Verbesserte keramische Oxidschichten auf Magnesiumwerkstoffen durch Kombination von gepulster plasma-elektrolytischer Oxidation und chemischer Nanotechnologie

472ZBG

Bild Forschungsprojekt

 

Laufzeit:

 01.04.2013 - 15.08.2016
Partner:  Fraunhofer-IKTS, Dresden
Geldgeber:  AiF
Bearbeiter:  M.Sc. Dominik Tabatabai
Arbeitsgruppe:  Korrosion

Projektziel

Magnesiumlegierungen finden immer stärkere Verbreitung als Leichtbauwerkstoffe im Transportbereich. Ihre Reaktivität macht jedoch einen guten Korrosionsschutz erforderlich. Die plasma-elektrolytische Oxidation (PEO) wurde als Methode zur Oberflächenveredelung von Magnesiumlegierungen weiterentwickelt. Sie verbessert zwar die Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumwerkstoffen bereits, jedoch kann diese durch eine Versiegelung noch deutlich gesteigert werden. Nachteilig ist dabei, dass der Werkstoff dann organisch terminiert ist, was die thermische und die Verschleißbeständigkeit der Oberfläche einschränkt. Weiterhin ist die PEO mit einem hohen Energieeinsatz verbunden.

Der Einbau von keramischen Partikeln während der Anodisation kann hier eine Alternative sein. Ziel des vorliegenden Vorhabens ist somit die Entwicklung eines modifizierten, gepulsten Plasmaanodisierverfahrens in Kombination mit der Anwendung chemischer Nanotechnologie. Die Modifizierung soll dabei zu einem verminderten Energieeinsatz führen. Gleichzeitig sollen durch nanotechnologische Methoden die Eigenschaften der Plasmaanodisierschichten optimal gestaltet werden. Hieraus sollen keramische Schutzschichten mit folgenden Eigenschaften resultieren:

- anorganisch verdichtet / terminiert

- hohe Korrosionsresistenz

- selbstheilende Eigenschaften

Der innovative Charakter des Vorhabens resultiert aus der Kombination der gepulsten PEO mit der chemischen Nanotechnologie. Mit ihr sollen sich keramische Schutzschichten auf Mg-Werkstoffen mit verbesserten Eigenschaften und geringerem Herstellungsenergiebedarf erzeugen lassen. Diese sollen einen guten Korrosions- und Verschleißschutz für Magnesiumwerkstoffe gewährleisten können. Ein besonderer Innovationsgrad soll durch Integration einer Selbstheilungsfunktion im Sinne des Erhalts der Korrosionsschutzwirkung durch Freisetzung von Inhibitoren erzielt werden.

 

Bisherige Ergebnisse

Es wurde versucht, die Zusammensetzung des Anodisierbads für den PEO-Prozess in Bezug auf die Korrosionseigenschaften der resultierenden Schichten zu optimieren. Hierbei zeigte sich, dass sich ein Herabsenken des KOH-Gehalts auf bis zu 5 g/L vorteilhaft auf die Schichtmorphologie auswirkt. Anstelle einer offenen Porenstruktur treten die Poren hierbei weitgehend geschlossen auf. Die positive Auswirkung auf die Korrosionseigenschaften lässt sich anhand von potentiodynamischer Polarisation nachweisen.

Durch Versetzen des Anodisierbads mit SiO2-Nanopartikeln können diese in die anodischen Oxidschichten eingelagert werden. Durch elektronenmikroskopische Aufnahmen am Querschliff lassen sich die Nanopartikel in den Kavitäten der anodischen Oxidschicht nachweisen.

Zeolith-Nanopartikel können durch eine geläufige Kationenaustauschreaktion mit korrosionsinhibierenden Cer3+-Ionen beladen werden. Der Einbau dieser modifizierten Nanopartikel in die anodische Oxidschicht führt zu einer Verbesserung der Korrosioneigenschaften, wie sich anhand von potentiodynamischer Polarisation nachweisen lässt.

Mikroporöse SiO2-Nanopartikel lassen sich ebenfalls mit Ce3+-Ionen beladen, wenn ihre Oberfläche zuvor durch Umsetzung mit einer entsprechenden Silanyl-Verbindung mit einer Aminofunktion versehen werden. Die derart modifizierten und anschließend mit Ce3+-Ionen beladenen Partikel setzen die Kationen selektiv bei einem pH-Wert <5 frei.

 

Zukünftige Arbeiten

Zukünftige Arbeiten sollen vor allem einer effizienteren Beladung mikroporöser Nanopartikel mit korrosionsinhibierendem Ce3+ dienen. Dies soll über eine optimierte Modifizierung der Partikeloberfläche erreicht werden. Die optimierten Partikel sollen in anodische Oxidschichten eingebracht und ihre korrosionsinhibierende Wirkung elektrochemisch und anhand von Auslagerungsversuchen untersucht werden.

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Das IGF-Vorhaben Nr. 472ZBG 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.

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