Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Aufgrund guter mechanischer und chemischer Eigenschaften sowie einer hohen Biokompatibilität sind CoCrMo-Legierungen als Implantatwerkstoffe seit Jahrzehnten fester Bestandteil medizintechnischer Anwendungen. Diese Eigenschaften resultieren bekanntermaßen aus chemischer Zusammensetzung, atomarem Aufbau und dem Gefüge. Letzteres wird durch Legierungszusammensetzung, Herstellungsprozess und Wärmebehandlungen bestimmt. In der Vergangenheit wurden bereits Erkenntnisse zum Einfluss der Mikrostruktur auf mechanische bzw. chemische Eigenschaften von CoCrMo gewonnen. Ebenso wurde in der Literatur das Korrosionsverhalten von CoCrMo im Beisein von Körperflüssigkeiten betrachtet. Bisher fehlt es jedoch an vergleichenden Untersuchung, die das Korrosionsverhalten verschiedener Phasen- bzw. Gefügezustände in verschiedenen Körpermedien betrachten. In dieser Arbeit werden bei einer ausgewählten CoCrMo Legierung verschiedene Gefügezustände durch plastische Verformung und Wärmebehandlung erzeugt und vergleichend untersucht. Das Korrosionsverhalten wird anhand elektrochemischer Untersuchungen in verschiedenen körperflüssigkeitsnahen Lösungen im Vergleich zu Titan charakterisiert und der Einfluss von bestimmten Zusätzen (HCL und H2O2) ermittelt.
Ziel des Projektes ist die Qualifizierung von Duplexstählen in Tunnelbauwerken um die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu den bislang gebräuchlichen rostfreien Edelstählen 1.4404 und 1.4571 zu eruieren. Da Duplexstähle im Vergleich zu austenitischen Stählen über eine doppelt so hohe Festigkeit verfügen, können Bauteile schlanker konstruiert werden, wodurch Material eingespart werden kann. Neben der Wirtschaftlichkeit muss die Dauerhaftigkeit untersucht werden. Dazu wurden speziell konzipierte Wand- und Deckenracks mit unterschiedlichen metallenen Werkstoffen und Oberflächen hergestellt und in den Tunnelbauwerken montiert. Nach bestimmten Auslagerungszeiten von bis zu drei Jahren werden die Proben demontiert und auf ihr Korrosionsverhalten untersucht. Ein weiteres Ziel neben der Qualifizierung der Werkstoffgruppe sind die Reduktion der Instandsetzungs- und Wartungsmaßnahmen der Tunnelbetreiber.
Der Vortrag wurde im Rahmen der konstituierenden Sitzung des Arbeitskreises "Atmosphärische Korrosion" der GfKORR - Gesellschaft für Korrosionsschutz e.V. gehalten. Er stellt die zur Diskussion stehenden Fragestellungen und Herausforderungen im Bereich der atmosphärischen Korrosion zusammen, denen sich der neue Arbeitskreis widmen wird.
Mit der KorroPad-Prüfung können lochkorrosionsanfällige Oberflächenbereiche einfach, schnell und kostengünstig nachgewiesen werden. Das KorroPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter, Anwender und Forscher eine interessante Alternative zu zeitintensiven Auslagerungsversuchen und elektrochemischen Untersuchungsmethoden, die normalerweise bei der Charakterisierung nichtrostender Stähle zur Anwendung kommen. Mit der KorroPad-Prüfung können auch werkstoff- und gefügebedingte Einflussfaktoren sichtbar gemacht werden, die Lochkorrosionsanfälligkeit verursachen. Um dies zu veranschaulichen, wird die Nachweisgrenze des KorroPads an Referenzlegierungen mit abgestuftem Chromgehalt aufgezeigt. Darauf aufbauend wird dargestellt, wie die Sensibilisierung nichtrostender Stähle durch Chromverarmung mit einer gezielten Verschärfung der KorroPad-Prüfung nachgewiesen werden kann.
Ergebnisse aus dem AiF Forschungsvorhaben IGF 18823 N/1 "Optimierung von Korundschleifprozessen"
Ein Referenzwerkstoff mit einem definierten Oberflächenzustand wurde zunächst umfassend mittels elektrochemischer Korrosionsuntersuchungen, KorroPad-Untersuchungen und oberflächenanalytischer Verfahren charakterisiert. Anhand definierter Schleifversuche an diesem Referenzzustand wurden anschließend verschiedene Schleifparameter variiert, deren Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit mit den gleichen Methoden beurteilt wurden. Somit war es möglich, den Einfluss einzelner Schleifparameter auf das Korrosionsverhalten aufzuzeigen.
