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Ergebnisse aus dem AiF Forschungsvorhaben IGF 18823 N/1 "Optimierung von Korundschleifprozessen"
Ein Referenzwerkstoff mit einem definierten Oberflächenzustand wurde zunächst umfassend mittels elektrochemischer Korrosionsuntersuchungen, KorroPad-Untersuchungen und oberflächenanalytischer Verfahren charakterisiert. Anhand definierter Schleifversuche an diesem Referenzzustand wurden anschließend verschiedene Schleifparameter variiert, deren Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit mit den gleichen Methoden beurteilt wurden. Somit war es möglich, den Einfluss einzelner Schleifparameter auf das Korrosionsverhalten aufzuzeigen.
Mit der KorroPad-Prüfung kann die Lochkorrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle auf sehr einfache, schnelle und kostengünstige Weise eingeschätzt werden. Das KorroPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter und Anwender nichtrostender Stähle eine interessante Alternative zu zeitintensiven Langzeitversuchen und komplexen elektrochemischen Untersuchungsmethoden. Die prinzipiellen Funktionsweise der KorroPad-Prüfung wird im Vortrag beschrieben, um anschließend verschiedene Anwendungen aus Industrie und Forschung vorzustellen. Exemplarisch werden dazu die Bewertung von Schleif- und Passivierungsprozessen, die Qualitätskontrolle der Wärmebehandlung und Oberflächenbearbeitung von Schneidwaren vorgestellt. Mit der KorroPad-Prüfung lassen sich aber auch werkstoff- und gefügebedingte Einflüsse auf die Lochkorrosionsbeständigkeit gezielt untersuchen. Dies wird an Beispielen aus aktuellen Forschungsarbeiten dargestellt.
Mit der KorroPad-Prüfung können lochkorrosionsanfällige Oberflächenbereiche einfach, schnell und kostengünstig nachgewiesen werden. Das KorroPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter, Anwender und Forscher eine interessante Alternative zu zeitintensiven Auslagerungsversuchen und elektrochemischen Untersuchungsmethoden, die normalerweise bei der Charakterisierung nichtrostender Stähle zur Anwendung kommen. Mit der KorroPad-Prüfung können auch werkstoff- und gefügebedingte Einflussfaktoren sichtbar gemacht werden, die Lochkorrosionsanfälligkeit verursachen. Um dies zu veranschaulichen, wird die Nachweisgrenze des KorroPads an Referenzlegierungen mit abgestuftem Chromgehalt aufgezeigt. Darauf aufbauend wird dargestellt, wie die Sensibilisierung nichtrostender Stähle durch Chromverarmung mit einer gezielten Verschärfung der KorroPad-Prüfung nachgewiesen werden kann.
Der nichtrostende Duplexstahl 1.4062 (X2CrNiN22-2) hat sich im Bauwesen als Werkstoffalternative zu den nichtrostenden Austeniten etabliert. Die Korrosionsbeständigkeit von Schweißverbindungen aus 1.4062 wird, neben dem Grundwerkstoff, dem Schweißzusatzwerkstoff und dem Schweißverfahren, auch sehr stark von der Oberflächennachbehandlung der Schweißnaht beeinflusst. Je nach zukünftigem Anwendungsbereich und geforderter Korrosionsbeständigkeit wird die Schweißnaht geschliffen, gebeizt, elektropoliert oder gestrahlt, um die beim Schweißen entstandenen Anlauffarben zu entfernen. Gestrahlte Oberfläche sind in der industriellen Praxis häufig anzutreffen, da sie deutlich einfacher und kostengünstiger herzustellen sind als gebeizte oder elektropolierte Oberflächen. Die Auswahl des Strahlmittels bestimmt auch die Prozesskosten, wobei das Strahlen mit Korund effektiver als das Strahlen mit Glasperlen ist. In den letzten Jahren wurden korrosionsanfällige Oberflächen bei nichtrostenden Stählen beobachtet, wenn diese mit Korund geschliffen wurden. Daher wird nun auch beim Strahlen kritisch hinterfragt, ob Korund als Strahlmittel die Korrosionsbeständigkeit verändert. Diese Fragestellung wird im Vortrag beantwortet indem geschliffene, gebeizte, mit Korund gestrahlte und mit Glasperlen gestrahlte Schweißverbindungen vergleichend untersucht werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen von den Strahlmitteln und den gestrahlten Oberflächen werden mit den Ergebnissen der Salzsprühnebelprüfung, den kritischen Lochkorrosionspotentialen und der KorroPad-Prüfung korreliert.
