DE1811553A1

DE1811553A1 - Rostfreies Stahlverbundmaterial

Info

Publication number: DE1811553A1
Application number: DE19681811553
Authority: DE
Inventors: Bates John Frederick
Original assignee: United States Steel Corp
Current assignee: United States Steel Corp
Priority date: 1967-11-29
Filing date: 1968-11-28
Publication date: 1969-06-19
Also published as: FR1598227A; US3536459A

Description

PATENTANWALT" Dipl.-Ing. M ARTI N L I C HT

PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN ^^Γ" REINHOLD SCHMIDT

8 MÖNCHEN 2 · THERESI ENSTRASSE 33 _.. . ....

Dipl.-Wirtsch.-Ing. AXEL HANSMANN Dipl.-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

München,den 28. November 1968

Ihr Zeichen Unier Zeichen Κβ/h I

1 ft 1 1 UNITED STATES STEEL CORPORATION '

PITTSBURGH, PENNSYLVANIA WILLIAM PENN PLACE 525 V. St. A.

Rostfreies Stahlverbundmaterial

Die Erfindung befaßt sieh mit der Verhinderung galvanischer Korrosion von Kohlenstoffstahlkörpern in Kontakt mit Gegenständen aus rostfreiem Stahl. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein neuartiges rostfreies Stahlverbundmaterial oder rostfreie Stahlzusammensetzung, die sich in den Fällen verwenden läßt, in denen eine Berührung mit Körpern aus Kohlenstoffstahl stattfindet.

Der Korrosionswiderstand und das ausgezeichnete Aussehen von rostfreiem Stahl sind anerkannt, und rostfreier Stahl wird für viele Zwecke eingesetzt, in denen sowohl der Korrosionswiderstand als auch die äußere Erscheinung eine große Rolle spielen. Gegenstände aus rostfreiem Stahl werden insbesondere weitverbreitet im Automobilbau für die äußere Verkleidung verwendet. Viele rostfreie Stähle besitzen eine ausgezeichnete Verformbarkeit und einen hohen Widerstand gegen Korrosion, Abrieb und Kerbwirkung und sind für Anwendungsfälle im Automobilbau ziemlich gut geeignet. Beinahe der einzige bedeutende Nachteil der rostfreien Stahlverkleidung -oder Verzierung an Automobilkörpern besteht darin, daß der Anstrich auf dem aus

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

Kohlenstoffstahl bestehenden Fahrzeugkarosserien neben der Außenverkleidung aus rostfreiem Stahl durch galvanische Korrosion des Kohlenstoffstahls Rostflecke erhält. Das Rosten nimmt seinen Ausgang an schadhaften Stellen oder Lunkern im Lack auf dem Fahrzeugkörper und wird*galvanische Kupplung des Kohlenstoffstahls mit der rostfreien Stahlverzierung - oder verkleidung in Gegenwart von korrosiven Flüssigkeiten, beispielsweise Salzlösungen, wie sie zur Enteisung von Straßen verwendet werden, die als Elektrolyte wirken, verstärkt. Die Korrosionswirkung kann sich in einer leichten Fleckung äußern, die nur auf hellen Kraftfahrzeugen unsichtbar ist, sie kann sich aber auch durch Blasenbildung und durch Abbau des Anstriches bemerkbar machen, die natürlich ernsthafterer Natur s ind.

Galvanische Korrosion findet bekannterweise dann statt, wenn unähnliche Metalle in Gegenwart eines Elektrolyten in leitender Berührung stehen* Vor nicht allzu langer Zeit wurde vor-r geschlagen, auf der einen Seite der rostfreien Stahlausrüstung des Kraftfahrzeugs einen anodischen Überzug aufzubringen, um dadurch die Korrosion der Kraftfahrzeugkarosserie aus Kohlenstoffstahl, mit dem die rostfreie Stahlverkleidung in Berührung steht, auf ein Mindestmaß zu beschränken. Zu diesem Zweck ist der rostfreie Stahl mit Zink- oder Aluminiumüberzügen versehen worden. Aluminium wurde sowohl als dünner aufgedampfter Überzug auf den rostfreien Stahl aufgebracht als auch als dickere Lage durch Klebstoff mit dem rostfreien Stahl verbunden_o

