Untersuchungen zur wechselwirkung von kavitation und korrosion im hinblick auf zerstörungserscheinungen an schiffsschrauben

SC Hi FFBAUFORSC HUNG

HERAU,SGEGEBEN VOM INSTITUT FÜR SCHIFFBA.0

Berlin - ROSTOCK - Potsdam

Untersuchungen zur Wechselwirkung.von Kavitation und Korrosion

im Hinblick auf Zerstörungserscheinungen

an Schiffsschrauben

Von Dipl.-Met. H. Klaas, Institut für Schiffbau, Rostock

In?, Schiffbau treteì' an Propsllern, Zylinderlaufbuchsen, Kondensatorrohren und anderen Bateilet

Zer8törûngen der Werkstpffoberfläche auf, die als Kavitations-Erosion bezeichnet werde Die Schäden sind Folgeerscheinungen von KäYitatior in einem benetzenden, bewegten f1ü8.sigen Medium. Sie treten jeweil dort auf, wo in der Nähe der Grenzflächen Flü8sigkeit-Festkärper Kavitàgionsblasen zu8ammen-fallen bzw. komprimieren. Im der Literatur ist de Wirkung von TVechseldruckkräften auf e Oberfläche

experimentell und rechnerisch nac/gewiesen worden, jedoch wurden die gleichzeitig wirkendn

che?ni-schem und elektrochemi8chen Vorgänge noch nicht ausreichend oitersucht. Die vorliegende Arbeit -soll diese Lücke durch experimentelle Ergebnisse ác/iließen.

E8 wurden profilierte Probn aus dem unlegierten Vergütungsstahl C 60 uni dem legierten rostfreien Stahl X 12 CrNi 18.8 sowie einige handlsübliche Propellerv.ierkstoffe aus Sta1l und Buiitnetall bei untersc1edlichen Temperaturen und Sauêrstoffgehalten verschiedEner Flüssigkeiten im Schwinggerät

kavitiert. Durch Potential-, Stromdichte- und Masseverlust-Messungen konnten dabei die eleletrochemi-schen Einflüsse auf die Oberfläche verfolgt werden. Metallo graphische T]itersuchungen 'und Korrosions

schutzversuche ergänzten die Prüfungen.

-Die Potential und ,Stromdichte Messungen weisen Sauerstoffani eiche? ungen an de Lavsterten

Metalloberfläche nach. Dadurh wiid däs Potential wähend der Ka'ùitation der elektrochemisch aktiven

Oberfläche des Stahles C 60 und des Stahl guses GS-45.1 gegenüber dem Potential der nicit kävitierten Probe merklich veredelt, wobei Zusdmmenhänge zwischen dem eitlichen Verlauf des Ka#iitationepotën tials und Zusammensetzung, Temperatu'fr und Sauerstoffgehalt der Flüsszgkeit bestehen. Bei dem

legier-ten Stahl X 12 CrNi 188, Sondérmessing und Gußbronze ist das Kavitationspolegier-tential, besondrs bei

ersterem Werkstoff, wesentlich unedler .as das.Ruhepotential, in Abhängigkeit vorn Gasgehalt der Flüssig

keit. Die Verluste dieser Werkstoffgruppe sind gering und nur wenig beeinflußbar. Der legierte Stahl

X 8 CrNi T7 14.1 nimmt bezüglich der Potentialverhältnisse eine Mittelstellung zwischen beiden

Werk-stoffgruppen eih. Be ihm sind die.Masseverluste gering. Die Masseverlu8te der unlegierten Stähle sind

demgegenüber sehr viel höher und weiéen deutlich Abhängigkeit von elektrochemi«chen Einflußfaktoren

auf; z. B. werden sie durch katodischen &hutz merklich vermindert. Beim Stahl C 60 entstehen trans-kristalline, bei Stahlguß GS-45.1 nterkistalline Risse. Für die legierten Stihle und die Buntrnetalle

lassen sich nur muldenförmige rißfreie Angriffe feststellen. ,

Die Ergebnisse werden auf elektrochemische Prozesse bei der Kavitat'ions Erosion zuruckgefuhrt j\Tach diesen Ergébnissen bid Kävitations-»Jrosion durch gleichzeitge Einwirkung mechanischer und

elektrochemischer Kräfte verursacht. Diese sum'yhieren sich nicht einfach, sondern unterstützen einander. Dadurch führt schon allein die Verminderung des Korrosionsante-ils zu einer wesentlichen Verbesserung

des Widerstandes des Werkitoffes gegen Kavitation. _/

1. Literaturbericht

Im Bereich des Schiff- und Maschinenbaus ist der Begriff der Kavitation seit langem bekannt. Man ver-steht darunter Hohiraumbildung in flüsigen Medien, bei denen durch besondere Verhältnisse där Dampf-druck an einigen Stellen erreicht wird. Es bilden sich Bläschen aus Wasserdampf- Gasgemisch, die bei

an-steigendem Druck wieder zusammenfallen. Erfolgt dies in Nähe von Werkstoffoberflächen, so tritt Erosión auf.

Der Angriff wird als Kavitations-Eroejon bezeichnet,

zuweilen als Kavitations-Korrosion, wegen des schwam-migen lochfraßähnlichen Aussehens. Der Schiffbau hat sich mit diesen Zerstörungen vor allem im Zusammen-hang mit Schädigungen der Propeller beschäftigen müs-sen. Solche Schäden sind u. a. von Parson und Cook [1],

Pöttinger [8], Aithof [21], Stewart und Williams [31],

Eisenberg [37], Bremer und Möller [38] festgestellt und diskutiert worden.

Anfressungen der Schrauben treten besonders häufig an den Flügelspitzen und auf der Saugseite auf:

Schiffs-schrauben aus G 5-45.1 von Fischereifahrzeugen sind z. B. nach fünfmonatlicher Betriebszeit stark ange-griffen. Dies äußert sich in einem merklichen Nach-lassen der Schlepp- und Freifahrtgeschwindigkeit der

Schiffe Allgemein halten unlegierte Stahlgußpropeller

nicht bis zur zweiten planmäßigen Werftüberholung durch, wodurch ein zwischenzeitliches Slipen und der

Einbau einer neuen Schraube notwendig wird.

Um diesen Schwierigkeiten, vor allem bei größeren Schiffen zu entgehen, sind empirisch kavitationsbe-ständige Werkstoffe entwickelt worden. Entweder er-folgt die Werkstofferprobung unter naturlichen Be-dingungen an Versuchsschrauben [21] und [37] oder mit Hilfe von Kavitations-Prüfgeräten [1] [2] [3] [4]

[6] [11] [14] [16] [17] [20] [22] [29] [30] [31] [34]

[40] und [47]; Die Zahl der Naturversuche ist wegen der damit verbundenen hohen Kosten gering. Deshalb

sind die bekannten Ergebnisse von Althof [21], Brehmer

und Möller [38] besonders wertvoll. Althof zeigte an

einer Schiffsschraube von je zwei Flügeln aus

unlegier-tern und legiertem Stahlguß, daß legierter Stahlguß trotz wenig höherer Härte sehr viel beständiger gegen

KavitatioÍis-Erosion ist als unlegierter Stahlguß Diese Beobachtungen gaben erste Anhaltspunkte zum wahr-scheinlichen Mechanismus der Kavitations-Erosion und dienten als Ausgangspunkt der im folgenden beschrie-benen Betrachtungen und Untersuchungen.

Die Suche nach beständigeren Werkstoffen hat zur

Verwendung spezieller Priifeinrichtungen geführt.

Be-sonders häufig wurden das Tropfenschlaggerät", die ,,Venturi-Düse" mit verschiedenen Variationen, das ,,Magneto- Striktionsgerät" und das ,, Stoßgerät" ver-wendet [61]. Der Nachteil dieser Geräte besteht vor allem darin, daß die praktischen Kavitationsfälle auf

jeweils verschiedene Weise nur annähernd nachgeahmt

werden können. Daher sind die Ergebnisse der einzel-nen Prüfverfahren nicht direkt vergleichbar und für die praktische Anwendung nur bedingt verwendbar. Immerhin hat es sich gezeigt, daß die Reihenfolge der Werkstoffe in der Beständigkeit gegen Kavitations-Erosion fur, alle Prüfungen etwa gleich ist [61] [17]

[11] [20] [30] und [31]. Sonder-Messinge, Bronzen und chromlegierte Stähle, die sich als Propeller-Werkstoffe

bewährt haben, zeigen z. B. auch im Schwinggerät

gute Widerstandsfähigkeit gegen Kavitations-Erosion

[30] und [31].

Die Empine bei der Entwicklung kavitationsbestän-diger Werkstoffe ist auf die Unkenntnis des genauen Zerstörungsmechanismus der Kavitations-Erosion zu

rückzuführen. Weitere Verbesserungen der Werkstoffe

lassen sich heute jedoch nur noch durch Anwendung

wissenschaftlicher Grunderkenntnisse erzielen,

Voraus-setzung ist dafür aber die genaue Klärung des

Zer-störungs -Mechanismus bei der Kavitations-Erosion.

Dazu hat es in den vergangenen Jahren nicht an

Untersuchungen und uberlegungen gefehlt.