Aufgrund guter mechanischer und chemischer Eigenschaften sowie einer hohen Biokompatibilität sind CoCrMo-Legierungen als Implantatwerkstoffe seit Jahrzehnten fester Bestandteil medizintechnischer Anwendungen. Diese Eigenschaften resultieren bekanntermaßen aus chemischer Zusammensetzung, atomarem Aufbau und dem Gefüge. Letzteres wird durch Legierungszusammensetzung, Herstellungsprozess und Wärmebehandlungen bestimmt. In der Vergangenheit wurden bereits Erkenntnisse zum Einfluss der Mikrostruktur auf mechanische bzw. chemische Eigenschaften von CoCrMo gewonnen. Ebenso wurde in der Literatur das Korrosionsverhalten von CoCrMo im Beisein von Körperflüssigkeiten betrachtet. Bisher fehlt es jedoch an vergleichenden Untersuchung, die das Korrosionsverhalten verschiedener Phasen- bzw. Gefügezustände in verschiedenen Körpermedien betrachten. In dieser Arbeit werden bei einer ausgewählten CoCrMo Legierung verschiedene Gefügezustände durch plastische Verformung und Wärmebehandlung erzeugt und vergleichend untersucht. Das Korrosionsverhalten wird anhand elektrochemischer Untersuchungen in verschiedenen körperflüssigkeitsnahen Lösungen im Vergleich zu Titan charakterisiert und der Einfluss von bestimmten Zusätzen (HCL und H2O2) ermittelt.
The double loop electrochemical potentiodynamic reactivation (EPR) method is a standardised procedure for detecting and quantifying sensitisation on austenitic, ferritic and ferritic-austenitic stainless-steel grades. This sensitisation is caused by microstructural alternations, as the formation of chromium carbides, nitrides or sigma-phases, which generate local chromium depleted zones nearby. The latter strongly influence the corrosion resistance and the electrochemical response of a stainless steel during electrochemical potentiodynamic reactivation, providing important information on the degree of chromium depletion. In case of martensitic stainless steels, which are used for cutlery and surgical instruments, the heat treatment has a strong impact on the microstructure, the material properties and especially on the corrosion resistance. To study this interaction, the EPR method was modified for the application on martensitic stainless steels with about 13 wt.-% chromium. Different H2SO4 concentrations and EPR-parameters were tested and compared on two standard martensitic stainless-steel grades (AISI 420 A / X20Cr13 and AISI 420 C / X46Cr13) to define applicable parameters. Afterwards, these parameters were used to study the effect of austenitisation time and cooling rate on the corrosion resistance of both martensitic stainless steels. The response of both alloys was different due to the different carbon levels, which will be explained by microstructural investigations in detail. All results allow postulating a process window, in which chromium depletion is suppressed and an optimised corrosion resistance is guaranteed. Based on this research, the modified EPR-test is now used to control the heat treatment and its impact on the corrosion resistance of martensitic stainless steels in the cutlery industry. The EPR-test is thus an interesting alternative for manufacturers, processors, users and researchers to the time-consuming exposition test normally used to characterise the corrosion resistance of martensitic stainless steels.
Der Vortrag behandelt zunächst die wesentlichen Grundlagen der elektrolytischen Korrosion, die für das Verständnis der Eigenschaften korrosionsbeständiger (nichtrostender) Stähle notwendig sind. Anschließend wird das Phänomen der Passivität vorgestellt und die Wirkung von Legierungselementen auf Gefüge und Korrosionsbeständigkeit erläutert.
