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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.
The development of anti-corrosive pigments for the most diverse coating Systems is extremely time consuming and expensive, owing to the necessary climatic testing, such as testing under salt spray exposure. To accelerate work on a new zinc-free pigment with improved protection, modern, electrochemical investigation methods have been used successfully and verified using traditional tests.
Development of anti-corrosive pigments for diverse coating systems is both time-consuming and costly, due to the necessary climatic testing, such as testing under salt spray exposure. To accelerate work on a new zinc-free pígment with improved protection, modern, electrochemical investigation methods have been used successfully and verified using traditional tests.
Sixteen laboratories have performed electrochemical noise (EN) measurements based on two systems. The first uses a series of dummy cells consisting of a 'star' arrangement of resistors in order to validate the EN measurement equipment and determine its baseline noise performance, while the second system, based on a previous round-robin in the literature, examines the corrosion of aluminium in three environments. All participants used the same measurement protocol and the data reporting and analysis were performed with automatic procedures to avoid errors. The measurement instruments used in the various laboratories include commercial general-purpose potentiostats and custom-built EN systems. The measurements on dummy cells have demonstrated that few systems are capable of achieving instrument noise levels comparable to the thermal noise of the resistors, because of its low level. However, it is of greater concern that some of the instruments exhibited significant artefacts in the measured data, mostly because of the absence of anti-aliasing filters in the equipment or because the way it is used. The measurements on the aluminium samples involve a much higher source noise level during pitting corrosion, and most (though not all) instruments were able to make reliable measurements. However, during passivation, the low level of noise could be measured by very few systems. The round-robin testing has clearly shown that improvements are necessary in the choice of EN measurement equipment and settings and in the way to validate EN data measured. The results emphasise the need to validate measurement systems by using dummy cells and the need to check systematically that the noise of the electrochemical cell to be measured is significantly higher than the instrument noise measured with dummy cells of similar impedance.
Optimierung des Korrosionsverhaltens elektronenstrahlgeschweißter nichtrostender Duplexstähle
(2014)
In diesem Beitrag soll an drei anschaulichen Beispielen dargestellt werden, wie sich Verarbeitungsfehler bei nichtrostenden Stählen auf das Korrosionsverhalten auswirken und zu unerwarteten Schäden führen können. Mit Hilfe von geeigneten elektrochemischen Verfahren werden Proben von drei unterschiedlichen nichtrostenden Stählen charakterisiert. An einem martensitischen nichtrostenden Stahl wird der Einfluss der Wärmebehandlung gezeigt, da dieser besonders empfindlich auf eine falsche Parameterwahl reagiert. Mit zwei austenitischen Stahlgüten wird verdeutlicht, wie sich Gefügeinhomogenitäten, die im Verarbeitungsprozess und bei der Stahlerzeugung entstehen, auf die Passivierung und das Lochkorrosionsverhalten auswirken. Dabei wird der Oberflächenzustand bei allen Untersuchungen gleich gehalten, um eine Rückführung des Korrosionsverhaltens auf die Gefügeinhomogenitäten durch den Vergleich mit Referenzchargen zu ermöglichen.
Unter praktischen Einsatzbedingungen unterliegen die Konstruktionswerkstoffe in Anlagenkomponenten mit strömenden, feststoffhaltigen Medien, wie sie in vielen Anwendungsgebieten wie z.B. im Bereich der Erdölförderung und -Verarbeitung, der Kraftwerkstechnik sowie dem Bergbau auftreten, einer kombinierten mechanischen und korrosiven Beanspruchung. Da Bauteilschäden in den erwähnten Bereichen aufgrund der dort verarbeiteten Medien vielfach mit einer akuten Gefährdung von Mensch und Umwelt infolge des Austritts der transportierten Medien einhergehen, ist es erforderlich, genaue Erkenntnisse über das Werkstoffverhalten unter kombinierter erosiv-korrosiver Beanspruchung zu erlangen. Bisherige Standardprüfverfahren zur Untersuchung des Erosionskorrosionsverhaltens basieren üblicherweise auf der Bestimmung von Abtragsraten aus gravimetrisch bestimmten Masseverlusten unter definierten Prüfbedingungen. Unter Hochrechnung der ermittelten Abtragsraten wird versucht, Aussagen über das langfristige Werkstoffverhalten zu treffen und die voraussichtliche Betriebsdauer von Anlagenkomponenten abschätzen zu können. Durch die Ermittlung integraler Werte über die gesamte Versuchsdauer bleiben jedoch zeitliche Änderungen in den Bedingungen, wie sie unter praktischen Einsatzbedingungen zu erwarten sind, unberücksichtigt. Zudem können aus der Bestimmung von Abtragsraten unter Standardprüfbedingungen keine Rückschlüsse auf die Ursachen des Materialabtrags sowie auf mögliche Wechselwirkungen zwischen der mechanischen sowie korrosiven Beanspruchungskomponente getroffen werden. Die Entwicklung eines elektrochemisch instrumentierten Versuchsaufbaus kann hier einem Informationszugewinn im Hinblick auf die wirkenden Mechanismen unter kombinierter erosiv-korrosiver Beanspruchung generieren und somit einen entscheidenden Beitrag zur Abschätzung des langfristigen Werkstoffverhaltens unter Einsatzbedingungen und folglich auch zur Verbesserung der Bauteilsicherheit leisten.