Schwierig-keiten ergaben sich aber vor allem wegen des korn-plexen Charakters dieser Zerstörungsart. Die in der

Vergangenheit seit etwa dem Jahre 1 9 1 9 erschienenen

Arbeiten und Ansichten ergeben ein wenig

einheit-liches Bild. Die Ansichten gehen vor allem in der Frage

auseinander, ob der Angriff hauptsächlich

mechani-'seher oder mehr korrosiver Natur ist. Eine ganze Reihe von Verfassern sind der Ansicht, daß die Zerstörungen in der Hauptsache durch häufige Schläge auf der

Ober-fläche als Folge des Zusammenfallens oder des

Kom-primierens der Kavitationsblasen entstehen [1] bis [20]. Lord Raleigh [10], Kornfeld [6] und andere haben

Unter-suchungen und Berechnungen angestellt, um die auf kleinstem Querschnitt wirkenden Druckkräfte zu

er-mittein. Lord Raleigh kam dabei auf Drücke bis zu

4500 lip/cm2. Jedoch sind solche Berechnungen nicht eindeutig und umstritten, weil zur Lösung der Glei-chungen vereinfachende Annahmen gemacht werden müssen, die in Wirklichkeit kaum zutreffen dürften.

Dazu gehören vor allem die Annahmen, daß die Flüssig-keit inkompressibel, die Zähigkeit vernachlässigbar klein ist und innerhalb der Kavitationsblase Vakuum herrscht. Aus Beobachtungen von

Oberflächen-Ver-formungen von Messing schließen Schwarz und Mantel [17] auf Druckspitzen über 9000 kp/cm2. Aus Beobach-tungen von Gleitlinien folgert Böttcher [3] auf rücke,

die oberhalb der Streckgrenze aller und oberhalb der

Festigkeit der meisten Metalle liegen. Eine exakte

experimentelle Bestimmung der, tatsächlichen Drücke ist jedoch bis heute noch nicht gelungen, weil es keine

Prüfzelle gibt, deren Querschnitt und Trägheit klein genug ist. Daraus erklären sich auch die Ergebnisse

von Brandenburger und de Haller [9]. Sin fanden hei

pie-zoelektrischen Messungen Drücke bis zu 300 kp/cm2.

Die Annahmen rein mechanischer Zerstörungen be-gründen sich auf der Tatsache, daß durch Kavitations-Erosion auch Glas, Bakelit, Gummi, Zement, Quarz und Achat [2] [7] und [8] angegriffen werden. Ebenso sind Zerstörungen durch nichtkorrodierende Medien, wie z. B. Alkohol und Tetrachlor-Kohlenstoff [7] und [16] bekannt. Entsprechend dieser Ansicht wird

vor-geschlagen, die Dauerfestigkeit der Werkstoffoberfläche

durch Erhöhung von Härte und Zähigkeit zu verbes-sern, urn gute Beständigkeit gegen Kavitation zu

er-zielen.

Inzwischen sind jedoch Versuchsergebnisse bekannt-geworden, die die Allgemeingültigkeit der mechanisti-schen Auffassung in Zweifel ziehen. Bei VergleiCh ver-schiedener Werkstoffgruppen konnte zwischen

mecha-nischen Kennwerten, wie Härte, Zugfestigkeit und

Kavitationswiderstand [21] [31] und [40] kein Zu-sammenhang gefunden werden. Nach Unwtätter [53]

umfaßt die Beständigkeit der Werkstoffe gegen Kavi-tation den Bereich von 1 1000, während die

vergleich-baren mechanischen Festigkeitswerte sich nur im

Be-reich von 1 :50 verändern. Außerdem weist gleiches in Seewasser im Schwinggerät kavitiertes Material höhere

Masseverluste auf als bei Angriff im Süßwasser [13]

[16] und [30]. Nicht zuletzt aber ist es den Erfölgen des

katodischen Schutzes gegen Kavitations-Erosion zu danken [16] [22] [23] [24] und [39], daß nach

allge-mein gültigeren Vorstellungen gesucht wird. Nach

wieder-holten Feststellungen läßt sich Kavitations-Erosion

durch Katodenschutz zwar ' nicht beseitigen, wohl

aber beträchtlich vermindern. Als Folge dieser Ent.

wicklung gibt es heute bereits viele Arbeiten und

stellungen, die elektrocherrnsche Korrosion als

mitbe-stiminenden Faktor bei der Kavitations-Erosion

aner-kennen [21] bis [47].

Die allgemeine Grundvorstellung geht von Lokal-elementen auf der Metalloberfläche aus, die als Folge des Kavitationsangriffs entstehen und einem ständi-gen örtlichen Wechsel unterworfen sind. Die dadurch

bedingte Korrosion beeinflußt die Kavitations-Erosion merkliöh [22] [231 [25J [27 [30] [32J [36] [37] [39]

[43] [46] und [47]. Einige Verfasser gehen weiter und sehen eine starke gegenseitige Beeinflussung der

me-chanisohen und Korrosions-Zerstörungskräfte [2 1] [26]

[28] [29] [38] [41] [44] und [45]. Häufig wird Kavi-tations-Erosion als eine Folge von

Korrosions-Ermü-dung der Oberfläche angesehen [24] [26] [33] [34] [35] und [42]. Auf der Basis dieser Anschauung wurden von

Vater [35] . in Wasserschlag-Dauerversuchen

Wöhler-Linien für die Dauerfestigkeit verschiedener Werk-stoffe gegen Wasser aufgestellt, wobei die Spannung durch die Strömungsgeschwindigkeit ersetzt wird. In den letzten Jahren ist die Frage der

Lokalelementbil-dung lebhaft verfolgt worden, und so gibt es heute be-reits eine ganze Reihe detaillierter Vorstellungen. Fol-tyn, Noskievic, Rutenbeck, Crewdson u. a. [23] [27] [29] und [32] haben sich besonders mit der örtlichen Ma-U

terialerwärmung durch Kavitation und der damit ver-bundenen Lokaleleinentbildung beschäftigt. Wahrend

Noskievic bei Versuchen im Stoßwellenapparat durch zusammenfallende Blasen Erwärmungen von 1,5 bis

5,8 °C maß, berechnete Crewdson für das adiabatisehe Zusammenfallen der Blasen eine Dampftmperatur von

4950 °Fahrenheit (2750 °C). Marinesco und Novotny [46] und [47] fanden nach entsprechenden Versuchen Ternpératurspitzen von 234 oc bzw. 100 bis 300 °c.

Um-st ätter [14] berechnete aus Kavitations-Isochoren die Kavitations-Enthalpie und kommt zu Energien, die

ausreichen, um das Metall zu schmelzen. Daraus

er-gibt sich nach Umstätter éine Parallelitat zwischen

Schmelzpunkt, Festigkeit und Kavitationswiderstand.

Außerdem wird gezeigt, daß Kavitations-Erosion durch

Schwingungsvorgänge erzeugt wird. Es treten nach

Um8tätter sehr hohe Masseverluste auf, wenn Resonanz zwischen der Erregungsfrequenz und der Eigenfrequenz

der schwingenden Blasen bzw. der Körner des Werk-stoffes besteht. Wie andere Verfasser [16] [17] [19] [34] [39] [45] und [47], so fand auch Umstätter bei

Masseverlust- Zeitmessungen eine sogenannte

Inkuba-tionszéul, d. h., es vergeht eine bestimmte Zeit, in der kein merklicher Angriff auftritt. Nach Ablauf dieser

Zeit setzt dann die Zerstörung ein, wonach der Angriff

mit der Zeit proportional ansteigt. Die Länge dieser Inkubationsdauer hat nach Umstätter mit der Bestän-digkeit der Werkstoffe gegen Kavitation direkt nichts

zu tun. Es gibt Werkstoffe mit sehr kurzer

Inkuba-tionsdauer und einem langsamen Anstieg der

Kavita-tions-Erosion, und solche mit relativ langer Inkuba-tionsdauer und darauffolgender rasch fortschreitender Kavitations-Erosion. Nach der Schwingungs-Theorie

von Umstätter erklärt sich die Inkubationsperiòde durch

Auswirkung der amorphen feinkörnigen Oberflächen-schicht, die Resonanz- Schwingungen wegen Fehlens einer Eigenfrequenz unmöglich macht.

Erdmann-Jes-nitzer [45] führt den ersten Abschnitt der

Inkubations-Periode beim Tropfenschlag-Versuch auf interkristal-line Korrosion zurück. Dabei ist seiner Ansicht nach

ein Gefüge mit Großwinkel-Korngrenzen besonders ge-fährdet. Diese angegriffenen Korngrenzen werden durch die vorhergehenden wechselnden

Schubbeánspruchun-gen bis zum Erreichen der Trennfestigkeit und dem

nachfolgenden Herausschlagen ganzer Oberflächenpar-tikel aufgeweitet.

Möglichkeiten zur Bildung von Lokalelementen durch unterschiedliche plastische Verformungen der Oberfläche

werden u. a. von Wheeler, Petracchi und Eisenberg [22]

[24] und [37] diskutiert. Tatsächlich haben

Untersu-chungen von Katz [49] ergeben, daß Eisen durch Kalt-verformung in einen elektrochemisch aktiven Zustand

versetzt wfrd Zum Beispiel ist das Potential kaltge-zogener Stahicirähte in 0,1 n-Ferrosulphatlösung um

40 mV uneciler als das weichgeglühter Drähte.

