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Werkstoffe
(2014)
Für die Realisierung des in der Produktentwicklung entstandenen Produkts in der Fertigung steht heutzutage eine Vielzahl moderner Werkstoffe zur Verfügung. Ein Werkstoff ist ein Stoff, der mit der Absicht einer technischen Verwendung hergestellt wird. Werkstoffe sind feste Stoffe und grenzen sich von flüssigen Stoffen wie beispielsweise Treibstoffen und Schmierstoffen ab. Eine Einteilung der Werkstoffe in verschiedene Gruppen kann auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise nach dem Einsatzgebiet, der Art der chemischen Bindung oder dem inneren Aufbau.
Hartstoffbeschichtungen werden heutzutage in vielen praktischen Bereichen zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit und aus dekorativen Gründen auf verschiedenste Stahlbauteile aufgebracht. Beim unvermeidlichen Kontakt mit einem umgebenden wässrigen Medium über Schichtporen und-fehler sind die beschichteten metallischen Substratwerkstoffe jedoch der Gefahr lokaler Korrosion ausgesetzt, was mittel-oder langfristig zum Funktionsverlust der Bauteile führen kann. Ein neuartiger Ansatz zur Veränderung der mechanisch-technologischen, optischen sowie elektrochemischen Eigenschaften hartstoffbeschichteter Bauteile ist der Einbau des Elements Magnesium in den physikalisch abgeschiedenen Überzug (z.B. TiN). Untersuchungen von Fenker et al., die die Charakterisierung dieser neuartigen TiMgN-Überzüge zum Ziel hatten, konnten zeigen, dass sich mit zunehmenden Mg-Gehalt die Farbe des Überzugs von dem typischen goldgelb des TiN über violett, blau bis hin zu metallisch grau verändert und weiterhin die Oxidationsbeständigkeit deutlich gesteigert wird. Weiterhin zeigte sich in 24-stündigen neutralen Salzsprühtest, dass sich die Korrosionsbeständigkeit der mit TiMgN beschichteten Stähle mit steigendem Mg-Gehalt deutlich verbessern und die Korrosion des Stahlsubstrats zeitlich verzögert wird. Ausgehend von diesen phänomenologischen Beobachtungen wurden drei verschiedene Arbeitshypothesen über die elektrochemische Wirkungsweise des Magnesiums im TiMgN-Schichtsystem entwickelt, die ursächlich für die verbesserte Korrosionsbeständigkeit seien können. Die drei Arbeitshypothesen sind: · Potentialanpassung: Das Mg verringert das Freie Korrosionspotential der Schicht, welches sich dem des Stahlsubstrates annähert, womit Lochkorrosion verhindert bzw. verzögert wird. · Galvanische Anode/Opferanode: Das elektrochemisch unedlere Mg in dem Schichtsystem geht bei Vorhandensein von freiliegendem Fe bevorzugt in Lösung und schützt so den Stahl als galvanische Anode. · Versiegeln kleiner Schichtdefekte: Ausgefallene Korrosionsprodukte von Mg verschließen vorübergehend Schichtdefekte und verhindern bzw. verzögern das Vordringen des Korrosionsmediums zum Stahl.
Der Anteil von Polymeren als Funktions- und Konstruktionswerkstoffe in dauerhaften medizinischen Anwendungen steigt beständig. Derartige Materialien müssen den mechanischen, biologischen und chemischen Bedingungen im Körper widerstehen (u.a. Abrieb, Hydrolyse, Degradation) und gleichzeitig gut verträglich sein. Der sichere Einsatz von polymeren Materialien erfordert die Kenntnisse über ihre Langzeitstabilität unter verschiedenen äußeren Bedingungen. Diese sind nicht nur beeinflusst durch die unmittelbare Umgebung in vivo, sondern auch durch die Historie der verwendeten Materialien. Dazu zählen u. a. erhöhte Temperaturen unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre während der Verarbeitung oder die Exposition von ionisierender Strahlung oder reaktiven Radikalen während der Sterilisation.
