Korrosionsherausforderungen bei Leichtbauwerkstoffen in der Automobilindustrie

In der gesamten Automobilindustrie gibt es ein wachsendes Interesse an Leichtbauwerkstoffen, um bessere Kraftstoffeffizienz zu erreichen und regulatorische Anforderungen zu erfüllen. Die meisten Automobilhersteller nutzen jüngste Fortschritte bei hochfesten Stählen, ultrahochfesten Stählen, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen und Verbundwerkstoffen. Historisch war Aluminium beliebt, da es im Vergleich zu traditionellem Eisen und Stahl ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bietet. Dieser Artikel wird das Streben nach noch leichteren Materialien untersuchen, die möglicherweise nicht gleich gute Korrosionsbeständigkeit bieten.

Magnesiumkorrosion und Korrosionsschutzlösungen in der Automobilindustrie

Magnesium ist das leichteste Konstruktionsmetall, das für strukturelle Anwendungen verwendet wird. Das Wachstum von Magnesium im Automobilsektor war jedoch aufgrund der schlechten Korrosionsbeständigkeit von Magnesium und seinen Legierungen relativ begrenzt. Magnesium hat das niedrigste (wenigste edle) elektrochemische Potenzial aller für Automobilteile verwendeten Metalle. Im Vergleich zu Aluminium, das auch ein reaktives Metall ist, hat Magnesium eine poröse und unschützende Oberflächenoxidschicht, die keine Passivierung gegen Korrosion bietet.

Ein großer Schritt zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumlegierungen war die Einführung von Hochreinheitslegierungen, aber das ändert nichts an den Kontaktkorrosionsproblemen, die auftreten, wenn Magnesium in Kontakt mit einem anderen Metall und einem Elektrolyten steht. (Mehr über Kontaktkorrosion erfahren Sie im Artikel: Warum verursachen zwei ungleiche Metalle Korrosion?)

Der Einsatz einer Barrierbeschichtung ist eine mögliche Lösung, um Magnesiumlegierungskorrosion zu verhindern. Barrierbeschichtungen haben jedoch auch das Potenzial, ungünstige Anoden-/Kathoden-Flächenverhältnisse an Beschichtungsfehlerstellen zu erzeugen. Bisherige Erfahrungen haben gezeigt, dass die meisten aktuellen organischen Beschichtungen oder epoxidbasierten Beschichtungen das Eindringen eines wässrigen Elektrolyten in das darunterliegende Magnesiumsubstrat nicht dauerhaft verhindern können. Sobald ein wässriger Elektrolyt ein Magnesiumsubstrat erreicht, kann die Korrosionsreaktion ohne Sauerstoffbedarf initiieren und zu Wasserstoffbildung führen. Wasserstoff führt dann zur Bildung von Blasen unter der Beschichtung und gefährdet schließlich das Korrosionsschutzsystem.

Der Korrosionsingenieur ist normalerweise nicht in den frühen Phasen des Automobil-Designs involviert, die typischerweise stärker auf Finite-Elemente-Analyse (FEA) für strukturelle Anforderungen und Strömungssimulation für den Gießprozess fokussiert sind. Um die oben genannten Probleme anzugehen, sollten folgende Kernpunkte berücksichtigt werden:

