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Der Vortrag vermittelt dem betreuenden DIN Normenausschuss NMP 177 einen Gesamtüberblick über das abgeschlossene WIPANO-Vorhaben "Normenentwurf für ein Prüfverfahren zur Bestimmung von Deckschichtwiderständen an Zinküberzügen mittels gelartiger Elektrolyte (GELELEK). Innerhalb des Vorhabens wurden die elektrochemischen Methoden und die Verfahrensparameter systematisch untersucht, ein Messsystem für Feldanwendungen entwickelt, ein Ringversuch mit über 20 Teilnehmern durchgeführt und ein Normenvorschlag erarbeitet. Die Förderzeile der Initiative WIPANO wurden erreicht. Die Erarbeitung eines auf den Ergebnissen beruhenden Normenentwurfs wird auf der nächsten Sitzung des NMP 177 gestartet.
In vielen Konstruktionen erfordern unterschiedliche Eigenschaftsanforderungen an Komponenten und Bauteile häufig die Kombination verschiedener metallischer Werkstoffe. In der Praxis sind aber auch sogenannte Zufallskombinationen häufig anzutreffen, bei denen die Kombination allein durch die momentane Verfügbarkeit z.B. eines Befestigungsmittels oder eines Zwischenstückes zustande kommt. Unter bestimmten Einsatzbedingungen kann eine solche Kombination, die auch unter dem Begriff Mischbauweise bekannt ist, zu Korrosionsproblemen an einem der beiden Partner führen. Die Grundlagen und Einflussgrößen auf die Bimetallkorrosion werden dargestellt und deren praktische Bedeutung anhand von Beispielen verdeutlicht.
Durch Fortführung der Untersuchungen aus einem Forschungsvorhaben wurden neun verschiedene Stahllegierungen unter maritimen Umgebungsbedingungen über fünf Jahre ausgelagert und deren Korrosionsverhalten untereinander verglichen und bewertet. Die parallele Untersuchung von vier verschiedenen 0berflächenausführungen der jeweiligen Legierungen ermöglichte zudem branchenspezifische Besonderheiten der Oberflächenausführung beim Werkstoffvergleich zu berücksichtigen. Anhand der Ergebnisse der Auslagerungsprüfungen konnten Rückschlüsse auf die Einflüsse der Legierungszusammensetzung, der 0berfächenausführung und der Auslagerungszeit unter maritimen Auslagerungsbedingungen gewonnen werden. Die Proben der drei untersuchten Duplexwerkstoffe zeigten über den Auslagerungszeitraum von fünf Jahren sowohl mit als auch ohne Spaltgeometrie die beste Korrosionsbeständigkeit. Ebenso konnte der molybdänlegierte Ferrit 1.4521 eine vergleichbar gute Korrosonsbeständigkeit erzielen, wie die klassischen austenitischen Werkstoffe 1.4301 und 1.4404.
Anhand der hier vorgestellten Untersuchungsergebnisse kann
eine umfassende Einschätzung des Korrosionszustands einer Gabionenkonstruktion aus Drähten mit Zink-Aluminium-Überzug nach 20 Jahren Einsatzzeit in Abhängigkeit von unterschiedlichen Expositionsbedingungen vorgenommen werden. Die festgestellten Massenverluste der Zink-Aluminium-Überzüge waren an den Untersuchungspositionen, insbesondere hinsichtlich der verschiedenen Expositionsbedingungen der Probenentnahmestellen, unterschiedlich ausgeprägt. Gabionendrähte, die im direkten Bodenkontakt standen, wiesen dabei die geringsten Restauflagen auf. Atmosphärisch beanspruchte sowie durch Vlies vor direktem Bodenkontakt geschützte Gabionendrähte zeigten dagegen etwas größere Restauflagen. Über den Drahtumfang wurden bei allen untersuchten Drahtproben stark variierende Schichtdicken festgestellt, was offensichtlich herstellungsbedingte Ursachen hat. Die Untersuchungen an der Gabionenkonstruktion haben gezeigt, dass die Annahme einer mittleren linearen Abtragsrate des metallischen Überzugs von 1 mm/a unter den hier untersuchten Bedingungen ein realistischer Wert ist. An Positionen mit direktem Bodenkontakt kann dieser Wert aber deutlich größer ausfallen, sobald sich die Aggressivität des Bodens erhöht. Eine Rotrostbildung war an den Drahtproben nicht feststellbar.
