DD150081A1

DD150081A1 - Verfahren zur herstellung korrosionsbestaendiger schichten oder metallischer werkstoffe

Info

Publication number: DD150081A1
Application number: DD22023980A
Authority: DD
Inventors: Werner Schatt; Dietmar Rahner; Hartmut Worch; Wolfgang Forker
Original assignee: Werner Schatt; Dietmar Rahner; Hartmut Worch; Wolfgang Forker
Priority date: 1980-04-07
Filing date: 1980-04-07
Publication date: 1981-08-12

Abstract

Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur gezielten Herstellung korrosionsbestaendiger Schichten oder metallischer Werkstoffe. Aufgabe der Erfindung ist es, die Elemente anzugeben, die zur Herstellung korrosionsbestaendiger Schichten oder metallischer Werkstoffe in jedem Fall erforderlich sind, und wenigstens eine Anwendung zu zeigen. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz durch Legieren, Diffusion oder Beschichtung Elemente in den Grundwerkstoff auf seine oder in seine Oberflaeche ein- bzw. aufgebracht werden, wie z.B. auszer den bisher bekannten Elementen Cr, Ni, Mo, W auch z.B. B, N, P, C, As, S, deren Ionen > gleich + 3-wertig sind und die mit dem Korrosionsmedium einen Gitterkomplex mit einem Radienverhaeltnis r&indA! (zulegiertes Element/Zentralion) zu r&indX! (koordinierte Liganden) < 0,732 bilden. Vorzugsweise kann die korrosionshemmende Wirkung der angegebenen Legierungselemente durch Zusaetze von Netzwerkbildnern wie z.B. Ca, Zn, Mg, Be, Ni, Cu erhoeht werden.

Description

Verfahren zur Herstellung korrosionsbeständiger Schichten oder metallischer Werkstoffe

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung korrosionsbeständiger Schichten oder metallischer Werkstoffe.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Metalle und Legierungen können am ökonomischsten vor Korrosion geschlitzt werden, v/enn sich auf ihnen natürlicherweise eine festhaftende Schutzschicht ausbildet· Es wird unterschieden zwischen dem aktiven Korrosionsschutz durch Legierungsbildung und dem passiven Korrosionsschutz durch Beschichtungen. Die Wirksamkeit des Korrosionsschutzes hängt von den Eigenschaften und der Haftfestigkeit der gebildeten Schichten ab. Der wirkungsvollste Korrosionsschutz wird dann erreicht, wenn sich selbstregenerierende Passivschichten/ Oxidschichten ausbilden.

Auf empirischem Wege wurde bisher bereits eine Vielzahl von Einzellösungen gefunden, z. B. Stähle, X5CrNi18.10, X5CrNiMo18.11_s X10Cr13, X1OCrAH3, Aluminiumlegierungen AlMn, Kupfer-Nickel-Legierungen CuNiIOFe, Bronzen, Messinge oder Schutzschichten aus anorganischen, nichtmetallisch anorganischen, metallischen oder organischen Überzügen.

Mit diesen Lösungen wird ein guter und sehr guter Korrosionsschutz erreicht. Die Elemente Cr, Ni, Mo, Co, W gelten allgemein als Legierungszusä'tze, die die Passivität fördern. Sie sind jedoch auch sehr teuer. Außerdem sind alle bisherigen Einzellösungen ausschließlich empirisch ermittelt worden, da die Ursachen für die selbsttätige Ausbildung besonders stabiler Passivschichten bisher nicht bekannt sind.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur gezielten Herstellung korrosionsbeständiger Schichten oder metallischer Werkstoffe.

Darlegung des V/esens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Elemente anzugeben, die zur Herstellung korrosionsbeständiger Schichten oder metallischer Werkstoffe in jedem Fall erforderlich sind, und wenigstens eine Anwendung zu zeigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß durch Legieren, Diffussion oder Beschichtung Elemente in den Grundwerkstoff auf seine oder in seine Oberfläche ein- bzw. aufgebracht werden, wie z. B. außer den bisher bekannten Elementen Cr, Ni, Mo, W auch z. B. B, N, P, C, As, S, deren Ionen 2 + 3-wertig sind und die mit dem Korrosionsmedium einen Gitterkomplex mit einem Radienverhältnis r. (zulegiertes Element/Zentralion) zu r^- (koordinierte tiganden)<0,732 bilden. Vorzugsv/eise kann die korrosionshemmende Wirkung der angegebenen Legierungselemente durch Zusätze von Netzwerkbildnern v/ie z. B, Ca, Zn, Mg, Be, Ni, Cu erhöht wird.

Es wurde gefunden, daß die Kationen der genannten Elemente auf Grund ihrer Ionenradien und Ladungen in der Lage sind, bestimmte Plätze innerhalb der tridymitähnlichen Struktur des an der Metalloberfläche adsorbierten Wassers einzunehmen. Sie verdrängen die Wasserstoffionen (Protonen) аиз der Wasserstruktur (Deprotenierung). Ез entsteht eine festhaftende, die Korrosion weitgehend hemmende Oxidschicht.

