Einfluss plasmadiffusionsbasierter Oberflächenmodifikationen auf das Korrosionsverhalten und den Kontaktwiderstand rost- und säurebeständiger Stähle - KoKorost

• Antragsteller: Professor Dr. Günter Bräuer; Dr.-Ing. Holger Hoche
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461793459

Die klimaneutrale Gewinnung von Wasserstoff sowie die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger in Brennstoffzellen stellen die Zukunftstechnologien gegen den durch fossile Energieträger beschleunigten Klimawandel dar. Hier finden insbesondere austenitische rost- und säurebeständige (RS-) Stähle zunehmende Beachtung in der Forschung und Entwicklung im Hinblick auf alternative Werkstoffe für Bipolarplatten in der Polymerelektrolytmembran (PEM)-Elektrolyse. Gerade austenitische RS-Stähle bieten ein enormes Potenzial zur Volumeneinsparung und der Erhöhung der Effizienz im Vergleich zu graphitbasierten Bipolarplatten und stellen gleichzeitig eine wirtschaftliche Alternative zu den teuren Titan- oder Nickelwerkstoffen dar. Dem gegenüber steht allerdings ein hoher Grenzflächenkontaktwiderstand (ICR) aufgrund der Passivschichtbildung des im Stahl gelösten Chroms, welche die hohe Korrosionsbeständigkeit der RS-Stähle bewirkt. Die Bildung dieser korrosionsbeständigen, isolierenden Passivschicht wird maßgeblich durch die Kombination der einzelnen Legierungselemente der RS-Stähle bestimmt. Die Reduzierung des ICR erfordert daher geeignete Randschichtbehandlungen der RS-Stähle. Empirische Forschungsarbeiten zeigen für plasmanitrierte RS-Stähle im Vergleich zu den unbehandelten Varianten eine signifikante Verringerung des elektrischen Oberflächenwiderstandes und weisen dabei vergleichbare oder sogar bessere Korrosionsbeständigkeiten auf. Daraus ist zu schließen, dass für nitrierte RS-Stähle andere Mechanismen des Korrosionsschutzes gelten, als es bei der korrosionsschützenden, elektrisch isolierenden Passivschicht bei den unbehandelten Stählen der Fall ist. Da die bereits seit Langem etablierte Plasmanitrierung austenitischer Stähle primär auf eine Verbesserung des Verschleißverhaltens bei Erhalt der positiven Korrosionseigenschaften abzielte, existieren heute keine mechanismenbasierten Erkenntnisse oder Modellvorstellungen, welche die für die Leitfähigkeit nitrierter RS-Stähle zum Tragen kommenden physikochemischen Wirkmechanismen beschreiben. Diese Wissenslücke muss mittels entsprechender Grundlagenforschung geschlossen werden, um das enorme Potenzial plasmadiffusionsbehandelter RS-Stähle zur Nutzung in der Wasserstofftechnologie zu erschließen. Das Grundlagenwissen um die bis hin zur atomaren Ebene ablaufenden Vorgänge der Randschichtkonstitution und Schichtwiderstandsbildung plasmanitrierter austenitischer RS-Stähle erfordert die Kombination moderner elektrochemischer und mikrostruktureller Charakterisierungsmethoden mit entsprechenden Simulationsmodellen.Dieser Forschungsbedarf wird im beantragten Projekt aufgegriffen, indem der Einfluss chemischer, mikrostruktureller und atomarer Eigenschaften der durch Plasmanitrieren randschichtmodifizierten austenitischen RS-Stähle auf die resultierenden elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften auf Basis werkstoffanalytischer und rechnerischer Verfahren analysiert und mechanismenbasiert beschrieben wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen