Nanopartikel im Einsatz gegen Korrosion

Um Leichtbauwerkstoffe in sicherheitskritischen Bereichen z. B. der Medizin oder Automobilindustrie, die mit aggressiven Reinigungsmitteln oder Salz zu kämpfen haben, vor dem korrosiven Angriff zu schützen, werden Aluminiumlegierungen oft eloxiert. Das mindert die Schwingfestigkeit erheblich – das Potential der Leichtbauwerkstoffe wird verschenkt. Drei Institute der TU Clausthal schlossen sich zu der Lösung dieses werkstoffkundlichen Problems bei Aluminiumlegierungen zusammen. Gefördert wird das Vorhaben von der Stiftung Industrieforschung mit der Unterstützung einiger Industriepartner. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer verbesserten Beschichtung, die Nanopartikel enthält. Ein Kolloquium am 27. Oktober an der TU Clausthal zog eine Zwischenbilanz nach dem ersten Jahr Forschung.

Das Problem zerfällt in drei Unteraufgaben: Die nur wenige Millionstel Meter dicken Schutzschichten, zur Zeit werden solche auf Siliziumdioxid-Nickelbasis getestet, müssen hergestellt werden; sie müssen gut haften und dehnbar sein. Diese Kunst ist das Feld des Instituts für Werkstoffkunde und Werkstofftechnik der TU Clausthal – Prof. Dr. Ing. Lothar Wagner mit seiner Mitarbeiterin Dipl. Chem. G. Vidrich. Für die Herstellung dieser SiO2/Ni-Schichten ist es wichtig, das Verhalten der Nanopartikel im Elektrolyt zu kennen, um eine Koabscheidung der Nanopartikel in homogener Verteilung in der Metallmatrix der Beschichtung zu gewährleisten. Dazu wurden zu Beginn des Projektes die Agglomeratgröße und die Oberflächenladung der Teilchen im Nickelsulfamat-Elektrolyt bestimmt. Aufbauend auf diese Ergebnisse wurde eine geeignete Zusammensetzung des galvanischen Bades ermittelt.

Zweitens werden Prototypen der realen Bauteile „lebensnah“ in Prüfständen Belastungstests unterzogen: Gewährleistet die Schicht den gewünschten Effekt, schützt sie vor Korrosion? Diesen Part übernahm das Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit – Prof. Dr.-Ing. Alfons Esderts, Dr.-Ing. Rainer Masendorf und Dipl.-Ing. Sven Hollunder gehen diesen Fragen nach. Es konnten die ersten Ergebnisse für die neuen Beschichtungen vorgestellt werden. Hier geht der Trend zu einer Erhöhung der Lebensdauer verglichen mit dem heutigen Stand der Technik, dem Eloxieren.

Und schließlich müssen die chemischen Prozesse, die bei der realen Korrosion ablaufen, verstanden sein. Privatdozent Dr. Wolfgang Maus-Friedrichs, Dipl. Phys. Martin Frerichs und Diplomand Florian Voigts vom Institut für Physik und Physikalische Technologien können mit ihren Methoden der Oberflächenanalytik den Atomen der obersten Grenzschichten (fast) dabei zuschauen, welche Bindungen sie eingehen – das Verständnis auf der fundamentalen Ebene hilft dabei, der Arbeit der Ingenieure, die die Schichten herstellen müssen, Hinweise zur Weiterentwicklung geeigneter Schichten zu geben. An den untersuchten Modellproben konnten sie z.B. feststellen, dass durch die Reinigung eine Vielzahl von Spurenelementen wie Natrium, Schwefel und Stickstoff auf die Oberfläche aufgebracht werden – sie beeinträchtigen die weitere Korrosionsbeständigkeit erheblich.