2.1.1 Kurzüberblick Korrosion
Die zugrundeliegenden Mechanismen der Korrosion sind kein Bestandteil dieser Arbeit und können ggfs. in der Literatur oder anhand von Beispielen nachvollzogen werden.
(Schmitt 2009; Kaesche 2011; Roos et al. 2011) Die Korrosionsanforderungen sind jedoch die signifikante Ursache für die Notwendigkeit einer vollflächigen, kontaktstellenfreien Beschichtung. Für ein Verständnis der Anforderungen an die Anlagen- und Vorrichtungs-technik zur galvanischen Beschichtung werden daher die hierfür relevanten Grundlagen und Konsequenzen bei einem Auftreten von Fehlstellen in der Schicht kurz dargestellt.
Im Grundlagenwerk „Werkstoffkunde für Ingenieure“ wird folgende Definition vorge-nommen: „Korrosion ist die unerwünschte, von der Oberfläche ausgehende chemische, physikalisch-chemische oder elektrochemische Reaktion eines Werkstoffes mit einem um-gebenden Medium, die mit einem Schädigungsprozess, ausgehend von der Oberfläche, verbunden ist. Die Korrosion ist somit i. Allg. eine Grenzflächenreaktion.“ (Roos et al.
2011, S. 349) Speziell hervorzuheben ist dabei, dass es sich um unerwünschte Effekte
handelt und diese von der Oberfläche ausgehen, weshalb bei der Beschichtungstechnik ein großer Anteil der Prozesse für einen Korrosionsschutz ausgelegt sind, um die Oberflä-che als Ausgangspunkt zu schützen und den Angriff zu minimieren oder zu vermeiden.
Wichtig zur Beurteilung des Korrosionsverhaltens eines Metalls ist das Normalpotenzial in der elektrochemischen Spannungsreihe. Metalle mit positiverem Potenzial als Wasserstoff werden von nichtoxidierenden Säuren beispielsweise nicht angegriffen. (Roos et al. 2011, S. 354) Manche Werkstoffe bilden ab einem gewissen Potenzial eine passive Deckschicht aus, welche die Phasendurchtrittsreaktionen behindert und eine sehr geringe Metallauf-lösung mit sich bringt. (Roos et al. 2011, S. 355–356)
Je nach Beanspruchungsart (mechanisch, chemisch, elektrochemisch, physikalisch) wer-den unterschiedliche Korrosionsarten unterschiewer-den. Einerseits die allgemeine, gleichmä-ßige Flächenkorrosion, und andererseits viele Arten mit ungleichmägleichmä-ßigem Angriff, wie beispielsweise Kontakt-, Lochfraß- oder Spaltkorrosion. Am häufigsten tritt die lokale Kor-rosion auf, bei der der Werkstoff auf Grund von lokalen Aktiv-Passivelementen nur örtlich angegriffen wird. (Roos et al. 2011, S. 349–350)
Abbildung 2.1: Arten der Kontaktkorrosion, welche beispielsweise auch bei einer unvoll-ständigen Beschichtung d) auftreten kann. Am abgebildeten Beispiel mit Kupfer / Eisen geht Eisen in Lösung, Wasserstoff scheidet sich auf Kupfer ab. (Roos et al. 2011, S. 358) Für die Beurteilung der Anforderungen an Beschichtungen in korrosiven Umgebungen sind sicherlich die Kontakt- und Lochfraßkorrosion am relevantesten. Kontaktkorrosion tritt auf, wenn unterschiedliche Metalle (mit meist unterschiedlichen Potenzialen)
elektrisch leitend miteinander kontaktiert und gleichzeitig über eine elektrolytische Lö-sung verbunden sind. Die AuflöLö-sung des unedleren Metalls wird dabei beschleunigt, da eine Elektronenleitung über die leitfähige Verbindung erfolgen kann, während gleichzei-tig ein Ionenstrom zwischen Anode und Kathode auftritt. (Roos et al. 2011, S. 358) Die Ausbildung einer Passivschicht an der Oberfläche kann eine Korrosion vermeiden. Sollte sich diese Passivschicht nach einer Beschädigung nicht mehr aufbauen, kann jedoch trotz-dem Lochfraßkorrosion auftreten. (Ilschner et al. 2010, S. 191)
