Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Korrosionsprüfung
(2024)
Der Vortrag gibt einen Überblick über gängige Korrosionsversuche. Die wesentlichen Unterschiede zwischen Prüf- und Untersuchungsverfahren, deren jeweilige Zielstellung, Aussagefähigkeit und Grenzen werden aufgezeigt. Es werden ausgewählte Auslagerungsversuche, Kammerprüfungen sowie elektrochemische Messmethoden zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit vorgestellt. Anhand praktischer Beispiele werden ausgewählte Ergebnisse der einzelner Methoden vorgestellt und diskutiert.
In maritimer Exposition können Zinkbauteile Nutzungsdauern von 50 Jahren erreichen. Dabei werden Expositionen mit Spritzwasserbelastung durch Meerwasser nicht betrachtet. Normative Betrachtungen und Korrosionsprognosen basierend auf Einjahreswerten liefern hier grundlegend falsche Ergebnisse, da sie eine signifikant höhere Belastung der Atmosphäre mit SO2 voraussetzen.
Anhand der Wirksumme ist eine Abschätzung des legierungsabhängigen Einflusses auf den Korrosionswiderstand gegen chloridhaltige Medien möglich. Die berechneten Werte sind nur bei optimaler Wärmebehandlung und Verarbeitung zutreffend.
Die Anwendung einer einfachen Formel unter Berücksichtigung von Chrom, Molybdän und Stickstoff ist in der Regel völlig ausreichend. Das daraus abgeleitete Ranking von Werkstoffen ist für diverse technische Regelwerke und zur Unterstützung der Werkstoffauswahl geeignet.
Für die Warenein-/Ausgangskontrolle ist die alleinige Feststellung der Wirksumme unzureichend. Ergänzende Korrosionsuntersuchungen/-prüfungen zur Beschreibung des Korrosionswiderstandes sind dafür notwendig. Gleiches gilt für die Beurteilung von Schadensfällen. Hier sind Verarbeitung, Einsatzbedingungen und die Konstruktion von ausschlaggebender Bedeutung.
Anhand der Wirksumme ist eine Abschätzung des legierungsabhängigen Einflusses auf den Korrosionswiderstand gegen chloridhaltige Medien möglich. Die berechneten Werte sind nur bei optimaler Wärmebehandlung und Verarbeitung zutreffend.
Die Anwendung einer einfachen Formel unter Berücksichtigung von Chrom, Molybdän und Stickstoff ist in der Regel völlig ausreichend. Das daraus abgeleitete Ranking von Werkstoffen ist für diverse technische Regelwerke und zur Unterstützung der Werkstoffauswahl geeignet.
Für die Warenein-/Ausgangskontrolle ist die alleinige Feststellung der Wirksumme unzureichend. Ergänzende Korrosionsuntersuchungen/-prüfungen zur Beschreibung des Korrosionswiderstandes sind dafür notwendig. Gleiches gilt für die Beurteilung von Schadensfällen. Hier sind Verarbeitung, Einsatzbedingungen und die Konstruktion von ausschlaggebender Bedeutung.
Unter Passivität versteht man den Korrosionsschutz durch dünne, festhaftende Schichten aus Korrosionsprodukten. Für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle ergeben sich daraus zwei grundsätzliche Anforderungen.
Erstens muss sich die Passivschicht vollständig ausbilden können. Dabei sind die Oberflächenausführung, die mechanische Bearbeitung, die Elementverteilung, Ausscheidungen, die Wärmeeinbringung z.B. bei der schweißtechnischen Verarbeitung, Anlauffarben, sowie die chemische Nachbehandlung bzw. Konditionierung der Oberflächen von großer Bedeutung. Zweitens muss die Repassivierung von Defektstellen unter den Einsatzbedingungen möglich sein. Für das Repassivierungsvermögen sind die Legierungszusammensetzung, mögliche kritische Betriebszustände, prozessbedingte Besonderheiten, wie etwa Stagnationsbedingungen und Reinigungsprozesse von Bedeutung.
