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EFB-Forschungsbericht Nr. 181

Qualitätssicherung und Früherkennung der Korrosionsneigung bei mechanisch gefügten Blechen

efb181

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Doris Regener, Dr.-Ing. Joachim Göllner, Dr.-Ing. Andreas Burkert, Dipl.-Ing. Andreas Heyn, Institut für Werkstofftechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

81 Seiten (sw 35, teils farbige Abb., 11 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-082-9

Preis (Digital) EUR 57,00

Preis (Print) EUR 64,20

Zusammenfassung

Die Korrosionsprüfung mechanischer Fügeverbindungen sowie die Einschätzung der Qualität einer Fügeverbindung unter Korrosionsgesichtspunkten kann in der bisherigen Praxis nicht befriedigen. Deshalb wurde mit diesem Projekt die Möglichkeit geschaffen, mittels neuartiger elektrochemischer
Prüfmethoden die Korrosionsneigung einer mechanischen Fügeverbindung einzuschätzen.

Zunächst wurde mit der Entwicklung einer Aufsatzmesszelle die Voraussetzung geschaffen, elektrochemische Untersuchungen an Fügeelementen sicher und reproduzierbar durchzuführen. Die Aufsatzmesszellentechnik bietet die Möglichkeit, sowohl an Standardproben zu messen als auch direkt am fertigen Bauteil.

Mit der Durchführung von lokalen Potentialmessungen am Nietkopf und Randbereich konnte der Einfluss unterschiedlicher medialer Belastungen und Auslagerungsbedingungen bei Stanznietverbindungen aus AlMg-Blechen mit verzinkten Stahlnieten eingeschätzt und klassifiziert werden. Die Potentiallage gibt dabei Aufschluss, ob am Aluminium-Magnesium-Blech eine Gefährdung hinsichtlich Loch- und Spaltkorrosion wahrscheinlich ist. So zeigte sich vor allem, dass dauerfeuchte Bedingungen kritischer sind als verschiedene wechselfeuchte Konditionen oder Freibewitterung.

Grundlegende elektrochemische Rauschuntersuchungen an den Einzelkomponenten der zu betrachtenden Fügeverbindung (AlMg-Blech, Stahlniet, verzinkter Stahlniet) wurden anschließend mit Rauschmessungen verglichen, bei denen die Einzelkomponenten elektrisch leitend verbunden wurden. Dabei zeigte sich sehr eindrucksvoll der Unterschied zwischen den Einzelkomponenten (sehr geringes Rauschen) und den leitfähig verbundenen Komponenten. Die Kombination AlMg- Blech mit intaktem verzinkten Stahlniet wies ebenfalls einen sehr geringen Rauschpegel auf, wobei die Kombination AlMg-Blech mit dem reinen Stahlniet aufgrund der Potentialdifferenz zur Kontaktkorrosion führte, was sofort in einem stark erhöhten Rauschpegel zu messen war. Der nicht vorhandene zinkhaltige Überzug ist als Extremfall anzusehen, jedoch zeigten die verschieden starken Auslagerungsbedingungen, wie sehr die Korrosionsneigung des Fügelements an das Potential des Nietes gebunden ist.

Die Qualität von ALMAC-Nietüberzügen konnte durch Potentialmessungen bei Kurzzeitversuchen unter verschärften Prüfbedingungen ebenfalls gut unterschieden werden. Es zeigten sich sehr starke Abweichungen in der Dauer des Schutzvermögens verschiedener Überzüge. Sie schwankten in der verwendeten Prüflösung von 36 h bis 250 h. Selbst innerhalb einer gleichen Art von ALMAC-Überzügen gab es von Charge zu Charge Abweichungen bis zu 100 %.

Beim mechanischen Fügen lassen sich konstruktions- und fertigungsbedingte Spalte und Verformungen nicht vermeiden. Diese können ebenfalls maßgeblich das Korrosionsverhalten beeinflussen und schon vor dem Erreichen kritischer Potentiale zur Spaltkorrosion führen. Dies konnte durch elektrochemische Rauschmessungen sehr gut nachgewiesen werden. Unter Dauerbefeuchtung mit einer Prüflösung wurde an einigen Proben nach ca. 11 Tagen Prüfdauer ein
etwa 10-fach höheres Potentialrauschen detektiert. An diesen Proben konnte nach Versuchende lichtmikroskopisch anhand eines Querschliffes durch das Fügeelement ein Spaltkorrosionsangriff gefunden werden. Ebenso wurden Blechverformungen mit einer erhöhten Korrosionsneigung korreliert und durch Rauschmessungen experimentell nachgewiesen. Die Untersuchung von Proben mit unterschiedlichen Fügeparametern ergab eine Korrelation von Spaltgrößen zur Intensität des Rauschens.

