Korrosionsschutz für Magnesiumknetlegierungen durch ultraschallgestütztes Wachstum von selbstheilenden Oxidschichten

Einführung in die Fragestellung

Magnesium ist mit etwa 1.94 % das achthäufigste
Element auf der Erde. Es hat ein sehr hohes Festigkeits-Gewichtsverhältnis und
eine um 1/3 geringere Dichte als Aluminium. Als spezifisch leichtester
metallischer Konstruktionswerkstoff werden Magnesiumlegierungen häufig für den
Leichtbau in Automobil- und Luftfahrtindustrie, als auch für
Unterhaltungselektronik eingesetzt. Aufgrund der starken Korrosionsneigung ist
der Einsatzbereich aber bislang stark eingeschränkt und von einer geeigneten
Oberflächentechnologie abhängig, die für den Korrosionsschutz sorgt. Um die
Widerstandsfähigkeit dieser Legierungen gegenüber atmosphärischen Bedingungen
zu erhöhen, besteht ein Bedarf nach innovativen Beschichtungen mit verbessertem
Korrosionsschutz und Selbstheilungseigenschaften. 

Ziel des Projekts

Im Rahmen des hier beantragten Projekts soll eine neuartige Oberflächentechnologie für den Korrosionsschutz von Mg-Legierungen entwickelt werden, welche durch Ultraschall-Unterstützung schützende Oxidschichten mit selbstheilenden Eigenschaften generiert und sich durch Kosteneffizienz und Umweltverträglichkeit auszeichnet.

Im Zuge des IGF-Vorhabens 358 ZN ist den Antragstellern bereits die Verkapselung von Inhibitoren in mesoporösen SiO₂-Partikeln und deren elektrophoretische Einbettung in Anodisierschichten auf AZ31 ansatzweise gelungen. Im Rahmen des beantragten Projekts soll nun eine Weiterentwicklung der nanotechnologischen Verfahren und eine Übertragung auf die Einbindung in durch Ultraschalleinwirkung erzeugte Oxidschichten erfolgen. Für den US-Einsatz sind die optimalen Parameter (Frequenz, Leistung, Zeit, Abstand usw.) zu ermitteln. Die Nanofaser-verstärkten Schichten sollen in Bezug auf Korrosionsschutzwirkung und Adhäsionseigenschaften grundlegend sowie anwendungsbezogen charakterisiert und bewertet werden.

Ergebnisse

Zunächst wurde das Substrat (Magnesiumknetlegierung AZ31) vorbehandelt. Die einzelnen Schritte umfassten hierbei Schleifen, Entfetten, Beizen und das anschließende Aktivieren der Oberfläche, um für die nachfolgende Beschichtung eine definierte Oberfläche zu erzeugen.

Die Herstellung einer schützenden Mischoxidschicht mittels Ultraschall erfolgte aus einer wässrigen Ce(NO₃)₃-Lösung. Diese wurde verwendet, da Cer(III) einen literaturbekannten Inhibitor gegen die Korrosion von Magnesium darstellt. Durch Einbringung von Ultraschall in eine wässrige Lösung wird H₂O₂ in situ gebildet, welches die Abscheidung eines Mischoxids (Ce/Mg) auf der Oberfläche des Substrates bewirkt. Desweiteren wurden Halloysit Nanoröhrchen zu der wässrigen Reaktionslösung zugegeben. Diese werden während des Prozesses in die künstlich erzeugte Oxidschicht eingebaut und unterbinden durch eine mechanische Verzahnung  die Mikrorissbildung in der Oxidschicht. Dank der Einbringung von Halloysit in die durch Ultraschall erzeugte Oxidschicht ist es möglich, eine homogene,weniger rissanfällige Oxidschicht zu erzeugen, welche das Substrat vor Korrosion schützt. Die mittels Ultraschall erzeugte Oxidschicht besitzt eine zelluläre Morphologie mit einer Schichtdicke von ~ 1 µm. Im Gegensatz dazu tendieren dickere und/oder kompakte Oxidschichten dazu Risse auszubilden, wodurch die Schutzwirkung der Oxidschicht beeinträchtigt wird.

Das IGF-Vorhaben Nr. 18267 N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.