The collaborative project “Impacts of impurities in CO2 streams captured from different emitters in a regional cluster on transport, injection and storage (CLUSTER)” aimed to set up recommendations on how to define “reasonable minimum composition thresholds” that CO2 streams should meet when accessing CO2 transport pipeline networks. Within CLUSTER, we investigated potential impacts of CO2 streams with different and temporally variable compositions and mass flow rates along the whole CCS chain. Investigations included, amongst others, impacts on: Corrosion of pipeline steel, pipeline network design and related transport costs, alteration of well bore cements, pressure evelopment and rock integrity, geochemical reactions, and petrophysical and geomechanical rock properties.
All investigations are based on a generic CCS chain scenario. In this scenario, CO2 streams are captured from a spatial cluster of eleven emitters and collected in a regional pipeline network. Emitters comprise seven fossil fuel-fired power plants equipped with different capture technologies, two cement plants, one refinery and one integrated iron and steel plant. In total, 19.78 Mio t CO2 (including impurities) are captured in the emitter cluster annually. The combined CO2 stream is transported in a trunk line with a length of 400 km (100 km of these offshore) and is injected into five generic storage structures. The storage reservoirs are saline aquifers of the Buntsandstein.
The investigations revealed beneficial and deteriorating impacts of different impurities and combinations thereof. Overall, no fundamental technical obstacles for transporting, injecting and storing CO2 streams of the modelled variable compositions and mass flow rates were observed. Based on the results, the CLUSTER project team recommends not to define “minimum composition thresholds” for CO2 streams as strict threshold values for eachindividual impurity in the stream. Instead, CO2 stream compositions and variabilities for specific CCS projects should be constrained with regard to a set of parameters including i) the overall CO2 content, ii) maximum contents of relevant impurities or elements, iii) acceptable variability of CO2 stream composition, and iv)impurity combinations to be avoided.
According to the results of the experiments carried out, the following points can be concluded:
1. Exposure tests showed that specimens with the addition of SiO2 particles and polyaniline particles exhibit better corrosion resistance than specimens with the addition of only polyaniline particles or binder only.
2. Open circuit potential measurements showed that in the beginning of the experiments, both coatings had an open circuit potential 100 mV higher than carbon steel. Within one day of immersion, the potential of carbon steel increased significantly, indicating the formation of oxide layer. After extended exposure the carbon steel potential sat between PS1 (which had higher potential) and PS2 (which had a lower potential) and all three were in the range –600 mV to –500 mV vs Ag/AgCl.
3. Both coatings PS-1 and PS-2 were degraded with increasing exposure time, shown by the decrease of absolute impedance value at low frequency range after 2, 4, and 6 days exposure.
4. Potentiodynamic test was performed after 3 hours and 6 days exposure, and it was shown that the coating in the initial stage exhibited more passive behavior than the specimens exposed for 6 days.
Susceptibility of 304 stainless steel to crevice corrosion in electrochemically active fluids
(2019)
The susceptibility of AISI 304 stainless steel to crevice corrosion on the effect of contact with electrochemically active fluids was investigated using exposure and stepwise potentiostatic polarisation. Crevice materials made up of 304 SS and Polyether ether ketone (PEEK) forming two kinds of crevices including 304 SS-to-PEEK and 304 SS-to-304 SS were tested.
Susceptibility of 304 stainless steel to crevice corrosion in electrochemically active fluids
(2019)
The susceptibility of AISI 304 stainless steel to crevice corrosion on the effect of contact with electrochemically active fluids was investigated using exposure and stepwise potentiostatic polarisation. Crevice materials made up of 304 SS and Polyether ether ketone (PEEK) forming two kinds of crevices including 304 SS-to-PEEK and 304 SS-to-304 SS were tested.
Study of Polyaniline/Silicon Dioxide based Coating on Carbon Steel in Artificial Geothermal Brine
(2021)
By using the available resources in Indonesia, such as silicon dioxide and marine coating base, the PANI/SiO2 modified alkyd coating was able to protect carbon steel in a deaerated artificial geothermal water. The screening of coatings shows that the modification by adding individual pigment was not sufficient to protect carbon steel even during a short-term exposure, indicated by the discoloration after only seven days of exposure. Electrochemical tests indicated that there was no significant change in the Ecorr between the coated and uncoated carbon steel at room temperature. At 150 °C, the coated carbon steel has a lower potential than that of carbon steel, indicating that the coating is protecting carbon steel cathodically or slowing down the corrosion reaction. Finally, a long-term exposure test confirmed that the PANI/SiO2 modified coating successfully protects the carbon steel in the Sibayak artificial geothermal water up to 150 °C for 6 months.
