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Organisationseinheit der BAM
In the last years, new approaches for the evaluation of the corrosion resistance of martensitic stainless steels were developed, which allow nearly non-destructive as well as short-term corrosion testing. This work analyzes the sensitive influence of microstructure and surface treatment on the corrosion resistance. The effect of alloy composition and microstructure, which is always present in addition to the influence of various surface treatments will be evaluated and discussed. The corrosion behavior was investigated with conventional evaluation of the pitting potential, electrochemical potentiodynamic reactivation (EPR), electrochemical noise (EN), and the 'KorroPad' (KP) technique. EPR provided information about the passivation ability and the extent of chromium content reduction due to chromium carbide precipitation in the microstructure. The use of EN and KP aims to detect the influence of different surface treatment parameters on the corrosion resistance in a nearly non-destructive way. Furthermore the results shall demonstrate the functionality and convenience of the short-term corrosion test methods EN and KP in order to gain more acceptance within the scientific community. The results will allow the extraction of surface treatment effects on the corrosion behavior of the martensitic stainless steels 1.4116, 1.4034, and 1.4021.
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.
Die Qualität von Schneidwaren aus martensitisch nichtrostenden Stählen (MNS) hängt neben ihrer härtebedingten Schneidleistung wesentlich von ihrer Korrosionsbeständigkeit ab, die dauerhaft das hochwertige optische Erscheinungsbild gewährleisten soll. Zur Prüfung der Korrosionsbeständigkeit hat sich bei Schneidwaren aus MNS die Anwendung des Wechseltauchversuchs etabliert, dessen Ausweitung aufwendig und dessen Ergebnisse oftmals fragwürdig sind. In den letzten Jahren wurden daher neue elektrochemische Methoden entwickelt, um das Korrosionsverhalten von MNS objektiver zu bewerten. Diese neuen Untersuchungsmethoden ermöglichen eine genauere Erfassung der teilweise stark schwankenden Korrosionsbeständigkeit von MNS und bilden damit die Grundlage zur Aufklärung der Ursachen dieser Schwankungen. Im Rahmen des IGF-Vorhabens 16636 BG wurden dazu das elektrochemische Rauschen (ECR), das KorroPad und die elektrochemisch potentiodynamische Reaktivierung (EPR) eingesetzt, um die werkstoffseitigen Einflüsse der Mikrostruktur und den Einfluss der Oberflächenbearbeitung auf die Korrosionsbeständigkeit zu untersuchen. Es wurden dazu an drei weit verbreiteten MNS (1.4116, 1.4034 und 1.4021) je acht verschiedene Oberflächenzustände hergestellt und das Korrosionsverhalten untersucht. Um die dabei aufgetretenen Unterschiede im Lochkorrosionsverhalten zwischen den drei Werkstoffen zu erklären, wurde der EPR-Test eingesetzt, der lokale ChromVerarmung im Gefüge als werkstoffbedingte Ursache von Lochkorrosionsanfälligkeit nachweist. Mit der Kombination der Ergebnisse aus EPR, ECR und KorroPad war es möglich, die unterschiedliche Lochkorrosionsanfälligkeit direkt der unterschiedlich stark ausgeprägten Chromverarmung der drei MNS zuzuordnen. Der Einfluss der Chromverarmung auf die Lochkorrosionsanfälligkeit ist dabei deutlich größer als der Effekt der Oberflächenbearbeitung, der nur bei gering ausgeprägter Chromverarmung ersichtlich ist. Damit wurde gezeigt, dass nur bei Betrachtung aller Einflussgrößen sichere Aussagen zur Korrosionsbeständigkeit und zu den Ursachen der Lochkorrosionsanfälligkeit von MNS möglich sind.
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.
Im Zusammenhang mit Planungs- und Entwicklungsaufgaben, den Forderungen in Normen und Regelwerken, in betrieblichen Arbeitsanweisungen, den Vorgaben für Zulieferteile oder bei der Auseinandersetzung mit Schadensfällen stellen sich häufig Fragen zum Korrosionsschutz sowie zu entsprechenden Prüf- und Untersuchungsverfahren. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sollen z. B. eine Eignung von Werkstoffen oder Schutzsystemen unter spezifischen Einsatzbedingungen, die Dauerhaftigkeit des Schutzes, den Nachweis einer gleichbleibenden Qualität, die Vergleichbarkeit bekannter mit neuen Korrosionsschutzkonzepten oder den Wirkungsnachweis für gezielte Systemeingriffe belegen. Schnell wird deutlich, dass sich aus dem Blickwinkel verschiedener Branchen ganz unterschiedliche Anforderungsprofile ergeben, die ihren Niederschlag dann in unterschiedlichen Strategien der Prüf- und Untersuchungsverfahren finden.
