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Posts Tagged ‘Korrosion’

Old_straw_haulm_groundFast 600 Biomasseheizkraftwerke waren 2013 nach Angaben der FNR in Betrieb – Tendenz steigend. Längst nutzen nicht nur holzverarbeitende Betriebe ihre Reststoffe zur Energiegewinnung, auch in der Landwirtschaft und in der kommunalen Versorgung gewinnt der Einsatz von Biomasse als Energielieferant an Bedeutung. Dabei handelt es sich in der Regel um kleinteilige Reststoffe, die für keine andere Nutzung geeignet sind. Spelzen, Restholz oder Stroh sind oft stark mit Sand verunreinigt; aber auch Kalium- und Chlorverbindungen gelangen mit der Biomasse in größerem Umfang in die Öfen. Für die Werkstoffe stellt das eine erhebliche Belastung dar: Während Sand abrasiv wirkt – also physikalisch an den Oberflächen „scheuert“ – entstehen in der Hitze aus Kalium und Chlor Verbindungen, die die Werkstoffe zusätzlich chemisch angreifen und bei chromlegierten Stählen zu giftigen Korrosionsprodukten führen. Das Ergebnis: Korrosion, die Lauf- und Lebenszeiten der Anlagen herabsetzt und hohe Kosten verursachen kann.

Gerade das Zusammenwirken von Abrasion und Korrosion wurde bisher nur wenig erforscht. Im Rahmen eines IGF-Vorhabends wollen Wissenschaftler deshalb neue Schutzschichten entwickeln, die auch den harschen Bedingungen bei der Biomasseverbrennung standhalten. Dazu untersuchen sie gezielt, welche Wirkung einzelne Elemente (Ni, Fe, Mo, W, Nb, Si) auf die Beständigkeit eines Werkstoffs haben. Ziel ist es, eine korrosions- und gleichzeitig abrasionsbeständige kostengünstige und chromfreie Alternative zu den bekannten teuren Mehrkomponentenmaterialien zu entwickeln.

Neben dem Einfluss der Schichtzusammensetzung auf die Korrosionsmechanismen werden die Auswirkungen der Temperatur und der Art der chlorreichen Umgebung (z.B. gasförmiges HCl, KCl-reiche Asche oder Schmelze) auf die mechanischen Eigenschaften und die thermische Ausdehnung der Schicht untersucht. Der kombinierte Angriff wird u.a. mittels eines Labor-Wirbelschichtreaktors in chloridhaltigen Atmosphären zusammen mit chloridreicher Bioasche bzw. synthetischen Aschen und durch Bewegung von Probestäben in chloridreichen Salzschmelzen untersucht. Im Hinblick auf die weitere Verwertung der Asche z.B. als Düngemittel sind niedrige Schwermetallgehalte wichtig. Daher ist die die Ermittlung der in der Asche enthaltenen Metalle geplant.

Ergebnis des Projekts soll eine Verwertungsmatrix sein; anhand einer Datenbank kann der Anwender die am besten geeigneten Beschichtung entsprechend seines spezifischen Problemfalls auswählen. Damit lassen sich über die bestehenden Anwendungen hinaus zudem neue Technologiefelder im Bereich der Hochtemperaturanwendungen erschließen.

Mehr zum Projekt: IGF 18118 N – Entwicklung korrosions- und gleichzeitig abrasionsfester Hochtemperaturschutzschichten für hochchlorhaltige thermochemische Prozesse

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Magenesium - ein beliebter Werkstoff [„Magnesium-products“. Firetwister. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons ]

Magenesium – ein beliebter Werkstoff [„Magnesium-products“. Firetwister. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons ]

Magnesium ist mit einer Dichte von etwa 1,74 g/cm3 das Leichtgewicht unter den metallischen Werkstoffen. Es ist rund ein Drittel leichter als Aluminium und deshalb als Konstruktionswerkstoff im Leichtbau sehr gefragt. Besonders in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, wo stete Verbesserungen bei Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit im Vordergrund stehen, bieten sich viele Einsatzmöglichkeiten. Magnesium ist allerdings nicht nur das leichteste, sondern auch das chemisch reaktivste Konstruktionsmetall. Damit ist sein Einsatz stark eingeschränkt, denn die Oberfläche muss durch geeignete Technologien vor Korrosion geschützt werden. Das verursacht zusätzlichen Aufwand und Kosten, die den Gewichtsvorteil wieder zunichtemachen.

