Korrosionsschutz für Magnesiumknetlegierungen durch ultraschallgestütztes Wachstum von selbstheilenden Oxidschichten

18267 N

Bild Forschungsprojekt
Laufzeit:  01.07.2014 - 31.12.2016
Partner:  Universität Paderborn
Geldgeber:  AiF
Bearbeiter:  M.Sc. Adrian Anthes
Arbeitsgruppe:  Korrosion

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 Widerstandfähigkeit dieser Legierungen gegenüber atmosphärischen Bedingungen zu erhöhen besteht ein Bedarf nach ausgeklügelten Beschichtungen mit verbessertem Korrosionsschutz und Selbstheilungseigenschaften. Gängige Beschichtungen zum Korrosionsschutz arbeiten mit dem Schadens-Prävention-Prinzip, bei dem das Metall nur passiv vor Korrosion geschützt wird. Die nächste Generation von Beschichtungen soll nach dem Schaden-Management- Prinzip funktionieren, bei dem aus der Beschichtung durch einen externen Trigger (z.B. pH-Wert) aktiv ein Korrosioninhibitor freigesetzt wird, um eine weitere Korrosion des Metalls zu verhindern.

 

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. Der Selbstheilungseffekt soll durch die Einbettung mesoporöser Nanopartikel, welche mit korrosionsinhibierenden Substanzen beladen sind, sowie alternativ direkt durch Einbau der Inhibitoren in die wachsende Oxidschicht erreicht werden. Bei einer Verletzung der Schicht sollen in den Defekten Inhibitoren auf kontrollierte Weise freigesetzt werden und den Korrosionsprozess durch Deckschichtbildung an der Elektrolyt/Metall-Grenzfläche verhindern. Durch den Einsatz von Hochleistungsultraschall soll die Bildung einer Oxidschicht mit einstellbarer Porigkeit und Barrierefunktion erreicht werden.

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 Schichten mit den inhibitorbeladenen Nanopartikeln sollen in Bezug auf Korrosionsschutzwirkung und Adhäsionseigenschaften grundlegend sowie anwendungsbezogen charakterisiert und bewertet werden.

 

Erste Ergebnisse

Zunächst wurde das Substrat (Magnesiumknetlegierung AZ31) vorbehandelt. Die einzelnen Schritte umfassten hierbei Schleifen, Entfetten, Beizen und das anschließende Passivieren 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 funktionalisierte single-walled carbon nanotubes (SWCNT) zu der wässrigen Reaktionslösung zugegeben. Diese werden während des Prozesses in die künstlich erzeugte Oxidschicht eingebaut und unterbinden durch ihre hervorragenden physikalischen Eigenschaften eine Mikrorissbildung. CNT sind auf Grund ihrer hohen Oberflächenenergie schlecht mit polaren Lösungsmitteln benetzbar bzw. in ihnen dispergierbar, so dass sie zunächst mittels Säure- und Basenbehandlung mit Carbonsäurefunktionen funktionalisiert werden müssen. Durch die Funktionalisierung ist zudem eine einfache Beladung der Oberfläche mit weiterem Inhibitor mittels Immersion möglich. Dank der Einbringung von SWCNT in die durch Ultraschall erzeugte Oxidschicht ist es möglich, eine homogene rissfreie Beschichtung 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.

 

Zukünftige Arbeiten

Im weiteren Verlauf des Projektes sollen die erzeugten Beschichtungen mit Hilfe von verschiedenen Korrosionstests (z.B. elektrochemisch, Salzsprühtest usw.) untersucht werden. Außerdem soll versucht werden die momentan verwendeten SWCNT durch andere „faserige“ Nanocontainer (Halloysit, Bentonit uvm.) zu substituieren. Desweiteren soll die Freisetzung des Inhibitors Trigger-gesteuert erfolgen. Hierfür sollen alternierende Lagen von positiv und negativ geladenem Polyelektrolyt mittels Layer-by-Layer (LbL) Verfahren aufgebracht werden. Dadurch ist es möglich einen zweiten organischen Inhibitor (8-Hydroxychinolin) in das Polyelektrolyt-Sandwich-System einzuführen und so einen synergetischen Korrosionsschutz aus kathodischem (Cer(III)) und anodischem (8-Hydroxychinolin) Inhibitor zu erhalten.

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