Der Vortrag behandelt zunächst die wichtigsten lokalen Korrosionserscheinungen (Spaltkorrosion, Interkristalline Korrosion, Lochkorrosion und Spannungsrisskorrosion), die bei korrosionsbeständigen (nichtrostenden) Stählen auftretenden können und gibt wichtige Hinweise zu deren Vermeidung. Außerdem werden die verschiedenen Werkstoffklassen (Ferrite, Austenite, Martensite und Duplexstähle) im Bereich der nichtrostenden Stähle vorgestellt und auf die Eigenschaften und Besonderheiten eingegangen.
Der Vortrag behandelt zunächst das Vorgehen bei der Beurteilung der Korrosionsbelastung unter atmosphärischen Bedingungen, wobei ausgewählte Einflussfaktoren (Chlorid-Gehalt und Schwefeldioxid-Gehalt) näher betrachtet werden. Anschließend wird die bisherige und die aktualisierte Normung der Werkstoffauswahl am Beispiel des Bauwesens vorgestellt und auf die verschiedenen Beständigkeitsklassen im Bereich der nichtrostenden Stähle eingegangen. Abschließend werden beispielhaft Schadensfälle und aktuelle Fragestellungen vom Fachbereich 7.6 zum Einsatz nichtrostender Stähle vorgestellt und erläutert.
Normung der KorroPad-Prüfung zum Nachweis lochkorrosionsanfälliger Oberflächen und Werkstoffzustände
(2018)
Mit der KorroPad-Prüfung kann die Lochkorrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle auf sehr einfache, schnelle und kostengünstige Weise eingeschätzt werden. Das KorroPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter und Anwender nichtrostender Stähle eine interessante Alternative zu zeitintensiven Langzeitversuchen und komplexen elektrochemischen Untersuchungsmethoden. Die prinzipiellen Funktionsweise der KorroPad-Prüfung wird im Vortrag beschrieben, um anschließend verschiedene Anwendungen vorzustellen. Exemplarisch werden dazu die Bewertung von Schleif-, Strahl- und Passivierungsprozessen, die der Einfluss von Schwefel und die werkstoffbezogene Nachweisgrenze der KorroPad-Prüfung. Abschließend wird auf ein geplantes Vorhaben zur Normung der KorroPad-Prüfung eingegangen.
Einfluss industrieller Korundschleifprozesse auf die Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle
(2018)
Im Vortrag werden Ergebnisse des AiF Forschungsvorhabens "Optimierung industrieller Korundschleifprozesse zur Sicherstellung der Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle" vorgestellt, die den Einfluss verschiedener Schleifmittel auf die Korrosionsbeständigkeit geschliffener Oberflächen nichtrostender Stähle belegen. Es konnte ein signifikanter Einfluss durch die Verwendung von Granulatschleifbändern nachgewiesen werden, der die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen reduziert. Grund sind auf der Oberfläche zurückbleibende Materialaufplattungen von Eigenmaterial aus dem Schleifprozess. Es wurden unterschiedliche Korrosionsuntersuchungen durchgeführt und durch Oberflächenanalytik im Rasterelektronenmikroskop untermauert.
Einfluss der Schweißnaht-Nachbehandlung auf die Korrosionsbeständigkeit des Duplex-Stahls 1.4062
(2018)
Die Korrosionsbeständigkeit von Schweißverbindungen aus dem Duplex-Stahl 1.4062 wird, neben dem Grundwerkstoff, dem Schweißzusatzwerkstoff und dem Schweißverfahren, auch sehr stark von der Oberflächennachbehandlung der Schweißnaht beeinflusst. Je nach zukünftigem Anwendungsbereich und geforderter Korrosionsbeständigkeit wird die Schweißnaht geschliffen, gebeizt, elektropoliert oder gestrahlt, um die beim Schweißen entstandenen Anlauffarben zu entfernen. Gestrahlte Oberfläche sind in der industriellen Praxis häufig anzutreffen, da sie deutlich einfacher und kostengünstiger herzustellen sind als gebeizte oder elektropolierte Oberflächen. Die Auswahl des Strahlmittels bestimmt auch die Prozesskosten, wobei das Strahlen mit Korund effektiver als das Strahlen mit Glasperlen ist. Ziel der Untersuchungen war es festzustellen, ob das Strahlen aus Sicht der Korrosionsbeständigkeit äquivalent zu anderen Nachbehandlungsverfahren ist. Diese Fragestellung wird im Vortrag beantwortet indem geschliffene, gebeizte, mit Korund gestrahlte und mit Glasperlen gestrahlte Schweißverbindungen vergleichend untersucht werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen von den Strahlmitteln und den gestrahlten Oberflächen werden mit den Ergebnissen der Salzsprühnebelprüfung, den kritischen Lochkorrosionspotentialen und der KorroPad-Prüfung korreliert.
