Ermüdung und Korrosion nach mechanischer Oberflächenbehandlung von Leichtmetallen

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Einflussfaktoren auf das Ermüdungs- und Korrosionsverhalten von Magnesium- (AZ91 hp, AZ80), Aluminium- (EN AW-7050) und Titanlegierungen (Titan Grad 2, Ti6Al4V FL) bei einer mechanischen Oberflächenbehandlung (Kugelstrahlen, Festwalzen) zu identifizieren und zu quantifizieren. Die Veränderung der Oberfläche und Randzone nach dem Kugelstrahlen und Festwalzen wurde licht- und elektronenmikroskopisch sowie elektrochemisch über Polarisationskurven charakterisiert. Der Einfluss einer Vorkorrosion in 5%iger NaCl-Lösung auf die Ermüdungseigenschaften wurde in Umlaufbiegeanordnung an Luft untersucht und mit unkorrodiertem Werkstoff verglichen. Um ein besseres Verständnis für die Auswirkung der Oberflächenbehandlung auf das Korrosionsverhalten zu entwickeln, wurde eine Parameterseparation (mechanische Spannungen, erhöhte Versetzungsdichte, erhöhte Rauheit) an der Magnesiumlegierung AZ80 durchgeführt. Ruhepotentiale und Polarisationskurven wurden unter elastischer oder plastischer Verformung oder bei unterschiedlichen Rautiefen aufgenommen. Die mechanische Oberflächenbehandlung führt ohne zusätzliche Vorkorrosion bei allen untersuchten Legierungen zu einer deutlichen Steigerung der Dauerfestigkeit gegenüber dem unbeeinflussten Referenzzustand. Das Festwalzen zeigt bei AZ80 einen merklich größeren Gewinn an Dauerfestigkeit als das optimierte Kugelstrahlen. Nach der Vorkorrosion der kugelgestrahlten Magnesiumlegierungen fällt die Dauerfestigkeit gegenüber dem unkorrodierten Zustand drastisch ab. Ausschlaggebender Einflussfaktor für die starke Korrosion der Magnesiumlegierungen nach dem Kugelstrahlen ist ein Elementübertrag vom eisenhaltigen Strahlmittel auf die Magnesiumoberfläche. Bei Elektrolytkontakt kommt es zu starker Kontaktkorrosion zwischen den Eisenkontaminationen und der Magnesiumoberfläche. Die Beseitigung der Eisenkontaminationen durch ein Reinigungsstrahlen mit Glasperlen konnte das Eisen nicht vollständig entfernen und führte daher weiterhin zu starker Kontaktkorrosion und einem drastischen Verlust an Dauerfestigkeit. Ein Abbeizen mit Schwefelsäure konnte zwar das Eisen entfernen und auch gegenüber dem unkorrodierten Zustand die Ermüdungseigenschaften erhalten, ist aber technologisch wenig sinnvoll, weil sehr umweltschädlich. Das Strahlen des Magnesiums mit keramischem Strahlmittel führte aufgrund von eisenhaltigen Verunreinigungen in der Strahlanlage ebenfalls zu starker Kontaktkorrosion. Das Festwalzen der Legierung AZ80 führt zu einer Verringerung der Korrosionsrate gegenüber dem elektrolytisch polierten Referenzzustand. Da kein Elementübertrag bei der Oberflächenbehandlung stattfindet, kann eine starke Kontaktkorrosion bei Elektrolytkontakt vermieden werden. Die Parameterseparation an AZ80 zeigte einen positiven Einfluss geringer plastischer Druckverformung sowie von Druckspannungen auf das Korrosionsverhalten, wohingegen die übrigen Parameter einen eher geringen und unsystematischen Einfluss auf das Korrosionsverhalten aufweist. Die untersuchten Titanlegierungen sind vom Elementübertrag auch nach einwöchiger Vorkorrosion aufgrund des selbstpassivierenden Titandioxid-Films weitestgehend unbeeinflusst. Die Aluminiumlegierungen zeigen abhängig vom Auslagerungszustand eine nur geringe Beeinflussung der Ermüdungseigenschaften durch Vorkorrosion nach mechanischer Oberflächenbehandlung. Vergleicht man die untersuchten Legierungen hinsichtlich ihrer Dauerfestigkeit bezogen auf die jeweilige Dichte, so zeigt die Legierung Ti6Al4V FL überragende Eigenschaften gegenüber den übrigen Leichtmetallen