Außer-dem werden von Fetracchi und Young [24] und [43] die Bildung von Belüftungselementen infolge

unterschiedlichen Sauerstoffgehaltes angenommen. Schließ -lich wird der mechanischen Zerstörung korrosionshin-dernder Schutzschichten besondere Bedeutung bei

-gemessen [21] [38] [41] und [62]. Nach Althof [62]

genügen bereits geringere als bisher vermutete Kräfte, um den natürlichen Korrosionsschutzfllm zu zerstören

und einer kombiniert mechanisch-elektrochemischen

Zerst6rung den Weg zu öffnen. Für Murphy und Callis

[41] ist die Beständigkeit gegen Kavitations-Erosion

im Schwinggerät im wesentlichen eine Frage des Schutz-flim-Bildungsvermögens. Nach ihrer Ansicht sind solche

Werkstoffe beständig, deren Schutzfllme sich nach mechanischer Zerstörung erneuern. Nach Taylor [36] ist die bei einigen Kavitationsprüfmethoden auftre-tende Inkubationszeit durch chemische Reaktionen

bedingt. Beim Zerfall der Kavitatiomsblasen entstehen

s. E. kurzlebige aktive Atome und Radikale, wie H,

OH, (2011, CH3, 06H5, c6H5dn2. Solche Radikare spie-len eine wesentliche Rolle bei extrem schnelspie-len

chemi-sehen Reaktionen, wie z. B. Explosionen. Dabei kann

die versprödende Wirkung von freiem Wasserstoff be-deutsam sein.

Alle bisher därgelegten Gedanken zur Veränderung

der Werkstoffoberfläche durch Mitwirkung

elektro-chemischer Korrosion bei der Kavitations-Erosion sind

nicht Ergebnisse direkter systematischer Meßreihen, vielmehr ergaben sie sich als Schlußfolgerungen aps

Masseverlustmessungen, makro- und mikroskopischen Untersuchungen und anderen indirekten Beobachtun-gen. Direkte èhemische Einzelmessungen wurden

bis-her nur von Foltyn [23] und Noskievic [25] bekannt.

Foltyn maß den elektrischen Strom, der zwischen einer

im Schwinggerät kavitierten und einer gleichen

nicht-kavitierten Probe fließt. Durch Einschalten des

Schwing-gerätes wurde die kavitierte Probe zur Anode.

Masse-verluste konnten durch Kompensation des gemessenen

Stromes vermindert werden. Voltyn untersuchte un-legierten Stahl, Bronze und un-legierten Stahl mit 13%

chrom. Noskievic bestimmte das elektrochemische

Potential zwichen einer im Tropfenschlaggerät kavi-tierten Probe und einr im Wasserstrahl befindlichen Vergleichsprobe gleichen Materials und stellte Poten-tial-Erhöhungen in der Größenordnung von 2 mV bei

Erhöhung der Stoßgeschwindigkeit von 1500 auf 2500

Umdrehungen des Schlaghammers je min fest. Diese

Ergebnisse erhielt er an Stahl, V2A- Stahl, Messing und

Graugu.ß, ohne daß sich nennenswerte Unterschiède

ergaben. Die Ergebnisse beider Autoren sind allerdings umstritten, vor allem deshalb, weil sie keine konstanten Bezugselektroden verwendeten. Die Potentiale der ver-wendeten Vergleichs-Werkstoffe verändern sich mit der Zeit und sind insbesondere von. Art und Geschwindig-keit der Strömung abhängig, weil damit Veränderungen im Sauerstoffangebot einhergehen [52] [54] und [56]..

Es besteht daher eine Lücke in der Reihe der Mes-sungen zum Mechanismus der Korrosion bei Kavita-tions-Erosion, zu deren Schließung die im folgenden beschriebene Arbeit beitragen soll. Die

Untersuchun-gen wurden mit dem Ziel begonnen, durch Klärung des Korrosions-Mechanismus Möglichkeiten zur Entwick-lung neuer Werkstoffe und wirksamer

Schutzmaßnah-men zu finden, mit deren Hilfe u. a. die Erosionser-scheinungen an Schiffsschrauben vermindert werden

können.

2. Diskussion des Lösungsweges

Die Aufgabe schreibt Meßverfahren vor, 'mit deren

Hilfe di±ekt die elektrochemischen Veränderungen der

Oberfläche der Kavitationsprobe gemessen werden

können. Zu diesem Zweck sind vor allem Stromdichte-und Potential-Messungen geeignet. Stromdichte-Mes-sungen zwischen der Meß- und der konstanten

Bezugs-Elektrode haben den Nachtéil, daß die

Oberflächen-verhältnisse- durch die Messungen selbst beeinflußt

werden [52] [55] und [56]. Mit ihrer Hilfe lassen sich

jedoch quantitative Sauerstoff-Messungen nach der von

Tödt [52] angegebenen Methode durchführen.

Dem-gegenüber lassen sich Potential-Messungen mit Korn-pensations- Geräten und Röhren-Voltmetern

leistungs-arm bzw. leistungslos durchführen, d. h. die Messung führt nicht zu einer Beeinflussung des Ergebnisses

Veränderungen - des olektrochemischen Potentials einer Metalloberfläche geben jedoch nur qualitative Auskunft über den elektrochemischen Zustand. Die bestehenden

Zusammenhänge wurden von' Muller [56] eingehend

diskutiert und sollen unter Punkt 6 noch dargelegt

werden.

Die Wahl eines Magneto- Striktionsschwingers als

Kavitatións-Pr'üfgerät erfolgte nach folgenden

Gesichts-punkten:

Reproduzierbarkeit der Ergebnisse

Vergleichbarkeit der Beanspruchung an

Schiffs-schrauben, d. h. Erzeugung von Erosion durch Bla-senbildung und Benetzung der beanspruchten

Ober-fläche

Veränderlichkeit von Zusammensetzung und Tem-peratur der kavitierenden Flüssigkeit mit einfachen

reproduzierenden Mitteln Erträgliche Versuchszeiten.

Das Tropfènschlaggerät nach y. Schwarz [17] und

das Stoßwellengerät nach Brandenburger und de Haller

[9] erfüllen die Bedingungèn unter 2 und 3 nicht

aus-reichend. Die Venturi-Düse nach Schröter [4] zeigt nach

Erdmann-Jeánitzer [45] erst nach einigen Tagen bis

Wochen nennenswerte Angriffe.

-Außerdem lassen sich, hier Korrosionsbedingungen

nur mit erheblichem Aufwand verändern. Dagegen

r-füllt das Schwinggerät nach Gaine8 [2] die gestellten

Bedingungen weitgehend. Blasenbildung ist bereits mit

bloßem Auge zu erkennen. Die Versuchsbedingungen

lassen sich so festlégen, daß die Ergebnisse ausreichend reproduzierbar werden.. Die Korrosionsbedingungen sind auf 'einfachste Weise veränderlich, und schließ-lich treten nennenswerte Angriffe je nach Höhe der Schwingungs-Amplitude und der Frequenz nach

we-nigen Minuten bis Stunden auf. Als Nachteil sind

lediglich die hohe Intensität und Frequenz der Kavi-tation zu nennen. Mit einer Schwingungs-Amplitude von 0,02 mm wurde eine Kavitations-Intensität

ge-wählt, bei der Erosion im Verlauf von zwei

Versuchs-stunden auftritt. Das entspricht einer noch immer

sehr viel höheren Intensität gegenüber praktischen

Beanspruchungen, z,. B. einer Schiffsschraube, liegt

jedoch wesentlich tiefer als bei ähnlichen Versuchen

von Schumb, Petèr8 und Mill'igan [20], Kerr [30] oder Novotny [47]. Die Frequenz von 8 kHz wurde gewählt,

um Vergleichsmöglichkeiten mit Ergebnissen anderer Verfasser zu schaffen, die, fast ausnahmslos mit der

gleichen Frequenz. arbeiteten.

Als Kavitations-Medium dienten 3 %igè NaCl-Lösung (0,5 n), 3,64%ige Na2SO4-Lösung (0,5 n) uñd

destillier-tes Wasser. Die verwendete NaC1-Lösung entspricht

nach Rjabtschenko [48] in der Korrosionswirkung dem Seewasser und wurde außerdem gewählt, um den Ein-. fluß von korrosionsaktivierenden Chlor-Ionen - zu

stu-dieren. Die Na2SO4-Lösung ist bei gleicher Leitfähig-keit ohne korrosionswirkende aktivierende Anionen [52]. Destilliertes Wasser besitzt eine'nur geringe

Leitfähig--keit und muß deshalb Korrosionsvorgänge bei der

Kavitations-Erosion hemmen.

Bei der Auswahl der Versuchswerkstoffe beschränkte sich der Verfasser für grundsätzliche Versuche auf den

unlegierten Vergütungsstahl C 60 und den rostfreién Stahl X 12 CrNi 18.8 (V2A-Stahl). Durch dièse

Be-schränkung soll die 'Übersichtlichkeit gewahrt bleiben.

Die beiden Werkstoffe wurden in erster Linie nach ihrem chemischen Verhalten in wässrigen Lösungen ausgesucht. C 60 ist ein unlegierter Stahl und rostet

in flüssigen Medien, d. h. er bildet eine elektrochemisch aktive Oberfläche. Der V2A-Stahi rostet nicht, weil er

eine wirksame Passivierungs-Schicht auf der Ober-fläche bildet. -Außerdem wurde Stahl C 60 dem

rost-freien Stahl gegenüber gestellt, weil er eine höhere

Härte besitt. Es sollte damit gezeigt werden, daß der elektrochemische Oberflächenzustand, und nicht die

Härte, èinen entscheidenden Wertmaßstab für das

Verhalten bei Kavitation darstellt.

-Die ersten Testversuche an C 60 zeigten einen star-ken Einfluß von Sauerstoff auf die Vorgänge bei der

-Kavitations-Erosion. Dies erschien dem Verfasser von grundlegender Bedeutung, daher wurdé das

Värsuchs-programm erweitért. Durch Einleiten von Argon in die jeweilige Flüssigkeit konnte. der Sauerstoffgehalt vermindert, durch Sauerstoffèinleiten erhöht werden.