Der Vortrag gibt eine Übersicht zum Stand des Projekts zum Thema Gefügeveränderung bei trockener Grobbearbeitung. Es wurden vier verschiedene trockene Oberflächenbearbeitungsverfahren an 2 Werkstoffen eingesetzt um Testoberflächen zu schaffen. Die so gefertigten Oberflächen wurden lichtmikroskopisch untersucht und die jeweiligen Rauhigkeitskennwerte bestimmt. Weiterhin wurden metallografische Querschliffe angefertigt um die verfahrens- bzw. materialabhängigen Einflüsse auf mögliche Gefügeveränderungen zu untersuchen. Zusätzlich wurden elektrochemische Polarisationsversuche durchgeführt um die oberflächenspezifische Korrosionsbeständigkeit der nichtrostenden Stahlproben zu quantifizieren.
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.
Die Korrosion in ihren zahlreichen Erscheinungsformen beschäftigt Fachleute und Laien. Um-so wichtiger ist es, die einzelnen Phänomene korrekt und eindeutig zu benennen. Nur so kann man eine saubere Beschreibung der Korrosionsvorgänge erreichen und damit in der wörtlichen und schriftlichen Kommunikation richtig verstanden werden. An zahlreichen Beispielen wird der richtige und normgemäße Sprachgebrauch beschrieben.
Der Vortrag beschreibt die grundlegenden Voraussetzungen für das Auftreten von Spannungsrisskorrosion an nichtrostenden Stählen und erläutert den Schadensmechanismus bis zum Versagen des Werkstoffs. Abgeleitet von den notwendigen Voraussetzungen für das Auftreten von SpRK werden werkstoff, medien und belastungsabhängige Einflussfaktoren erläutert, die die Beständigkeit der Werkstoffe gegenüber dieser Schädigungsart positiv wie auch negativ verändern. Weiterhin werden historische und aktuelle Schadensfälle präsentiert und Ursachen, Folgen und mögliche Fehlervermeidung disktutiert. Abschließend werden Prüfverfahren zum Nachweis der Empfindlichkeit von nichtrostenden Stählen gegenüber SpRK näher beschrieben.
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.
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.
Risiko der Wasserstoffentwicklung an martensitischen Schraubankern unter baupraktischen Bedingungen
(2020)
Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit der Fragestellung ob unter praxisrelevanten Bedingungen die Entstehung von Wasserstoff an vollmartensitischen Schraubankern möglich ist. Im Gegensatz zu austenitischen Werkstoffen besteht bei martensitischen Werkstoffen bei Gegenwart von Wasserstoff stets die Möglichkeit einer wasser-stoffinduzierten Versprödung des Materials. Hierfür wurde ein in der Praxis häufig anzutreffendes Szenario gewählt, das ein galvanisches Element, bestehend aus nichtrostenden Schraubankern (in diesem Fall martensitischen) und einer verzinkten Ankerplatte an einem Betonkörper, umfasst. Zum Nachweis einer Wasserstoffentwicklung wird der Elementstrom zwischen den Bauteilen sowie das Korrosionspotential erfasst. Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass über eine zeitlich begrenzte Dauer eine starke kathodische Polarisation der martensitischen Schraubanker durch die korrosive Auflösung des Zinks erfolgt. Als Folge kommt es zur Wasserzersetzung im Phasengrenzbereich der Schraubanker und zur Entstehung von atomarem Wasserstoff. Das berechnete Gasvolumen des entstandenen Wasserstoffs an den Stahlankern wurde bestimmt und lag im Mittel bei 11,14 ± 1,94 ml. Eine Diffusion des an der Stahloberfläche adsorbierten Wasserstoffs in den martensitischen Werkstoff ist somit theoretisch möglich und impliziert eine mögliche Gefährdung durch wasserstoffinduzierte Rissbildung und spontanem Versagen unter Belastung.
In Europe biodiesel gained from rapeseeds are considered as an alternative to common fossil fuels due to its environmental performance and its independence from import of raw materials. Biodiesel is also suitable to serve as blending component to heating oil. In that case, it must be considered that changes of fuel composition might cause material degradation.
