Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Die Korrosionsbeständigkeit und die Dauerhaftigkeit von Zink und Zinküberzügen an der Atmosphäre sind direkt mit der Bildungs- und Auflösungskinetik von schützenden Deckschichten aus festhaftenden Korrosionsprodukten verknüpft. Bei einem optimalen Zusammenwirken und einer günstigen Abfolge von atmosphärischen Einflussfaktoren bilden sich gut schützende, bei Feuchtigkeitszutritt nahezu unlösliche Deckschichten aus. Art und Eigenschaften der gebildeten Deckschichten hängen dabei insbesondere von den Luftinhaltsstoffen der Einsatzumgebung sowie von spezifischen Temperatur-Feuchte-Zyklen ab. Dabei besteht das Problem, dass sich die klimatischen Bedingungen und infolge auch die Deckschichtbildungsreaktionen bei Zink an der Atmosphäre im Laufe der letzten Jahrzehnte stark geändert haben.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die systematische Untersuchung und Beschreibung von Korrosions- und Deckschichtbildungsvorgängen bei Reinzink unter den aktuell in der Bundesrepublik Deutschland vorherrschenden klimatischen Bedingungen. Die Untersuchungen zielen in ihrer Gesamtheit auf das Hinterfragen aktueller und die Etablierung neuer Betrachtungsweisen zur Deckschichtbildung bei Reinzink unter atmosphärischen Korrosionsbedingungen ab und sollen damit einen wesentlichen Beitrag für das Verständnis des Korrosionsschutzes durch Zink und Zinküberzüge liefern. Dabei wurde der Fokus insbesondere auf das Anfangsstadium der Deckschichtbildung gelegt. Eine systematische Untersuchung dieses Zeitraums, der von sehr reaktiven Deckschichten geprägt ist, wurde erst durch den gezielten Einsatz gelartiger Elektrolyte ermöglicht.
Die Untersuchungen und Ausführungen im Vortrag belegen, dass verfügbare Modellvorstellungen zur Beschreibung der Deckschichtbildung und Korrosion von Zink unter aktuellen atmosphärischen Bedingungen in Europa nicht mehr gültig sind und neu bewertet werden müssen. So können beispielsweise bisher verfügbare Prognosemodelle den Korrosionsfortschritt nicht mehr ausreichend beschreiben, da durch die Verringerung des Schwefeldioxidgehaltes der Luft veränderte Mechanismen vorliegen.
Messsystemanalyse („Ringversuch“) zu WIPANO-Vorhaben „GELELEK“ – Zusammenfassung der Ergebnisse
(2021)
Im Rahmen des WIPANO-Vorhabens „GELELEK“ wurde ein Ringversuch durchgeführt, bei dem ca. 20 Teilnehmer aus Wirtschaft und Forschung teilnahmen. Dabei wurde eine neuartige elektrochemische Messung von Zinkoberflächen durchgeführt, welche an der BAM entwickelt und für industrielle Anwendung optimiert wurde. Dabei diente ein an der BAM geschriebener Normvorschlag als Anleitung. In dem Vortrag werden die Ergebnisse und Auswertungen der Messdaten vorgestellt.
Der Vortrag behandelt die Grundlagen der Korrosion sowie einzelene Aspekte von Korrosionsschutzmethoden. Weiterhin werden Themen wie Bimetallkorrosion und Spaltkorrosion erläutert. Es werden passivierbare Werkstoffe und deren Eigenschaften im Hinblick auf einen korrosionsschutzgerechten Einsatz vorgestellt.
Ein neuer Ansatz bei elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen kann durch den Einsatz von gelartigen Elektrolyten als Alternative zu wässrigen Prüfelektrolyten beschritten werden. Gelartige Elektrolyte ermöglichen minimalinvasive Untersuchungen an natürlich gebildeten Zinkdeckschichten. Dadurch können korrosionsrelevante Kennwerte ermittelt werden, die Aussagen zur Deckschichtbildung und zur Stabilität von atmosphärisch gebildeten Deckschichten erlauben. In diesem Beitrag wird anhand verschiedener Untersuchungen an Reinzink der Mehrwert von gelartigen Elektrolyten für die Korrosionsforschung und -prüfung verdeutlicht. Darüber hinaus werden neue Erkenntnisse zur Deckschichtbildung von Zink unter atmosphärischen Bedingungen vorgestellt.
Ein neuer Ansatz bei elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen kann durch den Einsatz von gelartigen Elektrolyten als Alternative zu wässrigen Prüfelektrolyten beschritten werden. Gelartige Elektrolyte ermöglichen minimalinvasive Untersuchungen an natürlich gebildeten Zinkdeckschichten. Dadurch können korrosionsrelevante Kennwerte ermittelt werden, die Aussagen zur Deckschichtbildung und zur Stabilität von atmosphärisch gebildeten Deckschichten erlauben. In diesem Beitrag wird anhand verschiedener Untersuchungen an Reinzink der Mehrwert von gelartigen Elektrolyten für die Korrosionsforschung und -prüfung verdeutlicht. Darüber hinaus werden neue Erkenntnisse zur Deckschichtbildung von Zink unter atmosphärischen Bedingungen vorgestellt.
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.
Bei Betrachtungen zur Lebensdauer von Metallbauteilen im Bauwesen müssen Korrosions- und Runoff-Vorgänge an der Atmosphäre als verschiedene Reaktionen unterschieden werden. Korrosion ist der Prozess, der von elektrochemischen Reaktionen an der Grenzfläche Metall/Patina kontrolliert wird. Runoff dagegen wird durch chemische Reaktionen an der Grenzfläche Patina/Atmosphäre begünstigt. Mit zunehmender Bewitterungszeit nimmt die Korrosionsgeschwindigkeit stetig ab, während postuliert wird, dass die Geschwindigkeit des Runoffs über die gesamte Zeit konstant bleibt. Dieses Verhalten des Runoffs muss aber zunehmend bezweifelt werden. Die Gesamtmenge an abgezehrtem Metall beinhaltet zwei Bestandteile. Ein Teil wird in die Schicht aus Korrosionsprodukten eingebaut, der andere wird aufgrund von Niederschlägen aus der Patina gelöst. Aus diesem Grund ist die Menge an Zink-Runoff stark abhängig von den Eigenschaften der Korrosionsprodukt- bzw. Patinaschicht und nicht anhand der Zusammensetzung des Metalls abschätzbar. Vorhandene Modelle können die Menge an Runoff, und damit verbunden die Abzehrung einer Schicht aus Zink und Kupfer, sowie den resultierenden Eintrag von Schwermetallionen in die Umwelt nicht mehr darstellen und erklären. Um den Korrosionsschutz an Bauwerken zum einen dauerhaft unter Beachtung von Kostenaspekten und Ressourcenschonung und zum anderen unter ökologischen Gesichtspunkten auslegen zu können, müssen deshalb neue wissenschaftliche Grundlagen erarbeitet und die Mechanismen beschrieben werden.
Das BAM-Forschungsvorhaben RUNOFF widmet sich den Fragestellungen. Der Vortrag gibt einen kurzen Überblick zum Forschungsvorhaben.
Der Vortrag stellt ein neuartiges Korrosionsprüfverfahren für Zinküberzüge auf Basis gelartiger Elektrolyte vor und führt die Vorteile gegenüber konventionellen Prüfverfahren auf. Basierend auf den Ergebnissen wird die Idee für einen IGF-Projektantrag in Kooperation mit dem Fraunhofer IKTS vorgestellt.