SMS Siemag AG - Alu-web.de

esearcH
Filiformkorrosion und dauerschwingfestigkeit
von aluminiumwerkstoffen
dipl.-ing. wolfgang Thate, institut für Korrosionsschutz dresden GmbH
einleitung und aufgabenstellung
Bei schwingend beanspruchten Bauteilen
kommt der Bauteiloberfläche eine wichtige
Bedeutung zu, weil sich Ermüdungsrisse
normalerweise in der Oberfläche an Kerben,
Poren, Ermüdungsleitstufen oder Einschlüssen
bilden. Aus diesem Grund gewinnen die
verschiedenen Verfahren der Oberflächenbehandlung
bei allen metallischen Werkstoffgruppen
zunehmend an Bedeutung. Bei der
Anwendung von Aluminium werden für dekorative
Zwecke und zum Korrosionsschutz
organische Beschichtungen aufgebracht. Unter
diesen Beschichtungen wird unter anderem
im Bauwesen in zunehmendem Maße eine
fadenförmig voranschreitende Filiformkorrosion
beobachtet, wie sie zum Beispiel in der
Flugzeugindustrie schon vorher bekannt war.
Die Tiefe des Korrosionsangriffs wurde bisher
als so gering angenommen (max. 15 µm), dass
nur die Haftungsschäden der Beschichtung
als relevant angesehen wurden, während ein
Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften
negiert wurde. Das kann bezüglich der Festigkeitswerte
aus dem Zugversuch zutreffen,
jedoch wurden bisher keine Einflüsse der Filiformkorrosion
auf das Dauerschwingverhalten
von Aluminiumwerkstoffen zielgerichtet
untersucht. Die Wichtigkeit solcher Untersuchungen
wird durch den erweiterten Einsatz
von Aluminiumlegierungen im Fahrzeugbau
hinsichtlich Gewichteinsparung unterstützt.
Ziel der durchgeführten Untersuchungen
war der Nachweis, dass die unter Beschichtungen
auftretende Filiformkorrosion Einfluss
auf die Dauerschwingeigenschaften von verschiedenen
Aluminiumwerkstoffen besitzt.
Dabei sollte der Einfluss der chemischen Zusammensetzung
und des Gefügezustandes der
Aluminiumwerkstoffe in Abhängigkeit von
der Walzverformungsrichtung auf die Größe
der Dauerfestigkeitsminderung dargestellt
werden.
Untersuchte werkstoffe
In die Untersuchungen wurden folgende Aluminium-Werkstoffe
(Blech, Dicke: 3 mm) einbezogen:
• EN AW-1050 EN AW-Al99,5 AH24
• EN AW-9754 EN AW-AlMg3 H22
• EN AW-6082 EN AW-AlSi1MgMn T4
• EN AW-2017 EN AW-AlCu4MgSi T6
• EN AW-7020 EN AW-AlZn4,5Mg1,
wobei es sich bei den letzteren drei Werkstoffen
um aushärtende Legierungen handelt.
Die chemische Zusammensetzung der Untersuchungswerkstoffe
und die mechanischen
Eigenschaften für die Blechwerkstoffe wiesen
im Vergleich zu den entsprechenden Normvorgaben
nach EN 573-3 und EN 485-2 keine
Abweichungen auf.
Herstellung der schwingproben
Die für die Dauerfestigkeitsuntersuchungen
verwendeten Biegeflachproben wurden so
ausgeführt, dass die Belastung beim Schwingversuch
sowohl quer als auch längs zur Verformungsrichtung
(Walzrichtung) lag.
Oberflächenvorbereitung: Vor dem Beschichten
wurden die Probenoberflächen einer
Zirkon-Fluorid-Polymer-Behandlung mit
folgenden Parametern unterzogen:
• alkalisches Entfetten mit P3 almeco 20:
30 g/l, 60 °C, 10 min
• Spülen mit Trinkwasser
• Beizen mit P3 almeco 40/NaOH: 15 g/l P3
almeco 40, 50 g/l NaOH, RT, 2 min
• Spülen mit Leitungswasser
• Dekapieren mit HNO 3 : 15%, RT, 2 min
• Spülen mit Trinkwasser
• Spülen VE-Wasser
• Zirkon-Fluorid-Polymer-Behandlung mit
Alodine 4830/31: 15 ml/l Alodine 4830,
12,5 ml/l Alodine 4831, 40 °C, 1 min
• Abblasen mit sauberer Druckluft.