• Kurzfristig sollte die Entwicklung eines robusten, selbstheilenden, kostengünstigen und umweltfreundlichen Beschichtungssystems für Magnesiumlegierungen Priorität haben. Das Beschichtungssystem sollte Kratzfestigkeit aufweisen und bestehende Branchenanforderungen erfüllen, wie GMW/SAE/ISO-bezogene Standards. Um wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu sein, sollte ein ideales Zielkosten unter 1 USD/m² liegen.
• Langfristig sollte eine korrosionsbeständige Magnesiumlegierung eine Korrosionsrate von weniger als 0,1 mm/Jahr haben (typischerweise nach 7 Tagen Einweichen in 3,5 Gew.-% NaCl-Lösung) oder eine Korrosionsleistung aufweisen, die gleichwertig oder besser ist als wettbewerbsfähige Aluminiumlegierungen (wie Silafont 36, A356 oder sogar AA5xxx und AA6xxx Legierungen) in branchenstandardisierten Korrosionstests. Dies kann durch Zugabe von Legierungselementen erreicht werden, die Korrosionsbeständigkeit fördern oder die Entwicklung eines dichten Passivfilms auf der Oberfläche begünstigen.
• Oberflächenbeschichtungen können den Bereich möglicher Automobilanwendungen für Magnesium erweitern. Plasma-Elektrolytische Oxidation (PEO) als Oberflächenbeschichtung ist eine Lösung für Automobilingenieure, die Automobilkomponenten und -baugruppen entwerfen und spezifizieren. PEOs einzigartige Technologie nutzt ein Elektrolytbad und Plasma mit drei distincten Stufen, die eine keramikähnliche Duplex-Beschichtung auf Magnesiumlegierungen bilden. Der Prozess kann in jeder Stufe angepasst werden, um maßgeschneiderte Beschichtungen für präzise Bedürfnisse zu erstellen. Die oberste Schicht der mehrschichtigen Beschichtung ist auch hochporös und kann den Inhalt des Elektrolytbads in der Oberflächenbeschichtung einbauen, um zusätzliche Eigenschaften einzuschließen.

Kontaktkorrosion zwischen kohlenstofffaserverstärkten Polymeren und Metallen

Kohlenstoff wird als Verstärkungsphase in kohlenstofffaserverstärkten Polymerverbunden (CFK) verwendet. CFKs sind für Ingenieure attraktiv, da sie eine hohe spezifische Festigkeit besitzen und leichte Materialien für Automobilanwendungen sind.

Faser-verstärkte Verbunde allein gelten als korrosionsbeständig. Wenn sie jedoch mit Metallen verbunden werden, können Korrosionsprobleme entstehen. CFKs sind elektrisch leitfähig und elektrochemisch sehr edel. Daher ist ein Metall oder eine Legierung, das/die unangemessen mit CFKs verbunden ist (so dass eine elektrische Verbindung besteht), anfällig für Kontaktkorrosion. (Für weitere Informationen lesen Sie: Kontaktkorrosion von Metallen, die mit kohlenstofffaserverstärkten Polymeren verbunden sind.)

Bei Kopplung mit einem Befestigungselement, Bolzen oder Mutter verschlimmert sich die Situation, da eine große Oberfläche des CFKs mit kleinen metallischen Teilen gekoppelt ist. In diesen Umständen kann die Rate der Kontaktkorrosion aufgrund eines hohen Kathoden-zu-Anoden-Oberflächenverhältnisses (Ac/Aa) beschleunigt werden.

Die Kontaktkorrosion von Metallen, die mit Kohlenstoffverbundwerkstoffen gekoppelt sind, wurde seit den 1970er Jahren berichtet. Dennoch sind die geeigneten Materialien und das geeignete Design von Materialverbindungsmethoden noch nicht bestimmt worden.

Die anhaltende Nachfrage nach CFKs in Automobilanwendungen erfordert weitere systematische Untersuchungen der Kontaktkorrosion zwischen Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen und automobilen Konstruktionsmaterialien, einschließlich einer Reihe von Stählen (mit einer Reihe von Oberflächenbehandlungen) und zahlreichen Aluminiumlegierungen. Besonders wichtig ist der Einfluss verschiedener Materialkombinationen, Geometrien und Verbindungsmethoden auf die nachfolgende Korrosionsintensität.