Für den schadensfreien Einsatz passiver, metallischer Werkstoffe muss sich die Passivschicht vollständig ausbilden können und die Repassivierung von Defektstellen unter den Einsatzbedingungen muss möglich sein. Dabei müssen folgende Randbedingungen beachtet werden:
- glatte, blanke, saubere Oberfläche
- Grenzen der Beständigkeit bzgl. pH-Wert und Potential
- Elementverteilung, Ausscheidungen, Verformungen
- chemische Nachbehandlung bzw. Konditionierung
- geeignete Werkstoffauswahl bzw. Legierungszusammensetzung
- unplanmäßige Betriebszustände und Störungen
- Ausbildung von Bimetallelementen
Bestehen optische Anforderungen sind in maritimer Atmosphäre für nichtrostende Stähle e-polierte und blank geglühte Oberflächenausführungen zu bevorzugen. Bei vollständiger Freibewitterung in maritimer Atmosphäre ohne nennenswerte Luftverunreinigungen ist das Korrosionsrisiko für fortschreitende örtliche Korrosion gering, wenn die Wirksumme mindestens einen Wert von 23 erreicht. Eine zu Beginn der Auslagerung häufig beobachtete geringfügige, oberflächige Lochkorrosion kommt in der Regel nach 1-2 Jahren vollständig zum Stillstand. Konstruktive Spalte, wie z.B. im Bereich von Befestigungsmitteln, die der freien Bewitterung ausgesetzt sind, haben eine geringere Korrosionsneigung als gleiche Spaltanordnungen, die vor direkter Bewitterung geschützt sind. Nichtrostende Duplexwerkstoffe mit Wirksummen ab 25 zeigen in maritimer Atmosphäre ein sehr gutes Korrosionsverhalten. Über einen Beobachtungszeitraum von 5 Jahren konnte im Vergleich zu klassischen Austeniten kein erhöhtes Risiko bzgl. Spaltkorrosion festgestellt werden. Mit Hilfe elektrochemischer Untersuchungen kann das Korrosionsverhalten auch unter atmosphärischen Bedingungen gut eingeschätzt werden. So besteht nur ein sehr geringes Korrosionsrisiko, wenn in einer Prüflösung mit 3 g/l Chlorid mit einem pH-Wert von 4,5 das Lochkorrosionspotential oberhalb von 400 mV (NHE) liegt. Mittels elektrochemischer Messungen kann ein abweichendes Korrosionsverhalten unterschiedlicher Chargen des gleichen Werkstoffes, z.B. durch Verunreinigungen oder Ausscheidungen, zuverlässig ermittelt werden.
Der Übersichtsvortrag vermittelt Kenntnisse zu den Grundlagen der Korrosion metallischer Werkstoffe für das KKS Grundlagenseminar für erdverlegte Anlagen und Stahlbetonbau zur Vorbereitung auf die Zertifikatsprüfung DIN EN 15257. Diese Kenntnisse bilden die Grundlage zum Verständnis der Beeinflussung von Korrosionssystemen durch die Anwendung kathodischer Schutzmaßnahmen.
Korrosion vermeiden durch:
- geeignete Werkstoffauswahl, Legierungszusammensetzung
- fehlerfreie, ggf. zertifizierte Halbzeuge
- gleichmäßige Elementverteilung, Vermeidung von Ausscheidungen
- geeignete Umformung, wenig Wärmeeinbringung
- fein bearbeitete möglichst glatte Oberflächen
- gute schweißtechnische Verarbeitung, Entfernung von Anlauffarben
- geeignete mechanische Bearbeitung (Schleifen, Strahlen)
- chemische Nachbehandlung (Beizen, Passivieren)
- Grundreinigung, angepasste Unterhaltsreinigung
Eine der wesentlichsten Veränderungen der im Oktober 2015 erschienenen Neufassung der DIN EN 1993-1-4 findet sich im Anhang A „Werkstoffauswahl und Dauerhaftigkeit“. Im Gegensatz zur Vorgängerversion ist dieser Anhang jetzt normativ. Mit Hilfe eines Punktesystems, das die wichtigsten Einwirkungsparameter der relevanten Expositionsbedingungen berücksichtigt, wird eine Korrosionsbeständigkeitsklasse ermittelt, mit deren Hilfe man eine geeignete Legierung auswählen kann. Dieses Verfahren bietet eine zuverlässige Methode für Planer auch ohne spezielle Kenntnisse auf dem Gebiet der Korrosion bzw. der nichtrostenden Stähle. Die Arbeit geht auch auf Unterschiede sowie Gemeinsamkeiten mit der bisher in Deutschland gültigen allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung Z-30.3.6 ein.