Im Anschluß an die grundlegenden Untersuchungen wurden noch - einige Vergleichsversuche mit G S-45.1, Eisen-Aluminium-Bronze, Nickel-Aluminium-Bronze,

Sondermessing und mit dem legierten Stahl X 8 CrNi V 14.1 durchgeführt. Damit sollten die innerhalb der

Deutschen' Demokratischen Republik verwendeten

Werkstoffe für Schiffsschrauben auf das

elektrochemi-sehe Verhalten bei der Kavitation untersucht 'und mit

den vorhandenen Ergebnissen verglichen werden.

Ji1d 1. I31ockschat,tng des Schwinggeriites

3. Versuchseinrichtungen

Aufgbe und Wirkungsweise des Schwinggerätes

Zur Erzeugung von Kavitation wurde ein magneto-striktives Schwinggerät nach Gaines [2] gebaut. Ein

Rohr aus kaltgezogenem Reinnickel, dessen Länge sich

durch die gewünschte Frequeni bestimmt (8 kHz bei einer Länge von 300 mm), trägt an einem Ende eine

Kavitationsprobe und schwingt longitudinal im

Rhyth-mus hochfrequenten Stromes, der durch eine um den

Stab gelegte Schwingspule fließt. Diese Schwingspule wird von eiñem Sender gespeist, dessen Blockschaltung Bild 1 wiedergibt. Eine weitere Gleichstromspule ist zur

Erzieluñg einer Vormagnetisierung angebracht. Da-durch erhöht sich die Schwingungsämplitude, und

zu-gleich wird die Schwingffequenz des Rohres zu-gleich der Stromfrequenz des Senders. Durch Zusammenwirkung

88 - Schlifbauforschung 1 3/1962

NE-Generator S/euerversf&ier Endstufe

UNFLV ¿5W i kW

Strom ver - G/eIcI'rIcJlIer Cff,. 5crg eng Vormagnetisierung

¿I 3kV 25V3A

-Uj 1kV

j1

von Tonfrequenzgenerator, Steuerverstärker und End

-stufe gibt der Sender an die Schwingspule eine

regel-bare Leistung bis zu i kW ab. Das Nickeirohr ist in

Spulenhöhe dreifach elektroerosiv geschlitzt, um Er. wLrmung und Schwingungsverluste durch Wirbel-ströme zu vermindern. Trotzdem tritt schon bei

kur-zem Betrieb eine erhebliche Erwärmung des Rohres ein.

Die Kühlung wird in Abwandlung bisher bekannter Methoden mit starkem Gebidsewind vorgenommen. Diese Kühlungsart arbeitet einfach und wartungsfrei und ist ausreichend, um auch bei Langzeitversuchen eine frequenz. und amplitudenkonstante Schwingung zu erreichen, ohne daß Störungen der Eigenfrequenz des Rohres auftreten. Die Stabhaltung erfolgt wie bei

Rutertheck [29] mit einer kugellagerartigen Spannhülse,

die die Kugeln an den Stab preßt und fur eine däm. pfungsarme quasi punktförmige Einspannung sorgt.

Zwischen Senderöhre der Endstufe und Schwingspule wurde ein Transformator gelegt, um die Schwingspule gegen die Anodenspannung von 3 kV abzuschirmen

i

Bild 2. Ansicht des Versuchsteiles des Schwinggerätes

Die Messung der Schwingungsamplitude erfolgte mit einem Mikroskop mit Meßokular durch Anvisieren der

Kante einer Rasierklinge, die an der Probe befestigt war. Diese Amplitude von rd. 0,02 mm wird nur im

Resonanzbereich des Nickeirohres erzielt. Dieser enge Resonanzbereich kann laufend durch die Anzeige einer

Indikatorspule auf einem Röhrenvoltmeter oder durch

das Maximum der Kapillerwirkung der im Elektrolyten

schwingenden Kavitationsprobe kontrolliert werden.

Eine weitere Kontrolle erfolgte durch häufige Testver. suche (C 60 in 3%iger NaC1.Lösung von 20 °C).

Während eines zweistündigen Betriebes erwärmt sich

100 cm3 Elektrolytlösung bei Raumtemperatur um

10 bis 15 °C. Es wurde daher eine Thermostatkühlung

angebracht, die die gewünschte Elektrolyttemperatur mit ± 2 °C konstant hält. Der Kühlbehälter faßt zwei

Kavitationsgefäße und ist zum Zweck eines raschen Ge.

fiißwechsels in horizontaler und vertikaler Richtung verschiebbar. Das mit 8 kHz schwingende Niekeirohr erzeugt einen unangenehmen und lauten Ton. Es ist daher notwendig, den Schwinger in einer Kabine ar-beiten zu lassen, deren Wände mit schallisolierendem Piatherm ausgefüttert sind. Die Anordnung des Ver. suchsteiles des Schwinggerätes ist in Bild 2 wieder.

gegeben.

Aufbau der Potential.und Strommeßvorrichtung Das elektrochemisehe Potential der kavitierten Probe sollte stromlos gemessen werden, um das Ergebnis von der Messung unabhängig zu machen. Daher wurde als Anzeigegerät ein tjniversal-Röhrenvoltmeter im

Gleich-spannungsbereich von 0 1000 mV benutzt. Ein

wei-terer Vorteil dieses Meßverfahrens besteht in der

träg-heitsarmen Direktanzeige des Ergebnisses. Als Ver-gleichselektrode zur Kavitationsprobe diente eine ge-sättigte Kalomelelektrode. Die Spannungszuführung von der Probe zum Röhrenvoltmeter war am

Nickel-stab angelötet. Dies fuhrte zu keinerlei meßbaren

Nebenwirkungen.

Zur Messung der Stromdichte zwischen kavitierter Probe und einer Kadmiumsulfatzelle diente das von

TÖdI [52] angegebene Meßprinzip. Es fließt zwischen

der katodischen Probe aus X 12 CrNi 18.8 und der

Meßzelle ein Strom, der neben dem Ohm'schen

Wider-stand der Leitung und Flüssigkeit und der Katoden-fläche, vor allem durch das Sauerstoffangebot an der

Katode bestimmt ist. Der Strom wurde mittels Gleich-strornmeßverstärker verstärkt und einem

Gleichstrom-schreibgerät zugeführt. Bei einer

Papiervorschubge-schwindigkeit des Gleichstromschreibers von 2,95 mm!

min können auch kurzzeitige Stromänderungen mit

ausreichender Genauigkeit registriert 'erden. Masseverlustmessungen

Die Maseeverlustmessungen sollten möglichst wenig die

Potential- und Stromdichtebestimmungen beeinflussen. Dies ist nicht möglich, wenn man, wie allgemein üblich,

die Verluste gravimetrisch bestimmt. Es wurde daher

bei der Aufnahme von Masseverlust.Zeitkurven in ent-sprechenden Zeitabständen die Elektrolytlösung schnell

gewechselt und sodann der Eisengehalt chemisch be-stimmt. Um schnell und genau zu arbeiten, kam ein

photometrisches Analysen-Verfahren zur Anwendung. Die Kavitationsflüssigkeit wurde nach Eindampfen mit 6 em3 Salpetersäure (1: 3) versetzt, aufgekocht und an-schließend mit 10 cm3 Ammoniumrhodanid (10%) auf 100 cm3 aufgefüllt. Durch Bildung eines Komplexsalzes zwischen den Eisen-Ionen und dem Indikator färbt sich

die Lösung rot. Mit einem geeichten Puifrich-Photo-meter konnte die Intensität der Rotfärbung quantitativ

dem Eisengehalt zugeordnet werden.

Bild 3 Skizze einer profilierten Kavitationsprobc

Form und Vorbereitung der Proben

Nach einigen Vorversuchen wurde die von Wheeler [22] angegebene profilierte Probe verwendet (Bild 3).

Betrachtungen des Kavitationsbildes und der Lage der

Zerstörungen zeigen bei ebenen Proben nämlich, daß die Kavitations-Erosion des Probenzentrums im

Ver-gleich zum restlichen Probenteil außerordentlich

inten-siv ist (Bild 4, 5 und 6). Demgegenüber erreicht die

angegebene profilierte Probe eine gleichmäßigere

Kavi-tations-Erosion (Bild 7 und 8). Zum Versuch wurden

die Proben in immer gleicher Weise auf Schmirgelleinen der Körnung 280 geschliffen, mit Tetrachlorkohlenstoff

entfettet, getrocknet und im Exsikkator aufbewahrt.

Dadurch konnte eine verhältnismäßig geringe Streuung

des Anfangspotentials der Probe (gemessen nach 1f2stündigem Verbleib im ruhenden Elektrolyten)

s,

Bild S. Seitenansicht einer 1avltierten ebenen Probe

fr

Bild 6. Kavitations-Erosion nach zweistündiger Kavitation in 0,5 n IaC1-Lösung von 20°C (M: 4:1)

Bild 7. Aufsicht einer luLvitierten profilierten Probe Bild 4. Aufsicht einer kavitierten ebenen Probe

/

Bild 8. Kavitations-Erosion nach zweistündiger Kavitation in 0,5 n SaCI-Lösung von 20 °C

reicht werden. Die nichtkavitierten Bereiche wurden mit Lack abgedeckt, um sie von der Potentialbildung

auszuschließen.

Zusammensetzung, Gefügebau und Eigenschaften des

verwendeten Versuchsmaterials

Wie bereits angegeben, diente als Material für die Hauptversuche ein unlegierter Vergütungsstahl der

Qualität C 60 und ein rostfreier Stahl der Qualität

X 12 OrNi 18.8.