Kontaktkorrosion für die Mixed-Materials-Strategie im Body-in-White-Stadium

Das Body-in-White (BIW) Stadium bezieht sich auf den Schritt in der Automobilfertigung, in dem die Karosseriekomponenten zusammengefügt wurden. Traditionell wird ein ganzes Fahrzeug aus gemischten Materialien hergestellt, die sequenziell an einen überwiegend stahlbasierten Körper während der Endmontage angebracht werden. Um ein noch leichteres Fahrzeug mit höherer Steifigkeit zu erreichen, ist ein komplizierterer „Hybrid“ aus verschiedenen Materialien für die Karosseriestruktur erforderlich. (Verwandte Lektüre: Was neue Materialwissenschaftsstudien über Korrosionskontrolle in der Zukunft aussagen.)

Der Cadillac CT6, der General Motors' erstes Fahrzeug aus gemischten Materialien ist, beinhaltet mehrere Stahlgüten, Aluminiumbleche, Gussteile und Strangpressprofile wie in Abbildung 1 gezeigt. Andere Fahrzeuge, wie der Chevrolet Malibu, folgen einem ähnlichen Trend.

Abbildung 1. Mixed-Materials Body-in-White für Chevrolet Malibu und Cadillac CT6
Quelle: Corrosion avoidance in lightweight materials for automotive applications

Die ungleichen Materialien und Legierungen schaffen Herausforderungen in Bezug auf Kontaktkorrosion und ihre unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Numerische Simulationsmethoden haben das Potenzial demonstriert, die Kontaktstromverteilung vorherzusagen.

In Automobilanwendungen kann das Material als unter einem dünnen Film einer Elektrolytumgebung betrachtet werden. Daher wird das Korrosionsverhalten (und Kontaktkorrosionsverhalten) komplex sein aufgrund des elektrochemischen Systems und des Leitfähigkeitspfads, die sich ständig weiterentwickeln oder ändern.

Kürzlich wurde ein Dünnfilm-Modell von einem Softwareunternehmen entwickelt, um Kontaktkorrosion unter einem dünnen Filmelektrolyten zu simulieren, mit einer logischen weiteren Verfolgung der weitreichenden experimentellen Validierung solcher Modelle. Die initiale Studie war vielversprechend und deutet auf die Aussicht hin, Salzsprühtestergebnisse auf Komponentenebene vorherzusagen. Mit weiterer Entwicklung können solche kombinierten Modellierungs-Experimentellen Ansätze nützlich sein, um die Gesamtstrom- und Potentialverteilung eines gesamten Mixed-Materials-Fahrzeugs zu simulieren.

Simulation bietet einen einfacheren Ansatz zur Korrosionsmodellierung

Korrosionsmodellierung ermöglicht es einem Ingenieur, die Wahrscheinlichkeit von Korrosion eines beliebigen Bauteils über einen bestimmten Zeitraum vorherzusagen. Parameter wie relative Luftfeuchtigkeit und Salzbelastungsdichte können als Parameter eingegeben werden. Die Simulationsergebnisse können mit tatsächlichen Salzsprühtests verglichen werden, um die Lebensdauer der Beschichtung in Bezug auf Korrosionsbeständigkeit zu überprüfen und auch die Korrelation der Ergebnisse zu prüfen.

Die Zukunft des Korrosionsschutzes inspiriert durch neue Technologien

Fahrzeuge integrieren nun eine signifikante Anzahl „intelligenter“ Funktionen wie Reifendrucküberwachung und andere intelligente Diagnosesysteme, die zum Industriestandard geworden sind. Es kann daher erwartet werden, dass ein Korrosionsüberwachungssystem in Zukunft erreicht werden kann. Beispielsweise könnten geeignete Sensoren, die in der Lage sind, Korrosionsraten an kritischen Stellen in Echtzeit zu überwachen, potenziell Warnungen vor Systemausfall geben.

Zusätzlich können maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz Felddaten zur Korrosion sammeln und Fernanalysen durchführen, um eine genauere Labor-zu-Feld-Korrelation zu generieren. Dies ist kritisch und relevant für den breiteren Bereich der Korrosion, der die Erfahrung einzelner Ingenieure ergänzen und erweitern kann.