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Dokumentenidentifikation DE102005044921B4 13.12.2007
Titel Verfahren zur künstlichen Alterung einer oberflächenbeschichteten Metallprobe und Vorrichtung dazu
Anmelder Technische Universität Kaiserslautern, 67663 Kaiserslautern, DE
Erfinder Emrich, Stefan, Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing., 67659 Kaiserslautern, DE;
Geiß, Paul Ludwig, Prof. Dr.-Ing., 55743 Idar-Oberstein, DE
Vertreter Patentanwälte BECKER & AUE, 55411 Bingen
DE-Anmeldedatum 20.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005044921
Offenlegungstag 22.03.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse B01J 19/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur künstlichen Alterung einer oberflächenbeschichteten Metallprobe, insbesondere einer Metallprobe mit einer Klebeverbindung, die einem Elektrolyt und Sauerstoff ausgesetzt und mit einer definierten elektrischen Spannung beaufschlagt wird, und eine Vorrichtung dazu.

Alle oberflächenbeschichteten Metalle, insbesondere organisch beschichtete Metalle und Metallklebungen, unterliegen Alterungsvorgängen, die vornehmlich durch Umwelteinflüsse initiiert werden, und mit denen eine irreversible Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften einhergeht, die von der Art und der Intensität der äußeren Belastung und beispielsweise von der Güte des Klebstoffs, des Herstellungsprozesses der Klebverbindung sowie insbesondere von der Oberflächenvorbehandlung abhängen. Von den sich negativ auf die Beständigkeit einer Metallklebung auswirkenden umweltbedingten Einflüssen wird in der Literatur der Einfluss von Wasser bzw. Feuchtigkeit hervorgehoben, wobei das Schädigungsmedium Fick'schen Gesetzen folgend über Diffusionsprozesse oder Kapillarwirkung entlang bestehender Mikrorisse im Polymer in die Klebfuge gelangt und nach dem Erreichen einer kritischen Konzentration innerhalb des Polymers zur Schwächung der geklebten Metallverbunde führt. In Wasser dissoziierte korrosionsfördernde Stoffe, wie z.B. Chlorid- oder Sulfationen, initiieren zusätzliche Schädigungsmechanismen in Form einer Grenzflächenkorrosion (bondline-corrosion).

Die Beständigkeit und das Langzeitverhalten von Klebverbindungen und Oberflächenbeschichtungen ist insbesondere in Bereichen von Bedeutung, in denen das Versagen der Klebung oder der Oberflächenbeschichtung das Versagen der Gesamtstruktur einer Konstruktion bewirkt. Als Kenngrößen für das Festigkeitsverhalten einer Klebung sind nicht die im quasistatischen Kurzzeitversuch ermittelten Klebfestigkeiten maßgebend, vielmehr sind die Festigkeitswerte entscheidend, die sich unter zeitabhängigen Beanspruchungen mit den erwähnten Einflüssen ergeben. Da diese Alterungsvorgänge in der Regel nur sehr langsam ablaufen, wird in Kurzzeitalterungsverfahren gezielt versucht, durch Temperaturerhöhung oder andere Verschärfung der Alterungsbedingungen einen „Zeitraffereffekt" zu erzeugen. Ziel aller aus der Praxis bekannter Verfahren ist eine Bewertung des Langzeitverhaltens einer Klebung in – gegenüber der natürlichen Alterung – relativ kurzen Zeitabschnitten und anhand von Laborprüflingen zu ermöglichen.

Die Salzsprühnebelprüfung gemäß DIN 50021 wird nicht nur, wie ursprünglich konzipiert, zum Nachweis der Wirksamkeit von Korrosionsschutzsystemen verwendet, sondern auch in der Klebtechnik zur Überprüfung der Langzeitbeständigkeit von Metallklebungen unter dem Einfluss korrosiver Umgebungsbedingungen. Bei der Salzsprühnebelprüfung wird eine wässrige Natriumchloridlösung mit einer Massenkonzentration von 5 Gew.-% mittels gereinigter Druckluft in einer Prüfkammer kontinuierlich versprüht, die Prüftemperatur beträgt dabei 35± 2°C. Verschärfte Varianten des Tests werden dadurch erzeugt, dass man dem Kochsalz noch Essigsäure bzw. Kupferchlorid und Essigsäure zufügt (ESS- bzw. CASS-Test). Die Prüfzeit beträgt in der Regel zwischen 24 und 5000 Stunden.