Nickel-free, nitrogen alloyed austenitic stainless-steels, with about 19 wt.-% Mn and 0,8 wt. % N, are an interesting alternative to classic CrNi austenitic stainless steels due to their superior mechanical properties (Rm > 900 MPa, A5 > 50 %, Av > 350 J) in the solution annealed condition. The formation of chromium-rich nitrides during suboptimal heat treatment, processing or application leads to an inhomogeneous distribution of alloying elements in the microstructure, which reduces the corrosion resistance. Consequently, an accurate knowledge of the sensitization behavior is indispensable for the use of nickel-free, high-nitrogen austenitic stainless steels. The relationship between artificial aging, phase formation and corrosion resistance was investigated on the alloys X8CrMnN18-19 (1.3815) and X8CrMnMoN18-19-2 (1.4456), both alloyed with 0,8 wt.-% Nitrogen, in the present work. The microstructural evolution was studied by LM and SEM while the corrosion resistance was characterized with the electrochemical potentiodynamic reactivation (EPR) and the KorroPad indicator-test. Both alloys showed increased corrosion susceptibility within critical aging parameters. Finally, a sensitization diagram was described successfully for both alloys showing the positive effect of molybdenum.
The corrosion resistance of stainless-steels grades is of high importance for the technical safety in different environmental conditions. Processing and surface finish influences the corrosion resistance of ferritic stainless steels, which may be considered for some application in marine environment. Three ferritic stainless steel alloys (X2CrNi12, X2CrTiNb18 and X2CrMoTi18-2) were exposed in four different surface finishes (rolled, dry grinding, glass beaded and electro polished) for five years in marine environment to obtain reliable information about the corrosion resistance. All samples were assessed after 22 and 60 months according to DIN EN ISO 10289 in validation degrees from 1 to 10. Complementary investigation using accelerated chamber test (salt spray test followed by four weeks storage at 30 °C / 80 % relative humidity) and short-term electrochemical methods (electrochemical potentiodynamic reactivation, pitting potentials and the KorroPad method) were conducted to compare their results. The presentation gives an overview on all methods and the generated results, which show benefits and restrictions of long-term, accelerated and short-term corrosion tests.
Depending on the CO2 generating and the capture process as well as on consecutive purification steps applied, CO2 streams from different emitters may differ in their composition. When CO2 streams with different compositions are fed into a larger pipeline network, there are several aspects that must be considered: i) chemical reactions, such as acid formation, may occur within the joint CO2 stream; ii) there may be a variation of mass flow rate and CO2 stream composition within the pipeline network if the feed-in behavior of different CO2 sources changes with time. Potential impacts of changing CO2 stream compositions and mass flow rates in CCS cluster systems were investigated in the collaborative project "CLUSTER" (see also www.bgr.bund.de/CLUSTER). In this presentation, we focus on the experimental investigations of formation and condensation of strong acids and their impacts on the corrosion of pipeline steels. When SO2, NO2, O2 and H2O are present simultaneously in CO2 streams chemical cross-reactions may occur leading to the formation of strong acids such as sulfuric and nitric acid. To prevent this acid formation the concentration of at least one of these four impurities must be kept very low (e.g., Rütters et al., 2016). At temperatures below the acid dew point temperature, acids will condense, e.g., on pipeline steel surfaces. In turn, these acid condensates may trigger steel corrosion. To better understand the process of acid formation and condensation and its implications for steel corrosion, exposure tests were performed on pipeline steel X70 in dense CO2 with varying SO2, NO2 and O2 concentration under high pressure and at 278 K in an observable autoclave, in which water was added as droplets or as vapor. Further, electrochemical tests were carried out with X70 specimens immersed in 500 mL CO2-saturated synthetic condensate solution or in droplets of the same solution on the specimen’s surface. Depending on impurity concentrations in the CO2 streams, condensates consisting of different relative amounts of nitric and sulfuric acid were formed. In condensates containing both nitric and sulfuric acid, corrosion rates were