Anwendung von Zink-Nickel-Legierungen als Kadmiumersatz zum Korrosionsschutz hochfester Stähle

Abstract

Das elektrolytische Beschichten mit grobkörnigen, für den Wasserstoff permeablen Kadmiumabscheidungen hat sich als Korrosionsschutz (Kathodenschutz) besonders auf ultrahochfesten Stählen seit 1960 in der Luft­ und Raumfahrt bewährt. Verschärfte ökologische Anforderungen zwingen nun auch zum dringenden Ersatz des umweltgiftigen Kadmiums in diesen Industriezweigen. Untersuchungen zeigen, daß elektrolytisch erzeugte Zink­Nickel­Legierungsschichten geeignet sind, Kadmium als verbesserten Kathodenschutz auch von ultrahochfesten Stählen zu ersetzen aufgrund ihres unedleren Elektrodenpotentials. Ihre höhere korrosive Belastbarkeit zeigt der Vergleich im Salzsprühtest, wobei solche aus dem alkalischen Elektrolyt einen besseren Korrosionsschutz bieten. Zeitstandversuche belegen, daß auch die bei der elektrolytischen Zink­Nickel­Beschichtung gefürchtete Wasserstoffversprödung von ultrahochfesten Stählen sowohl aus dem sauren als auch alkalischen Elektrolyt grundsätzlich durch eine Warmbehandlung (190°C,23h) bzw. durch Anwendung von Nickelzwischenschichten (1 bis 3 µm) einschließlich einer Warmbehandlung beherrschbar ist. Folgende Vorteile der Zn/Ni­Legierung des alkalischen Elektrolyts (Reflektalloy 200 Ni­J) konnten identifiziert werden:

feinkörnige rißarme Struktur Verringerung der Härte HV 0,002 246 (Abscheidungszustand bei 5 A/dm 2 ) auf HV 0,002 120 nach der Warmbehandlung Aufbau von Druckeigenspannungen konstante Ni­Anteile (7 bis 9 %), stromdichteunabhängig nickelarme Phasen (Ni 3 Zn 22 bzw. NiZn 8 ) Umwandlung der nickelarmen Phasen während der Warmbehandlung in eine nickelreichere (Ni 5­X Zn 21­X ) und Reinzinkanteile Als Vorteil der Zn/Ni­Schichten des sauren Elektrolyts (CorroBan) bleibt die grobkörnige Struktur mit ihren durchgehenden Effusionskanälen für Wasserstoff sowie gute Korrosionsbeständigkeit nennenswert. Ihre eindeutigen Nachteile sind: ­ hohe Härte HV 0,005 364 nach der Warmbehandlung (190°C.23h), ­ Zugeigenspannungen, ­ durchgehende Risse durch die Körner nach der Warmbehandlung (190°C, 23h) ­ stark schwankender Nickelanteil (17 bis 7 %), stromdichteabhängig. Die Bewertung der Ergebnisse insgesamt legt als Ersatz für Kadmium die Anwendung der Zn/Ni­ Beschichtung des alkalischen Elektrolyts zum Korrosionsschutz von hochfesten Stählen nahe. Mit der elektrolytischen Zn/Ni­Beschichtung aus dem alkalischen Bad wurde ein adäquater Kadmiumersatz gefunden, der bei geeigneter Anpassung die Weiterverwendung bestehender elektrolytischer Beschichtungseinrichtungen ermöglicht.