Area 2 – Korrosion

Korrosion ist ein allgegenwärtiges Phänomen mit hoher Bedeutung für die Wirtschaft, da jedes Jahr Werte von ca. 5% des BIP durch Korrosion zerstört werden. Besonders bei sicherheitskritischen Strukturen wie Brücken ist ein genaues Verständnis zur Verhinderung von Korrosion wichtig. Korrosionsforschung hat daher eine hohe Relevanz für Wirtschaft und Gesellschaft.

Korrosion von metallischen Werkstoffen tritt bevorzugt unter Bedingungen auf in welchen ein leitender Stoff in Kontakt mit einem korrosiven Medium gebracht wird. Unter solchen Umständen können an der Oberfläche elektrochemische Reaktionen ablaufen, die dazu führen, dass der Stahl angegriffen wird. Im schlimmsten Fall ist die Funktion des Bauteils nicht mehr gegeben und es kann zum Totalausfall des Bauteils kommen.

CEST beschäftigt sich seit seiner Gründung im Jahre 2000 intensiv diesen Fragen, insbesondere mit der Aufklärung von Korrosionsmechanismen als auch mit der Entwicklung von neuen Beschichtungen sowohl organischer als auch anorganischer Natur (z.B. ZnCr-Legierungsschichten auf verzinktem Stahl, plasmaelektrolytisch hergestellte Schichten auf Aluminium oder Titan). Die Entwicklung von effizienten und umweltfreundlichen Verfahren für den Korrosionsschutz hilft Kosten zu sparen und ist von größter Wichtigkeit für Sicherheit, Gesundheits- und Umweltschutz. Insbesondere der Ersatz von schwermetallhaltigen oder umweltbelastenden und giftigen Oberflächenbehandlungen von Metallen, zum Beispiel die Suche nach Alternativen zu Chrom(VI)-Konversionsschichten, ist eine große Herausforderung.

Zur Untersuchung von Korrosionsprozessen kommen am CEST sowohl bewährte Techniken, wie z.B. elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) oder Salzsprühtests als auch neuartige Methoden (wie Korrosionsdetektion durch künstliche Intelligenz) zum Einsatz.

Dabei sind wir nicht nur in der Forschung tätig, sondern sind auch Partner für Unternehmen auf dem Thema Korrosion. Wir führen Korrosionstests gemäß der Normen durch, untersuchen Schadensfälle und stehen unseren Kunden gerne zur Seite, wenn es um notwendige Maßnahmen zur Vorbeugung und Detektion von Korrosion geht.

Zu einigen Thematiken haben wir in den letzten Jahren eine besondere Expertise aufgebaut:

KORROSION VON EDELSTÄHLEN

Edelstähle sind Werkstoffe, auf denen viele Technologien der heutigen Welt aufgebaut sind. Ein Werkstoff der herausragende mechanische Eigenschaften besitzen kann, wie eindrucksvoll anhand von einigen Bauwerken in den Hauptstädten der Welt zu sehen ist. Allerdings ist er ebenfalls einer, der wie jeder andere dem natürlichen Zerfall der Zeit ausgesetzt ist.Dabei sind nicht alle Stähle gleich. Ihre Beständigkeit gegenüber korrosiven Angriffen hängt sehr stark von der Legierungszusammensetzung ab, was sich auch in ihrem Preis widerspiegelt.Durch elektrochemische Experimente werden natürliche Umgebungsbedingungen nachgebildet und die Art des korrosiven Versagens identifiziert. Dadurch ist es zum Beispiel möglich gezielt Gegenmaßnahmen einzuleiten, um das Bauteil vor weiteren korrosiven Angriff zu schützen.

WASSERSTOFFVERSPRÖDUNG

Die Rolle des atomaren Wasserstoffs bei der Materialschädigung (Wasserstoffversprödung) ist ein wichtiges Phänomen, welches insbesondere bei AHSS (Advanced High Strength Steels – hochfester Stahl) auftritt. Die Eintragung des Wasserstoffs in die Stahlproben erfolgt entweder elektrochemisch oder durch (atmosphärische) Korrosionsprozesse. Darüber hinaus können mittels Kelvinsonden-Rasterkraftmikroskopie (SKPFM) Diffusionswege des Wasserstoffs in der Mikrostruktur des Stahls visualisiert werden. Da schon eine sehr niedrige Konzentration von nur einem ppm Wasserstoffversprödung auslösen kann, sind hochempfindliche Messtechniken nötig, um Wasserstoff in Metallen zu detektieren. Aktuelle Technologien wie Kelvinsonden, Devanathan–Stachurski-Zellen sowie eine Thermal Desorption Mass Spectrometry (TDMS) zur quantitativen Wasserstoffanalyse und verschiedene Oberflächenanalytikverfahren stehen dafür zur Verfügung.

IN-SITU-METHODEN

Korrosionsprodukte, die durch atmosphärische Korrosionsprozesse unter Einfluß diverser Umweltfaktoren, wie z.B. SO₂ oder CO₂, auf metallischen Proben entstehen, können mittels polarisationsmodulierter Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (PM-IRRAS) untersucht werden. Durch eine Kopplung der Methode an eine Quarzmikrowaage können darüber hinaus geringste Masseänderungen beobachtet werden.Neben dem Einsatz bestehender Methoden, steht die Entwicklung neuer pH/O₂/H₂/…-Mikrosensoren für den Einsatz in der Scanning Electrochemical Microscopy (SECM), welche tiefgreifende, ortsaufgelöste Einblicke in den Ablauf von Korrosionsvorgängen bieten kann, im Vordergrund der aktuellen Forschung.

HOCHTEMPERATURKORROSION:

Elektrochemische Untersuchungsmethoden zur Bestimmung des Oxidations- und Korrosionsverhalten von Metallen und Legierungen werden bei erhöhter oder hoher Temperatur nur spärlich eingesetzt. Eine zuverlässige Methode am CEST (gemeinsam mit der TU Wien) ist die Hochtemperatur-Zyklovoltammetrie (HT-CV), die einen sowohl einfachen als auch gut etablierten Zellaufbau für solche Untersuchungen mitbringt. Oxidations- und Korrosionsraten konnten damit exakt bestimmt werden. Die Werkstoffe können anhand dieser Resultate einem Ranking unterzogen und die Besten unter ihnen weiteren Studien zugeführt werden.Eine wertvolle und ergänzende Methode zur Charakterisierung von Oxidschichten auf diesen Werkstoffen ist die konfokale Raman Spektroskopie. Raman Large Area Scans von oxidierten Oberflächen haben eine erfolgreiche Identifikation von unterschiedlichen Oxiden inklusive ihrer strukturellen Ordnung möglich gemacht. Damit kann unter anderem der Zusammenhang zwischen Oxidschichtaufbau eines Werkstoffes und den HT-CV-Ergebnissen detailliert diskutiert werden.