Auf dem Gebiet des mechanischen Fügens ist eine rege Entwicklung zu verzeichnen. Der Einsatz neuer Materialien, neuer Nietformen, neuer Schutzschichten, veränderter Fertigungstechnologien, die Notwendigkeit zur Mischbauweise, veränderte mediale Belastungen, geforderte Langzeitgarantien usw. lassen vielfältige alte und neue Fragen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit auftreten. Herkömmliche Korrosionsprüfverfahren geben oft nur unzureichende Antworten auf diese Fragen. Mit dem Einsatz des elektrochemischen Rauschens ist es möglich, in kurzer Zeit aussagekräftige Ergebnisse über Material- und Bauteileigenschaften zu erhalten, da eine Metalloberfläche ständig Signale über ihren Zustand aussendet, auch wenn man nicht misst. Neben der Möglichkeit, die Korrosionsneigung zu bestimmen, lassen sich über die Rauschmessungen auch bestimmte Verarbeitungsfehler und Oberflächendefekte nachweisen. Die Anwendung dieser Methode bietet somit Möglichkeiten zur Prozessoptimierung und Qualitätssicherung mechanisch gefügter Bauteile, oder auch zur Einschätzung bestehender Fügeverbindungen.
Translated Abstract
Application of noise measurement for the early detection of corrosion property of mechanical joined metal sheets
In the area of mechanical joining an active development is to be registered. The use of new materials, new rivet forms, new protective layers, changed production technologies, use of mixed materials, changed medial loads, demanded long-term guarantees etc. let arise various old and new questions regarding the corrosion resistance. Conventional corrosion testing methods often give only insufficient answers to these questions. With the use of the electrochemical noise it is possible to receive meaningful results over material and construction characteristics within a short time since a metal surface constantly sends signals over its condition, even if one does not measure. Apart from the possibility of determining the probability of corrosion also certain processing errors and surface defects can be proven with noise measurements. Thus the application of this method offers possibilities for the process optimization and quality assurance of mechanically joined construction units, or also for the estimation of existing joining connections.
Auf dem Gebiet des mechanischen Fügens ist eine rege Entwicklung zu verzeichnen. Der Einsatz neuer Materialien, neuer Nietformen, neuer Schutzschichten, veränderter Fertigungstechnologien, die Notwendigkeit zur Mischbauweise, veränderte mediale Belastungen, geforderte Langzeitgarantien usw. lassen vielfältige alte und neue Fragen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit auftreten. Herkömmliche Korrosionsprüfverfahren geben oft nur unzureichende Antworten auf diese Fragen. Mit einer neuen Methode (Rauschdiagnostik) ist es möglich, in kurzer Zeit aussagekräftige Ergebnisse über Material- und Bauteileigenschaften zu erhalten. Hierbei macht man sich die Tatsache zu Nutze, dass eine Oberfläche, gleichgültig ob man misst oder nicht misst, ständig kleinste Strom- und Spannungsimpulse generiert, die bei richtiger Messung und Interpretation wertvolle Aussagen liefern. Neben der Möglichkeit, die Korrosionsneigung zu bestimmen, lassen sich über diese Messungen auch bestimmte Verarbeitungsfehler und Oberflächendefekte nachweisen. Die Anwendung dieser Methode bietet somit Möglichkeiten zur Prozessoptimierung und Qualitätssicherung mechanisch gefügter Bauteile, oder auch zur Einschätzung des Zustandes von Fügeverbindungen in der Praxis.
Bei der Qualitätsbewertung von Schneidwaren aus nichtrostenden martensitischen Chrom-Stählen stellt die Überprüfung der Korrosionsbeständigkeit ein wichtiges Kriterium dar. Allgemein üblich sind Wechseltauchversuche mit relativ hohem zeitlichem und auswertungsbedingtem Aufwand, die noch dazu zerstörend sind und teilweise fragwürdige Ergebnisse liefern. In den letzten Jahren wurden neue Ansatze der Prüfung geschaffen, die eine nahezu zerstörungsfreie Kurzzeit-Korrosionsprüfung erlauben. Es wird gezeigt, dass mit dem elektrochemischen Rauschen sehr empfindlich Einflüsse des Härtens und der Oberflächenbehandlung auf die Korrosionsbeständigkeit nachgewiesen werden können, wodurch eine schnelle und objektive Qualitätsbewertung innerhalb des Fertigungsprozesses und der Endkontrolle von Produkten möglich ist. Das für die Prüfmethodik ausgenutzte Phänomen des elektrochemischen Rauschens zielt darauf ab, den Beginn der Korrosion empfindlich und schnell zu detektieren, ohne die Prüfbedingungen maßlos zu verschärfen und Produkte damit zu zerstören. Neben der Funktionalität der Prüfung stehen aber auch die Anwenderfreundlichkeit und somit die Akzeptanz bei den Herstellern im Vordergrund. Aus diesem Grund wurde zusätzlich ein Indikatortest (KorroPad) als praxistaugliche Alternative zum elektrochemischen Rauschen angewendet. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung beider Methoden und ermöglichen eine effektive betriebliche Qualitätsüberwachung von Schneidwaren.