Für diese Stähle ermittelte das Zentralinstitut für

Gießereitechnik folgende Analysenwerte:

C Si

Mn P

S Cr Ni Al

C 60 0,55 0,3 0,74 0,033 0,035

- 0,03

X 12

CrNi 18.8 0,12 _{16,4 9,35}

Die Werte liegen für C 60 innerhalb der Soll-Analyse der Standardliste Eisen und Stahl. Für X 12 OrNi 18.8

liegt der Chromgehalt um 1% zu niedrig, und der

Nickelgehalt um 0,35% zu hoch. Der unlegierte Ver-gütungsstahl zeichnet sich durch seinen Aluminium-gehalt als Sondergüte aus. Diese Zugabe erfolgte zur

Erzielung eines feinen gleichmäßigen Kornes.

0/_/0 0/_/0 0/_/0 0/_/0 0/_/0 0/_/0 0/_/0 0/_/0

Bild 9. Gefüge des Fein.kornstfhls C 60 (M: 200:1; Atzmittel: allth.

Sal-petersäure)

Die Gefügeausbildung (Bild 9) bestätigt den Erfolg

der Behandlung für C 60. Es liegt ein feinkörniges

ferritisch-perlitisches Gefüge vor. Durch eine Normali-sierungsglühung kann der Ferritanteil nicht erhöht und eine Veränderung der Perlitlamellen nicht erreicht

wer-den. Deshalb wurde der Stahl C 60 im

Anlieferungs-zustand geprüft. Das Gefüge des ebenfalls im

Anliefe-rungszustand untersuchten rostfreien Stahls ist in

Bild 10 wiedergegeben. Es zeigt sich ein homogenes

austenitisches Gefüge. Der Schliff wurde

elektro-lytisch poliert, so daß die Pünktchen innerhalb der

Austenitkörner als Verunreinigungen angesehen

wer-den können. Wärmebehandlung 6 h 1200 °C/Wasser

verändert das Gefüge nicht.

Wesentlich erschien dem Verfasser vor allem das elektro-chemische Verhalten der Stähle. Es läßt sich durch den Potential-Zeitverlauf ausdrücken und

terscheidet sich ganz prinzipiell. Während der

un-legierte Vergütungsstahl C 60 im Elektrolyten das

unedle Potential einer aktiven Elektrode annimmt,

erreicht der austenitische Stahl sehr bald das edle

680 rrV 670 5511 630 610 i70 b t-b

I

.tio 900 ₂₀ 411 60 80 Versac/,szejt 100 TRtTt 120

Bild 10. Gefüge des austenit,ischen Stahls X 12 CrNi 18.8 (V2A-Stahl) (M: 200:1; Ätzmittel: V2A-Beize)

Passivierungspotential (s. Bild 11 und 12). Diese

Er-gebnisse bestätigen sich vor jedem Kavitationsversuch,

denn mit der Kavitation wurde stets erst begonnen, nachdem die Probe 30 min in die ruhende Flüssigkeit

eingetaucht war und sich das elektro-chemische Poten-tial entsprechend nur noch langsam veränderte.

Fur die beiden Stähle wurden folgende mechanischen Eigenschaften festgestellt:

aS

aB

10 , HB3O/

2,5-10

kp/rnm2 kp/mm2 %

% kp/mm2

Danach ist der austenitische Stahl gegenüber dem

unlegierten Vergütungsstahl etwas weicher.

Alle diese Ergebnisse bestätigen die Brauchbarkeit der beiden Stahlsorten im verwendeten

Anlieferungs-zustand für die vorgesehenen Versuche.

ULI 'rtV 380 3201 280 240 411CC /2/)

--C60 51,9 80,2 17,7 38,9 234 X 12 CrNi 18.8 24,2X 64,3 53,1 70,2 182 x(C7o,2) Schiffbauforschung 1 3/1962 91 0 20 40 80 80 1118 min 120 Ver.gachszeil

Bild 12. Potentialverlauf von V2A-Stahl-Proben in ruhender 0,5 n NaCI-Lösung

4

Bild 12 b. Gefüge des legierten Sah1es X 8 CrN1V 14.1 (M: 200:1; Ätzm.ittel:

V2A-eize)

Bild 12a. Geftige des unlegierten Stahigusses GS-45.1 (M: 00:1; Atzrnittel: alkh. Salpeters5ure)

Bibi 12c. Gefüge von G-SoIfs 57 P45 (M: 40:1; Atzmittel: Xupferamino-niumehiorid)

Zu Vergleichszwecken wurden zusätzliche Werk-stoffe geprüft, die innerhalb der Deutschen

Demokra-tischen Republik für Schiffsschrauben verwendet wer-den. Es handelt sich urn unlegierten Stahlguß GS-45.1,

den legierten Stahlguß X 8 CrNiV 14.1, die

Eisen-Aluminium-Bronze G-FeA1Bz F 45, die Nickel-Alu-minium-Bronze

G-NiA1Bz F 50 und das

Sonder-messing G-SoMs 57 F 45. Für die Stähle wurden vom Lieferbetrieb, VEB Stahl- und Walzwerk

Hennings-dorf, folgende Analysenwerte angegeben:

i

- '_\

Bild 12 d. Gefüge von G-NiA1Bz F 50 (M: 100:1; Atzmittel: Kupferammo-niumchlorid)

Bild 12 e. Gefüge von G-FeAIBz F 45 (M: 100:1; Atzmittel: Kupferammo-niumehiorid)

C Si

Mn P

S Cr Ni V

X8

CrNiV 14.1 0,12 0,31 0,4 0,02 0,02 13,7 1,06 0,24

GS-45.1 0,2 0,36 0,71 0,013 0,026

Die Buntmetall-Legierungen lieferte die Gießerei in Waren-Müritz. Während die Stahlproben nach

Anga-ben des Werkes aus zerschnittenen ehemaligen Schrau-ben entnommen waren, wurden die Buntmetall-Legie-rungen speziell für den vorliegenden Zweck abgegossen. Analysenwerte liegen nicht vor.

Das Gefüge des unlegierten Stahlgusses zeigt

Bild 12a. Es ist

ein verhältnismäßig grobkörniges ferritisch-perlitisches Gefüge erkennbar. Es weist auf

eine stattgefundene Normalisierungsglühung nach dem Abgießen der Stahlgußschraube hin.

Die Gefügeausbildung des legierten Stahies X 8 CrNiV

14.1

zeigt Bild 12 b. Hauptbestandteile sind Ferrit

(hell) und Martensit. Daneben erscheinen perlschnur-artige Ausscheidungen von Chromsonderkarbiden

(CrFe)9C3.

Das Gußsondermessing G-SoMs 57 F 45 weist

r+ß-Mischkristalle auf, wie sie nach dem Zustandsdiagramm Cu-Zn zu erwarten sind (Bild 12 c).

Das Gefüge der Nickelaluminiumbronze (Bild 12 d) besteht aus r-Mischkristallen (hell) mit Eutektoid r

Dies entspricht etwa dem Gleichgewichtszustand für

diese Legierung mit einem Soligehalt von 10% Al. Das Eisen (Sollwert von 3%) ist nicht völlig gelöst und fein-verteilt in den r-Mischkristallen eingebettet.

J,

28 40 50 80 180 rnlr 120 0 20 40 50

Ver5uchszeit

Bild13. 0 60-Próben, kayitlert in 0.5 n NaCI-Lösiïiìg bei iinterschiedliShen Temperaturen

Die Eisenaluminiuthbronze enthält ebenfalls

Misch-kristalle mit Eutektoid (Bild 12e), das nun jedoch

chwächer angeätzt ist. Das ungelöste Eisen

(Soll-wert 3%) ist hier im g-Mischkristall und Eutektoid ein-gebettet.

Zur Kennzeichnung dér mechanischen Eigenschaften

wurde auch an dièsen Werkstoffen die Brinell-Härte

mit folgenden Ergebnissän gemessen:

x

-C 1001715.1. 120 0 (HB 30/2,5 in kp/mm2) -GS-45.1 X 8 CrN1V 14.1 G-SoMs 57 F 45 139 - 219 148 G-FeAlB F 45 G-NiA1BzF5O 170 192

Die Potentialdifferenzen dieser Werkstoffe gegen eine gesättigte Kalomelelektrode erhöhen sich nach

X

Bild 14.C 60-Proben, kavitiert in 0,5 n NaCI-Lösung + 0,-Begasung bei unterschiedlichen Temperaturen

ou b T=6oC . . -' 4G mit o ¿1&ohne G ohne X

/

E-Wechsel E-Wecítce/ E -Wechsel '. 15,8 ing 75,0 mg - 5,5 mg

--

.5---

,-.;

..

iìt

II, lib -I. i I I T=40'C - xlG mit oG ohne 1G ohne E-Wechse/-E-Wechsei# (-Wechsel -16,8 mg 15..5 mg 5,1 mq -,

-1U_

1

\f.nz

,I 'I

---N_

s 700 rV 680 660 i T -20°C -- -. G mil o Gohne 59 ohne E-Wechsel (Wechsel f-Wechsel 11,9 ing 8,1 mg 2.5 ni --...-

____

sso o 540 .520 500 L7l Rchepotetic/ I(avtationspause) (nach ein -. min[i«gCr

--

po

--°-__x_ n---____ I

,'

\

-

i'-/

/

.\

t-Y--i

'-e-/ / . I ' I I T60°C . . : A G ohne E- Wëthsel 155.4

1.

