Untersuchung des Einflusses von Mg auf das Korrosionsverhalten hartstoffbeschichteter Stahlsubstrate
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Einbau von Mg in TiN-Hartstoffschichten über einen Magnetron-Sputterprozess führt zu veränderten Schichteigenschaften, wobei die deutlich gesteigerte Korrosionsbeständigkeit des Systems TiMgN auf Stahl im Fokus dieses Vorhabens stand. Es konnte im Vorhaben geklärt werden, dass Mg vermutlich ohne Ausbildung metallischer Mg-Phasen im TiMgN-Gitter gleichmäßig vorhanden ist, sich bei Kontakt mit wässrigen Elektrolyten herauslöst und dadurch drei wesentliche Korrosionsschutz- Mechanismen in Gang setzt. Bei ausreichend hohem Mg-Gehalt und ausreichend großer aktiver Schichtoberfläche wird der Stahl, freiliegend an Schicht-Defekten, durch die zunächst gegenüber Stahl negativere Lage des Korrosionspotentials kathodisch geschützt. Dieser Schutzmechanismus geht meist schnell verloren, währenddessen das hauptsächlich durch Eigenkorrosion in Lösung gehende Mg den Elektrolyten an der Phasengrenze durch Bildung von Mg(OH)2 alkalisiert. Dadurch wird der Stahl temporär weiter über einen Passivierungsprozess geschützt. Dies ist abhängig von der Geschwindigkeit der Mg-Auflösung, der Dauer der Pufferwirkung und dem Chloridgehalt. Durch die anodische Auflösung von Mg in der TiMgN-Schicht werden Chloride an den Stellen der Mg-Auflösung bevorzugt adsorbiert und dadurch vom Stahl ferngehalten. Durch hohe Mg-Gehalte sowie Erhöhung der effektiven Kontaktfläche zum Elektrolyten (größere Schichtdicke, gestrahlte Substrate, Abscheidung mit streifendem Einfall = GLAD) lässt sich der Schutz verstärken bzw. über längere Zeiten hin ausdehnen. Zur Überprüfung des Korrosionsverhaltens wurde im Vorhaben unter anderem ein spezifischer gel-artiger Elektrolyt verwendet, der lokal in Lösung gehende Fe-Ionen farblich indiziert und somit Ort und Umfang der lokalen Korrosion an den Schichten anzeigt. Damit konnte die Schutzwirkung in Abhängigkeit vom Mg-Gehalt und den Defektdichten identifiziert werden. Darüber hinaus ist die Anwendung als korrosionsdiagnostische Methode für Hartstoffschichten auf Stählen möglich und gibt den Anwendern ein robustes und einfach zu verwendendes Prüfmittel für die Qualitätssicherung in die Hand. Ein wichtiges Projektergebnis ist, dass Korrosion ausschließlich an mikroskopisch detektierbaren Schichtdefekten stattfindet, nicht aber an oft in der Literatur erwähnten interkolumnaren Poren in der ungestörten Schichtstruktur. Die untersuchten TiN- und TiMgN-Schichten sind also zwischen den Defekten ausreichend dicht für einen wirksamen Korrosionsschutz. Die per Defektmapping für jede einzelne Probe ermittelten Defektdaten erwiesen sich als essentiell für die Bewertung von Korrosionstestergebnissen. Es wurden auch deutliche Unterschiede in der Korrosionsrelevanz verschiedener Defektklassen gefunden. Einschränkend wurde allerdings festgestellt, dass Vergleiche von Proben aus zeitlich weiter auseinander liegenden Beschichtungschargen trotz Defektdaten sehr schwierig sein können, da sich, vermutlich durch verändernde Arten von Fremdpartikeln in der Beschichtungsumgebung, die Korrosionsrelevanz der Defektklassen ändern kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Untersuchungen zum Einfluss von Magnesium auf das Korrosionsverhalten von TiMgN-Hartstoffschichten auf Stahlsubstraten, Kongress: 15. Sommerkurs Werkstoffe und Fügen (2014), ISBN: 978-3-940961-85-3, S. 187-196
Müller, Thoralf; Heyn, Andreas; Balzer, Martin; Fenker, Martin
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„Corrosion protection with hard coatings on steel: Past approaches and current research efforts “, Special Issue, Surf. Coat. Technol. 257 (2014) 182–205
M. Fenker, M. Balzer, H. Kappl
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„Identification of the growth defects responsible for pitting corrosion on sputter-coated steel samples by Large Area High Resolution mapping “, Thin Solid Films 581 (2015) 99–106
M. Balzer