Durch die Alkalität des Betons wird Betonstahl dauerhaft vor Korrosion geschützt. Infolge von Chlorideintrag kann dieser Schutz nicht länger aufrechterhalten werden und führt zu Lochkorrosion. Die zerstörungsfreie Prüfung von Stahlbetonproben mit 3D-CT bietet die Möglichkeit, eine Probe mehrfach gezielt vorzuschädigen und den Korrosionsfortschritt zu untersuchen. Zur Quanti-fizierung des Schädigungsgrades müssen die bei dieser Untersuchung anfallenden großen Bilddaten mit Bildverarbeitungsmethoden ausgewertet werden. Ein wesent-licher Schritt dabei ist die Segmentierung der Bilddaten, bei der zwischen Kor-rosionsprodukt (Rost), Betonstahl (BSt), Beton, Rissen, Poren und Umgebung unterschieden werden muss. Diese Segmentierung bildet die Grundlage für sta-tistische Untersuchungen des Schädigungsfortschritts. Hierbei sind die Änderung der BSt-Geometrie, die Zunahme von Korrosionsprodukten und deren Veränderung über die Zeit sowie ihrer räumlichen Verteilung in der Probe von Interesse. Auf-grund der Größe der CT-Bilddaten ist eine manuelle Segmentierung nicht durch-führbar, so dass automatische Verfahren unabdingbar sind. Dabei ist insbesondere die Segmentierung der Korrosionsprodukte in den Bilddaten ein schwieriges Problem. Allein aufgrund der Grauwerte ist eine Zuordnung nahezu unmöglich, denn die Grauwerte von Beton und Korrosionsprodukt unterscheiden sich kaum. Eine formbasierte Suche ist nicht offensichtlich, da die Korrosionsprodukte in Beton diffuse Formen haben.
Allerdings lässt sich Vorwissen über die Ausbreitung der Korrosionsprodukte nutzen. Sie bilden sich in räumlicher Nähe des BSt (in Bereichen vorheriger Volumenabnahme des BSt), entlang von Rissen sowie in Porenräumen, die direkt am BSt und in dessen Nahbereich liegen. Davon ausgehend wird vor der Korrosionsprodukterkennung zunächst eine BSt-Volumen-, Riss- und Porenerken-nung durchgeführt. Dieser in der Arbeit näher beschriebene Schritt erlaubt es, halb-automatisch Startpunkte (Seed Points) für die Korrosionsprodukterkennung zu finden. Weiterhin werden verschiedene in der Bildverarbeitung bekannte Algorithmen auf ihre Eignung untersucht werden.
Investigation on defect morphology and corrosion behaviour of TiMgN hard coatings on steel substrate
(2014)
Nitride hard coatings, such as Titanium nitride and chromium nitride coatings are widely used for applications focussing on wear protection and decorative purposes. Also these coatings are often applied on low alloyed steel substrates. The inevitable contact of the coated components with the environment through pores and coating defects bears the danger of corrosion of the steel substrate followed by further delamination of the coating and a loss of function of the component. A new attempt to increase the corrosion behaviour of those physically deposited hard coating systems is the implementation of magnesium. The positive effect of magnesium could be verified already electrochemically. Performed experiments on TiMgN have shown that corrosion resistance could drastically improved with increasing Mg content of the TiMgN up to 30 at% compared to steel substrates with applied titanium nitride hard coatings. Besides the clarification of the electrochemical and phenomenological effect of the magnesium on the corrosion behaviour, an additional aim of this work is the investigation of the coating defects, defect morphologies and their influence on the local corrosion behaviour. For this the incorporation of the magnesium and its effects on the coating material, the influence of coating growth related defects and the effect of the coating structure on the corrosion behaviour should be experimental examined by using innovative surface and material analysis methods such as FIB and TEM. Furthermore the evolution of the coating defects should be investigated by combing confocal microscopy with a new developed exposure test method using the electrochemical indication test KorroPad. The function of the KorroPad test, which was developed and patented [1] at the BAM for the detection of corrosion sensitive steel surfaces by indicating dissolution of iron ions [1], allows the detection and identification of critical coating defects for further microscopic investigation. Additional to that the KorroPad test simulates an accelerated exposure test by simultaneous absence of the disadvantages of typical short time exposure test like salt spray tests. Thus it allows a monitoring and analysis of the evolution of the critical coating defects and their influence on the local corrosion behaviour and the overall corrosion mechanisms. The results of this work should contribute to the development of new hard coatings with improved corrosion protection properties and also to a better understanding of the corrosion mechanisms of coated steel substrates.