Die eines Materials bestimmt dessen Funktionalität und Leistung bei der Integration in ein Gerät. Überlegene Korrosionsbeständ ist entscheidend, um eine lange Lebensdauer und optimale Arbeitsleistung aufrechtzuerhalten.
Je nach Material kann eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit durch gezielte Veränderung von Oberflächeneigenschaften wie Zusammensetzung, Struktur und Topographie erreicht werden. Faktoren, die die Auswahl der Modifikationsmethode beeinflussen, sind die gewünschte Oberflächenqualität, Kosten, Prozessdauer und die Endanwendung.
Materialien mit hoher Korrosionsbeständigkeit sind unerlässlich für den Bau moderner Infrastrukturen wie Autobahnbrücken, Gasfernleitungen, Wasserwege, Häfen, Flughäfen, Gefahrstofflager und Eisenbahnen. Solche Materialien gewährleisten die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Bauwerke sowie die Sicherheit von Bevölkerung und Umwelt. Auch Versorgungsnetze wie Gasverteilung, Trinkwasserversorgung, Abwassersysteme, Strom- und Telekommunikationsleitungen benötigen korrosionsbeständige Materialien, um einen vorzeitigen Ausfall zu verhindern.
In der Produktions- und Fertigungsindustrie kann die Korrosion eines internen Bauteils zu plötzlichem Ausfall von Maschinen sowie zu Brand, Explosionen oder Unfällen führen. Die Reparatur oder der Austausch eines korrodierten Bauteils trägt erheblich zu den Instandhaltungskosten der Anlagen bei. In manchen Fällen befinden sich die Komponenten im Inneren, was deren Reparatur oder Austausch unmöglich macht.
Hohe Korrosionsbeständigkeit ist auch im medizinischen und biologischen Bereich unerlässlich, wo Materialien direkt mit lebendem Gewebe in Kontakt kommen. Metallische Implantate wie Stahl, Gold, Silber, Titan, Chrom und Dentalamalgam werden zur Reparatur und Regeneration von Körpergewebe eingesetzt. Die Korrosion von Implantatoberflächen kann potenziell schädliche Reaktionen im menschlichen Körper auslösen, die sogar tödlich sein können.
Traditionelle Techniken der Oberflächenmodifikation zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit beinhalten das Aufbringen von Schutzschichten oder Verfahren zur Erhöhung der Oberflächenhärte. Verschiedene physikalische und chemische Prozesse werden verwendet, um Beschichtungen auf Materialoberflächen aufzubringen, wodurch sowohl Härte als auch Korrosionsbeständigkeit verbessert werden können.
Beispielsweise umfasst die Dünnschichtbeschichtung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) physikalische Verfahren wie Sputtern und Verdampfen, während die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf chemischen Reaktionen in einer Gasumgebung basiert. PVD bietet eine präzise Kontrolle über Schichtdicke, Zusammensetzung und Mikrostruktur, ist jedoch auf bestimmte Materialien beschränkt. CVD hingegen ermöglicht eine hohe Reinheit und bessere Abdeckung komplexer Oberflächen, erfordert jedoch eine sorgfältige Kontrolle der Reaktionsbedingungen.
Neben Beschichtungen wurden verschiedene mechanische, chemische, elektrochemische und thermische Oberflächenbehandlungsmethoden entwickelt, um die Korrosionsbeständigkeit unterschiedlicher Materialien zu erhöhen. Die Oberflächeneigenschaften eines Materials können sich deutlich von den Eigenschaften des Kerns unterscheiden. Daher ist es entscheidend, die passende Modifikationstechnik auszuwählen, um die Oberfläche gezielt an die spezifischen Anforderungen anzupassen.
Mechanische Oberflächenmodifikationstechniken wie Kugelstrahlen, Sandstrahlen, Schleifen und Ultraschallbehandlung werden überwiegend in der Fertigung, im Werkzeugbau und in der Automobilindustrie angewandt, wo große Werkstücke mit unterschiedlichen Geometrien und Abmessungen bearbeitet werden. Diese Verfahren sind einfach, kosteneffizient und auf viele Materialien anwendbar, bieten jedoch nur begrenzte Kontrolle über Zusammensetzung und Morphologie der Oberfläche und sind daher für kritische Anwendungen weniger geeignet.