Es wurde nun gefunden, daß sich Verbindungen aus einem elektro-' chemisch aktiveren Metall als Kohlenstoffstahl und aus rostfreiem Stahl so verbessern lassen, daß die Korrosion von Kohlenstoffstahl, mit dem sie in Berührung kommen, auf ein Mindestmaß beschränkt wird. Eine solche verbesserte rostfreie Stahlzusammensetzung, wie sie die Erfindung für die Verwendung in Berührungsbereichen mit Körpern aus Kohlenstoffstahl vor-

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*durch ν

schlägt, die korrosiven Flüssigkeiten ausgesetzt sind, besteht aus einem zentralen Kern aus rostfreiem Stahl, einem inneren Metallüberzug, der elektrochemisch aktiver ist als Kohlenstoffstahl und einem äußeren Überzug aus einem elektrisch nichtleitenden Material. Auf diese Weise wird die Korrosion eines Kohlenstoff stahlkörpers, der mit einer rostfreien Stahlverbindung der oben beschriebenen Art in Berührung steht, auf ein Mindestmaß beschränkt.

Demzufolge befaßt sich die Erfindung mit der Schaffung einer rostfreien Stahlverbindung, die in Berührung mit Kohlenstoff- M stahl verwendet werden kann, der korrosiven Flüssigkeiten und/oder Gasen ausgesetzt ist, und kennzeichnet sich dadurch, daß sie einen zentralen Kern aus rostfreiem Stahl und einen inneren Überzug aus einem Metall, das elektrochemisch aktiver ist als Kohlenstoffstahl sowie einen äußeren Überzug aus einem elektrisch nichtleitenden Material enthält.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen rostfreien Stahlzusammensetzung bei _Λ einem typischen Anwendungsfall, nämlich in ™ Kontakt mit einem Gegenstand aus Kohlenstoffstahl, beispielsweise einer Automobilkarosserie,

Fig. 2a und 2b Querschnittsansichten von üblichen rostfreien Stahlzusammensetzungen, einer korrosiven Lösung ausgesetzt, in verschiedenen Trocknungsstadien und Fig. 3 ein graphisches Schaubild der galvanischen

Wirkungen des Anfeuchtens von rostfreiem Stahl mit einer korrosiven Lösung aus Natriumchlorid", wobei der rostfreie Stahl auf seiner einen Oberfläche einen Metallüberzug aus Aluminium

besitzt.

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Da ein Hauptanwendungsgebiet des Erfindungsgegenstandes den rostfreien Stahl betrifft, der im Automobilbau für schmückendes Beiwerk auf' aus Kohlenstoffstahl bestehenden Autokarosserien verwendet wird, werden sich die folgende Beschreibung und die gegebenen Beispiele für die angestellten Versuche auf diesen Verwendungsfall beziehen.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, weist die Anordnung 10 einen nachgebildeten Körper 12 aus Kohlenstoffstahl und eine rostfreie Stahlzusammensetzung l6 auf. Die Zusammensetzung 16 enthält einen inneren Überzug 18 aus einem elektrochemisch aktiveren Metall als Kohlenstoffstahl, der außen auf einem rostfreien Stahl 20 aufgebracht ist. Bei einer normalen Schmuckverkleidung oder einem normalen schmückenden Beiwerk eines Automobils ist der rostfreie' Stahlguß mit rückwärts gebogenen Abschnitten 22 versehen, wie sie in Figur 1 gezeigt sind. Die Oberfläche 24 des rückwärts gebogenen Abschnitts 22 aus rostfreie* Stahl wird "Dichtungs"-Fläche genannt und dieser Begriff wird in diesem Zusammenhang im folgenden auch verwendet. Somit weist die in Figur 1 dargestellte, neuartige rostfreie Statolzusammensetzung an der Dichtungsfläche einen Überzug aus einem elektrisch nichtleitendem Material auf. Man erkennt, daß das elektrisch nichtleitende Material an der Dichtungsfläche zwischen dem rostfreien Stahlkern und dem diesem benachbarten Kohlenstoffstahlkörper angeordnet ist.

Obgleich der Kohlenstoffstahl wie gewöhnlich einen Oberfläehenanstrich 28 besitzen kann, wie er aus der Zeichnung ersichtlich ist, soll hier der Schutz des KohlenstoffStahls für den unvermeidlichen Fall eines in der auf dem Kohlenstoffstahl befindlichen schützenden Lackschicht vorhandenen Schadens betrachtet werden. Ein nachgeahmter Schaden, der d>n Kohlenstoffstahl freilegt, ist bei 30 als Diskontinuität in der Farbstoffschicht dargestellt. Derartige Diskontinuitäten können offen-

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sichtlich während des Farbstoffauftrage als Poren oder Löcher oder durch mechanische Einwirkungen entstehen, die sich beim Transportieren, bein Abschaben, ect. der Farbe von dem Kohlenstoffstahl in Nachbarschaft der rostfreien Stahlverzierung ergeben.

