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Korrosion

 

 

CEST beschäftigt sich seit seiner Gründung im Jahre 2000 intensiv mit Fragen der Korrosionsforschung, insbesondere mit der Aufklärung von Korrosionsmechanismen als auch mit der Entwicklung von neuen Beschichtungen sowohl organischer als auch anorganischer Natur (z.B. ZnCr-Legierungsschichten auf verzinktem Stahl, plasmaelektrolytisch hergestellte Schichten auf Aluminium oder Titan). Die Entwicklung von effizienten und umweltfreundlichen Verfahren für den Korrosionsschutz hilft Kosten zu sparen und ist von größter Wichtigkeit für Sicherheit, Gesundheits- und Umweltschutz. Insbesondere der Ersatz von schwermetallhaltigen oder Umwelt belastenden und giftigen Oberflächenbehandlungen von Metallen, zum Beispiel die Suche nach Alternativen zu Chrom(VI)-Konversionsschichten, ist eine große Herausforderung.

 

 

Im Forschungsbereich Korrosion werden gemeinsammit unseren Industriepartnern alternative Korrosionsschutzkonzepte entwickelt und zur industriellen Reife geführt. Neben der Entwicklung von Messmethoden zur Untersuchung von Korrosionsprozessen, kommen am CEST bewährte Techniken, wie z.B. elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) oder Salzsprühtests zum Einsatz.

 

 

CEST know - how im Bereich der Korrosionsforschung

 

a) Korrosion von Edelstählen

Edelstähle sind Werkstoffe, auf denen viele Technologien der heutigen Welt aufgebaut sind. Ein Werkstoff der herausragende mechanischen Eigenschaften besitzen kann, wie eindrucksvoll anhand von einigen Bauwerken in den Hauptstädten der Welt zu sehen ist. Allerdings ist er ebenfalls einer, der wie jeder andere dem natürlichen Zerfall der Zeit ausgesetzt ist, auch bekannt unter dem Begriff Korrosion.

Korrosion tritt bevorzugt unter Bedingungen auf, an welchen ein leitender Stoff, in unserem Fall der Stahl selbst, in Kontakt mit einem korrosiven Medium gebracht wird. Unter solchen Umständen können an der Oberfläche elektrochemische Reaktionen ablaufen, die dazu führen, daß der Stahl angegriffen wird. Im schlimmsten Fall ist die Funktion des Bauteils nicht mehr gegeben und es kann zum Totalausfall des Bauteils kommen.

Nicht alle Stähle sind gleich.  Ihre Beständigkeit gegenüber korrosiven Angriffen hängt sehr stark von der Legierungszusammensetzung ab, was sich auch im Preis von den Stählen wiederspiegelt.

Durch elektrochemische Experimente werden die natürlichen Umgebungsbedingungen weitgehend nachgebildet und die Art des korrosiven Versagens identifiziert. Dadurch ist es zum Beispiel möglich gezielt Gegenmaßnahmen einzuleiten, um das Bauteil vor weiteren korrosiven Angriff zu schützen.

 

 Stück Edelstahl

 

b) Wasserstoffversprödung

Die Rolle des atomaren Wasserstoffs bei der Materialschädigung (Wasserstoffversprödung) ist ein wichtiges Phänomen, welches insbesondere bei HSS (Schnellarbeitsstahl) auftritt. Die Eintragung des Wasserstoffs in die Stahlproben erfolgt entweder elektrochemisch oder durch (atmosphärische) Korrosionsprozesse. Durch enge Kooperation mit der Johannes-Kepler-Universität Linz können darüber hinaus mittels Kelvinsonden-Rasterkraftmikroskopie (SKPFM) Diffusionswege des Wasserstoffs in der Mikrostruktur des Stahls visualisiert werden.  Da schon eine sehr niedrige Konzentration von nur einem ppm Wasserstoffversprödung auslösen kann sind hochempfindliche Messtechniken von Nöten, um den Wasserstoff in Metallen zu detektieren.  Aktuelle Technologien wie Scanning Kelvin probe, Devanathan–Stachurski Methode und Elektronenmikroskope stehen und dafür zur Verfügung.

                                                                                                                                                                                  

 Kelvinsondenmessung

Kelvinsonde: Die Oberflächenscans zeigen den Effekt des am Palladium beschichteten Stahls  durch lokale Korrosion entstehenden Wasserstoffs auf die Kontaktpotentialdifferenz verursacht durch einen Salzwassertropfen. Dort wo Wasserstoff  durch die Stahloberfläche permeirt bildet sich Palladiumhydrid, welcher zu einer Verringerung der Kontaktpotentialdifferenz führt.    

 

c) In-situ-Methoden

Korrosionsprodukte, welche durch atmosphärische Korrosionsprozesse unter Einfluß diverser Umweltfaktoren, wie z.B. SO2 oder CO2, auf metallischen Proben entstehen, können mittels polarisationsmodulierter Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (PM-IRRAS) untersucht werden. Durch eine Kopplung der Methode an eine Quarzmikrowaage können darüber hinaus geringste Masseänderungen beobachtet werden.

Neben dem Einsatz bestehender Methoden, steht die Entwicklung neuer pH/O2/H2/…-Mikrosensoren für den Einsatz in der Scanning Electrochemical Microscopy (SECM), welche tiefgreifende, ortsaufgelöste Einblicke in den Ablauf von Korrosionsvorgängen bieten kann, im Vordergrund der aktuellen Forschung.

 

PM-Irras

 

d) Hochtemperaturkorrosion:

Elektrochemische Untersuchungsmethoden zur Bestimmung des Oxidations- und Korrosionsverhalten von Metallen und Legierungen werden bei erhöhter oder hoher Temperatur nur spärlich eingesetzt. Eine zuverlässige Methode am CEST / an der TU Wien ist die Hochtemperatur-Zyklovoltammetrie (HT-CV), welche einen sowohl einfachen als auch gut etablierten Zellaufbau für solche Untersuchungen mitbringt. Oxidations- und Korrosionsraten konnten damit exakt bestimmt und die Werkstoffe aufgrund dieser Resultate einem Ranking sowie die Besten unter ihnen weiteren Studien zugeführt werden.

Eine wertvolle und ergänzende Methode zur Charakterisierung von Oxidschichten auf diesen Werkstoffen ist die konfokale Raman Spektroskopie. Raman ‚Large Area Scans‘ von oxidierten Oberflächen haben eine erfolgreiche Identifikation von unterschiedlichen Oxiden inklusive ihrer strukturellen Ordnung möglich gemacht. Damit kann unter anderem der Zusammenhang zwischen Oxidschichtaufbau eines Werkstoffes und den HT-CV Ergebnissen detailliert diskutiert werden.

 

 Raman_Hochtemperatur

 

e) Forschungsbereich Klebeverbindungen

Die Untersuchung von Haftungsmechanismen von Klebstoffen wie Epoxiden und Polyurethanen auf metallischen Oberflächen, auch unter Einwirkung von Korrosion, bilden einen wichtigen Schwerpunkt in der Forschung am CEST Standort Linz. Durch die zunehmende Komplexität von metallischen Überzügen stoßen altbewährte Klebstoffsysteme oft an ihre Grenzen. Daher ist es von großer Wichtigkeit, die Wechselwirkungen oxydischer Metalloberflächen mit Klebstoffen und organischen Beschichtungen grundlegend zu verstehen. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen bereits im Vorfeld im Zuge der Entwicklung, die Klebeeignung von neuen Oberflächen zu beurteilen.

Auftragsforschung