Metallene Konstruktionswerkstoffe reagieren infolge ihres thermodynamisch instabilen Zustandes mehr oder weniger stark mit Stoffen aus der Umgebung. Eine große Rolle bei diesen Reaktionen spielt das Feuchtigkeitsangebot an der Metalloberfläche, welches nicht zwingend mit einem sichtbaren Wasserfilm einhergehen muss. An der Atmosphäre bilden sich an sauberen Metalloberflächen bei etwa 80 % relativer Luftfeuchte, bei versalzten Oberflächen auch schon ab etwa 25 % r. F., Feuchtfilme aus. Im Feuchtfilm laufen grundsätzlich die gleichen elektrochemischen Reaktionen ab, wie diese von wässrigen Medien bekannt sind. Dabei geht das Metall zunächst in Ionenform und in nachgelagerten Reaktionen in einen thermodynamisch stabilen Zustand in Form unterschiedlichster Oxid- und Hydroxidverbindungen über. Die so entstehenden Korrosionsprodukte können im Feuchtigkeitsfilm begrenzt löslich oder unlöslich sein und lagern sich auf den Oberflächen der Konstruktionswerkstoffe häufig als feste Korrosionsprodukte ab bzw. wachsen dort auf. Je nachdem wie die Korrosionsprodukte strukturell zum Untergrund passen, können sich dichte, sehr gut haftende Schichten ausbilden oder poröse, dicke Schichten ohne nennenswerte Haftung aufwachsen. Wachsen dichte, porenfreie Schichten mit guter Haftung auf, die im umgebenden Medium unlöslich sind, wird die weitere Auflösung des Metalls stark gehemmt. Man spricht dann von der Ausbildung schützender Deckschichten bzw. von Passivschichten auf welcher der Korrosionsschutz und damit die Dauerhaftigkeit vieler Konstruktionswerkstoffe beruhen. Kaesche bezeichnete die Passivität sehr treffend als „optimalen Grenzfall des Korrosionsschutzes durch Schichten von Korrosionsprodukten“. Aus technischer Sicht hält Kaesche eine Unterscheidung von Deckschichten bzw. Passivschichten für nicht zwingend erforderlich, da beide die Korrosionsgeschwindigkeit in gleichem Maß herabsetzen können. Die Übergänge zwischen den meist dickeren und dadurch sichtbaren Deckschichten und den meist dünnen, nicht sichtbaren Passivschichten sind fließend.
Metallene Konstruktionswerkstoffe reagieren infolge ihres thermodynamisch instabilen Zustandes mehr oder weniger stark mit Stoffen aus der Umgebung. Eine große Rolle bei diesen Reaktionen spielt das Feuchtigkeitsangebot an der Metalloberfläche, welches nicht zwingend mit einem sichtbaren Wasserfilm einhergehen muss. An der Atmosphäre bilden sich an sauberen Metalloberflächen bei etwa 80 % relativer Luftfeuchte, bei versalzten Oberflächen auch schon ab etwa 25 % r. F., Feuchtfilme aus. Im Feuchtfilm laufen grundsätzlich die gleichen elektrochemischen Reaktionen ab, wie diese von wässrigen Medien bekannt sind. Dabei geht das Metall zunächst in Ionenform und in nachgelagerten Reaktionen in einen thermodynamisch stabilen Zustand in Form unterschiedlichster Oxid- und Hydroxidverbindungen über. Die so entstehenden Korrosionsprodukte können im Feuchtigkeitsfilm begrenzt löslich oder unlöslich sein und lagern sich auf den Oberflächen der Konstruktionswerkstoffe häufig als feste Korrosionsprodukte ab bzw. wachsen dort auf. Je nachdem wie die Korrosionsprodukte strukturell zum Untergrund passen, können sich dichte, sehr gut haftende Schichten ausbilden oder poröse, dicke Schichten ohne nennenswerte Haftung aufwachsen. Wachsen dichte, porenfreie Schichten mit guter Haftung auf, die im umgebenden Medium unlöslich sind, wird die weitere Auflösung des Metalls stark gehemmt. Man spricht dann von der Ausbildung schützender Deckschichten bzw. von Passivschichten auf welcher der Korrosionsschutz und damit die Dauerhaftigkeit vieler Konstruktionswerkstoffe beruhen. Kaesche bezeichnete die Passivität sehr treffend als „optimalen Grenzfall des Korrosionsschutzes durch Schichten von Korrosionsprodukten“. Aus technischer Sicht hält Kaesche eine Unterscheidung von Deckschichten bzw. Passivschichten für nicht zwingend erforderlich, da beide die Korrosionsgeschwindigkeit in gleichem Maß herabsetzen können. Die Übergänge zwischen den meist dickeren und dadurch sichtbaren Deckschichten und den meist dünnen, nicht sichtbaren Passivschichten sind fließend.
