Elektrochemische Prüfung

Elektrochemische Prüfungen sind eine weit verbreitete Methode zur Bewertung der Korrosionsbeständigkeit von Metallen und Legierungen anhand ihres elektrochemischen Verhaltens in korrosiven Umgebungen. Sie werden typischerweise in einer kontrollierten elektrochemischen Zelle mit einer standardmäßigen Dreielektrodenkonfiguration durchgeführt.

Diese Technik eignet sich besonders für die Beurteilung von Komponenten, die chemisch aggressiven oder rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Unter kontrollierten Laborbedingungen bietet die elektrochemische Prüfung eine schnelle, präzise und zuverlässige Korrosionstest Methode zur Gewinnung quantitativer Daten zum Metallabbauverhalten.

 

Wie funktionieren elektrochemische Tests?

Bei elektrochemischen Tests wird ein spezieller Aufbau verwendet, der einen Elektrolyten, eine Referenzelektrode zur Aufrechterhaltung einer stabilen Spannung, eine Gegenelektrode und das Testmaterial, die sogenannte Arbeitselektrode, umfasst. Diese drei Elektroden sind mit einem Potentiostaten verbunden. Die Referenzelektrode selbst nimmt nicht an der Reaktion teil, sondern dient lediglich zur Aufrechterhaltung eines stabilen Referenzpotenzials.

Anodische Reaktion

Die Anode ist üblicherweise das Bauteil, dessen Test durchgeführt wird. Beim Anlegen eines Potentials oxidiert sie und Metall beginnt, in die Lösung überzugehen. Die allgemeine Reaktion ist hier:

M (Metall) → Mⁿ⁺ + ne^-

Kathodische Reaktion

Bei einer kathodischen Reaktion werden Gegenelektroden oder benachbarte Bereiche reduziert. Diese Reduktion erfolgt durch den Verbrauch der durch Oxidation in der Anodenreaktion freigesetzten Elektronen. Diese Reaktion führt nicht zum Metallabbau, fördert aber durch die Aufnahme von Elektronen die Korrosion. Häufige kathodische Reaktionen, insbesondere in neutralen oder basischen Umgebungen mit Sauerstoff, sind:

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

In sauren Umgebungen kann die Reaktion stattdessen wie folgt sein:

O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

Dies sind typische Sauerstoffreduktionsreaktionen, die bei elektrochemischen Korrosionstests auftreten.

Elektrochemische Korrosionsprüfverfahren

Potentiodynamische Polarisation (PDP)

Bei dieser Technik wird das Korrosionsverhalten eines Metalls durch Variation des Potenzials und Messung der Stromabgabe untersucht. Dabei wird eine Metallprobe in eine korrosive Lösung getaucht und an ein Dreielektrodensystem angeschlossen. Das Potenzial wird typischerweise von einer kathodischen zu einer anodischen Richtung verschoben, und der resultierende Strom wird gemessen. Abschließend liefert eine sogenannte Polarisationskurve wichtige Informationen über die Korrosionsparameter.

Es informiert Sie über:

• Korrosionspotential (Ecorr): Gibt an, wie anfällig das Material für Korrosion ist.
• Korrosionsstromdichte (Icorr): Steht in direktem Zusammenhang mit der Korrosionsrate.
• Passivierungsverhalten: Hier zeigt sich, ob sich eine schützende Oxidschicht bildet und wie stabil diese ist.
• Lochfraß- oder Durchbruchspotenzial: Der Punkt, an dem lokale Korrosion wie Lochfraß beginnt.

Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)

Die Korrosionsprüfung mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie ist grundsätzlich ein zerstörungsfreies Verfahren. Dabei wird der Widerstand der Metalloberfläche gegenüber Wechselstrom über verschiedene Frequenzen gemessen. Anschließend wird die Impedanz bei jeder Frequenz gemessen. Die erhaltenen Daten werden in einem Nyquist- oder Bode-Diagramm dargestellt und zeigen das elektrochemische Verhalten des Systems.