Ein Korrodieren des KohlenstoffStahls findet dann statt, wenn eine korrosive Flüssigkeit zwischen der rostfreien Stahlverzierung und dem Kohlenstoffstahlkörper unter Bedingungen eine galvanische Kopplung herstellt, unter denen der das chemisch aktivere Metall darstellende Aluminiumtiberzug seine Schutzwirkung auf den Kohlenstoffstahlkörper nioht ausüben kann. Diese Bedingung ist in Figur 2a dargestellt, aus der die Art und Weise ersichtlich ist, auf die der Kohlenstoffstahlkörper in einer Anordnung des in Figur i gezeigten Typs durch Korrosion angegriffen wird. Unter der in Figur 2b dargestellten Bedingung schützt der chemisch aktivere Überzug den Kohlenstoffstahlkörper gegen korrosiven Angriff. In den Figuren 2a und 2b hat der Kohlenstoffstahlkörper eine angestrichene Oberfläche, wobei der Anstrich an einer Stelle neben der rostfreien Stahlverzierung beschädigt ist, dargestellt durch eine Unterbrechung in dem Anstrich. Wenn sich korrosive Flüssigkeiten, beispielsweise Salzlösungen, in den Rissen sammeln, bilden sie zwischen der rostfreien Stahlverzierung und dem Kohlenstoffstahlkörper eine galvanische Kopplung, die eine Korrosion des Kohlenstoffstahls hervorruft. Wenn andererseits die ganze Anordnung, wie in Figur 2b gezeigt, naß ist, steht das elektrochemisch aktivere Metall auf der rostfreien Stahlverzierung durch die als Elektrolyt wirkende Lösung hindurch mit dem Kohlenstoffstahl in galvanischer Verbindung und bietet dem Kohlenstoffstahl kathodischen Schutz. Wenn die Anordnung teilweiee naß oder nahezu trocken ist, kann der Fall eintreten, daß das chemischaktivere Metall trocken ist und nur der rostfreie Stahl an der Dichtungs- oder Kontaktfläche durch den Elektrolyten mit dem Kohlenstoffstahlkörper in Verbindung steht. In solchen Fällen ist der Kohlenstoffstahl galvanischer Korrosion ausgesetzt.

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Wenn natürlich die ganze Anordnung trocken ist, findet keine galvanische Korrosion statt.

Die in Figur 3 dargestellte Kurve zeigt den oben beschriebenen galvanischen Kopplungseffekt. Diese Kurve ist das Ergebnis eines Versuchs, der an einem beschichteten rostfreien StahlguQstück ausgeführt wurde, das an einen Epoxydharzblock befestigt war, der Kohlenstoffstahldraht an nachgebildete Anstrichbeschädigu'ngszone enthielt. Der Kohlenstoffstahl und die rostfreie Stahlverzierung waren durch ein Galvanometer verbunden, um den zwischen ihnen fließenden Korrosionsstrom zu messen. Die Verzierungeanordnung wurde leicht mit einem dünnen Kaolinstrahl in einer 3#-igen NaCl-Lösung besprüht, =». bis die Anordnung vollständig naß war. Die Messung des Korrosionsstromes erfolgte voa dem Zeitpunkt an-, an dem der Sprühstrahl angestellt wurde, bis die Anordnung trocken war und jeglicher Stromfluß aufgehört hatte. Die in Figur 3 gezeigte Kurve stellt den Verlauf d®s Stromflusses dar. Daraus ergibt sich, daß der Kohlenstoffstahl galvanischer Korrosion unterlag, bevor die Anordnung vollständig naß war.. Nachdem die Anordnung vollständig naß gewesen ist, wurde der Kohlenstoffstahl durch das chemisch aktivere Metall, das den rostfreien Stahl als Überzug bedeckte, kathodisch geschützt. Als die Anordnung trocken war, wechselte der Strom sprungartig vom kathodischen Schutzaufbau zur galvanischen Korrosion des KohlenstoffStahls. Daraus ist ersichtlich, daß in derartigen Anwendungsfällen eine nur aus röstfreiem Stahl und einem Metall, das chemisch aktiver ist als Kohlenstoffstahl, bestehende Zusammensetzung dem Kohlenstoffstahl keinen vollständigen Schutz bietet, da sie nur einen gewissen Teil der Zeit wirksam ist.