Umfangreiche Untersuchungen im Vorhaben "Passivschichtstabilität" (IGF-Nr.: 15554N) haben gezeigt, dass werkstoffseitig ein breites Spektrum an produktionsseitigen Fehlern und Un-gänzen für unerwartete Korrosionserscheinungen an nichtrostenden Stählen ursächlich ist. Dazu gehören chemische Inhomogenitäten (Ausscheidungen, Aufkohlung), geometrische Oberflächenfehler (Hinterschnitte, Walzfehler) und die Ablagerung von Fremdstoffen aus dem Herstellungsprozess. Im Bereich derartiger Ungänzen wird die Passivschichtausbildung verhindert bzw. erschwert. Damit ist die erwartete Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe selbst bei geringer Korrosivität der Umgebung nicht sichergestellt, so dass ein örtlicher Korrosionsangriff auftritt. Werden solche Materialien weiterverarbeitet, kommt es in der Folge zu Schadensfällen und Rechtsstreitigkeiten. Die Schadenssummen liegen in Größen-ordnungen um 10.000 € bis hin zu mehren hunderttausend Euro. Da Stabmaterial auch als Vormaterial für die Herstellung von Befestigungsmitteln wie Dübeln und Ankern zum Einsatz kommt, sind auch sicherheitsrelevante Probleme nicht ausgeschlossen. Die zugrunde-liegenden Werkstoff- und Oberflächenfehler sind bei der Inaugenscheinnahme auch mit umfangreichen Erfahrungen nicht zu erkennen, da diese mikroskopisch klein bzw. durch das Schliffbild überdeckt sind. Erst durch metallographische Untersuchungen lassen sich die Fehler eindeutig belegen. Es fehlt deshalb ein Nachweisverfahren, mit dem die Verarbeiter Oberflächen mit erhöhter Korrosionsneigung identifizieren können, um sich vor wirtschaftlichen Folgeschäden zu schützen. Als interessanter Ansatz bzgl. der relevanten Zielgruppen hat sich eine Indikatorlösung mit Zusatz eines Aktivators erwiesen, welche durch ein Bindemittel in einen gelartigen Zustand gebracht wird. Erste Tastversuche an gezielt hergestellten korrosionsempfindlichen Oberflächen, sowie einem fehlerhaften Werkstoffzustand aus der Praxis konnten mittels dieses Tests identifiziert werden.
Untersuchung zum Einfluss von Mg auf das Korrosionsverhalten hartstoffbeschichteter Stahlsubstrate
(2015)
Martensitic stainless steels are commonly used in cutlery fabrication requiring high hardness and sufficient corrosion resistance. The heat treatment process affects the mechanical and electrochemical behavior of martensitic stainless steels due to the precipitation of chromium carbides. Depending on the heat treatment the corrosion resistance of these steels can vary strongly, and improper heat treatment parameters can lead to a weak pitting corrosion resistance. The aim of this work is to identify heat treatment parameters influencing the corrosion resistance of martensitic stainless steels by using three different electrochemical testing methods. To this purpose, five different heat treatments were applied to the alloys 1.4116 and 1.4034. In addition to the determination of the critical pitting potentials and the modified double-loop electrochemical potentiodynamic reactivation tests (DL-EPR) a new KorroPad indicator test was used assessing the pitting corrosion behavior. The results showed that all methods used were in good agreement for verifying the influence of the various heat treatment parameters on the corrosion behavior and to identify the effect of heat treatment conditions on the pitting corrosion resistance.
Der Einsatz von nichtrostenden Duplexstählen im Bauwesen findet in den letzten Jahren zu-nehmende Verbreitung. Insbesondere die Lean-Duplexstähle sind aufgrund geringerer not-wendiger Legierungszuschläge von Nickel und Molybdän eine kostengünstigere Alternative zu den jahrzehntelang etablierten austenitischen Stahlsorten. Verschiedene Korrosionsuntersu-chungen an der BAM sowie Erfahrungen aus der Anwendung konnten nachweisen, dass Lean-Duplexstähle unter verschiedenen Einsatzbedingungen ein vergleichbar gutes, in man-chen Fällen sogar besseres Korrosionsverhalten aufweisen als austenitische Referenzwerkstoffe der gleichen Korrosionswiderstandsklasse. Im Hinblick auf die technisch-mechanischen Eigenschaften konnten von der Fa. Modersohn initiierte Untersuchungen zeigen, dass unter Beachtung der gefügebedingten Einsatzgrenzen eine gute Verarbeitbarkeit und mechanische Sicherheit bei gleichzeitiger Materialeinsparung gewährleistet werden kann. Die positiven Ver-suchsergebnisse haben wesentlich zur Akzeptanz und einer damit einhergehenden Erweiterung der Einsatzgebiete dieser alternativen Werkstoffe im Bauwesen beigetragen.
Der Vortrag beschäftigt sich mit der Thematik der korrosionsschutzgerechten Verarbeitung nichtrostender Stähle. Hierbei werden Aussagen zum Thema Werkststoffauswahl,geeignete Konstruktion, geeignete Halbzeuge, die schweißtechnische Verarbeitung, die geeignete Oberflächenausführung und die richtige Prüfung von nichtrostenden Stählen gemacht.