The objective of this research was to investigate the resistance of metallic materials exposed to heating oil, heating oil blend B20 with 20 % biodiesel and pure biodiesel. Furthermore, the resistance of metals to eight-year aged B10 and six-year aged pure biodiesel was evaluated. Ageing of biodiesel forms acids and water which might propagate metal corrosion. The investigated metals (aluminium, unalloyed steel, austenitic CrNi-steel, copper, die cast zinc and brass) are commonly used for components in middle distillate facilities.
According to DIN 50905-4 the immersed metals were exposed in a climate chamber at 50°C for 4 weeks. The metallic materials were evaluated as resistant if the annual corrosion rate due to uniform corrosion remained under 0.1 mm/year and no localized corrosion in the form of pitting occurred.
The corrosion rates of the exposed materials stayed far below the limit of 0.1 mm/year for all tested fuels. An exception was die cast zinc ZP0410 in eight-year aged B10; a corrosion rate up to 0.3 mm/year due to uniform corrosion was measured. In no case localized corrosion occurred. Copper and brass caused discolouration of biodiesel from yellow to green.
In conclusion, the tested metallic materials were resistant in heating oil, heating oil blend B20 and pure biodiesel at 50 °C. Even the metals exposed to six-year aged biodiesel and eight-year aged B10 showed no uniform or localized corrosion; except for zinc, which was not resistant in eight-year aged B10.
Der Vortrag stellt die Projektskizze zum Thema Gefügeveränderung bei trockener Schleifbearbeitung vor. Das Projekt hat das Ziel, das sich aus dem Trockenschleifverfahren ergebende chemische, mechanische und thermische Belastungskollektiv in der Kontaktzone zwischen Schleifmittel und Stahloberfläche in Abhängigkeit der verwendeten Schleifparameter genau zu beschreiben und die daraus resultierenden Oberflächen- und Gefügeveränderungen zu identifizieren und zu klassifizieren.
Al2O3 coatings are often used as protective layers on steels against electrochemical and high-temperature corrosion because they are chemically inert and stable at elevated temperatures. This study presents preliminary work on the possibilities of using Al2O3 sol-gel coatings for corrosion protection of martensitic stainless steels in geothermal environments. Al2O3 sol-gel coatings were applied on UNS S42000, which is known to be susceptible to uniform and localized corrosion. The coated steel specimens were then tested in two types of artificial geothermal water, which simulate the geothermal fluids found in Sibayak (SBY), Indonesia, and North German Basin (NGB), Germany, respectively. SBY has pH 4 and 1.5 g/L of chloride ions, whereas NGB has a pH of 6 and 166 g/L of chloride ions. All experiments were carried out in autoclaves at 150 °C and 1 MPa under the deaerated condition. Evaluations were performed by investigating the surface profiles of both uncoated and coated steels before and after the corrosion test using a Laser Scanning Microscope (LSM) and Scanning Electron Microscope (SEM). Finally, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) was performed to compare the corrosion resistance of Al2O3 coated steels in SBY and NGB solutions. It was observed from the corrosion test that Al2O3 coatings are more suitable for use in the geothermal water with a higher pH.
Nickel-free, nitrogen alloyed austenitic stainless-steels, with about 19 wt.-% Mn and 0,8 wt. % N, are an interesting alternative to classic CrNi austenitic stainless steels due to their superior mechanical properties (Rm > 900 MPa, A5 > 50 %, Av > 350 J) in the solution annealed condition. The formation of chromium-rich nitrides during suboptimal heat treatment, processing or application leads to an inhomogeneous distribution of alloying elements in the microstructure, which reduces the corrosion resistance. Consequently, an accurate knowledge of the sensitization behavior is indispensable for the use of nickel-free, high-nitrogen austenitic stainless steels. The relationship between artificial aging, phase formation and corrosion resistance was investigated on the alloys X8CrMnN18-19 (1.3815) and X8CrMnMoN18-19-2 (1.4456), both alloyed with 0,8 wt.-% Nitrogen, in the present work. The microstructural evolution was studied by LM and SEM while the corrosion resistance was characterized with the electrochemical potentiodynamic reactivation (EPR) and the KorroPad indicator-test. Both alloys showed increased corrosion susceptibility within critical aging parameters. Finally, a sensitization diagram was described successfully for both alloys showing the positive effect of molybdenum.