Bisher wurde unter Passivität der Zustand verstanden, in dem das Metall trotz Zunahme der thermodynamischen Reaktionsaffinität eine stark verringerte Korrosionsgeschwindigkeit zeigt. Jetzt kann die Passivität richtiger- bzw· vollständigerweise als ein Zustand metallischer Oberflächen definiert werden, der sich einstellt, weim in die Struktur des adsorbierten V/assers Kationen eintreten, die bei gleichzeitiger Deprotenierung des Wassers die Bildung einer Oxidschicht, die die Metalloberfläche vom Korrosionsmedium trennt, bedingen.

Die in das an der Metalloberfläche adsorbierte Wasser eintretenden Kationen können entsprechend ihrem Durchmesser nur bestimmte Plätze innerhalb der tridymitähnlichen Wasserstruktur einnehmen. Im Falle des Eisens sind dies in der Regel Oktaederplätze. Die Tetraederplätze bleiben wegen des zu geringen Raumangebotes vom Eisen unbesetzt. Die Ladung des unter üblichen Bedingungen dreiwertigen Eisens reicht nicht aus, um die Wasserstoffionen vollständig aus der Wasserstruktur zu verdrängen und damit eine Oxidschicht zu bilden. Es bildet sich vielmehr die bekannte Oxid-Hydrat-Struktur (Rost). Die Kationen der o. g» Elemente können hingegen auch die Tetraederplätze besetzen.

Damit wurde nachträglich eine Erklärung gefunden, wodurch viele anerkannte Korrosionsschutzlösungen ihre Wirksamkeit erlangen. Weiterhin wird es möglich, gezielt weitere, vor allem auch billigere Korrosionsschutzlösungen zu finden.

Eine Anwendung besteht in der Phosphierung von vorzugsweise Stahl, insbesondere normalem Baustahl, wobei das Phosphierungsmedium aus Phosphaten, vorzugsweise Ammonium- Calciumx^nd/oder Natriumhydrogenphosphat, und aus Reduktionsmitteln, vorzugsweise Oxide und Karbide, z., В. AIpO., und/oder SiC, besteht und die Phosphierung unter reduzierenden Bedingungen, vorzugsweise in H₂-Atmosphäre, bei einer Temperatur von 200 - 2000⁰G, vorzugsweise 900⁰C, abläuft.

Ausführungsbeispiel

Eine гаіѣ Phosphor zu legierende Baustahloberfläche wurde mit einer Mischung aus 40 Gew. Teilen (I¹IH₄) ₀ HPO₄ und 60 Gew. Teilen A^Oo-Pulver umgeben und in einer.Hp-Atmosphäre auf eine Temperatur von 900⁰C, 3 ii erhitzt. Die Werkstücke werden im Ofen abgekühlt. Nach dieser Behandlung bildete sich eine aus Phosphiden, im wesentlichen P bestehende Schicht mit einer Dicke von 150 um.

Unter atmosphärischen Auslagerungsbedingungen (Stadtatmosphäre Dresden) wurde nach sechswöchiger Auslagerungszeit keine Rostentwicklung und auch keine Gewichtsänderung festgestellt.

Aufgenommene Stromdichte-Potential-Kurven in wäßriger InHpSO, v/eisen im Gegensatz zu unbehandelten Proben eine deutliche Abnahme der Korrosionsgeschwindigkeit aus. (s. Fig. 1)

Claims

Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Herstellung korrosionsbeständiger Schichten oder metallischer Werkstoffe, gekennzeichnet dadurch, daß durch Legieren, Diffusion oder Beschichtung Elemente in den Grundwerkstoff auf seine oder in seine Oberfläche ein- bzw. aufgebracht v/erden, wie z. B· außer den bisher bekannten Elementen Cr, Ni, Mo, W auch z. B. B, N, P, C, As, S, deren Ionen ^; + 3-wertig sind und die mit dem Korrosionsmedium einen Gitterkomplex mit einem Radienverhältnis Гд (zulegiertes Element/Zentralion) zu r_x (koordinierte kiganden)^ 0,732 bilden.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die korrosionshemmende V/irkung der angegebenen Legierungselemente durch Zusätze von Netzwerkbildnern wie и. В. Ca, Zw, Mg, Be, Ni, Cu erhöht wird.

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein Werkstück aus vorzugsv/eise Stahl phosphiert v/ird ·

4. Verfahren nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Phosphierungsmedium aus Phosphaten, vorzugsweise Ammonium-. Calcium- und/oder ITatriurnhydrogenphosphat, und aus Reduktionsmitteln, vorzugsweise Oxide und Karbide, z. B. AIgOo und/oder SiC, besteht und die Phosphierung unter reduzierenden Bedingungen, vorzugsweise in Hp-Atmosphäre, bei einer Temperatur von 200 - 2000⁰C, vorzugsweise 300 C, abläuft.

iSaiis Zeichnungen