'C

I'

V

Iii S t I fl ¿0 I (4 I 04 - C00 _.. 401 T-40°C -X AQ/ai! o AG ohne (-Wechsel E-Wechsel - 40,0mg 51,lmg

i,,

______

N

ç

/

I

'I

Y . -I -seo nV 640 620 SOD Sßá

55û\

540' 500 T28C --: - 'C AG a AG ohne. -rn/f E-lYechse/ E-- Wech5e/ enflai (nach /I'aYilalthnspo/en/ial Mavitationspause,) -12,0mg = 10,0 ing -- -einminii«qer Ruliepot .

---. --

-;U

-'C

NU

:cw

-Schiffbaúforschung 1 2/1062 93 20 40 60 80 7110 rn.th.120 Versuchszeit O 28 40- 60 80 100 thin .120 0 100 min 120 48 50 80 ¿û

Einsetzen in ruhende 3%ige NaC1-Lösung. Für den

legierten

Stahl ist

die Verunedlung des Potentials

besonders groß. Das Potential verandert sich in

/ h

von rd. 210 mV auf rd. 310 mV. Die vergleichbare Ver-unédlung für unlegierten Stahlguß liegt béi 60 mV, für

Eisenaluminiumbronze bei 40 mV, für Nickelalumi-niumbronze bei 30 mV und bei Sondermessing bei 10 mV. Bei all dièsen Werkstoffen verändert sich das Potential besonders stark in den ersten Minuten, so

daß nach 30 min nur noch geringe Veränderungen

auftreten.

Zusammensetzung der verwendeten Flüssigkeiten Als Elèktrolyt wurden verwendet:

3 %ige NaC1-Lösung (0,5 n) 3,64 %ige

Na2SO4-Lö-sung (0,5 n), destilliertes Wasser.

Es sollen damit definierte Elektrolyte verwendet

werden. Die NaCl-Löèung wurde in ihrer

Konzentra-tion so gewählt, daß sie nach Rjabt8chenkow [48] in

hin-reichendem Maße der Korrosionswirkung von

Meer-wasser entspricht. Die Na2SO4-Lösung ist von gleicher

Normalität wie die NaCÌ-Lösung und wurde gewählt,

um bei gleicher Leitfähigkeit verschiedenartige

Anionen-wirkungen zu erzielen. Das für alle dréi Flüssigkeiten

benötigte destillierte Wasser wurde in einem

Glas-destillationsapparat gewonnen. Zur Begasung diente Schweißsauerstoff ('-...'97%) und Argon (99,9%) aus

Druckilaschen.

4. Durchführung der Versuche

Die zu kavitierenden Proben wurden in den

Nickel-schwingstab eingedreht und 2 bis 3 mm tief in die

Flüssigkeit eingetaucht. Diè Flüssigkeit befand sich

jeweils in einem Glasschälchen (100 cm3), das sich zur

Einstellung einer bestimmten Versuchstemperatur in einem temperierten Wasserbad befand (s. Bild 2). Mit der Versuchsprobe taùchte eine handelsübliche

ge-sättigte Kalomelelektrode und ein Thermometer in

die Flüssigkeit ein. Vor Beginn der Kavitation tauchte die Probe3O min in die ruhende Flüssigkeit ein, um ein möglichst gleichmäßiges Ausgangspotential zu erhalten.

Zur Einführung von Sauerstoff oder Argon diente ein Glasbegasungsröhrchen. Für jede Versuchsbedingung

.540

O - 20

wurden mindestens zwei Versuche durchgeführt, und zwar einmal mit Elektrolytwechsel und einmal ohne Elektrolytwechsel. Die Versuche mit

Elektrolytwech-sel wurden durchgeführt, um Masseverlust-Zeitkurven

aufnehmen zu können. Der ElektEolyt wurde jeweils nach 10 mm, nach 30 mm, nach 60 mm, nach 90 min

und nach 120 min Kävitation gewechselt. Die

Bestim-mung des Eisengehaltes wurde bereits beschrieben. Bei allen Messurtgen wurde das Kavitations-Potential (Potentialdifferenz gegen gesättigte Kalomelelektrode während der Kavitation) und das Ruhepotèntial (Po-tentialdifferenz gegen gesättigte Kalômelelektrode

je-wéils nach eïner Kavitationspause von èiner Minute in ruhendem Elektrolyten) gemessen. Die entsprechenden

Werte waren direkt am Röhrenvoltmeter abzulesen. Bei grcßeren Schwankungen der Ergebnisse wurden jeweils Parallelversuche durchgeführt, um

Fehimes-sungen auszuschalten. 5. Versuchsergebnisse

Potentialmessungen an C 60 in 0,5 n NaC1-Lösung bei 20, 40 und 60 °C

Die Ergebnisse sind in Bild 13 zusammengestellt.

Es sind gleichzeitig die photometrisch bestimmten

Eisenverlusté (A G bezeióhnet) wiedergegeben. Zu-'sätzlich sind Versuche mit verminderter

Kayitations--intensität - entsprechend

verringer.ten

Massever-lusten - eingetragen.

Abgesehen von einer verstärkten Streuung am Be-ginn des Versuchs erfährt das Ruhepotential nur eine

geringe Veränderung z unedleren Werten. Bei 60 oc

Elektrolyttemperatur ist

auch diese Neigung

ver-schwunden. Sehr viel anders verhält sich das Kavi-tationspotential. Es ist prinzipiell immer edler als das Ruihepotential. Diese Veredlung ist anfangs ganz

be-sonders groß und umfaßt Differenzen zum

Ruhepoten-tial von rd. 120 mV. Diese Differènzen werden um so schneller kleiner, je höher die Eloktrolyttemperatur ist. Nach zweistündiger Kavitation beträgt die Diffe-renz bei 20 °C noch rd. 100 mV, bèi 60 °C nur noch rd. 60 mV. Durch Erhöhung der Temperatur werden Ruhe- und Kavitationspotential zu unedleren Werten

verschoben. T-2O'C o ¿6 rn/I E-WchseI o1Gohne E-Wechsel-= 2.6 mg .2mg 'Ruhepotehtial - Kav/tal/onspotentiál (nach Xav/taWonspaiise,) einm/nhi«ger

--_I-

___w,

_-A'

'r

y" / -T-4o°C o6.m/f ¿Go/me (-Wechsel E-Wechse/-'48 Z6 mg mg j' I

IWi

/

'Ii'-"

TI!

.

°_o -T60°C

A-\

/

_t'%-

-I,"

'I

Ij

,i1 '\i If -AG e AG ohñe mi E-Wechsel (-Wechsel-5 mg 4Z7ng 94 Schiffbauforschung 1 3/1962 40 58 80 100 rttirsl!fl 0 28 40 50 88 /00 min 120 8 20 Ver.si,chszeit

Bild 1.5. C 60-Proben, kavitiert in 0.5 n IcaCl-Lösung + Ar-Begasung bei unterschiédlichen Temperaturen

48 58 188min120 740 mV 720 700 680 660 n, 6Zû 03 L 500 ' .580 .560

600 mV 840 620 68 , 580

t

550 R t.,

t

548 R t-. .120

t

R ° 500 480 450 20 40 68 88 100 mm. 120 0

Bemerkeñswert ist, daß die Kurven für die verminderte

Kavitationsintensität keine wesentlichen

Abweichun-gen zeiAbweichun-gen.

Potentialmessungén an C 60 in 0,5 n NaC1-Lösung 'bei 20,. 40 und 60 °C mit Sauerstoffbegasung

Die Ergebnise der Kavitationsversuche in 0,5 n

NaCI-Lösung und zusätzlicher Begasung mit

Sauer-stéff sind in Bild 14 aufgezeichnet. Auch hier liegt das

Kavittionspotentia1 bei edleren Werten als das Ruhe-potential. Beide Potentiale werden durch

Temperatur-stéigerung verunedelt,

und es wird mit

Er-höhung der Elektrolyt-temperatur der Anstieg

des Kavitationspoten-tials beschleunigt. Die Differenz zwischen

Ruhe-und Kavitationspoten-tial liegt hier jedòch nur

béi rd. 70 mV und

er-reióht lediglich zu Be-ginn des Versuches bei

60 oc Elektrolyttempe-ratur 80 bis 120 mV. Potentialmessungen an C 60 in 0,5 n NaC1-Lö-sungbei20, 40 und 60 oc mit Argonbegasung

Die Ergebnisse bei

Kavitation in 0,5 n

NaCl-Lösung mit

Argon-begasung zeigt Bild 15.

Hierbei fallén besonders

die großen Sprünge

des Kavitationspoten-tials auf. Diese Streuun-gen rühren nach Ansiöht

des Verfassers daher,

daß durch die

Elektro-lytbewegung geringe

Säuerstoffmengen von

der Oberfläche an die

t

I

28 40 60 80

Versuchszeil

Bild 16. C 60-Proben, ka-itiert in 0,5 n NaCI-Lösung bei 20 °C und 40 °C mit unterschiedlicher Begasung (ohne ,Elektrolytwechsel)

100 rrttn 128

o

20 40 60 80 100 min 120

Probe kurzzeitig gelangen und dadurch unstetige

Ver-eclelungen bewirken. Dieser Einfluß ist jedoch sehr

gering gegen die deutlich sichtbare Tendenz des Kavi

-tatioñspotentials, sich um das Ruhepotential zu bewe-gen, d. h. eine eindeutige Veredelung durch die Kavi-tation ist nicht mehr vorhanden. Temperaturerhöhung

wirkt auch hier im Sinne einer Verünedelung von

Ruhe- und Kavitationspotential, besonders oberhalb

40 °c.

