Kontaktimpedanzmessungen an Korrosionsschutzschichten auf Zink

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Schichteigenschaften von Konversionsschichten mit Hilfe von Kontaktimpedanzmessungen zu bestimmen. Dafür wurden verschiedene Mikroelektroden aus unterschiedlichen Materialien konstruiert und deren Eignung für diese Methode getestet. Zum Vergleich wurden Kontaktimpedanzmessungen mit Makroelektroden aus Quecksilber durchgeführt. Für die Durchführung der Messungen wurde ein automatisierter Messstand, bestehend aus einem Positioniersystem und einem Frequenzgenerator mit entsprechender Steuerung, aufgebaut. Bei der Kontaktimpedanzmessung wurden die Elektrode und die Substratoberfläche aufeinander zu bewegt bis ein metallischer Kontakt messbar war. Aus den resultierenden Spektren sollte versucht werden Eigenschaften der Deckschicht zu interpretieren. Messungen wurden in Boratpuffer oder Wasser aber auch ohne Elektrolytlösung durchgeführt.<br />Die vermessenen Proben wurden großteils bei der Voest im Labor hergestellt. Dabei handelte es sich um technische Bleche aus der Produktion nach der Verzinkung auf die die unterschiedlichen Schichten aufgebracht wurden. Dabei kamen elektrolytisch- und feuerverzinkte Bleche zum Einsatz. Die klassischen Korrosionstests wie Salzsprühtest oder Klimawechseltest von den Blechen wurden bei Voest und Henkel durchgeführt. Vermessen wurden Schutzschichten auf Basis von sechswertigem Chrom, dreiwertigen Chrom von verschiedenen Herstellern und alternative Systeme mit verschiedenen organischen Zusätzen. Die Bestimmung der Schichtdicke auf den technischen Oberflächen erfolgte mit dem Rasterelektronenmikroskop aus Querschnitten, die mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) senkrecht in die Oberfläche geschnitten wurden.<br />Die Kontaktimpedanzmessungen an den Schichten sollten Aufschluss darüber geben, ob der Korrosionsvorgang aufgrund einer mechanischen, elektrisch nicht leitenden Barriere gehemmt ist oder aufgrund einer kinetischen Hemmung, die durchaus an einer elektrisch leitenden Schicht auftreten kann. Im Vergleich mit anderen Arbeiten konnten so weitere Erkenntnisse über die Eigenschaften von Konversionsschichten auf Zink gewonnen werden.<br />

The aim of this thesis was to characterize conversion coatings on zinc with the help of contact impedance spectroscopy. Different types of microelectrodes consisting of different materials were constructed and tested if they were suitable for this application. For comparison macro contact impedance measurements were carried out with mercury electrodes.<br />A fully computer controlled experimental setup was assembled for this purpose, consisting of a positioning system that allowed movements in minimum increments of 60 nm in each direction with a maximum possible scan area of 20x20 mm and a frequency generator. From the impedance spectra recorded during the approach, properties of the conversion coating should be analyzed. Measurements were carried out in borate buffer solution or distilled water and mainly without any electrolyte solution.<br />The samples were different types of conversion coatings on hot strip galvanized or zinc-plated strip steel from the VOEST. The samples were different types of conversion coatings: chromate layer applied after Bishop, industrially applied chromate layers both containing CrVI+ ions, coatings on basis of CrIII+ and alternative coatings without any Cr that was developed in the course of this project from Henkel KgAa in Düsseldorf with the name Passerite®.<br />Of these samples classic corrosion tests, like a salt spray test or VDA cyclic climate test, were carried out by the project partners. A lot of attention was put on the corrosion process after deformation of the material or injury of the conversion coating.<br />To gain information about the thickness of the conversion coatings, as these have an amorphous structure and therefore cannot be examined using RFA or be classically polished and then surveyed in a SEM it was necessary to get clean cuttings with no interaction of the conversion coating at the cutting edge. For this purpose a FIB (focused ion beam) gun was used. By using a SEM, the cutting area could be investigated offering the possibility of measuring layer thickness with less than 100nm.<br />Contact impedance spectroscopy of the conversion coatings gives information about the inhibition of the corrosion process at this layer.<br />Corrosion might be inhibited due to a mechanical, not electrically conducting barrier layer or due to a kinetic barrier appearing also at an electrical conducting layer. By comparing the results of other works carried out in the course of the project ESURF 5a, further insight could be gained in understanding the corrosion protection mechanism of conversion coatings on zinc.