Wissenschaftler des DECHEMA-Forschungsinstituts entwickeln deshalb gemeinsam mit Kollegen von der Universität Paderborn eine neuartige, kosteneffiziente und umweltverträgliche Oberflächentechnologie für den Korrosionsschutz von Magnesium-Legierungen. Dabei wird mit Hilfe von Hochleistungsultraschall auf der Magnesiumoberfläche eine schützende Oxidschicht mit selbstheilenden Eigenschaften erzeugt. Der Ultraschall verursacht Kavitationsblasen, die beim Bersten lokale Drücke von mehreren hundert bar und Temperaturen von einigen tausend Kelvin hervorrufen. Dadurch bildet sich auf der Magnesiumoberfläche eine poröse schwammartige Struktur, die fest mit dem Grundmaterial verbunden ist. Wenn es gelingt, bestimmte Porengrößen zu erzeugen, können darin mit Inhibitoren beladene Nanopartikel eingebaut werden. Alternativ können auch anorganische Inhibitoren, beispielsweise Seltenerdmetalle, direkt in die wachsende Oxidschicht eingebaut werden. Bei Beschädigung der Schicht werden an den betroffenen Stellen die Inhibitoren auf kontrollierte Weise freigesetzt und verhindern den Korrosionsprozess, indem sie eine neue schützende Deckschicht bilden.

Mehr zum IGF-Projekt 18267 N Korrosionsschutz für Magnesiumknetlegierungen durch ultraschallgestütztes Wachstum von selbstheilenden Oxidschichten

 

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Magnesium besitzt die geringste Dichte aller Metalle. Seine Legierungen sind als Konstruktionswerkstoffe überall dort sehr gefragt, wo Gewicht gespart werden soll. Trotz des geringen Gewichts besitzen sie nämlich eine hohe Festigkeit. Ihr Einsatzgebiet reicht von Automobil- über Fahrrad- und Flugzeugteilen bis hin zu Produktionsequipment. Aber Magnesiumlegierungen sind sehr reaktiv und damit anfällig für Korrosion und Verschleiß. Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme in Dresden und dem DECHEMA-Forschungsinstitut in Frankfurt versuchen im Rahmen eines Projekts der Industriellen Gemeinschaftsforschung die Oberfläche der Legierung noch besser zu schützen. In einem neuen Verfahren kombinieren sie die gepulste plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) mit chemischer Nanotechnologie. Mit dieser Methode soll eine möglichst verdichtete, glatte Oberfläche erzeugt werden, die zudem noch selbstheilende Eigenschaften besitzt.

Die PEO ist ein gängiges Verfahren zum Oberflächenschutz von Leichtmetallen. Damit lässt sich die Oberfläche der Magnesiumlegierung mit einer extrem harten und dichten keramischen Schicht überziehen. Das zu beschichtende Werkstück wird in eine Salzlösung getaucht, die als Elektrolyt dient. Dann wird eine Stromquelle angelegt, wobei das Werkstück die Anode bildet.Die Anodisation erfolgt über Plasmaentladungen im Elektrolyten an der Oberfläche des zu beschichtenden Teiles: Es bildet sich ein Sauerstoff-Plasma, dass das Magnesium an der Oberfläche zum Schmelzen bringt und einen fest haftenden Oxidkeramik-Metallverbund erzeugt. Dies geschieht üblicherweise bei Spannungen von 300 – 500 V. Um die Korrosionsbeständigkeit noch weiter zu erhöhen, kann zusätzlich noch eine schützende Lackierung aufgebracht werden. Da diese Versiegelungen organische Substanzen erhalten, wird der bessere Korrosionsschutz aber mit einer schlechteren thermischen Beständigkeit erkauft. Neben der Korrosionsbeständigkeit spielen für Magnesiumwerkstoffe oft auch die thermische und/oder mechanische Belastbarkeit eine große Rolle, beispielsweise für Motorenkomponenten oder Magnesiumfelgen. Mit anorganischen korrosionsschützenden, verschleißbeständigen und thermisch stabilen Überzügen lassen sich diese Nachteile umgehen.