Bild 17. C 60-Proben, kavitiert in 0,5 n NaSO-Lösung bei 20°C und 40°C

02:

I-.:

7°

dG = QU mg odG=40,Omg I

,

t--

N.,.,,__-/

'f,

7=0°

r-°'

/

: 't ziG

oG61rhg

=ü5 trig ,,_ / 0' I / ₁/

/

t,--O

,_

-I / _{ç__x,} Ar -I

__I-,':?,'

i

I t!

/1I

\

_i

-dû

o525îng

.' 7,2 mg

- Ruhepof enflai (nach einmlniifl:qer li'avitationspaùse,) E/eh)ro/ylleimpera/ar KáÌ'ilatiòrisßofen/iai 20°C

x

Elekfroiytiemperater 40°C fou 720 r-28'cj

-ziG in/i E- Wechsel =4.8mg-o ¿lû=4.8mg-ohneE-Wechse/.3,lrng ;5o 648 620 600 ÇIÛLI o Rehepotentia/ (nocm etaiionspaes einmiñiit,'er e) -' - - - - /(ae/iationspa/enhial -: Ifa : _______

o--

O- <0

i'-.'U\

I"

:::,r

N o dû ohne E-Wechsel--40mg 40mg - -o-- -

--O-

ç,-7704__X

/1

I

ji

I ii° I

ji

Ii

-I', Schiifbauforschung 1 3/1962 ₉₅ 8 20 40 50 80 100 mItin 120 0 20 48 - 6f 80 100 hti 120 Ve,sachszeit

. 620 600 , 580 ,S60

e

540 520 500 660 771V 640 -480 :460e - 28 48 : 68- 88 188 min 120 - _{- Versec/isi rit} 48

Bild 1$. C 60-Proben, kavitiert 0.5 n Na,SO-:L6sung + Oh-Begasung bei 21

Vergleich der Potentialverlaufskurven mit unterschied-licher Begasung

Zum Vergleich des Einflusses der lektro1ytbehand lung auf den Potontialverlauf sind in Bild 16 die Kurven

für 20 und 40 °C ohne Elektrolytwechsei

gegeneinan-der aufgetragen. Es ist sichtbar, daß die Differenz

zwischen Ruhe- und Kavitationspotential bei - unbe-gastem Elektrolyten am größten ist: und bei Sauer-stoffzufulir deshalb sinkt,' weil das Ruhepotential um -etwa 100 mV stark veredelt wird. Dié Erhöhung des Sauerstoffgehaltes des Elektrolyten veredelt dagegen

Potentialmessungen an C 60 in 0,5 n Na,SO4-Lösung bei 20 und 40 °C

Auch bei Kavitation in

0,5 n Na2SO4Lösung tritt

eine : merkliche Differenz

zwischen Ruhe- und

Kavi-tationspotential

auf (Bild

17). Das

Kavitationspoten-tial ist stets edler. Die

Differenz zum Ruhepoten-tial vermindert sich vor

allem zu Beginn des

Ver-suchs bei 40 °C merklich

schneller als bi 20 °c.

Da-68 _{durch beträgt die Differenz}

bei Versuchsende rd. 90 mV

0°C lind 40°C

für 20 °C und 70 mV für

40 °C. Wiederum verunedelt

dié Temperaturerhöhung

Ruhe- und Kavitatïonspotential.

-88

Potentialmessungen an C 60 in 0,5 n Na2SO4-Lösung

bei 20 und 40 °C mit Sauerstoffbegasung

Wie aus Bild 18 hervorgeht, vermindert sich bei

Zufuhrung von Sauerstoff die Differenz zwischen

Ruhe-und Kavitationspotential im Vergleich zur gleicharti-gen Behandlung der NaCl-Löäung nicht, sie beträgt

ebenso wie bei unbegaster Na2SO4-Lösung etwa 90 mV am Ende des Versuchs und ist zù' Veisuchsbeginn wenig.

größer. Auch hier werden beide. Potentiaiwerte durch

Temperaturerhöhung

ver-unedelt.

18/) nin 120

100 mill 120

das Kavitationspotential

nur um etwa 60 mV. Die

Annäherung des Kavi-tationspotentials an das

Ruhepotential bei Einleiten

von Argon in den

Elektro-lyten ist erklärlich durch

die stattgefundene

weit-gehende - Verdrängung des Sauerstoffs ats der Lösung.

Potentialmessungen an C 60 in 0,5 n Na2SO4-Lösung bei

20 und 40°C mit

Argon-begasung

Bild19 zeigt ebenfalls

eine starke Annäherung des Kavitatiònpotentials an das

Ruhepotential durch

Ein-leiten

von Argon. Auch

hier werden beide

Poten-tiale

mit der Temperatur

unedler.

Vergleich der

Potential-verlaufskurven mit

unter-schiedlicher Begasung

Bei Vergleich

der

ver-schiedenen Begasungsarten

(Bild 20) zeigt sich

deut-lich die Wirkung des Sauer-stoffgehaltes der Lösung

auf das Potential der Ruhe

und Kavitatiön. Während

bei Argonbegasung die

Diffe-renz zwischen Ruhe- und

Kavitationspotential bis auf maximal 10 mV

zusammen-schrumpft, liegt sie für die

T2O°C rn/I E-Wechsel 5,8 o _{ohne E-Wechse1 /8,2} mg /7Z Ruhepotentlal(nam /(av/tat/anspwise)

Il

einminutiger

--

Xat1ost

"T°

T40C : - -- x ziG e ziG rn/I E-Wechsel ohne E-Wechsel 44,8 = 34,7 mg mg p-__dx' "e"

(ì__I

I l I To29C -r 41G rn/f e 41G ohne (-Wechsel E-Wechsel 1,5 mg' i3 ng -- --

-i- r

-C, -Ruhepot KáviIal/onspoteñtiai enliai (nach /l'avilat/onspause) einmnij/iger

'[if

I _I/

----Ir

-I, I I I - I

J:--F

A C 96 Schiffbauforschung 1 3/1962 20 40 60 88 100 min 120 0 28 48 60 -80 - : Versuchszeit

Bild 19. C 60-Proben, kavitier in 0,5 n Na2SO4-Lösung + Ar-Begasung bei 20 °C und 40 °C

C C 760 mv 748 720 790 680 660

e

°648 ' 628 369

5O0

A

Bild 20. C 60Proben, kavitiert in 0,5 ti NaSO0-Lösung bei 200C und 40 C mit unterschiedlicher

Be-gasung (ohne Elektrolytwecliscl)

beiden anderen Kurvenscharen

mit 02- und ohne Begasung

bei rd. 80 mV. Eine

Vermin-derung der

Differenz durch

Einleiten von Sauerstoff ist nicht festzustellen. Der poten-tialbeeinflussende Faktor der

Elektrolyttemperatur ist bei

allen Kurven sichtbar.

Poteutialmessungen an C 60 in

destilliertem Wasser bei 20

und 40

Die Potential-Zeitkurven für

Kavitation in destilliertem

Wasser von 20 und 40 oc sind in Bild 21 wiedergegeben. Im

Vergleich zu den bisher

be-sprochenen Kurven ergeben

sich Unterschiede bei

Betrach-turg der Kurven mit und ohne

Eiektrolytwechsel. Das

Kavita-tionspotential und das Ruhe-potential veredeln sich durch

Elektrolytwechsel, während die

Potentiale in immer gleichem Elektrolyten annähernd kon-stant bleiben oder wie bisher

ansteigen. Durch diesen Einfluß

Bild 21. C 60-Probca kavitiert in

destil-icrtem Wasser bei 20 'C und 40 'C 540 mY 520 - 5110 480 450 4411 ì 420 4011 '380 360 ° 340 320 300 280 260 -o 20 60 80-ntirtl0fl 120 0 o-100 ntn 121f U ¿11 580 46 60 80 1110mrt 560 28 40 50 80 700 ritiri 120 Vrchzei1 -02 o5G= 10,2 mg o _{¿IG°34,7 mg}

::

ii

ii

_,_ /o_

T-iinbe,qast

¡u

N.

'--°----°

u

¿1G .50 Ing

I____

--.1 I

I!

_/

/

/

-I ; / O

'I

i' I I .. Ar

-at--at--at

rv'

.1 it ¿10=l,Zrnj

oG3mg

Rithepotentia/ E/e/ciro EleAtrolytletnperator (nach yt/emperatar Kavitallorispolerilial Mav/tationspause) einminütger

4-..----I 20°C 40°C -t -I t - J I -T-4o°C

I

- -

I'

- x G in/E o ¿1ß ohne f - Wechsel E- Wechsel -3.5 Ing 4,7 mg

t'i

I

I-I'

J

1o_./

-

--,dI

.-'. I- -- -I I t I I

-i'

/

J

\

-î

I

-i,

o _-' -'o,

,

I I - I - I

T Z0°__

u -ii---,'

-Il

-Rithepotentias(nache/nmìniiiiqEr Xavifatlonspause) - - -I Kav/tationspotentfal

-

I'

\'

i \ -'

t

f'

-I I- I

JI

I t Schiffbauforschung 1 3/1962 97 20 40 50 80 Versachsz eit 28 40 60 50 180 rrtLni, 760 mV 740 720 700: L j 680 860 'J ff4fl "S 600 386 56 54 52

'J b 62. mV 60 58 550

I

.540 528 f500 480 460 'J ° 440 420 400 380 .Versuchszeft

Bild 22. C 60-Proben, kavitiert in destilliertem Wasser + OJ-Begasung 'bei 20 'C und 40 'C

p

80 105 min 120

Versuchszit

Bild 23. C 60-Proben, kavitiert in destilliertem Wasser '+ Ar-Begasung bei 20 'C und 40 'C

40 60 ¡0 - 100'TTtIT 129

/

Potentialmessungen an c 60

in destilliertem Wasser bei

20 und 40 °C mit Sauerstoff begasung

Die Verhältnisse ändern

sich durch Einleiten von

Sauerstoff im Prinzip nicht

wie Bild 22 zeigt. Durch Elektrolytwechsel werden

die Potentiale um 6.0 mV

bei 20 °C und 90 mV bei

40 oc stark veredelt. Die

Ruhepotentiale ohne Elek-trolytwechsel liegen um rd. 3OmV bei 20°c und 6OmV bei 40 °c oberhalb des

Kvitationspotentials und

verlaufen durch ein

Mini-mum. Die Kavitations-potentiale ändern sich nach anfänglicher Veredelung nur

noch wenig.

