Versuch 8: Korrosion Werkstoffteil, Herbstsemester 2008

Transkript

1 Versuch 8: Korrosion Werkstoffteil, Herbstsemester 2008 Verfasser: Zihlmann Claudio Teammitglieder: Bachmann Simon, Knüsel Philippe, Schär Louis Datum: Assistent: Matteo Seita

2 1. Abstract In diesem Versuch wurde die Beständigkeit unterschiedlicher Stähle gegenüber Lochfrass untersucht. Dazu wurden ein herkömmlicher Stahl und zwei hochlegierte Stähle verwendet. Von diesen beiden hochlegierten Stählen enthielt der eine Molybdän, das für seine Beständigkeit gegenüber Lochfrass bekannt ist. Anhand von zwei Experimenten konnten allen Proben ihre Zusammensetzung nachgewiesen werden. Diese beiden Teilversuche bestanden zum Einen aus einem Eintauchversuch, wobei die unterschiedlichen Proben in Lösungen unterschiedlicher Konzentration und Temperatur getaucht wurden und in einem zweiten Teilversuch wurden die Strom- Spannungskurven der drei Stähle erstellt. Zusammenfassend kann man sagen, dass die Anwesenheit von Molybdän ein Stahl beständiger gegenüber Lochfrass macht, im Gegensatz dazu, eine erhöhte Temperatur und Konzentration von Chloridionen in einer Lösung den Lochfrass beschleunigen. 2. Einführung 2.1. Ziele Ziel des Versuches war die Beständigkeit unterschiedlicher Stähle gegenüber Korrosion zu untersuchen. Weiter soll die Korrosionsgeschwindigkeit anhand von Strom-Spannungskurven analysiert und mit der jeweiligen Legierung der Stähle in Verbindung gebracht werden. 2.2 Theorie Als Korrosion bezeichnet man die Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebung. Diese Reaktionen sind elektrochemischer Natur, was bedeutet, dass sowohl Oxidationsprozesse, wie auch Reduktionsprozesse ablaufen. Elektrochemische Prozesse verlangen einen Austausch von elektrischen Ladungen, was zum Einen im Metall durch dessen Leitfähigkeit gegeben ist und andererseits ausserhalb beispielsweise durch einen Elektrolyten. Oxidation bedeutet die Abgabe von Elektronen, im Gegensatz dazu bezeichnet die Reduktion die Aufnahme von Elektronen. Korrosion bedeutet nun, dass beide Prozesse gleichzeitig auf der Oberfläche des Metalls ablaufen. Der Oxidationsprozess wird beschrieben durch folgende Reaktion: + Bei der Reduktion unterscheidet man zwischen zwei möglichen Umgebungen. In einer sauren Umgebung ist es die Reduktion von H 3 O + zu H 2 : Hingegen in einer neutralen oder alkalischen Umgebung findet die Reduktion von Sauerstoff statt: / 7

3 Durch Korrosion wird ein Werkstoff verändert und in dessen Funktion beeinträchtigt. Allerdings muss Korrosion nicht immer als schädigend betrachtet werden. Korrosion kann durchaus auch positive Effekte haben und gewollt sein wie z.b. bei Bildung einer Schutzschicht. Es werden drei Formen von Korrosion unterschieden: Flächenabtrag, Korrosionsrisse und Lochfrass. Wobei Korrosionsrisse und Lochfrass als wesentlich gefährlicher eingestuft werden, da sie kaum sichtbar sind und die Oberfläche unterhöhlen. Als besonders anfällige Stellen gegenüber Korrosion gelten vorhandene Defekte. Um Werkstoffe korrosionsbeständiger zu machen, werden sie unter anderem geschliffen um lokale Angriffe zu vermeiden. Auch die chemische Zusammensetzung von Stählen hat einen grossen Einfluss auf dessen Korrosionsbeständigkeit. Grundsätzlich kann man sagen, dass sich die Anwesenheit von Chrom, Molybdän und Stickstoff positiv auf allfällige Korrosionsangriffe auswirkt und Schwefel und Mangan eher negativ. Um das Korrosionsverhalten zu untersuchen, werden Strom-Spannungskurven erstellt. Diese Kurven erhält man, wenn zwischen der Arbeitselektrode AE (zu untersuchender Stahl) und der Gegenelektrode GE eine Spannung angelegt wird (Abb. 1). Abb. 1: Messanordnung zum Erstellen von Strom-Spannungskurven [1] Dann wird die Spannung kontinuierlich oder schrittweise erhöht. In der Praxis werden drei Bereiche des Potentials unterschieden. Zum Ersten ist dies der aktive Bereich, bei dem die Metallauflösung exponentiell, also ohne Reaktionshemmungen, zunimmt. In einem zweiten Bereich, dem passiven Bereich, kommt beinahe keine Korrosion mehr vor, da rostfreie Stähle ab einem bestimmten Potential eine Oxidschicht auf ihrer Oberfläche bilden, die sie vor Korrosion schützt. Ist das Potential allerdings zu hoch können trotzdem Ladungen durchdringen und Korrosion auftreten. Diesen Bereich nennt man transpassiven Bereich. Dabei beschreibt das Lochfrasspotential die Beständigkeit gegen Lochfrass. 2 / 7