Das Grundproblem der heute verfügbaren und normativ geregelten Prüfverfahren für Zinküberzüge besteht neben den realitätsfernen Prüfbedingungen vor allem in der subjektiv geprägten Auswertung der Prüfergebnisse. Die systematische Betrachtung der Entwicklungen der letzten Jahre zeigt, dass die üblichen Verfahren den aktuellen Anforderungen damit schon vom Ansatz her nicht gerecht werden können und auch die bisher betriebene, fortlaufende Variation und Anpassung von Prüfbedingungen keinen grundlegend neuen Lösungsansatz bieten können. Ein solcher ergibt sich nur, wenn die Zinküberzüge hinsichtlich der kinetischen Eigenschaften der Deckschichtbildung und -auflösung umfassend beschrieben werden können, was nur durch den Einsatz elektrochemischer Untersuchungsmethoden mittels Gelelektrolyten möglich ist.
Aus diesem Grund wurde im Verbundforschungsvorhaben GELELEK auf der Basis elektrochemischer Methoden unter Verwendung eines Gelelektrolyten ein Normenvorschlag für eine Prüfnorm erarbeitet und zur Normungsreife geführt, welcher den Anforderungen an ein Messsystem für Feldanwendungen entspricht.
Im Verbundforschungsvorhaben GELELEK wurde eine gezielte Kombination von Laboruntersuchungen mit Untersuchungen im Feld und Bauteilen unter realen Einsatzbedingungen angestrebt. Randbedingungen für eine gesicherte Messung von atmosphärisch bewitterten Zinküberzügen unter Einsatz von Gelelektrolyten wurden erarbeitet und im Normenvorschlag festgeschrieben. Darüber hinaus wurde ein mobiles Messgerät für Messungen mit Gelelektrolyten an realen Bauteilen entwickelt. Nach Abschluss des Forschungsvorhabens steht Industrievertretern und Prüfinstituten ein wissenschaftlich gesichertes Messverfahren basierend auf Kennwerten zur Verfügung, um Zinküberzüge und deren momentane Schutzwirkung unter praxisrelevanten Bedingungen einschätzen und normativ geregelt prüfen zu können.
Der vorliegende Forschungsbericht gibt einen Überblick über die Motivation zur Durchführung des Forschungsvorhabens, wichtige Arbeitsschritte, Details zur entwickelten Prüfmethode sowie Einsatzmöglichkeiten für Prüfinstitute und Unternehmen.
Für Anwender nichtrostender Stähle wird im neu überarbeiteten Merkbaltt 833 eine Planungshilfe für Anwendungen nichtrostender Stähle in Erdböden gegeben. Hinweise und Empfehlungen zur Werkstoffauswahl sowie allgemeine Hinweise zum Einsatz nichtrostender Stähle und auch Anwendungsbeispiele sind im neu überarbeitetn Merkblatt enthalten.
In der aktuellen RL-SIB wie auch im Gelbdruck der Instandhaltungsrichtlinie ist bei Anwendung des Instandsetzungsprinzips W-Cl bzw. Verfahren 8.3 der Erfolg der Maßnahme durch Einbau und Messung von Korrosionsstrom-Mess-Einrichtungen nachzuweisen. Auch wird bei der Instandsetzung von chloridbelasteten Rissen bei Stahlbetonbauteilen durch Verpressen der Risse bzw. Aufbringen einer Rissbandage ein Korrosionsmonitoring empfohlen. Anerkannte Regelwerke oder Normen über Art und Aufbau des Monitoring-Systems sowie Kriterien zur Bewertung der Messergebnisse im Hinblick auf den Erfolg der Instandsetzungsmaßnahme gibt es derzeit nicht. Auch sind keine Untersuchungen zur Qualität der Messergebnisse veröffentlicht.
Ziel des Vorhabens ist die Ausarbeitung eines Regelwerks-Entwurfes für die Art und den Aufbau von Korrosionsmonitoring-Systemen sowie für Kriterien zur zuverlässigen Bewertung der Messergebnisse, mit denen der Erfolg bei verschiedenen Instandsetzungskonzepten überprüft werden kann.