Aus dem obigen ist ersichtlich, daß der Kohlenstoffstahlkörper der Korrosion ausgesetzt ist, weil die rostfreie Stahlverzierung auf Kraftfahrzeugkarosserien aus Kohlenstoffstahl abwech-

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selnder Befeuchtung und Trocknung ausgesetzt ist und weil der Stromfluß sich in der oben beschriebenen Weise umkehrt. Es wurde jedoch gefunden, daß dann, wenn eine Schicht aus einem elektrisch nichtleitenden Material zwischen den rostfreien Stahlkern und den Kohlenstoffstahlkörper gelegt wird, die die Korrosion fördernden Bedingungen sehr stark eingeschränkt werden können. Die Wirksamkeit einer Zusammensetzung der soeben vorgeschlagenen Art bei der Verringerung der Korrosion eines Kohlenstoffstahlkörpers ergibt sich eindeutig aus den angestellten Versuchen. In diesen Versuchen wurden Streifen aus rostfreiem Stahl, beispielsweise der Typen 301» 434 und 436, hergestellt und durch Aufdampfung auf der einen Oberfläche mit einer 0,58 Mikrometer dicken Aluminiumschicht belegt und mit 254 Mikrometer dicken Aluminiumfolien beklebt. Einige der Proben wurden an der Dichtungsfläche mit einem elektrisch nichtleitenden Material versehen. Bei den Versuchen wurden Wachs- und Vinylanstriche als elektrisch nichtleitendes Material verwendet. Die Proben mit dem Vinylanstrich wurden durch Aufpinseln von zwei Farbschichten und 5 Minuten langes Trocknen bei i49°C hergestellt. Das Wachs wurde auf die Oberfläche des rostfreien Stahls aufgebracht, in-dem die Verzierung in heißes, flüssiges Wachs eingetaucht ward·, das dann durch Abkühlen sich ziemlich verfestigte. Die Proben wurden auf einen speziellen Versuchsanhänger gelegt, für den PlexiglaslagerungsWPtter Verwendung fanden, an denen die einzelnen Platten angebracht und auf einem Anhängerrahmen gelagert wurden, und zwar so, daß die Proben parallel zu der Straßenoberfläche nach unten gewendet waren. Nachdem die Probenmaterialien sehr intensiv korrosiven Flüssigkeiten, beispielsweise Natriumchloridlösungen, Kalziumchloridlösungen, u.s.w. ausgesetzt worden waren, wurden sie abgebaut, gewaschen, getrocknet und dann in bezug auf Rostflecke auf benachbarten Anstrichoberflächen bewertet. Die mit Flecken versehenen Flächen wurden durch Vergleich mit Normproben von 0 bis 6 eingestuft.

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Die Ergebnisse dieser Versuche der rostfreien Stahlzusammensetzungen sind in der Tabelle I wiedergegeben. Die durchschnittlichen Rostfleckenwerte liegen auf einer Skala von 0 für den Besten bis 6 für den schlechtesten. Rostfleckendurchschnittswerte von weniger als 0,6 übersteigen die durchschnittlichen Rostfleckenwerte von Kohlenstoffstahl ohne rostfreie Stahlverzierung.

TABELLE I

Durchschnittsrost-

FSC=Vinyl-Anstrich fleckenbeWertung

Rostfrei/Al (mit Klebstoff befestigt), FSC 0,1

rostfrei/Al (aufgedampft), FSC 0,3

keine Verzierung 0,6

rostfrei/Al (aufgedampft) 0,8

rostfreier Stahl, FSC 0,9

rostfrei/Al (mit Klebstoff befestigt) 1,2

rostfreier Stahl 2,5

FSC=Wachs

Rostfrei/Al
rostfrei/Al
rostfrei/Al
rostfrei/Al

aufgedampft), FSC 0,4

mit, Klebstoff befestigt), FSC 0,6

aufgedampft) 1,5

mit Klebstoff befestigt) 1,8

rostfreier Stahl 2,6

Wie aus der Ta.belle I ersichtlich ist, verhindert der Dichtungsflächenanstrich auf dem mit Aluminiumfolie beklebten rostfreien Stahl und auf der mit Aluminium bedampften rostfreien Stahlverzierung eine galvanische Korrosion des Kohlenstoff stahlkörpers vollständig.