4 3. Materialien und Methoden Für die Versuche wurden drei unterschiedliche Stähle, darunter zwei hochlegierte und ein herkömmlicher Stahl, benutzt. Alle Stahlproben wurden zuerst auf jeweils einer Seite mit drei unterschiedlich harten Schleifpapieren (P180, P240 und P600) geschliffen und anschliessend mit Aceton entfettet. Die Zusammensetzungen der Stähle lauteten wie folgt: Tab. 1: Chemische Zusammensetzung der beiden hochlegierten Stähle Stahl C Cr Ni Mo Mn S X5 CrNiMo X5 CrNi Tab. 2: Chemische Zusammensetzung des herkömmlichen Stahls Stahl C Si Mn P S St37-3 < < 0.04 < Während des Versuches wurden die Stähle mit P1, P2 und P3 bezeichnet. Erst in der Diskussion wird versucht den einzelnen Proben die richtige Zusammensetzung zuzuordnen Eintauchversuch Beim ersten Teilversuch wurden jeweils zwei Proben der hochlegierten Stähle auf drei FeCl 3. 6H 2 O-Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen verteilt. Die erste Lösung wies eine Konzentration von 0.1 M auf, die zweite Lösung hatte eine Konzentration von 0.5 M und die dritte Lösung war ebenfalls 0.5 M, allerdings auf 75 C erwärmt. Beim Eintauchen der Stahlproben in die Bechergläser (40 ml) wurde darauf geachtet, dass sich die beiden Proben mit der jeweils ungeschliffenen Seite berührten. Die Stähle wurden für 20 Minuten in der Lösung belassen und anschliessend sowohl von Auge, als auch mit Hilfe eines Lichtmikroskops auf die Anzahl und Grösse gebildeter Löcher untersucht Elektrochemischer Versuch Um die Strom-Spannungskurven zu erstellen, wurde eine Apparatur gemäss Abb. 2 aufgebaut. Als Lösung wurde eine 1 M NaCl-Lösung Abb. 2: Darstellung der elektktrochemischen Zelle [2] 3 / 7

5 verwendet. Die Stahlprobe wurde an die Öffnung des Messgefässes geklemmt und allfällige Luftblasen an der Probenoberfläche mit Hilfe einer Glaspipette entfernt. Anschliessend wurde die Gegenelektrode sowie die Referenzelektrode an den Potentiostaten angeschlossen und gewartet bis sich das Ruhepotential eingestellt hatte. Das Startpotential wurde auf 20 mv unterhalb des Ruhepotentials gesetzt und eine Messrate von 5 mv/s gewählt. Das Ende der Messung war erreicht, sobald das Potential auf 2 V gestiegen war oder kurz nach Erreichen des Lochfrasspotentials von I > 100 ma. Die Messung wurde dreimal (mit jedem Stahl einmal) durchgeführt. 4. Resultate 3.1. Eintauchversuch Tab. 3: Optische Beschreibung der einzelnen Proben in unterschiedlichen Lösungen Probe P2 in 0.1 M P3 in 0.1 M P2 in 0.5 M P3 in 0.5 M P2 in 0.5 M und 75 C P3 in 0.5 M und 75 C Beschreibung Ohne Lichtmikroskop (LM): keine Löcher erkennbar, mit LM: wenige Löcher mit Durchmesser maximal 30 µm Ohne LM: keine Löcher erkennbar, mit LM: sehr wenige Löcher mit Durchmesser bis 20 µm Ohne LM: Löcher erkennbar, mit LM: wenige grosse Löcher mit Durchmesser bis 250 µm Ohne LM: keine Löcher erkennbar, mit LM: viele kleine Löcher mit Durchmesser 10 µm bis 20 µm Ohne LM: Grosse Löcher zu erkennen, mit LM: schwarze Bereiche, Löcher im Bereich von 50 µm, Krater Ohne LM: keine Löcher erkennbar, mit LM: mittelgrosse Löcher mit Durchmesser bis 50 µm Zur besseren Veranschaulichung wurde jeweils ein Bild für jede Probe in der jeweiligen Lösung ausgewählt. Die Bilder wurden mit einem Lichtmikroskop aufgenommen. Abb. 3: Probe 3 in 0.1 M Lösung Abb. 4: Probe 2 in 0.1 M Lösung 4 / 7

