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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
esearcH Werkstoff Ritzlage Schadensart Schadenstiefe Al99,5 Flächenkorrosion, Muldenkorrosion 15 µm AlMg3 Flächenkorrosion, Muldenkorrosion 15 µm AlSi1MgMn quer zur Walzrichtung interkristalline Korrosion Muldenkorrosion 40 µm AlCu4MgSi interkristalline Korrosion 90 µm AlZn4,5Mg1 Muldenkorrosion, interkristalline Korrosion 60 µm Al99,5 Flächenkorrosion, Muldenkorrosion 15 µm AlMg3 Flächenkorrosion, Muldenkorrosion 5 µm AlSi1MgMn längs zur Walzrichtung interkristalline Korrosion, Muldenkorrosion 40 µm AlCu4MgSi interkristalline Korrosion 90 µm AlZn4,5Mg1 Muldenkorrosion, interkristalline Korrosion Schichtkorrosion 30 µm Tabelle 1: Auswertung der metallographischen Untersuchungen chend ISO 4623-2 abhängig sind von der Legierungszusammensetzung. In Tabelle 1 sind die quantitativen und qualitativen Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen zusammengefasst. Daraus geht hervor, dass ein Einfluss der Ausrichtung des Ritzes auf die Schadensart und Schadenstiefe (Mittelwerte aus drei Querschliffen) praktisch nicht vorhanden ist. Lediglich bei den Zn-legierten Proben sind deutlich höhere Schadenstiefen bei den quer zur Walzrichtung geritzten Proben im Vergleich zu den Längsproben erkennbar. Festigkeitsuntersuchungen: Die Ergebnisse statischer Festigkeitsuntersuchungen mittels Zugversuch an den beschichteten Schwingproben ohne und nach Filiformkorrosionsbelastung am Ritz zeigen, dass ein signifikanter Einfluss der Korrosionsschädigungen nach Durchführung des Korrosionstestes auf Filiformkorrosion auf die statischen Festigkeitseigenschaften bei keinem der untersuchten Aluminium-Werkstoffe vorhanden ist. dauerschwingversuche Die Dauerschwingversuche wurden als Biege- Wechselversuche ohne Vorlast zur Ermittlung der Wöhlerlinien für die jeweiligen Aluminiumwerkstoffe ohne und mit Korrosionsvorbelastung durch den Filiformkorrosionstest durchgeführt. Dazu wurden zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse die Proben ohne Vorkorrosion ebenfalls mit dem 2K-PUR-Klarlack- Abb. 1: Wöhlerlinien AlMg3 ohne und mit Filiformkorrosion, Ritz quer zur Verformungs-richtung Abb. 2: Wöhlerlinien AlCu4MgSi ohne und mit Filiformkorrosion, Ritz längs zur Verfomungs-richtung Abb. 3: Wöhlerlinien AlZn4,5Mg1 ohne und mit Filiformkorrosion, Ritz längs zur Verformungsrichtung Abb. 4: Wöhlerlinien AlZn4,5Mg1 mit Filiformkorrosion am Ritz quer und längs zur Verformungsrichtung ALUMINIUM · 5/2013 65
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