Diese Technik gibt Ihnen Informationen über:

• Beschichtungsleistung: Erkennt Defekte, Verschlechterung und Wasseraufnahme.
• Barriereeigenschaften: Hohe Impedanz = guter Schutz.
• Ladungsübertragungswiderstand: Gibt die Korrosionsbeständigkeit an der Metall/Lösungs-Grenzfläche an.
• Die Kapazität von Schutzfolien oder Beschichtungen

Überwachung des Leerlaufpotentials (OCP)

Bei dieser elektrochemischen Testtechnik wird kein externer Strom oder Spannung angelegt. Die Probe wird in die Elektrolytlösung gegeben und das Potenzial über die Zeit mithilfe einer Referenzelektrode gemessen.

Diese Technik liefert Informationen über:

• Korrosionsneigung: Mehr negatives Potenzial bedeutet typischerweise ein höheres Korrosionsrisiko.
• Filmstabilität: Schwankungen können auf den Zusammenbruch oder die Passivierung von Schutzschichten hinweisen.

Zyklische Voltammetrie

Die zyklische Voltammetrie (CV) ist eine Technik, bei der das Potenzial der Probe zwischen zwei festgelegten Grenzwerten hin- und hergeschwenkt wird. Dabei werden reversible und irreversible elektrochemische Reaktionen beobachtet. Es entsteht eine Strom-Spannungs-Kurve, deren Peak spezifische elektrochemische Ereignisse anzeigt.

Es erzählt von:

• Redoxverhalten von Metallen und Beschichtungen
• Bildung und Auflösung von Passivschichten
• Korrosionsmechanismen wie Lochfraß oder Spaltkorrosion
• Reversibilität elektrochemischer Reaktionen

Anwendungen elektrochemischer Tests

Beurteilung medizinischer Geräte

Mithilfe elektrochemischer Tests lässt sich die Korrosion in Bereichen wie Spalten in medizinischen Implantaten und Instrumenten beurteilen.

Materialauswahl

Darüber hinaus hilft es Ingenieuren, die Korrosionsbeständigkeit verschiedener Grundmaterialien vor dem Einsatz in kritischen Umgebungen zu ermitteln und zu vergleichen.

Bewertung der Oberflächenbehandlung

Mithilfe dieser Prüftechnik lässt sich ermitteln, wie Oberflächenbehandlungen wie Passivierung oder Beschichtungen die Korrosionsbeständigkeit eines Materials verändern können.

Analyse der Auswirkungen auf die Fertigung

Mithilfe elektrochemischer Tests können Sie außerdem überwachen, wie sich verschiedene Verarbeitungsschritte auf die Korrosionsleistung des Materials auswirken.

Elektrochemische Testmethoden der ASTM

ASTM G59

ASTM G59 bietet eine Standardprüfmethode zur Messung des potentiodynamischen Polarisationswiderstands. Bei dieser Methode wird die lineare Polarisation von Metallen gemessen, um die Korrosionsrate zu ermitteln. Sie ist dafür bekannt, wertvolle Einblicke in das allgemeine Korrosionsverhalten zu liefern.

ASTM G85

Diese Methode ist ein Standardverfahren für modifizierte Salzsprühnebelprüfungen. Sie simuliert beschleunigte Korrosionsumgebungen durch Variationen wie zyklische Belastung, angesäuerte Lösungen oder SO₂-Anreicherung. Diese Methode wird vorzugsweise zur Bewertung der Haltbarkeit von Schutzbeschichtungen eingesetzt.

ASTM G6

Zur Bestimmung der lokalen Korrosion wird die elektrochemische Prüfmethode ASTM G6 angewendet. Dieser Test hilft, die Anfälligkeit von Eisen-, Nickel- oder Kobaltlegierungen für Loch- und Spaltkorrosion zu bestimmen. Bei dieser Methode werden Form und Hysterese der Polarisationskurven analysiert, um die Ergebnisse zu erhalten.

ASTM G69

Es dient zur Messung des Korrosionspotenzials (Ecorr) von Aluminiumlegierungen in wässrigen Lösungen. Es liefert eine Rangfolge der Legierungen basierend auf ihrem elektrochemischen Verhalten. Mithilfe dieser Methode lassen sich galvanische Wechselwirkungen vorhersagen.