Im Vortrag werden Ergebnisse des gleichnamigen AiF Forschungsvorhabens gezeigt, 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 mittels Oberflächenanalytik untermauert.
Durch eine breite Beteiligung von Schleifmittelherstellern, -anwendern und wissenschaftlichen Einrichtungen im projektbegleitenden Ausschuss (PA) konnte der vielschichtige Themenkomplex „Schleifen“ im Kontext zu den Projektzielen umfassend untersucht werden. Es wurden praxisrelevante Parameterfelder definiert, die eine erfolgreiche Aufklärung der Projektfragestellung ermöglichten.
Im Zuge der Untersuchungen wurde ein signifikanter Einfluss beim Einsatz von Granulatschleifbändern auf das Korrosionsverhalten geschliffener Oberflächen festgestellt. Damit zeigten geschliffene Oberflächen regelmäßig eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit als Oberflächen, die mit sonst gleichen Parametern mit einlagig gestreuten Bändern bearbeitet wurden.
Die durch einige Untersuchungsergebnisse aus vorangegangenen AiF-Vorhaben ursprünglich verfolgte These, dass Unterschiede in der Korrosionsbeständigkeit auf die Kornart der Schleifmittel Korund bzw. SiC zurückzuführen ist, konnte nur bedingt bestätigt werden. Bei den systematischen Untersuchungen innerhalb dieses Projektes erwies sich der Einfluss der Kornart im Vergleich zum Einfluss des Schleifbandtyps (Granulat bzw. einlagig gestreutes Korn) als weniger relevant.
Durch weiterführende Untersuchungen konnten auf Oberflächen, die mit Granulatschleifbändern bearbeitet wurden, große Materialaufplattungen aus Eigenmaterial festgestellt werden. Das Eigenmaterial wird dabei im Schleifprozess zunächst abgetragen und aufgrund der Topografie des Schleifbandes zeitweise auf den Bändern festgehalten. Später lösen sich diese Materialanhäufungen vom Band ab und können prozessbedingt durch Wärme- und Krafteinwirkung auf den bearbeiteten Oberflächen aufgeplattet werden. Durch REM und KorroPad Untersuchungen ließen sich Bereiche mit solchen Eigenmaterialaufplattungen eindeutig als wesentliche Ausgangspunkte für Korrosionsprozesse identifizieren. Das aufgeplattete Material ist stark verformt, thermisch beeinflusst und bildet eine Spaltgeometrie zur Bauteiloberfläche aus. Diese Veränderungen führen zur Störung der Passivschichtausbildung in diesen Bereichen und verursachen damit eine erhöhte Korrosionsanfälligkeit der Oberflächen.
Durch gezielte Nachbearbeitungsprozesse ist es möglich, die Eigenmaterialaufplattungen von den Oberflächen zu entfernen. Im Rahmen des Vorhabens wurde dazu eine Nachbearbeitung mittels Schleifvlies geprüft, die zu einer Entfernung der Eigenmaterialaufplattungen und damit zu einer Wiederherstellung der erwarteten Korrosionsbeständigkeit führte. Wird der Endschliff von Oberflächen mit einlagig gestreutem Korn ausgeführt, sind ebenfalls keine korrosionsrelevanten Materialaufplattungen zu erwarten.
Die in einem vorhergehenden AiF Vorhaben IGF 17136 N/1 entwickelte Methode der KorroPad-Prüfung konnte auch hier erfolgreich für die Untersuchung der Auswirkung unterschiedlicher Prozessparameter auf die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen eingesetzt werden. Zudem erwies sich das EPR-SL-Verfahren als ein weiterer Ansatz, um die Passivschichtstabilität verschieden geschliffener Oberflächen vergleichend untersuchen zu können.
Mit den nun vorliegenden Erkenntnissen können kmU künftig durch Anpassungen und Optimierung von Schleifprozessen eine gute Korrosionsbeständigkeit der bearbeiteten Oberflächen sicherstellen. Die Optimierung der Prozessparameter und -schritte kann durch den Einsatz der KorroPad-Prüfung Inhouse erfolgen und somit die laufende Fertigung im Rahmen der Qualitätsprüfung überwacht und dokumentiert werden.