Abbildung 2.2: Lochfraßkorrosion (unterbrochene Passivschicht) (Roos et al. 2011, S. 361) Lochfraßkorrosion kann beispielsweise bei einer beschädigten korrosionsschützenden Deckschicht auftreten. (Roos et al. 2011, S. 361)
Aus den zitierten Beispielen für Lochfraß- und Kontaktkorrosion wird deutlich, dass eine korrosionsbeständige Beschichtung nur dann richtig wirksam ist, wenn sie unbeschädigt und ohne Unterbrechungen oder Fehlstellen aufgebracht ist. Dies wurde auch in einem Patent zur Beschichtung von Lagerringen konstatiert: „Hinzu kommt die Anforderung, dass die Schicht rissfrei abzuscheiden und das Bauteil möglichst vollständig zu umhüllen ist. Ansonsten bildet die entsprechende Schicht keine perfekte chemische Schutzbarriere gegen die Umwelteinflüsse, was die Lagerstandzeit wiederum verringern würde.“ (Patent-schrift DE102009023818 A1 2009, S. 2)
2.1.2 Tribokorrosion
Die sogenannte Tribokorrosion ergibt sich aus dem Zusammenspiel von mechanischen Verschleißprozessen und (elektro-)chemische Korrosionsprozessen. (Wood 2007, S. 5502) Grundlagen zur Tribokorrosion werden beispielsweise durch Czichos und Habig beschrie-ben. (Czichos et al. 2010, S. 185–192) Die korrosionsschützende Deckschicht kann bei einer tribologischen Beanspruchung verringert werden und muss sich anschließend neu aufbauen, um wieder eine stabile Passivschicht zu bilden. (Czichos et al. 2010, S. 187–
188) Die Passivschichtbildung und Repassivierung spielen daher eine wichtige Rolle für die tribokorrosiven Eigenschaften. (Wood 2007, S. 5508) Die für diese Arbeit und die verwen-deten Schichtsysteme relevanten Aspekte können der parallelen Arbeit zur Verfahrens-entwicklung entnommen werden. (Kölle 2018) Hervorzuheben ist jedoch, dass bei einer korrosiven Unterwanderung der Schicht mit Blisterbildung eine gleichzeitige mechanische Beanspruchung durch einen Gegenkörper ein Abplatzen der Schicht erzeugen kann.
(Wood 2007, S. 5507) Fehlstellen in einer Schicht sind somit nicht nur aus korrosiver Sicht, sondern auch aus funktionaler Sicht als kritisch einzustufen. Für Wood ist daher eine Er-kenntnis seines Reviews zur Tribokorrosion von Beschichtungen, dass unabhängig unter-schiedlicher Schichttypen und Schichtaufbauten eine qualitativ hochwertige und vollstän-dig dichte Beschichtung notwenvollstän-dig ist. (Wood 2007, S. 5518)
2.1.3 Ableitung von Anforderungen an diese Arbeit
Die Anforderungen an die Arbeit werden anhand der Beschreibung des Stands der Wis-senschaft und Technik abgeleitet. Dabei werden sie in inhaltliche Anforderungen (IF) und methodische Anforderungen (MF) strukturiert.
Die rissfreie Abscheidung und die prinzipiellen Korrosions- und Tribokorrosionseigen-schaften (wie Härte, PassivierungseigenTribokorrosionseigen-schaften usw.) sind eine Anforderung an die ver-wendete Verfahrens- und Werkstofftechnik bzw. die Beschichtungsparameter. Die Sicher-stellung einer vollständigen Umhüllung muss jedoch von der verwendeten Vorrichtungs- und Anlagentechnik ermöglicht werden. Für die Arbeit ist daher abzuleiten:
Bei Fehlstellen der Korrosionsschutzschicht korrodiert das Grundmaterial, wodurch das Bauteil geschädigt und durch Blisterbildung bei tribologischer Beanspruchung die Schicht ausbrechen kann. Dies führt zu veränderten tribologischen Eigenschaf-ten und poEigenschaf-tenziell zu einem Defekt des Bauteils.
► Inhaltliche Anforderung: Die Schicht muss vollflächig und dicht abgeschie-den werabgeschie-den. Es dürfen keine durch die Produktionstechnik bedingten Fehl-stellen / Schichtunterbrechungen (z. B. unbeschichtete Kontaktpunkte) auf-treten. [Anforderung IF1 für diese Arbeit]