Das Verhalten von Erdböden gegenüber metallenen Konstruktionswerkstoffen ähnelt in vielen Fällen der von neutralen Wässern. Der in natürlichen Erdböden vorhandene Wasseranteil bildet mit den löslichen Inhaltsstoffen eine Elektrolytlösung. Eine merkbare Korrosionsgeschwindigkeit tritt erst dann auf, wenn der Boden einen bestimmten Wassergehalt aufweist, der eine Sauerstoffdiffusion im Boden zur Oberfläche des Metalls gewährleistet. Von maßgebendem Einfluss auf die korrosionsverursachende Wirkung der Böden ist neben dem Feuchtegehalt, der die Leitfähigkeit des Bodens bestimmt, der pH-Wert. Verschiedene Bodenarten besitzen unterschiedliche Wasser- und Sauerstoffdurchlässigkeiten, sowie Unterschiede der gelösten Inhaltsstoffe wie Chloride oder Sulfate, wodurch sich das Korrosionsverhalten von Metallen in verschiedenen Böden stark unterscheidet. In der DIN 50929-3 werden Böden in vier verschiedene Bodenklassen mit Korrosionsbelastungen von sehr niedrig bis hoch unterteilt. Durch verschiedene Bodenanalysen und örtliche Gegebenheiten kann nach DIN 50929-3 zwar die Korrosivität eines Bodens bestimmt werden, jedoch ist die Reproduzierbarkeit eines Bodens (Prüfmediums) praktisch nicht möglich.
Es gibt jedoch Überlegungen, wie die Einstellung einer Bodenklasse durch Verwendung von Normsand und der Zugabe von Stoffen erzielt werden kann, wodurch die Reproduzierbarkeit eines Bodens ermöglicht wird.
Unter Passivität versteht man den Korrosionsschutz durch dünne, festhaftende Schichten aus Korrosionsprodukten. Für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle ergeben sich daraus zwei grundsätzliche Anforderungen.
Erstens muss sich die Passivschicht vollständig ausbilden können. Dabei sind die Oberflächenausführung,die mechanische Bearbeitung,die Elementverteilung, Ausscheidungen, die Wärmeeinbringung z.B. bei der schweißtechnischen Verarbeitung, Anlauffarben, sowie die chemische Nachbehandlung bzw. Konditionierung der Oberflächen von großer Bedeutung. Zweitens muss die Repassivierung von möglichen Defektstellen unter den Einsatzbedingungen möglich sein. Für das Repassivierungsvermögen sind die Legierungszusammensetzung, mögliche kritische Betriebszustände, prozessbedingte Besonderheiten wie etwa Stagnationsbedingungen und Reinigungsprozesse von Bedeutung.
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.
Forschungsprojekt zum Korrosionsverhalten von Edelstählen - BAM und VSM mit neuen Erkenntnissen
(2019)
Wie kann man verhindern, dass Edelstahl korrodiert? Und welchen Einfluss haben Kornarten und Körnungen von Schleifmitteln auf das Korrosionsverhalten? Diesen Fragen ist die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit Unterstützung der VSM AG zwei Jahre lang auf den Grund gegangen. Heute wurden im VSM Technical Center am Hauptsitz von VSM in Hannover die Ergebnisse vorgestellt. Die zentralen Erkenntnisse: Kornarten und Zusätze im Schleifmittel haben keinen Einfluss auf die Korrosion. Aber: Je feiner die Oberfläche geschliffen ist, desto besser ist der Korrosionsschutz. Dabei ist das Einhalten der Schleiffolge besonders wichtig.
Elektrochemische Messungen sind für eine moderne Korrosionsforschung und –prüfung unverzichtbar. Aus dem Verständnis der Grundlagen können durch gezielte Modifizierung der Versuchsbedingungen unterschiedliche Fragestellungen beantwortet werden, wodurch bestehende Grenzen der Anwendung immer wieder verschoben werden können. Außerhalb etablierter Anwendungen stellen Auswahl und Einsatz geeigneter Verfahren sowie die Interpretation der Ergebnisse eine anspruchsvolle Aufgabe dar, die zwingend eine ausgewiesenen Fachexpertise voraussetzen.
Anlauffarben, die beim Schweißprozess entehen machen den nichtrostenden Stahl korrosionsanfällig und müssen entfernt werden. Dafür haben sich in der Praxis unterschiedliche Methoden etabliert. Im Vortrag werden verschiedene Nachbehandlungsverfahren verglichen. Die erreichte Korrosionsbeständigkeit wird mit verschiedenen Methoden bestimmt und die Ergebnisse gegenübergestellt.
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.