Die DE 23 46 472 C2 offenbart ein Verfahren, zur Schnellkorrosion von metallischen Proben, die einem Elektrolyt und Sauerstoff ausgesetzt sind und mit einer definierten eleektrischen Spannung beaufschlagt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem bzw. der in einem relativ kurzen Zeitraum zuverlässige Erkenntnisse über das Langzeitverhalten der Metallprobe in einer korrosiven Umgebung gewonnen werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren dadurch gelöst, dass die Metallprobe mit einer Stromdichte im mA/dm2 Bereich, bevorzugt zwischen 0,001 und 1 mA/dm2, insbesondere zwischen 0,1 und 0,7 1 mA/dm2, vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,6 1 mA/dm2, beaufschlagt wird.

Durch das Beaufschlagen der in einem Elektrolyten eingetauchten Metallprobe mit einer definierten Stromdichte wird der während der in konventionellen Korrosionstests bzw. bei natürlicher Alterung induzierte Schädigungsmechanismus der elektrochemischen Korrosion nachgestellt und hinsichtlich der Kinetik der voranschreitenden korrosiven Unterwanderung der Oberflächenbeschichtung beschleunigt.

Der Vorteil des Verfahrens liegt in einer signifikanten Verringerung der Dauer des Alterungstests und der damit verbundenen Verkürzung der Iterationsschleifen bei der Beurteilung und Verbesserung der Langzeitbeständigkeit insbesondere von Metallklebungen und Beschichtungen für Metalle. Somit lassen sich die dominierenden Wirkmechanismen zur Optimierung alterungsbeständiger adhäsiver Metallverbunde innerhalb des Verbundsystems Klebung wesentlich schneller identifizieren als bisher.

Die Korrosionsstromdichte ist insbesondere von der Legierung des Metalls der Metallprobe abhängig und darf keinesfalls derart hoch gewählt werden, dass die Metallprobe sich wie eine Opferanode verhält.

Um die Ergebnisse des Verfahrens zur künstlichen Alterung mit denen bekannter Verfahren, z. B. der Salzsprühnebelprüfung, vergleichen zu können, wird als Elektrolyt eine Natrium-Chlorid-Lösung verwendet. Hierbei kann beispielsweise eine 5%-ige NaCl-Lösung zum Einsatz kommen. Zweckmäßigerweise wird der Elektrolyt in einem die Metallprobe aufnehmenden Behälter aus einem rostfreien Edelstahl erwärmt.

Um eine Sättigung des Elektrolyten mit Sauerstoff sicherzustellen und damit den Korrosionsprozess zu beschleunigen, wird bevorzugt der Sauerstoff insbesondere zyklisch in den Behälter geleitet.

Vorteilhafterweise wird die Metallprobe zwischengetrocknet. Zum Zwischentrocknen wird die Metallprobe dem Behälter entnommen und in einen temperierten Ofen gelegt.

Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe nach der Erfindung gelöst durch einen Behälter zur Aufnahme der Metallprobe und eines Elektrolyten, wobei der Behälter als Kathode und die Metallprobe als Anode geschaltet an eine eine Stromdichte im mA/dm2 Bereich liefernde Spannungsquelle außerhalb des Behälters angeschlossen sind.

Aufgrund dieser Maßnahmen wird eine kompakte Vorrichtung bereitgestellt, mit der durch das Anlegen von Strom an die Metallprobe in einem relativ kurzen Zeitraum zuverlässige Erkenntnisse über das Langzeitverhalten der Metallprobe in der korrosiven Umgebung gewonnen werden können.

Zweckmäßigerweise ist die Metallprobe in einer Halterung aufgenommen, die als Anschluss für die Spannungsquelle dient. Die aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff bestehende Halterung stellt zum einen eine einfache Handhabung und zum anderen eine zuverlässige elektrische Kontaktierung der Metallprobe sicher.

Zur Sättigung des Elektrolyten mit Sauerstoff ist vorteilhafterweise in den Behälter eine Lanze zur Zufuhr von Sauerstoff eingesetzt. Um eine definierte Sauerstoffzufuhr zu gewährleisten, ist bevorzugt die Lanze mit einem Durchflusssensor und/oder einem Druckregler und/oder einem Magnetventil gekoppelt. Mit einem präzisen Druckregler lässt sich ein konstanter Druck des Sauerstoffs einstellen. Zur Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse ist es erforderlich, die in den Elektrolyt eingeleitete Menge an Sauerstoff mittels des Durchflusssensors zu erfassen und einzustellen. Zur Realisierung einer zyklischen Sauerstoffzufuhr ist das Magnetventil mit einer Zeitschaltung versehen. Um eine gleichmäßige Blasenbildung zu erzielen, weist vorzugsweise die Lanze an ihrem freien Ende einen Diffusor aus einem Sintermaterial auf. Als Sintermaterial wird z.B. ein elektrochemisch inertes Material verwendet. Zweckmäßigerweise ist die Lanze aus einem elektrochemisch inerten Material, insbesondere aus Kunststoff oder Glas, gefertigt. Beispielsweise stellt ein PMMA-Rohr ein kostengünstiges Bauteil für die Lanze dar, wobei der Werkstoff inert gegenüber korrosiven Medien ist.