Chemische und elektrochemische Modifikationen umfassen Verfahren wie Ionenimplantation, Elektropolieren, Sol-Gel und Anodisation. Diese Methoden sind effektiv beim Entfernen von Oxiden und Eisenverunreinigungen und werden hauptsächlich für bioverträgliche Implantatwerkstoffe eingesetzt, da sie glatte Oberflächen erzeugen und eine gezielte Veränderung der Oberflächenchemie ermöglichen. Allerdings sind diese chemischen Verfahren auf bestimmte Materialarten beschränkt.
Thermische Methoden beinhalten die Behandlung der Materialoberfläche mit Hitze, Flamme, Plasma oder Laser. Konventionelle Oberflächenhärtungen wie Aufkohlen und Nitrieren werden üblicherweise zur Erhöhung der Härte metallischer Legierungen eingesetzt. Diese Verfahren finden breite Anwendung in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Medizintechnik, da sie einen schnellen Prozessablauf und eine gute Steuerbarkeit bieten. Allerdings erfordern sie spezialisierte, teure und schwer zu bedienende Ausrüstung.
Mit dem technologischen Fortschritt kommen zunehmend laserbasierte Verfahren wie Schmelzen, Legieren, Strukturieren und Abtragen für die präzise Oberflächenmodifikation von Materialien zum Einsatz.
Diese Methoden ermöglichen die Beseitigung von Defekten und die Erzeugung periodischer Mikrostrukturen wie Rillen und Vertiefungen durch gezieltes Erhitzen und kontrolliertes Abkühlen, was das Verschleißverhalten des Materials beeinflusst. Aufgrund ihrer hohen Präzision werden Laser überwiegend in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und im Nuklearbereich eingesetzt, obwohl es sich um eine kostenintensive Modifikationsmethode handelt.
Unabhängig von der verwendeten Technik ist sicherzustellen, dass die Grundeigenschaften des Materials während der Oberflächenmodifikation weitgehend erhalten bleiben.
Ein kürzlich veröffentlichter Übersichtsartikel in Metals untersuchte verschiedene Oberflächenmodifikationstechniken für metastabile austenitische Edelstähle (MASS), die aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit in vielen Branchen eingesetzt werden.
Zahlreiche Nanostrukturierungsverfahren (physikalisch, mechanisch, chemisch, thermisch, elektrochemisch und laserbasiert) stehen kommerziell zur Verfügung, um das Gesamtverhalten von Werkstoffen zu verbessern. Die Autoren hoben hervor, dass die Einführung laserbasierter Modifikationsverfahren im Vergleich zu anderen konventionellen Methoden nur langsam voranschreitet, was vermutlich auf die Notwendigkeit spezialisierter Ausrüstung und die damit verbundenen Kosten zurückzuführen ist.
Ein weiterer aktueller Artikel in Pharmaceutics beleuchtete die verbesserte Korrosionsbeständigkeit nano-engineerter Titan-Dentalimplantate. Titan bietet günstige biomechanische Eigenschaften und Biokompatibilität für die Herstellung von Zahnimplantaten. Dennoch kann Korrosion durch chemische Reaktionen mit den Flüssigkeiten der Mundhöhle Zytotoxizität verursachen. Dies lässt sich durch nanoskalige Oberflächenmodifikationen von Titan-basierten Implantaten verhindern.
Empfohlene Methoden sind das Aufbringen von Nanopartikeln/Nanodrähten durch Alkalihitzebehandlung und Plasmaspritzen, die Kornverfeinerung auf Nanoskala sowie die elektrochemische Anodisation zur Erzeugung von Nanoröhren oder Nanoporen. So können Implantate entwickelt werden, die dem komplexen korrosiven Milieu der Mundhöhle standhalten und somit deren Lebensdauer verlängern.
Korrosion betrifft unser tägliches Leben und führt zum Ausfall von Autos, Haushaltsgeräten sowie Wasser- und Energieleitungen. Nach einer älteren Schätzung beliefen sich die jährlichen Korrosionskosten in den USA auf etwa 9 % des Bruttoinlandsprodukts (BIP). Diese Kosten beinhalten auch indirekte Ausgaben wie Produktivitätsverluste durch Ausfälle, Verzögerungen, Schäden und Rechtsstreitigkeiten.
Daher ist die fortschrittliche Oberflächenmodifikation von Materialien zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit unerlässlich, um öffentliche Sicherheit, zuverlässige Infrastruktur, maximale Lebensdauer von Anlagen, Umweltschutz und kosteneffizienten Langzeitbetrieb zu gewährleisten.