6 Abb. 5: Probe 3 in 0.5 M Lösung Abb. 6: Probe 2 in 0.5 M Lösung Abb. 7: Probe 3 in 0.5 M Lösung und auf 75 C erwärmt Abb. 8: Probe 2 in 0.5 M Lösung und auf 75 C erwärmt 3.2. Elektrochemischer Versuch Es wurden folgende Strom-Spannungskurven gemessen: Abb. 9: Strom- Spannungskurve der Probe 1 5 / 7

7 Das Lochfrasspotential der Probe 1 liegt bei 1 V. Abb. 10: Strom- Spannungskurve der Probe 2 Das Lochfrasspotential der Probe 2 beträgt 1.45 V Abb. 11: Stromspannungskurve der Probe 3 6 / 7

8 Das Lochfrasspotential der Probe 3 liegt bei 1.4 V 5. Diskussion Betrachtet man die Strom- Spannungskurven kommt man zum Schluss, dass Probe 1 der herkömmliche Stahl (St37-3) sein muss, da sein Lochfrasspotential von 1 V deutlich unter denen der hochlegierten Stähle liegt. Bei den beiden anderen Proben ist die Unterscheidung aber schon deutlich schwieriger, da ihr Lochfrasspotential beinahe identisch ist. Betrachtet man die Strom- Spannungskurven allerdings etwas genauer, so kann man erkennen, dass bei Probe 3 eine hohe Repassivierung (vgl. Abb. 11) der schon gebildeten Löcher zu erkennen ist. Die Repassivierung der Löcher erkennt man daran, dass der Stromfluss immer wieder zusammenfällt, bis neue Löcher gebildet wurden. Wie in der Theorie besprochen, bewirkt die Anwesenheit von Molybdän eine höhere Beständigkeit gegenüber Lochfrass und daraus abgeleitet eine erhöhte Repassivierung von schon gebildeten Löchern. Somit lässt sich der Schluss zu, dass Probe 3 der Stahl mit Molybdän ( X5 CrNiMo ) sein muss und folglich Probe 2 der Stahl X5 CrNi 18 8 ist. Bestätigt wird diese Annahme, wenn man die Bilder der einzelnen Proben in den unterschiedlichen Lösungen betrachtet (Abb. 3 bis Abb.8). Hier ist zu erkennen, dass der Stahl mit Molybdän (Probe 3) deutlich weniger und kleinere Löcher aufweist, als derjenige ohne Molybdän (Probe 2). Weiter ist zu erkennen, dass mit Zunahme der Konzentration und erhöhter Temperatur der FeCl 3. 6H 2 O-Lösung die Anzahl der Löcher und die Grösse der Löcher stark zunehmen. Dies ist zu erklären mit der Tatsache, dass die aggressiven Chloridionen leicht die Oberfläche des Stahls angreifen können und sich dadurch Löcher bilden. Je höher nun die Konzentration der Chloridionen, desto mehr Angriffe auf die Oberfläche des Stahls sind zu verzeichnen und somit folgt eine grössere Anzahl Löcher. Der Effekt der höheren Temperatur bewirkt eine erhöhte Energie und somit eine grössere Bewegung der Teilchen in der Oberfläche des Stahls. Dadurch erhöht sich die Möglichkeit, dass die Chloridionen die Oberfläche erfolgreich angreifen können. Als Fazit kann man sagen, dass ein Stahl der Molybdän enthält korrosionsbeständiger ist und eine erhöhte Temperatur und Konzentration von Chloridionen den Prozess der Lochfrassinitiierung beschleunigen. 6. Referenzen [1] Skript Versuch 8: Elektrochemie A, S.6 [2] Skript Versuch 8: Elektrochemie A, S.11 7 / 7