Mechanismen der plasmaelektrolytischen Oxidation leichtmetallbasierter Werkstoffverbunde
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Zuge des Forschungsprojektes wurden elektrochemische Messmethoden weiterentwickelt, die es erlauben, die Eignung von Substrat/Elektrolyt-Kombinationen für die PEO anhand ressourcenschonender Polarisationsversuche orientierend zu bewerten. Diese experimentelle Vorgehensweise wurde anschließend erfolgreich dazu verwendet, das Passivierungsvermögen der betrachteten Werkstoffe C8C Stahl, Aluminium EN AW 6082 und Magnesium AZ31 vergleichend zu untersuchen und zu quantifizieren. Hierbei wurden die Passivierungsvorgänge sowohl an einzelnen Proben der genannten Legierungen als auch an elektrisch gekoppelten Paarungen von Stahl und Aluminium bzw. Aluminium und Magnesium betrachtet. Auf diese Weise gelang es, die bekannten Elektrolytsysteme für die PEO von Stahl, die aufgrund ihres unzureichenden Passivierungsvermögen nur bei unwirtschaftlich hohen Stromdichten schichtbildende plasmaelektrolytische Oberflächenprozesse erlauben, deutlich zu verbessern. Diese wurde durch Identifikation eines alternativen Mechanismus für die Formierung der initialen Passivschicht möglich. Im Gegensatz zu konventioneller elektrochemischer Substratkonversion wird die elektrisch isolierende Reaktionsschicht durch chemische Fällung von Elektrolytkomponenten infolge lokaler Elektrolytversauerung ausgebildet. Hierdurch lassen sich die für den PEO-Prozess notwendigen Stromdichten deutlich reduzieren. Darüber hinaus bestehen die gebildeten Keramiküberzüge auf dem Stahlsubstrat ausschließlich aus kristallinem Aluminiumoxid. Somit wurde die PEO von einem Konversionsverfahren in einen Beschichtungsprozess überführt. Dies gelang sowohl auf dem Stahlwerkstoff C8C, als auch auf rührreibgeschweißten Werkstoffverbunden aus DC04-Stahl und Aluminium EN AW 6082. Das chemische Rücklösevermögen der verwendeten Elektrolyte gegenüber plasmaelektrolytisch formierten Al2O3-Schichten wurde anhand von Auslagerungsexperimenten in exemplarischen Versuchslösungen untersucht. Hierbei gelang unter Verwendung röntgenografischer und nasschemischer Analytik in Kombination mit elektronenmikroskopischen Methoden der experimentelle Nachweis, dass nahezu ausschließlich die amorphen Oxidmodifikationen von Schichtrücklösung betroffen sind. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass auch an sehr kompakten PEO-Schichten der Elektrolyt mit den elektrochemisch aktiven Phasen am Porengrund in Interaktion steht. Anhand der Polarisationsmessungen auf Magnesium- und Aluminiumsubstraten konnten bekannte Besonderheiten bei der Passivierung von Magnesium wissenschaftlich beschrieben werden. Diese führen bei Spannungen im zweistelligen Voltbereich zur Beschädigung der elektrisch isolierenden Reaktionsschicht. Durch Verwendung eines elektrisch und fotoelektrisch instrumentierenden Versuchsaufbaus konnten korrespondierende elektrochemische Subprozesse unterhalb der Zündspannung bei der PEO von Magnesium und stranggepressten Aluminium/Magnesium-Werkstoffverbunden nachgewiesen werden. Diesen Vorgängen ist ein parasitärer Charakter zuzuordnen. Sie bieten einen Erklärungsansatz dafür, warum morphologische Defekte an PEO-Schichten auf Magnesiumsubstraten deren technologische Eigenschaften limitieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Characterisation Method of the Passivation Mechanisms during the pre-discharge Stage of Plasma Electrolytic Oxidation Indicating the Mode of Action of Fluorides in PEO of Magnesium, Coatings, 20 (2020)
Simchen, F.; Sieber, M.; Mehner, T.; Lampke, T
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/coatings10100965) - Diagnostik plasmaelektrolytischer Oxidationsprozesse – am Beispiel eines reibrührgeschweißten St/Al-Werkstoffverbundes, ZVO Oberflächentage, 2021, Berlin
Simchen, F.; Mehner, T; Lampke, T.; Thomä, M.; Wagner, G.
- Formation of corundum-rich alumina coatings on low-carbon steel by plasma electrolytic oxidation, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 1147 (2021)
Simchen, F.; Masoud-Nia, N.; Mehner, T; Lampke, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1757-899x/1147/1/012007) - Keramisierung von niedriglegiertem Stahl durch plasmaelektrolytische Oxidation, ZVOreport, 4 (2021)
Simchen, F.
- Methoden der Elektrolytentwicklung und Prozessdiagnostik für die plasmaelektrolytische Oxidation am Beispiel der PEO von niedrig legiertem Stahl, WOMAG, 5 (2021)
Simchen, F.; Mehner, T.; Lampke, T.
