Wachstum und Struktur von anodischen Deckschichten auf V und V-Fe-Legierungen
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurde das Passivitätsverhalten des Vanadiums und von Vanadiumlegierungen in verschiedenen pH-Bereichen untersucht. Hierbei stand die Frage im Vordergrund, ob und wie das Zulegieren von Vanadium Einfluss auf die Korrosionsstabilität des Eisens nimmt. Basierend auf den Untersuchungen am reinen Vanadium und an den binären Eisen-Vanadium-Legierungen ist im dritten Schritt eine ternäre Eisen-Chrom Vanadium Legierung (Fe75Crl5V10) studiert worden. Durch kombinierte elektrochemischen und oberflächenanalytischen Messungen in alkalischer (1.0 M NaOH) und schwach sauer Lösung (pH 5.5) konnte ein Modellbild für Deckschichten auf Vanadium entwickelt werden. Es zeigte sich, dass sich in alkalischer Lösung eine bis zu maximal 1,8 nm dünne Deckschicht ausbildet. Elektrolytseitig besteht diese Schicht aus V(OH)3, die an der inneren Phasengrenze Deckschicht/Legierung in eine V2O3-Schicht übergeht. Die Anreicherung von V(OH)3 an der äußeren Phasengrenze wurde durch winkelaufgelöste XPS Messungen ermittelt. In leicht saurer Lösung (pH 5.5) bildet sich bei ausreichend positiven Potentialen (E ≥ +0,2 V) eine V2O3-Schicht aus, deren Dicke im untersuchten Potentialbereich maximal 2 nm erreicht. Eine elektrolytseitige hydroxidische Schicht tritt nicht auf. In der alkalischen Lösung bildet sich auf der binären FeQOV10 Legierung potentialunabhängig die gleiche Deckschicht Struktur aus, die elektrolytseitig aus einer Fe(OH)2-Schicht besteht. Hieran schließt sich in Richtung der Legierung eine (Fe,V)2O3 Mischoxidschicht an, die potentialabhängig stark in ihrer Dicke variiert. An der Bildung des Mischoxides bei der Bildung der Schicht erkennt man deutlich den Einfluss des Vanadiums. Wie zeitabhängige Untersuchungen zeigten, bildet sich die Fe(OH)2-Schicht auch schon bei kurzen Präparationszeiten aus. Demgegenüber ist die Deckschicht auf Fe90V10 in schwach saurer Lösung bei pH 5.5 bei tiefen und hohen Potentialen unterschiedlich aufgebaut. Hier bildet sich bei tiefen (E ≤ +0,4 V) kein Fe(III) aus, das Eisen tritt maximal in der Oxidations stufe +2 auf. Folglich bildet sich hier auch kein (Fe,V)2O3-Mischoxid aus, die Deckschicht besteht elektrolytseitig aus Fe(OH)2, an das sich in Richtung Legierung eine V2O3-Schicht mit V(OH)3 Anteilen anschließt. Das bekannte (Fe,V)2O3-Mischoxid bildet sich erst bei ausreichend hohen Potentialen, d.h. E > +0,4 V. In diesem Potentialbereich besteht die Deckschicht an der äußeren Phasengrenze aus FeOOH. Diese Ergebnisse bildeten die Grundlage der Interpretation der Untersuchungsergebnisse an der ternären Legierung Fe75Crl5V10 in 1.0 M NaOH. An der äußeren Phasengrenze bildet sich auch hier eine dünne Fe(OH)2-Scnicht aus, an die sich eine Duplexschicht anschließt. Diese setzt sich aus einer Fe2O3-Schicht und einer (Cr,V)2O3-Mischoxidschicht zusammen. Das Vanadium bildet also in diesem Fall mit dem Chrom eine Mischoxid und nicht, wie in der binären Legierung mit dem Eisen. Die Ausbildung einer Duplexschicht konnte in allen untersuchten Potentialbereichen -0,7 V ≤ E ≤ +0,8 V nachgewiesen werden, besonders gut ausgeprägt bei hohen Potentialen. In das (Cr,V)2O3-Mischoxid ist wiederum V(OH)3 als Vorstufe zur Oxidbildung eingelagert. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Vanadium als Legierungsbestandteil mit Eisen bzw. mit Eisen-Chrom einen merklichen Einfluss auf die Struktur der Passivschicht hat, der sich in der Bildung der Mischoxide manifestiert.
Publications
- „Passivity of V and Fe90V10 in alkaline media". 4th Kurt Schwabe Corrosion Symposium, Espoo, Finnland (2004)
A. Drexler, H.-H. Strehblow
- „Passivität von Fe90V10 in alkalischer Lösung". 79. AGEF Symposium, Düsseldorf, Deutschland, 2004
A. Drexler, H.-H. Strehblow
- „Charakterisierung von elektrochemisch präparierten Deckschichten auf Vanadium, Eisen-Vanadium- und Eisen-Chrom-Vanadium-Legierungen mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)". Dissertation, Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf, 2005
A. Drexler
- „Passivity of Fe90V10 and Fe75Cr15V10 in alkaline media". Institute of Physical Chemistry - Polish academy of science , Warschau, Polen (2005)
A. Drexler, H.-H. Strehblow
- „Passivity of Fe90V10 and Fe75Cr15V10 in alkaline media". Passivity-9 - 9th International Symposium on the Passivation of Metals and Semiconductors and the Properties of Thin Oxide Layers, Paris, Frankreich (2005)
A. Drexler, H.-H. Strehblow