Geothermal brine is a complex system containing a wide variety of dissolved salts resulting from the condition s in a geothermal well. These fluids lead to corrosion in pipes and other parts of geothermal system construction and necessitate intense research efforts in finding new suitable materials. Carbon steel is susceptible to corrosion in geothermal brine especially when it is exposed to a high temperature and high-pressure medium, which is considered to be an aggressive environment. An artificial geothermal water, bas ed on a brine composition found in Indonesia, was used to investigate the performance of high alloyed materials. The electrolyte has pH 4 and contains 1,500 mg/l Cl-, 20 mg/l SO4 2-, 15 mg/l HCO3 -, 200 mg/l Ca 2+, 250 mg/l K+, and 600 mg/l Na+. In order to protect the bare material in geothermal application, it is necessary to either use high alloyed material s or coatings. In this research, a coating system consisting of polyaniline and silicon dioxide was investigated regarding its behavior to protect carbon steel. In detail, the effect of SiO2 and polyaniline (PANi) addition was evaluated by exposure and electrochemical tests for 7 days, i.e. electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and open circuit potential (OCP) at room temperature and 150 °C with 1 MPa pressure.
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.
Der Vortrag behandelt die Ergebnisse des gleichnamigen IGF-Forschungsvorhabens Nr. 18823 N/1. Ziel des Vorhabens war die Untersuchung einer möglichen, negativen Beeinflussung der Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle nach einer korundbasierten Schleifbearbeitung der Oberflächen. Auf Basis der Erkenntnisse aus dem Vorhaben Regelwerke und technische Merkblätter entstehen, in denen Schleifparameter, Grenzbereiche oder auch notwendige Nacharbeiten fest-gelegt werden, die es den Unternehmen ermöglichen, mit den gegebenen Verfahren und Schleifmitteln unkritisch hinsichtlich der späteren Korrosionsbeständigkeit im Einsatzfall zu schleifen. Dies gilt in besonderem Maße für Korundschleifbänder, die in industriellen Schleifprozessen eine sehr große Bedeutung besitzen.
In diesem Vortrag werden Ergebnisse des gleichnamigen AiF Forschungsvorhabens gezeigt, die einen deutlichen Einfluss verschiedener Schleifmittel auf die Korrosionsbeständigkeit von damit geschliffenen nichtrostender Stahloberflächen belegen. Es konnten ein signifikanter Einfluss durch die Verwendung von Granulatschleifbändern festgestellt werden, der die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen drastisch reduziert. Grund sind auf der Oberfläche zurückbleibende Materialaufplattungen von Eigenmaterial aus dem Schleifprozess. Es wurden unterschiedliche Korrosionsuntersuchungen durchgeführt und mittels Oberflächenanalytik untermauert.
Carbon Capture and Storage (CCS) is identified as an excellent technology to reach the target of CO2 reduction. However, the safety issue and cost-effectiveness hinder the future of CCS. For the reliability and safety issues of injection wells, the corrosion resistance of the materials used needs to be determined.
In this study, representative low-cost materials including carbon steel 1.8977 and low alloyed steel 1.7225 were investigated in simulated pore water at 333 K and under CO2 saturation condition to represent the worst-case scenario: CO2 diffusion and aquifer fluid penetration. These simulated pore waters were made from relevant cement powder to mimic the realistic casing-cement interface. Electrochemical studies were carried out using the pore water made of cement powder dissolved in water in comparison with those dissolved in synthetic aquifer fluid, to reveal the effect of cement as well as formation water on the steel performance. Two commercially available types of cement were investigated: Dyckerhoff Variodur® and Wollastonite. Variodur® is a cement containing high performance binder with ultra-fine blast furnace slag which can be used to produce high acid resistance concrete. On the other hand, Wollastonite is an emerging natural material mainly made of CaSiO3 which can be hardened by converting to CaCO3 during CO2 injection.
The results showed the pH-reducing effect of CO2 on the simulated pore water/aquifer (from more than 10 to less than 5) leading to the active corrosion process that happened on both 1.8977 and 1.7225. Electrochemical characterization showed negative free corrosion potential and polarisation curves without passive behaviors. The tested coupons suffered from pitting corrosion, which was confirmed by surface analysis. Interestingly, basing on the pit depth measurements from the tested coupons and the hardness of cement powder, it is suggested that Variodur® performed better than Wollastonite in both aspects. The electrochemical data was compared to that resulted from exposure tests to give a recommendation on material selection for bore-hole construction.