Bei der Planung und Gestaltung von Konstruktionen spielt der Korrosionsschutz und eine korrosionsschutzgerechte Bauweise eine zentrale Rolle. In einigen Fällen jedoch kann es durch bestimmte Randbedingungen und Eigenschaftsanforderungen an Komponenten und Bauteilen zur Ausbildung von galvanischer Korrosion durch Korrosionselemente kommen. Eine sehr häufig auftretende Form der galvanischen Korrosion ist die Bimetallkorrosion, bei der das Korrosionselement durch die Kombination verschiedener metallener Werkstoffe gebildet wird. Unter bestimmten Einsatzbe¬dingun¬gen kann ein solches Korrosionselement zu einem signifikant erhöhten Korrosionsabtrag führen und damit die technische Sicherheit gefährden. Trotz dem Vorhandensein solcher Korrosionselemente (z.B. Mischbauweise bei Konstruktionen) lässt sich das Risiko für galvanische Korrosion durch entsprechende Planung und konstruktive Gestaltung aber auch minimieren. Die Grundlagen der galvanischen Korrosion und Einflussgrößen vor allem auf die Bimetallkorrosion werden dargestellt und deren praktische Bedeutung anhand von Beispielen verdeutlicht.
Die grundlegenden Korrosionsprozesse sind mit wenigen chemischen Formeln beschrieben, aber Korrosion ist immer eine Systemeigenschaft zwischen dem Werkstoff, dem Medium in dem er eingesetzt wird und den konstruktiven Bedingungen. Das macht es zu einem komplexen System, indem alle Einflussfaktoren ganzheitlich berücksichtigt werden müssen.
Im Vortrag werden die wesentlichen Grundlagen zum Verständnis der Korrosion metallener Werkstoffe in komprimierter Form vorgestellt. Die Herleitung und Bedeutung von Stromdichte-Potential-Kurven wird ausführlich erläutert und deren praktische Bedeutung für das Verständnis elektrochemischer Zusammenhänge bei der Korrosion herausgestellt.
Zu Sicherstellung der Korrosionsbeständigkeit sind zu beachten: geeignete Werkstoffauswahl und Legierungszusammensetzung; fehlerfreie, ggf. zertifizierte Halbzeuge; eine gleichmäßige Elementverteilung; die Vermeidung von Ausscheidungen; eine geeignete Umformung; möglichst wenig Wärmeeinbringung; eine möglichst glatte Oberflächenausführung, eine gute schweißtechnische Verarbeitung und die nachträgliche Entfernung von Anlauffarben, eine geeignete mechanische Bearbeitung (Schleifen, Strahlen); ggf. eine chemische Nachbehandlung wie Beizen, Passivieren) sowie eine ausreichende Grundreinigung und eine angepasste Unterhaltsreinigung.
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.
Determining a pore structure’s mechanical and chemical data on lime rendering exposed outdoors and including masonry in the laboratory, with regard to their behaviour on moisture transport and weathering was the objective. In search of clues for a dose-response relation - i.e. upon a connection between the emission rate of SO2 and NOx on one hand and the degree of damage to mainly plaster having a lime component on the other - it has been of interest to what extent their structural characteristics including pore space are modified and so consequently also physico-technical properties and chemical composition. For determining corresponding criteria, a widely diversified spectrum of test methods such as to obtain data concerning porosity and moisture transport, mechanical behaviour, and chemistry as well is available. A description of the manufacture of plate-shaped rendering specimens with lime putty, industrially hydrated lime and dolomitic hydrate (the last two also having a cement admixture) and also hydraulic lime as binding agents is included. First deposition velocity and absorption rate for SO2 were determined in laboratory tests on these materials in dry and moist states. After their exposure on outdoor racks at six locations in the Berlin region with differing SO2 atmospheric contents over at least 5 years, the samples of course show timedependent modifications of chemical and physical qualities which are especially reflected in the form of profiles of structure, strength and concentration, e.g. for sulphate. Local climatic differences, however, partly exert a greater influence on material than emissions. Similar investigations were performed on samples of comparable composition exposed 4 and 17 years. But the real surprise is furnished by the renderings’ behaviour depending upon orientation and upon height at a building. Since weathering behaviour and moisture Transport (absorption, storage, release) are directly interdependent, further criteria are necessary for a critical assessment of a plasters’ pore structure. Starting from sands, plasters were characterized. The structural parameters were lastly influenced by the respective contents of sand, binder and mixing water. These results and those gained from bricks naturally find their expression in masonry sections manufactured there from, and above all in their capillary and evaporative behaviours, and also when applying different test liquids. Summary and cited literature is given at the end of this report.