Bei der Zn-haltigen Legierung betrug die Beizdauer
abweichend 1,5 min. Die Cu-haltige
Legierung wurde 1 min gebeizt, das anschließende
Dekapieren erfolgte bei RT über 10
min in 30%-iger HNO 3 mit Zusatz von einer
geringen Menge NaNO 2 .
Beschichtung: Als Beschichtungssystem
wurde ein acrylatmodifizierter 2K-PUR-Klarlack
angewendet. Mit dem Klarlack kann die
laterale Ausbreitung der Filiformkorrosion
sehr gut beobachtet werden. Die Applikation
erfolgte durch pneumatisches Spritzen von
drei Schichten. Die Zielgesamtschichtdicke
betrug 180 µm. Beschichtet wurden die Probenoberflächen
im Bereich des Prüfradius,
sodass die Spannflächen unbeschichtet blieben.
Für die Herstellung der Ritzproben (quer
und längs zur Walzrichtung) ohne mögliche
Beeinflussung des Substratwerkstoffes wurde
vor dem Beschichten ein Klebestreifen (1 mm
breit) aufgeklebt und nach dem Beschichten
entfernt.
Korrosionsbeanspruchung: Die mit einem
Ritz versehenen Proben wurden nach Aushärtung
der Beschichtung (ca. 14 d) dem Filiformkorrosionstest
nach DIN EN ISO 423-2
unterzogen:
• 60 min Lagerung über Salzsäure, RT
• 30 min Lagerung unter Standardbedingungen
nach ISO 3270
• 1.000 h Lagerung in Klimakammer bei
40 °C und 82% relativer Luftfeuchte.
auswertung der Korrosionsbelastung
am ritz
Visuelle Auswertung: Das typische Erscheinungsbild
der Filiformkorrosion am Ritz der
Proben in Abhängigkeit vom Werkstoff und
der Ritzlage (L: Ritz längs zur Walzrichtung,
Q: Ritz quer zur Walzrichtung) nach der Belastung
zeigt, dass im Gegensatz zu den Q-
Proben mit filigraner lateraler Ausbildung der
Fäden in Walzrichtung bei den L-Proben der
Korrosionsbeginn am Ritz und die laterale
Ausdehnung flächiger erfolgen. Außerdem
verändert sich bei den L-Proben die Ausbreitungsrichtung.
Der beginnenden Ausrichtung
senkrecht zum Ritz folgt eine Änderung bis
hin zur parallelen Ausrichtung zum Ritz und
der Verformungsrichtung.
Die visuelle Auswertung über das Ausmaß
der Filiformkorrosion nach DIN EN 3665
ergab, dass die laterale Ausbreitung der Filiformkorrosion
bei den beiden nichtaushärtenden
Al-Legierungen sowohl in der Häufigkeit
als auch in der Länge der lateralen Ausbreitung
der Filiformkorrosion signifikant unter
den Werten der aushärtbaren Legierungen
liegen. Insbesondere die Cu- und Zn-haltigen
Legierungen weisen visuell deutlich größere
Korrosionserscheinungen auf.
Metallographische Untersuchungen: Durch
metallographische Untersuchungen wurden
die Korrosionsangriffstiefen sowie die Erscheinungsform
der Korrosion in Abhängigkeit
vom Aluminiumwerkstoff ausgewertet.
Die Ergebnisse zeigen, dass Schadensart und
Schadenstiefe nach Durchführung der Korrosionsbeanspruchung
zum Nachweis von Filiformkorrosion
an Al-Werkstoffen entspre-
64 ALUMINIUM · 5/2013