Damit der Behälter den auf ihn einwirkenden Beanspruchungen standhält, besteht er vorzugsweise aus einer korrosionsbeständigen Edelstahllegierung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung und

2 ein Blockschaltbild für die Regelung der Sauerstoffzufuhr zu der Vorrichtung nach 1.

Die Vorrichtung umfasst einen aus einer korrosionsbeständigen Edelstahllegierung gefertigten Behälter 1, der mit einer 5%-igen Natriumchloridlösung als Elektrolyt 2 gefüllt ist und eine Metallprobe 3 aufnimmt. Der Elektrolyt 2 wird mittels einer Heizung auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Bei der Metallprobe 3 handelt es sich um einen genormten Prüfkörper zur Bestimmung der Zugscherfestigkeit einer hochfesten Überlappungsklebung aus einer Aluminiumlegierung. Demnach ist die Metallprobe 3 mit einem Klebstoff oberflächenbeschichtet. Die Metallprobe 3 ist an einer Halterung 4 befestigt, die zur elektrischen Kontaktierung einer außerhalb des Behälters 1 angeordneten Spannungsquelle 5 ausgebildet ist, wobei die Spannungsquelle 4 im Weiteren an den Behälter 1 angeschlossen ist. Die Metallprobe 3 ist als Anode und der Behälter 1 als Kathode geschaltet. Der Spannungsquelle 4 ist ein Regler 6 zur Einstellung einer konstanten Korrosionsstromdichte im mA/dm2 Bereich und ein Strommesser 7 zur Überwachung der Stromstärke zugeordnet. Die Korrosionsstromdichte wird in Abhängigkeit von der Legierung der Metallprobe 3 beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,7 mA/dm2, bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6 mA/dm2 eingestellt.

Zur Sättigung des Elektrolyten 2 mit Sauerstoff ist eine Lanze 8 in den Behälter 1 eingesetzt, die in der einfachsten Ausgestaltung über ein Ventil 9 mit einem Sauerstoffvorratsbehälter gekoppelt ist. Zur gleichmäßig verteilten Einleitung des Sauerstoffs trägt die Lanze 8 an ihrem freien Ende einen Diffusor 10 aus einem elektrochemisch inerten Sintermaterial, der die Blasenbildung begünstigt. Damit der Sauerstoff definiert in den Elektrolyt 2 geleitet werden kann, ist der Lanze 8 neben einem Magnetventil 11 ein Durchflusssensor 12, ein Druckregler 13 mit einem Manometer 14 sowie eine Drossel 15 vorgeschaltet.


Anspruch[de]
Verfahren zur künstlichen Alterung einer oberflächenbeschichteten Metallprobe (3), insbesondere einer Metallprobe (3) mit einer Klebeverbindung, die einem Elektrolyt (2) und Sauerstoff ausgesetzt und mit einer definierten elektrischen Spannung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallprobe (3) mit einer Stromdichte im mA/dm2 Bereich, bevorzugt zwischen 0,001 und 1 mA/dm2, insbesondere zwischen 0,1 und 0,7 mA/dm2, vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,6 mA/dm2, beaufschlagt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt (2) eine Natrium-Chlorid-Lösung verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (2) in einem die Metallprobe (3) aufnehmenden Behälter (1) aus einem rostfreien Edelstahl erwärmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff insbesondere zyklisch in den Behälter (1) geleitet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallprobe (3) zwischengetrocknet wird. Vorrichtung zur künstlichen Alterung einer oberflächenbeschichteten Metallprobe (3), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Behälter (1) zur Aufnahme der Metallprobe (3) und eines Elektrolyten (2), wobei der Behälter (1) als Kathode und die Metallprobe (3) als Anode geschaltet an eine eine Stromdichte im mA/dm2 Bereich liefernde Spannungsquelle (5) außerhalb des Behälters (1) angeschlossen sind. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch, dass die Metallprobe (3) in einer Halterung (4) aufgenommen ist, die als Anschluss für die Spannungsquelle (5) dient. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Behälter (1) eine Lanze (8) zur Zufuhr von Sauerstoff eingesetzt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (8) mit einem Durchflusssensor (12) und/oder einem Druckregler (13) und/oder einem Magnetventil (11) gekoppelt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (8) an ihrem freien Ende einen Diffusor (10) aus einem Sintermaterial aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (8) aus einem elektrochemisch inerten Material, insbesondere aus Kunststoff oder Glas, gefertigt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) aus einer korrosionsbeständigen Edelstahllegierung besteht.






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