser drei Aussagen verhindert, dass ein auf der Zusammensetzung beruhender Index mit einer Korrosionsgarantie verwechselt wird.

Quellen

1. [1]International Stainless Steel Forum. Duplex Stainless Steels. International Stainless Steel Forum publication, 2025. https://worldstainless.org/wp-content/uploads/2025/02/ISSF_Duplex_Stainless_Steels.pdf
2. [2]Metals authors. Localized corrosion resistance and PREN relationship. Metals, 2021. https://www.mdpi.com/2075-4701/11/5/836
3. [3]ASTM International. Standard test methods for pitting and crevice corrosion resistance of stainless steels. ASTM G48, 2011. https://store.astm.org/g0048-11.html
4. [4]Society of Petroleum Engineers. How to Optimize Tubing Material Selections Using PREN Value. Journal of Petroleum Technology, 2025. https://jpt.spe.org/how-optimize-tubing-material-selections-using-pren-value
5. [5]International Stainless Steel Forum. Stainless Steel Pipe. International Stainless Steel Forum publication, 2025. https://worldstainless.org/Files/issf/non-image-files/PDF/Stainless_Steel_Pipe.pdf