Einfluss des Aluminiumgehaltes gespritzter Zinküberzüge auf den Korrosionsschutz von Stahl

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit werden im wesentlichen zwei Fragestellungen untersucht. Zum einen wird der Legierungseinfluss auf das Korrosionsverhalten von Spritzüberzügen in praxisnahen Medien des Bauwesens zur Ermittlung optimierter Legierungszusammensetzungen untersucht, zum anderen der legierungsabhängige Mechanismus der Korrosion und Deckschichtbildung, da das hervorragende Korrosionsverhalten der aluminiumreichen Schichten offenbar mit einer Besonderheit des Abtrags- und Deckschichtbildungsmechanismus einhergeht. Für die Untersuchungen wurden sieben verschiedene Spritzüberzüge auf unlegierten Stahl zum Zwecke des Korrosionsschutzes aufgebracht und ausgelagert. Das Korrosionsverhalten wurde in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung und der Korrosionsbelastung anhand der Veränderung des Erscheinungsbildes der Schichten und dem korrosionsbedingten Abtrag nach 2 und 5 Jahren Auslagerungen bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch das Zulegieren von Al zu Zn für die untersuchten Anwendungsgebiete im Bauwesen eine deutlich bessere Korrosionsbeständigkeit erzielt werden kann. Ein Maximum der Schutzwirkung wurde bei mittleren Al-Gehalten von 15 bzw. 22 M.-% erzielt, mit Abtragsraten unter 1 µm/a. Die ZnAl 4-Spritzschicht wies immerhin in Stadtatmosphäre, Meeresatmosphäre und in der Spritzwasserzone des Meeres Abtragsraten unter 1 µm/a auf, während die ZnAl 2-Spitzschicht in allen Atmosphären Abtragsraten über 1 bis 20 µm/a aufwies. Das Zulegieren von über 22 % Al brachte keine zusätzlichen Verbesserungen im Korrosionsverhalten. Die durchgeführten Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass einem sehr geringen Abtrag überwiegend ein mittlerer oder sogar starker innerer Angriff gegenüber steht. Dieser stärkere innere Korrosionsangriff ist verbunden mit einem besseren Korrosionsverhalten, da diese von Korrosionsprodukten durchzogenen Spritzschichten offensichtlich schützend wirken. Zur Charakterisierung des Korrosionsmechanismus von ZnAl-Spritzschichten werden drei verschiedene Modelle diskutiert und anhand der elektrochemischen Untersuchungen beurteilt: der kathodische Schutz, eine Passivierung durch stabile Deckschichten und eine Inhibition der kathodischen Teilreaktion der Korrosion. Die Stromdichte-Potentialkurven lassen für keine Legierung eine Verschiebung des Freien Korrosionspotentials in kathodische Richtung erkennen. Des weiteren wird nur eine geringe Verringerung der Stromdichte im Anodischen insbesondere bei mittleren Al-Gehalten erkennbar. Gleichwohl wurde eine selektive Korrosion der zinkreichen Phasen festgestellt. Da eine ausgeprägte Hemmung der kathodischen Teilreaktion in Verbindung mit einer prozentualen Al-Anreicherung und einer Zn-Verarmung über die gesamte Schicht festgestellt wurde, beruht der Mechanismus der Korrosion von ZnAl-Spritzschichten im wesentlichen auf einer Inhibition durch Aluminiumhydroxid. Durch den zunehmenden Al-Anteil in der Schicht und das damit verbundene Vorherrschen inhibierender Korrosionsprodukte wird die kathodische Teilreaktion und damit auch die Korrosion des gespritzten ZnAl-Überzuges zunehmend unterbunden.

Fundamentally this work deals with two problems. On the one hand the influence of the alloy on the corrosion performance of sprayed coatings in climates of practical relevance were analysed to evaluate optimised alloy compositions. On the other hand the mechanism of corrosion and coating formation was assayed, which also depends on the alloy, as apparently the excellent corrosion behaviour of the Al-rich coatings come along with the characteristic of the mechanism of removal and coating formation. For investigation seven different sprayed coatings were applied on carbon steel for corrosion protection and exposed in climates of practical relevance. The corrosion behaviour was determined in dependence of alloy composition and corrosion loading by the change appearance and the attack due to corrosion after 2 and 5 years of exposure. The results showed that there could be achieved an obviously better corrosion resistance for the investigated scopes of application of the civil engineering by adding Al to Zn. The maximum protective effect for all investigated fields of application was achieved using medium contents of Al of 15 to 22 % with a removal among 1 µm/a. The same good results showed the sprayed coating with 4% aluminium in rural and marine atmospheres and in the splash-zone. It is not to reach an additionally improvement of the corrosion behaviour by adding more than 22% Al. Furthermore these investigations showed that a very low removal of coating thickness is associated with a mean or even heavy internal attack. This stronger internal corrosion attack is correlated with a better corrosion behaviour, because obviously these sprayed coatings which were nerved by corrosion products had a protective effect. To characterise the mechanism of corrosion of sprayed ZnAl coatings three different models were discussed and evaluated on the basis of the electrochemical investigations: the cathodic-based protection, a passivation using stable coatings and an inhibition of the cathodic reaction of corrosion. No current-density-versus-potential-curves, which were measured, showed a shift of free corrosion potential in cathodic direction. Furthermore only a small reduction of current density for mean aluminium concentration was found. Nevertheless the selective corrosion of the zinc-rich phase was asserted. There was found a distinctive slowing-down of the cathodic reaction in conjunction with an accumulation of aluminium in percent and a depletion of zinc. Essentially the mechanism of corrosion of ZnAl sprayed coatings is based on an inhibition by aluminium-hydroxide. Due to the increasing concentration of Al within the layer and the correlated preponderance of inhibitive corrosion products the cathodic reaction and therefore the corrosion of the sprayed ZnAl coatings is becoming increasingly eliminate.