Durch die Kombination der PEO mit dem Einbau mesoporöser oxidischer Nanopartikel – diese Partikel besitzen einen Porendurchmesser zwischen 2 und 50 nm – wollen die Forscher nun die Oberflächenstruktur optimal gestalten, um die thermische Belastbarkeit der Legierung weiter zu verbessern. Außerdem rechnen sie für diesen Prozess mit einer deutlichen Energieeinsparung durch geringere Spannungen, so dass das Verfahren auch für die industrielle Massenproduktion attraktiv ist. Ein besonderes Novum ist die Integration einer Selbstheilungsfunktion in die Schutzschicht. Wird die Schutzschicht beispielsweise durch Kratzer beschädigt, werden Korrosionsinhibitoren, wie z.B. Seltenerdverbindungen, aus den mesoporösen Nanopartikeln freigesetzt und führen und schützen so die darunter liegende Materialschicht. Hierdurch bleibt der Korrosionsschutz auch nach dieser Beschädigung der Oberfläche erhalten.

Mehr zum Projekt: Erweiterung des Einsatzbereiches von funktionalen Beschichtungen gegen Metal Dusting für reduzierend-oxidierend wirkende Wechselatmosphären, IGF-Nr. 16898 N

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Werkstück vor dem Metal Dusting

Vorher… [Copyright DECHEMA-Forschungsinstitut]

Ob bei der Nutzung fossiler Rohstoffe oder der Verarbeitung von Biomasse: Synthesegas  und ähnliche Gemische aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Wasserdampf bilden einen wichtigen Zwischenschritt in vielen chemischen Prozessen. Vereinfacht gesagt liefert das Synthesegas – egal woher es stammt – die kleinsten „Bausteine“, aus denen die v

erschiedensten Grundchemikalien aufgebaut werden können.  Seine Umsetzung in der Prozesstechnik stellt jedoch hohe Anforderungen an das Material: In Crack-Anlagen und Reformer-Einheiten der petrochemischen Industrie wird bei Temperaturen zwischen 450 und 900 °C gearbeitet. Unter diesen Bedingungen reagieren die heißen Gase mit dem Anlagenmaterial. Durch die Bildung von Graphit oder Metallkarbiden

Metal Dusting. Bildquelle: DFI

…und nachher [Copyright DECHEMA-Forschungsinstitut]

kann im Werkstoff eine sogenannte „Aufkohlung“ statt.. Dadurch kommt es zu einer Versprödung der Bauteile. Als Extremform tritt bei einer hohen Kohlenstoffkonzentration das „Metal Dusting“ auf. Dabei scheidet sich Kohlenstoff als Koks und Ruß auf der Oberfläche und im Material an den Korngrenzen ab. Das metallische Bauteil zerfällt zu „Staub“, der aus Graphit und Metallpartikeln bzw. Metallkarbiden besteht.

Das Forschungsgebiet der Inhibierung von Aufkohlung und Metal Dusting mittels Beschichtungen ist noch jung. Am DECHEMA-Forschungsinstitut untersuchen Wissenschaftler die Abscheidung von Kohlenstoff auf Werkstoffoberflächen mittels Katalyse. Bisher wurden intermetallische Nickel-Zinn-Schichten untersucht. Sie zeigten eine sehr gute Beständigkeit gegenüber Aufkohlung und Metal Dusting. Allerdings werden sie vergleichsweise schnell durch Oxidation in synthetischer Luft geschädigt. Da viele Anlagen in Luft hochgefahren werden, muss eine funktionale Beschichtung auch bei höheren Sauerstoffpartialdrücken unversehrt bleiben.

In einem von der Industriellen Gemeinschaftsforschung geförderten Projekt werden daher weitere Konzepte untersucht, um auch in wechselnden Atmosphären (reduzierend und oxidierend) einen guten Schutz vor Metal Dusting zu erreichen. Dabei werden zwei Strategien verfolgt: Es wird untersucht, ob durch die co-Diffusion von oxidschichtbildenden Elementen wie Aluminium oder Chrom in die intermetallische Schicht eine Oxidbarriere über der kohlenstoffbeständigen intermetallischen Phase gebildet wird. Außerdem wird überprüft, inwieweit durch diese oxidationsbeständige Deckschicht über der intermetallischen Nickel-Zinn-Schicht die Schutzwirkung weiter erhöht werden kann.