Ein ähnliches Ergebnis wurde bei den Proben beobachtet, die mit Wachs beschichtet waren. Für die Proben, bei denen die Dichtungsfläche der rostfreien Stahlzusammensetzung mit einem elektrisch nichtleitenden Material versehen war, ergaben sich somit bemerkenswerte vorteilhafte Ergebnisse. Obgleich das Wachs und der Anstrich in gleicher Weise zu diesen vorteil-

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haften Ergebnissen führten, würden andere Isolierbeschichtungen diese Aufgabe genau so gut erfüllen. In einigen Fällen ist die Verwendung von Wachs vorteilhafter als die des Anstrichs, weil das Wachs sich in einem einzigen Beschichtungsprozeß aufbringen läßt, wobei keine Nachbearbeitung erforderlich ist, und das Wachs außerdem einen geschmeidigen Überzug darstellt, der Beschädigungen der gespritzten Autokarosserie während der Montage des Kraftfahrzeugs verringern kann. Darüberhinaus läßt sich das Wachs in einer Schicht aufbringen, die dick genug ist, um eine Abdichtung zu schaffen, die die Menge der hinter das Gußteil dringenden korrosiven Verunreinigungen weiter verringern kann.

Eine sehr wichtige Tatsache, die sich aus den Werten der Tabelle I entnehmen läßt, ist die, daß die Verwendung eines Überzugs aus einem elektrisch nichtleitenden Material für den rostfreien Stahl nicht so wirksam ist wie die Aufbringung des elektrisch nichtleitenden Materials auf eine rostfreie Stahlzusammensetzung, die ein chemisch aktiveres Besehichtungs- oder Überzugsmetall aufweist. In ähnlicher Weise ist die aus rostfreiem Stahl und einem chemisch aktiveren Metallüberzug gebildete Zusammensetzung ohne den elektrisch nichtleitenden Überzug ebenfalls nicht so wirksam bei der Verhinderung von Hostflecken wie die Zusammensetzung mit einem solchen Überzug.

Aus dem Obigen ergibt sichj daß vielfache Änderungen vorgenommen werden können, ohne daß von dem Erfindungsgedanken abgewichen wird. So kann beispielsweise der chemisch aktivere Metallteil der Zusammensetzung irgendein Metall sein, das elektrochemisch aktiver ist als Kohlenstoffstahl und speziell Aluminium, Zink oder Magnesium. In gleicher Weise kann der auf den Dichtungsf.lachen befindliche Überzug aus irgendeinem elektrisch nichtleitenden Material organischer oder anorgani-

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scher Art bestehen. Die Haftfähigkeit auf der Dichtungsfläche des rostfreien Stahls und die Kontinuität des Überzugs Über
der ganzen Dichtungsfläche sind jedoch von großer Wichtigkeit, weil Poren in dem Dichtungsflächenüberzug die Zeitspanne des Lösungskontakts zwischen dem rostfreien Stahl und dem Kohlenstoffstahl vergrößern. Gelegentliche Gasporen oder Peinlunker in dem Dichtungsflächenüberzug sind unschädlich..

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Claims

Patentanmeldung; Rostfreies StahlVerbundmaterial PATENTANSPRÜCHE

1. Rostfreies Stahlverbundmaterial, das sich in Kontakt mit Kohlenstoffstahl verwenden läßt, der korrosiven Flüssigkeiten ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial (16) aus einem zentralen Kern (20,22) aus rostfreiem Stahl, einem inneren Überzug (18) aus einem elektrochemisch aktiveren Metall als Kohlenstoffstahl und einem äußeren Überzug (26) aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht.

2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch nichtleitende Material (26) eine Substanz ist, die aus einem Material der Gruppe Anstriche und Wachse besteht.

3. Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall (l8), das elektrochemisch aktiver ist, als Kohlenstoffstahl, Aluminium ist.

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4. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial (16) ein Guß— ■ teil bildet, das an einer aus Kohlenstoffstahl bestehenden Kraftfahrzeugkarosserie befestigbar ist und rückwärtsgebogene Endabschnitte (22) mit Dichtungsflächen aufweist, die die Kraftfahrzeugkarosserie berühren, daß der Überzug (18) des Metalls elektrochemisch aktiver ist als Kohlenstoffstahl und sich auf der inneren Oberfläche des rostfreien Stahls (20) befindet, und daß der Überzug (26) des elektrisch nichtleitenden Materials auf den Dichtungsflächen des aus rostfreiem Stahl bestehenden Gußteils angeordnet ist.

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