Somit konnten die wesentlichen Einflussgrößen auf die Korrosionsneigung der untersuchten Proben (AlMg-Blech mit verzinkten Stahlnieten) gefunden und mit Potential- und Potentialrauschmessungen am Fügeelement messtechnisch nachgewiesen werden. Eine Abstufung des Einflusses zeigt sich in folgender Reihenfolge:

  • Auslagerungs- bzw. Einsatzbedingungen der Fügeverbindung
  • Nietwerkstoff / Nietüberzug und die Kombination mit bestimmten Blechwerkstoffen
  • Spalte durch verschiedene Fertigungsparameter (Nietüberstand, Spaltmaße, Versatz)
  • Verformungen an Blech und Niet durch ungünstige Fügeparameter

Eine große Anzahl von mechanisch gefügten Proben unterschiedlichster Fertigungsparameter wurde unter Freibewitterungsbedingungen ausgelagert. Durch monatliche Inspektion sollte die jeweils vorhandene Korrosionsneigung eingeschätzt werden. Dazu wurde auf die bisher gewonnenen Ergebnisse zurückgegriffen und durch Potential- und Potentialrauschmessungen am Fügelement alle Proben geprüft. Dabei konnten im Verlauf der 8-monatigen Auslagerung deutliche Unterschiede gefunden werden, die sich vornehmlich auf die unterschiedliche Qualität der Nietwerkstoffe zurückführen ließ.

Mit der Einführung eines Gefährdungsindizes wurden die Messergebnisse aus den Potential- und Potentialrauschmessungen geeignet bewertet und in einem charakteristischen Wert zusammengefasst, der einen Vergleich aller untersuchten Proben wesentlich erleichtert. Dieser Index lässt sich mit Kenntnis des Korrosionssystems auf andere Systeme anpassen. Eine Übertragung der bisherigen Untersuchungsmethodik auf andere Werkstoffkombinationen ist somit erfolgversprechend, wobei bei gleichartigen Blech/Niet-Kombinationen der Einfluss der Fügeparameter (Spalte, Verformung etc.) ein noch wichtigeres Kriterium darstellen dürfte.

Die Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis ist z.B. in Fällen von Instandsetzungen und Inspektionen mechanisch gefügter Teile denkbar, da hiermit in kurzer Zeit eine Aussage zur Qualität der Fügeverbindung unter Korrosionsgesichtspunkten getroffen werden kann. Die Prüfung ist dabei nahezu zerstörungsfrei durchführbar.

Weiterhin ist die Anwendung auch in der zukünftigen Entwicklung mechanisch gefügter Bleche zu sehen, wenn bei der Verwendung neuer Verfahren und Werkstoffkombinationen Aussagen zur Korrosionsneigung getroffen werden müssen. Mit den Ergebnissen aus diesem Forschungsprojekt wurde die Basis für eine anwendungsbezogene und praxisgerechte Korrosionsprüfung an mechanisch gefügten Blechen geschaffen.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das Forschungsvorhaben „Qualitätssicherung und Früherkennung der Korrosionsneigung bei mechanisch gefügten Blechen“ wurde unter der Fördernummer AiF. 112155BR von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 181 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1. Einleitung
2. Stand der Erkenntnisse / Technik
3. Untersuchungsmethodik
3.1. Realisierung verschiedener medialer Belastungen
3.1.1. Freibewitterung
3.1.2. Feucht-Trocken-Zyklen
3.1.3. Dauerbefeuchtung
3.1.4. Sprühnebelverfahren
3.1.5. Wasch- und Reinigungslösungen
3.2. Elektrochemische Prüfverfahren
3.2.1. Potentialmessungen
3.2.2. Elektrochemische Rauschmessungen
3.3. Begleitende Prüfverfahren
3.3.1. Mikroskopische Verfahren
3.3.2. Röntgenografische Verfahren
4. Zielstellung des Projektes
5. Untersuchte Werkstoffe und Systeme
5.1. Stanznietverbindungen mit Halbhohlniet
5.2. Clinchverbindungen
5.3. Halbhohlniete
5.4. Spezielle Werkstoffpaarungen von Niet und Blech
5.5. Stanznietverbindungen aus nichtrostenden Stählen
6. Durchgeführte Untersuchungen und Ergebnisse
6.1. Vergleich unterschiedlicher medialer Belastungen bei stanzgenieteten Blechen
6.2. Mikroskopische und andere Verfahren zum Nachweis von Korrosion am Fügeelement
6.3. Elektrochemische Charakterisierung der Niete
6.4. Erfassung elektrochemischer Rauschsignale an Fügeverbindungen
6.4.1. Entwicklung geeigneter Prüftechnik für die Untersuchung von Fügeverbindungen
6.4.2. Nachweis von Kontaktkorrosion an mechanisch gefügten Blechen 43
6.4.3. Nachweis von Spaltkorrosion
6.5. Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Fügeparameter
6.5.1. Einfluss der Spaltgröße
6.5.2. Einfluss von Verformungen des Bleches
6.5.3. Ergebnisse aus Versuchen unter Freibewitterungsbedingungen
6.6. Definition eines Gefährdungsindizes
6.7. Untersuchungen und Betrachtungen zu weiteren Blech- und Nietwerkstoffen
6.7.1. Stanznietverbindungen aus hochlegierten Stählen
6.7.2. Einschätzung verschiedener Werkstoffpaarungen
6.8. Betrachtungen zu Wasch- und Reinigungslösungen
7. Zusammenfassung und Ausblick
8. Literatur