Thema des Monats Februar 2009


Bild: Indem das Kühlgas eine Eigenrotation verleiht bekommt, wird die Flamme stabilisiert, sodass die Beschichtung gleichmäßig auf Werkstoffen verteilt wird: Prof. Dr. Bernhard Wielage, Gerd Paczkowski und Christian Rupprecht (v.r.) haben ihre Erfindung patentieren lassen. Foto: Heiko Kießling.

Korrosion heißt der entscheidende Hauptfaktor, der die Lebens- beziehungsweise Gebrauchsdauer von technischen Produkten limitiert und so jährlich volkswirtschaftliche Schäden in Milliardenhöhe verursacht – alleine in der Bundesrepublik Deutschland wird dieser Umfang auf etwa 90 Milliarden Euro geschätzt. In der Publikation „Vorlesungen über Korrosion und Korrosionsschutz von Werkstoffen - Teil I“ des Institut für Korrosionsschutz in Dresden wird diese Tatsache sehr anschaulich dargestellt: Weltweit verrosten pro Minute mehrere Tonnen Stahl, beispielsweise in Rohrleitungen der chemischen Großindustrie, in Trinkwasseranlagen und Komponenten der Automobil-Industrie. Korrosive Schädigungsmechanismen betreffen gerade auch die Produkte der Messen wire und Tube, da diese Bauteile und Komponenten häufig in reaktiven Umgebungen arbeiten oder mit aggressiven Stoffsystemen in Kontakt stehen.

Konzepte zur Ressourcenschonung bei der Herstellung von Produkten und zur Steigerung der Nachhaltigkeit im Produktlebenszyklus gewinnen daher immer mehr an Bedeutung. Innovative Entwicklungen im Bereich des Korrosionsschutzes spielen in diesem Kontext eine große Rolle und zeigen viel versprechende Perspektiven auf.

Rostfrei ohne Chrom

Chromatschichten schützten Autokarosserien lange Zeit vor unschönem und die Funktion beeinträchtigendem Rost – seit Mitte 2007 verbietet jedoch eine Richtlinie des Europäischen Parlaments die Verwendung von toxischen und krebserregenden Chrom(VI)-Verbindungen bei der Autoherstellung, um damit verbundene Umweltschäden und Gesundheitsrisiken zu unterbinden. Zwischenzeitlich haben mehrere chrom(VI)-freie Beschichtungssysteme ihren Weg in die Anwendung gefunden. Diese stellen häufig aber nur einen schwachen Kompromiss dar – so müssen beispielsweise Abstriche in der Schutzwirkung gemacht werden und Limitierungen in der Substratauswahl hingenommen werden.

Wissenschaftler der Fraunhofer-Institute für Silicatforschung in Würzburg und für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik in Chemnitz haben in Kooperation mit ihren Kollegen am Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH nun eine Alternative auf der Basis von neuartigen Nanokompositen entwickelt, die über ein Sol-Gel-Verfahren appliziert werden. Zur Beschichtung tauchen die Forscher bereits verzinkte Stahlbleche in das Sol und tragen zusätzlich eine Pulverbeschichtung auf. In anspruchsvollen und praxisnahen Belastungstests stellen diese Coatings ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis. So wurden die angeritzten Bleche beispielsweise für 360 Stunden einem Salzsprühtest unterzogen oder für 240 Stunden in einer Klimakammer mit 100 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit gelagert. Nach Aussage von Projektleiterin Frau Dr. Johanna Kron zeigen die meistens auf diese Art modifizierten Materialien einen ähnlich guten Korrosionsschutz, wie er durch eine kommerzielle Gelbchromatierung realisiert wird. Im Vergleich zu einem am Markt befindlichen chromfreien System sowie zu einer Chrom(III)-Passivierung sind die neuen Schichten oft sogar leistungsfähiger. In etwa fünf Jahren, so schätzen die Forscher, könnte das im Labor bereits zuverlässig funktionierende System auf den Markt kommen.

Optimiertes Hochgeschwindigkeitsflammspritzen

Bild 2: Chromfrei: Über das Sol-Gel-Verfahren applizierte Prüfbeschichtungen auf der Basis von neuartigen Nanokompositen.

Diverse Varianten des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens kommen überall dort zum Einsatz, wo stark beanspruchte Bauteile vor Korrosion und Verschleiß geschützt werden sollen. Dazu werden die zu beschichteten Oberflächen mit einem bis zu 2.000 Metern pro Sekunde schnellen Partikelstrahl beschossen, der im Kern Temperaturen von etwa 3.000 Grad Celsius besitzt. Durch diese extremen Prozessparameter lassen sich hochverdichtete, haftende und außerordentlich widerstandsfähige Beschichtungen auf den verschiedensten Substraten erzeugen. Die konventionelle Düsen-Technologie führt jedoch häufig zu ungleichmäßigen Beschaffenheiten der beschichteten Werkstoffoberfläche. Grund hierfür ist die Tatsache, dass die Partikelflamme aufgrund der enormen Geschwindigkeit und der Temperaturunterschiede zur umgebenden Luft eine peitschende Eigenbewegung an der Spitze entwickelt, die den Ablagerungsvorgang hinsichtlich der Gleichmäßigkeit negativ und wenig kontrollierbar gestaltet Um diesen Schwachpunkt zu beheben, haben Wissenschaftler unter Leitung von Prof. Dr. Bernhard Wielage von der TU Chemnitz eine einfache - aber wegweisende - Lösung entwickelt und bereits zum Patent angemeldet. Die Ingenieure nutzen das zur Kühlung der Spritzdüse stets vorhandene Hüllgas, das den Partikelstrahl umgibt, jetzt zur Stabilisierung der Flamme.

So strömt in der aktuellen Entwicklung das kühlende Hüllgas - häufig Stickstoff bei Raumtemperatur - künftig mit einer Eigenrotation aus der Düse und verhindert durch den aufgeprägten Drehimpuls, dass der Flammstrahl instabil wird und „ins Straucheln“ gerät. Der eigentliche Spritzstrahl wird durch die rotierende Hüllgasströmung stabilisiert und fokussiert die darin befindlichen Partikel auf eine definierte Flugbahn. Diese Prozess-Modifizierung stellt drastisch gesteigerte Schichtqualitäten ein, da die Partikel gleichmäßiger und lokalisierter auf dem zu beschichtendem Substrat auftreffen. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass der Brenner in höheren Leistungsklassen betrieben werden kann, wodurch sich zukünftig deutlich mehr Material pro Zeit verarbeiten lässt. Da der Chemnitzer Düsenaufsatz kompatibel zu handelsüblichen HVOF-Brennern ist, haben mehrere namhafte Firmen bereits Interesse an dieser Technologie-Innovation angemeldet.

Dr.-Ing. Christoph Konetschny
Material- und Nanoexperte
www.materialsgate.de


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