Als Schwermetall ist Zinn in vielen Anlagen unerwünscht. Außerdem werden die natürlichen Zinnvorkommen in absehbarer Zeit erschöpft sein. Deshalb soll alternativ zur Nickel-Zinn-Beschichtung auch eine zinnfreie-Variante entwickelt werden, die ähnliche katalytische Eigenschaften besitzt.

Wenn es gelingt, eine Beschichtung zu entwickeln, die in reduzierenden/oxidierenden Wechselatmosphären resistent gegen Metal Dusting ist, kann die Laufzeit von Reformern für die Wasserstoffproduktion im mobilen und Kleinanlagensektor erheblich verlängert werden. Auch die Konstruktion der Komponenten im kritischen Temperaturbereich zwischen 400 und 900°C vereinfacht sich. Und zu guter Letzt: Es können kostengünstige Werkstoffe für kritische Bauteile eingesetzt werden.

Mehr zum Projekt Erweiterung des Einsatzbereiches von funktionalen Beschichtungen gegen Metal Dusting für reduzierend-oxidierend wirkende Wechselatmosphären, 16898 N

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Die Titanic vor ihrer Jungfernfahrt [Quelle: Library of Congress]

Spätestens seit Berichte durch die Pressegingen, wonach am Rumpf der Titanic „eisenfressende“ Bakterien gefunden wurden, ist das Phänomen der Biokorrosion einer breiteren Öffentlichkeit bekannt. Sie spielt besonders bei Werkstoffoberflächen in feuchter Umgebung eine Rolle, also zum Beispiel an Wassertransportleitungen, in Kühlkreislaufen oder industriellen Produktionsanlagen. In solchen Milieus siedeln sich Mikroorganismen wie Bakterien, Algen oder Pilze auf der Werkstoffoberfläche an und bilden eine dünne Schicht, einen Biofilm. Manche dieser Mikroorganismen beschleunigen die Reaktion zwischen dem Werkstoff und dem im Wasser gelösten Sauerstoff, andere scheiden Säuren aus, die die Oberfläche angreifen.

Doch Biofilme können der Korrosion auch entgegen wirken. Eine wichtige Rolle spielen dabei sogenannte extrazelluläre polymere Substanzen (EPS). Das sind Stoffe, die die Mikroorganismen an ihre Umwelt abgeben und die unter anderem Biofilme stabilisieren können; darunter sind Polysaccharide, Proteine, Fette und andere Stoffe. Je nach Art und Zusammensetzung wirken die EPS mehr oder weniger stark korrosionsfördernd oder –hemmend. Manche EPS „besetzen“ Positionen an der Werkstoffoberfläche, an die sonst Mikroorganismen andocken würden. Andere können Eisenionen abfangen und verhindern so, dass Mikroorganismen durch diese Eisenionen angezogen werden. Die schützende Wirkung ist für einige EPS bereits nachgewiesen.

Ein Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung beschäftigt sich derzeit intensiv mit der Erforschung einer ganzen Reihe von Exopolymeren und ihrer Wirkung. Speziell sollen Phospholipide, bakterielle EPS und weitere Substanzen daraufhin untersucht werden, ob sie sich gezielt für den Korrosionsschutz einsetzen lassen und wie dieser Schutz genau funktioniert. Die Substanzen, die im Fokus stehen, lassen sich aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen und sind unter Umweltsgesichtspunkten unproblematisch – ein großes Plus gegenüber konventionellen Lacken und Korrosionsschutzmitteln.

Der Titanic in über 3.800 m Tiefe wird das wohl nicht mehr helfen, aber angesichts der Tatsache, dass Biokorrosion einen signifikanten Anteil an den weltweiten Korrosionsschäden haben soll und diese im Milliardenbereich liegen, ist diese Forschung mehr als lohnend.

Mehr zum Projekt

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