higher than the sum of those of the individual acids. In addition, corrosion products and forms depended on the condensate composition. Investigations of water droplets on steel surfaces in impurity-containing dense-phase CO2 revealed the diffusion of SO2 and NO2, followed by cross-reactions forming corresponding acids. An increase in droplet size (from 1 to 5 µl) lead to higher corrosion rates. However, in comparison to measurements in bulk solution, corrosion reactions in droplets resulted in thick, high-resistance corrosion products and observed droplet corrosion rates were significantly lower. In addition, the possibility of acid droplet formation and growth in impure liquid CO2 is influenced by the wetting behavior of the acid droplet on the steel surface. Thus, the contact angle between a water droplet and the surface steel specimens in a CO2 atmosphere was investigated in a high pressure view cell following the sessile drop method. The contact angle wasand found to be larger at higher CO2 pressures (studied from 5 to 20 MPa) and at higher temperatures (e.g. 278 K to 333 K). Further, measured contact angles were larger on rough than on smooth metal surfaces. In addition, acid formation reduced the contact angle, i.e. lead to better wetting, thereby stimulating condensation that was followed by a corrosion process. These detailed insights on the complex interplay of acid formation, condensation, wetting behavior and corrosion allow a better assessment of material suitability for pipeline transportation of impure CO2 streams
The collaborative project “Impacts of impurities in CO2 streams captured from different emitters in a regional cluster on transport, injection and storage (CLUSTER)” aimed to set up recommendations on how to define “reasonable minimum composition thresholds” that CO2 streams should meet when accessing CO2 transport pipeline networks. Within CLUSTER, we investigated potential impacts of CO2 streams with different and temporally variable compositions and mass flow rates along the whole CCS chain. Investigations included, amongst others, impacts on: Corrosion of pipeline steel, pipeline network design and related transport costs, alteration of well bore cements, pressure evelopment and rock integrity, geochemical reactions, and petrophysical and geomechanical rock properties.
All investigations are based on a generic CCS chain scenario. In this scenario, CO2 streams are captured from a spatial cluster of eleven emitters and collected in a regional pipeline network. Emitters comprise seven fossil fuel-fired power plants equipped with different capture technologies, two cement plants, one refinery and one integrated iron and steel plant. In total, 19.78 Mio t CO2 (including impurities) are captured in the emitter cluster annually. The combined CO2 stream is transported in a trunk line with a length of 400 km (100 km of these offshore) and is injected into five generic storage structures. The storage reservoirs are saline aquifers of the Buntsandstein.
The investigations revealed beneficial and deteriorating impacts of different impurities and combinations thereof. Overall, no fundamental technical obstacles for transporting, injecting and storing CO2 streams of the modelled variable compositions and mass flow rates were observed. Based on the results, the CLUSTER project team recommends not to define “minimum composition thresholds” for CO2 streams as strict threshold values for eachindividual impurity in the stream. Instead, CO2 stream compositions and variabilities for specific CCS projects should be constrained with regard to a set of parameters including i) the overall CO2 content, ii) maximum contents of relevant impurities or elements, iii) acceptable variability of CO2 stream composition, and iv)impurity combinations to be avoided.
Analyzing the performance of discrete galvanic anode systems using electrochemical investigations
(2021)
Corrosion of reinforcement is one of the major reasons in questioning the service life of building structures. The application of cathodic protection techniques plays a big role in controlling the corrosion process to ensure a longer service life of building structures. This systematic study compares the efficiency and durability of various discrete galvanic zinc anode systems available in the current market using different criteria for measuring efficiency such as potential measurements, electrolyte resistance measurements and several polarization methods to determine the polarizability of the anodes. The results to validate the performance of long-time exposure of discrete zinc anodes in concrete medium are discussed.