Korrosion von Pt-Elektroden in Basaltglas
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Basaltfasern könnten mit ihren positiven Eigenschaften weit öfter eingesetzt werden als dies aktuell der Fall ist. Hauptgrund hierfür ist der hohe Platinverschleiß bei der Herstellung, insbesondere im Bereich der sogenannten Bushings (widerstandsbeheizte Düsenbleche, durch die die Fasern gezogen werden). Die Forschungshypothese lautete, dass die Degradation der Platinlegierungen durch Kenntnis ihrer Verschleißmechanismen in Basaltschmelzen reduziert werden kann. Zum Projektauftakt wurde ein Bushingblech nach sechsmonatigem Einsatz in der Basaltfaserherstellung untersucht. Die Platinlegierung war flächig mit einer Korrosionsrate von ca. 0,025 mm/Monat von der Basaltschmelze zersetzt worden, wobei die Platinkorrosion lokal ein größeres Ausmaß aufwies. Für die Laborversuchsreihen wurden Parameter festgelegt, die sich an typischen Bedingungen bei der Basaltfaserherstellung orientierten. Die Ursache für die Platin-Korrosionserscheinungen sind in der Basaltschmelze enthaltene polyvalente Elemente, die Redoxreaktionen eingehen und zur Legierungsbildung mit Platin führen können, die wiederum mit einer Schmelzpunkterniedrigung einher geht. Basaltschmelzen sind jedoch auch gegenüber allen Kontaktmaterialien sehr aggressiv, so dass ein Großteil der Projektlaufzeit darauf verwendet wurde, geeignete Tiegel- und Kühlprobenhaltermaterialien zu finden, um sichere Langzeitversuche gewährleisten zu können. Verwendet wurden schlussendlich dichtgesinterte Al2O3-ZrO2-SiO2-Tiegel, bei denen das Ausmaß der Fe2O3-Infiltration vergleichsweise gering ist. Die massiven wassergekühlten Kupferprobenhalter wurden zusätzlich mit dichtgesinterten Korundrohren ummantelt. Um die beim Faserziehen auftretende mechanische Beanspruchung zu simulieren, wurden Tiegel mit Basaltschmelze um die widerstandsbeheizten Platinlegierungen gedreht. Bei den Versuchen trat zunächst mechanisches Versagen der Platinproben im Bereich der Gasphase oberhalb der Basaltschmelze auf. Im Bereich der Bruchstelle konnten jedoch keine Anzeichen von Korrosion detektiert werden. Es gibt folglich Schädigungsmechanismen, die selbst mit hochauflösenden Analysenmethoden nicht untersucht werden konnten. Ein Ziel des beantragten Projektes war es, die Mechanismen der Korrosion von Platinmaterialien beim Erschmelzen von Basaltglas zu verstehen. Eisen und Schwefel wurden als für Platinlegierungen besonders schädigende Elemente identifiziert und daher in unterschiedlichen Konzentrationen (als FeS) zur Ausgangsbasaltschmelze gegeben. Die maximale Korrosionstiefe für die untersuchten Platinlegierungen korrelierte linear mit der Konzentration des zudosierten Eisens. Elemente aus der Basaltschmelze wurden in der korrodierten Platinlegierung detektiert. Eine Elementanreicherung in scheinbar nicht korrodierten Bereichen der Platinlegierung konnte ebenso wenig nachgewiesen werden, wie eine erhöhte Platinkonzentration im die Platinelektrode umgebenden (erstarrten) Basalt. Somit ist das mechanische Versagen auf Kornwachstum und nicht auf den Angriff von Eisen oder Schwefel zurückzuführen. Lokal stark unterschiedliche Korrosionsraten machen Lebensdauerprognosen für Bushings nahezu unmöglich. Mechanisches Versagen aller getesteten Platinlegierungen trat bei FeS-Zusatz entsprechend 10 gew% S in der Gesamtschmelze und darüber auf. Von IR-Spektroskopie und Thermoanalysen wurde abgesehen, weil die im Antrag vermuteten Hohlräume in den erstarrten Basaltresten nicht zu verzeichnen waren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Corrosion of Platinum Alloy Electrodes in a LiO2-Al2O3-SiO2 Melt, Glass Technology: European Journal of Glass Science and Technology Part A, Vol. 56, Number 3 (2015) 81-87
A. Schütz, R. Völkl, Marie-Christin Bölitz, U. Glatzel