ASTM G71

Diese Methode bietet Ihnen eine Anleitung zur Durchführung und Auswertung von Tests zwischen unterschiedlichen Metallen in elektrolytischen Umgebungen. Dies ist entscheidend, wenn verschiedene Metalle in einer korrosiven Umgebung gekoppelt werden. Es hilft, das Risiko und das Ausmaß der galvanischen Korrosion zu beurteilen.

ASTM G150

Der Schwerpunkt liegt auf der elektrochemischen Prüfung der kritischen Lochfraßtemperatur (CPT) von rostfreiem Stahl und verwandten Legierungen. Dabei wird die Mindesttemperatur bestimmt, bei der stabile Lochfraßkorrosion einsetzt. Dies ist für die Eignung von rostfreiem Stahl für chloridhaltige Umgebungen von entscheidender Bedeutung.

Warum werden elektrochemische Korrosionstests bevorzugt?

Geschwindigkeit und Echtzeit-Datenerfassung

Elektrochemische Tests werden von Ingenieuren bevorzugt, um die Korrosionsbeständigkeit von Materialien zu prüfen, da sie eine schnelle Echtzeitanalyse ermöglichen. Im Gegensatz zu Langzeit-Tauchtests sind diese innerhalb weniger Stunden verfügbar.

Anforderung einer kleinen Stichprobengröße

Elektrochemische Tests sind nicht nur schnell, sondern erfordern auch nur eine geringe Menge an Probenkomponenten. Dies macht sie kostengünstig und praktisch, insbesondere bei der Prüfung hochwertiger Komponenten oder bei begrenzter Probenverfügbarkeit.

Hohe Empfindlichkeit gegenüber frühen Korrosionsstadien

Mithilfe elektrochemischer Korrosionsprüfungen können Sie Korrosionsaktivität erkennen, lange bevor sichtbare Anzeichen auftreten. Diese Früherkennung ist entscheidend, um Schwachstellen in Materialien oder Beschichtungen zu identifizieren. Sie hilft Ihnen, langfristige Ausfälle, insbesondere in kritischen Umgebungen, zu erkennen und zu verhindern.

Geeignet für Beschichtungen, Legierungen und Schweißzonen

Elektrochemische Prüfungen sind äußerst anpassungsfähig und können auf eine Vielzahl von Probentypen und -bedingungen angewendet werden. Sie können Schutzbeschichtungen bewerten, die Korrosionsbeständigkeit von Legierungen vergleichen oder die Schweißnahtintegrität von Komponenten analysieren. Diese Methoden liefern präzise, ​​detaillierte und auf praxisnahe Anwendungen zugeschnittene Erkenntnisse.

Einschränkungen der elektrochemischen Prüfung

Beschränkt auf leitfähige Materialien

Kurzfristige Natur

Da die Ergebnisse bei elektrochemischen Tests beschleunigt werden, können Sie möglicherweise genaue Ergebnisse zum langfristigen Korrosionsverhalten erhalten.

Oberflächenvorbereitungsempfindlichkeit

Eine der bemerkenswerten Einschränkungen elektrochemischer Tests ist ihre Empfindlichkeit. Wenn die Oberfläche der Komponenten nicht richtig gereinigt wird, kann bereits eine winzige Verunreinigung zu falschen Ergebnissen führen.

Interpretationskomplexität

Die Datenanalyse bei elektrochemischen Tests, wie z. B. Tafel-Extrapolation, Polarisationskurven und Impedanzspektren, erfordert Fachwissen. Fehlinterpretationen können zu ungenauen Schlussfolgerungen über Korrosionsraten oder -mechanismen führen.

 

FAQ

1. Welche Faktoren beeinflussen das elektrochemische Korrosionsverhalten?

Bei elektrochemischen Korrosionstests wird die Korrosion durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst:

• Material Zusammensetzung
• Oberflächenbeschaffenheit,
• Elektrolytchemie
• Temperatur
• Strömungsbedingungen

2. Welche Arten von Materialien können mit elektrochemischen Methoden getestet werden?

Elektrochemische Korrosionstests können auf leitfähige Materialien wie Metalle und Legierungen angewendet werden und umfassen:

• Edelstahl
• Aluminium
• Titan
• Beschichtete Materialien