X

Potentialmessungen an c 60

in destilliertem Wasser bei

20 und 40 °C mit

Argon-begasung

Bei Einleiten von Argon in destilliertes 'Wasser er

gibt sieh entgegen bisherigen

Ergebnissen ein edleres

Ka-vitationspotential im Ver-gleich zum Ruhepotential

(Bild 23) um etwa 70 mV bei

20 °c und um etwa 100 mV

bei 40 °c. Der prinzipielle

mV.- 1-zoec - ¡p 440 420

up

-2,9inf

-- -'"¿16 oG ohne mit E- Wechsel E-Wechsel Ruhepoten//at(iic2-h -'/l'avilationspotentiál /(avitafIonspaas) 16mg 3,mg einminiluger G mt E-Wechse/ - . ¿1G ohne 8-Wechsel 46_mg

i iiuui

i

- - ______ 34ff 321i

308'-- "J.308'-- "J.--"'

\

,

\

,//\

_______ . - . 'J

t\, /

11 I I i

1iV

28 40 50 80 108 min 1211

20'bn'

Ê» An inn n.i» iI

T-2o'C -8-Wechsel E-Wechsel = 4 - 1,2 ing inq o ¿1G mit ' 'dG ohne Ruhepolenlial Kavitalionspotenhial (nach Havit - -einñìin0ti'ger ai ionspau e) -y

-*sA__

-I_

-Ìl

T-4á'C

-i---"

«¿1G ¿16 mit E ohne E - Wèchsel - Wechsel = 3.8 -&2 mg mg

_

-

-

uiiri

u,_'t

-I--"!

,A

I

r I i i. i i- - i 98 Schiffbauforschung 1 3/1962 de Elektrolytwechsels

er-geben sich wesentliche

Differenzen in den

Poten-tiaiwerten. Das Kavitations-potential ist zu Beginn eines Versuchszyklus stets.

un-edler gegenüber dem

End-wert vor

dem nachsten

Wechsel. Das hängt even-tuell damit zusammen, daß

destilliertes Wasser sich

während der Kavitatiòn durch Bildung von Metall-oxyden und Salzen in Zu-sammensetzung und

Wir-kung den bisher besproche-nen Elektrolyten nähert. Daraus könnte der

gegen-'J _{über den Lösungen im}

Prin-zip gleiöh Potentialverlauf

bel Fehlen des

Elektrolyt-wechsels resultieren. Wenn

geringe Konzentrations-änderungen so merkliche Wirkungen ausüben, können Streuungen nicht vermieden

werden. Trotz aller

Unter-schiede Ist in

Überein-stimmung mit, bisher

Be-sprochenem

dasKavitations-potential stets wesentlich

edler als das Ruhepotential. Die' Differenzen liegen hier

bei loo mV für 20 °C und

130 mV für 40 oc.

620 L i .588 .500 480 ". 440 o 000 L -b 408 t, o 368 340 28 40 80 80 100 ntio 120 0 20 40 511 811 11111 vrnot - Vers2chsz e/I

Bild 24. C 60-Proben, kavitiert in destilliertem Wasser bei 20 oc und 40 oc mit unterschiedlicher. Begasung (ohne Elektrolytwechsel)

Potentialverlaüf entspricht den bereits besprochenen

Verläufen in destilliertem Wasser.

Vèrgleich. der Potentialverlaufskurven mit unter-schiedlicher Begasung

Bild 24 vergleicht den Einfluß verschiedener

Bega-sungsarten des destillierten Wassers von 20 und 40 °C

miteinander. Die Kurven gelten für Versuche ohne Elektrolytwechsel.0 Für alle drei Behandlungen des

Wassers ist der potentialveredeltide' Einfluß der

Kavi-tation vorhanden, d. h. auch bei Einleiten von Argon. Die Ruhepotentiale verändern sich nicht wesentlich. Im Gegensatz zü bisher Festgestelltem erfahren die

688 mV 648 508 .560 .520 'o 480 448 400 360 .728 288 248 200 158 28 40 60 80 lOOmirLl2fl I

Kavitationspotentiale nach erfolgter Veredelung selbst

bei 40 °C keine nennenswerten Veränderungen mehr.

Alle Werte der Potentiäldifferenz werden mit Erhöhung des Sauerstoffgehaltes des Wassers (Ar -- unbeh. 02) erniedrigt.

Potentialmessungen an C 60 mit Zusatz von 10 gli

K2cr2o7 in 0,5 n NaC1-, 0,5 n Na2SO4-Lösung und de-stilliertem Wasser

Die Flüssigkeiten wurden jeweils mit 10 g/l Kalium-dichiomat (K2Cr207) versetzt urn die Auswirkung

oxy-diörender schutsehichtbïldender Inhibitoren auf das Potential zu verfolgen. In Abwandlung derbisherigen

02 oG-4,6::g A 6,. 'o-...' o-00 -'o--unbegast 00 o

'ÍiÏÍÌ

Zlrnq - 4,7 YiTg

.

\

-'

I p-.

(Ar

,z_00 ....

s dG - (2 ng odG2,27T9' í'

0O--P't

I'0

°°S.O'°o-- Ruhepo/ential (nach eitirn/nú/qer Itavitationspause)

- - -- -

/i'avitafionspotenhial E/e/i fro/yt temperatur 20°C

Iro/ytlempera/ur f/eli 40° C -\''°°°Na2s04-Losung .

--s,,,\

*dG-3,lrng o slG3.5 mg I I I I 28 - 411 50 80 100ìriiril2o

-des//// erl es Wasser

-s--,--, "SO00 -o--°__o_---0/' -" s ¿1G- li rig odG.2Jri?g

A

Na CL ¿551117g

I

i1TE

I'

¿108.1 ° ¿1G.3.2rng mg - Rithepotential

--

II'avitatioflspo/eflt (oath ial ohne Zusatz iog4 1(0v/tal/an Xaidtationm/t XaWt/omlspthise) ethminùl/ger --

o

,1z Cr 07-Zu,sal t I I I I I Schiffbauforschung1 3/1962 ₉₉ 20 48 60 80 100 mix 720 Versach.szeit

Bild 25. C 60-Proben, kavitiert in Flüssigkeiten mit und ohne Zusatz von 10 g/l KCr,O, (Elektrolyttemnperatur 20 °C)

Versuche tauchten dié Proben 12 Stunden vor Beginn der Kavitation in den ruhenden Elektrolyten ein; um

die zur Schutzschichtbildung notwendige Zeit zu geben.

Diese Schutzschichtbildung führt zu einer z. T. be-trächtlichen Veredelung dès Ausgangspotentials. Bei destilliertem Wasser und Na2SO4-Lösung von 20 °C

machte dies eine Veränderung:von 330 mV bzw. 450 mV

q))

t

L Q 346 rV 320 b 300 288 q) 260 to 240 Q q) q)0 .., 220 Q q.) L q) 2110 180 160,

loo

148 Versuchszeif

Bild 2G. V2A-Stal]J-i'roben, kaviticr in 0,5 nNaCl-Lösimg bei unterschiedlichen Temperaturen

.130 I I I

O 20 40 50 88 100 TTtifl /20 0 20 40. 50 50

¡/ersachszeit

Bild27. V2A-Stahl-l'roben, kavitiert in 0,5 n NaCI-Lbswig bei 40 °C mit unterschiedlicher Begasung

gegenüber dem Ausgangspotential ohne KorroCions-schutz aus (Bild 25). In der NaCI-Lösung ist bei der

gegebenen Dichromatkonzentration die

Schutzschicht-bildung vermutlich gestört. Deshalb ist hier nur éine geringe Potentialveredelung vorhanden. Wahrschein-lióh liegt das am Einfluß der Chiorionen. In Bild 25 it

erkennbar, daß die in destilliertem Wasser und

NaSO4-108 min 120 û

02

o _{¿3G ohne E-Wechsel' O_5 ¡ng}

1-...

20 40 60 50 100 min 120 SuhiifbaulòrsehungI 3/1065 ou 350 340 320 300 288 . I, /

/

/

/

)q) -q--x

'I

,*/

J'

q' /

:

200 188 760 748 ¡'t

1'

'/

y'

A

r

o a mii E-wechse1 o ¿3GohneE-Wechsel-o,6 us ing ¡ng 4n___ fin An T-40°C -dG o ¿16 mitE-IVechsel-ohne E-Wec/isel-2,? ing 0 ¡ng

'I:

j

-I - I -- I-rco°c o ¿1 G mit E -Wechsel - 10 o _{¿1G ohne. E-Wechsel-0.8 ¡ng} -KavYationspolent/ci (nach e,nm/nllh,9er 1i'avitalioiupause)

--j

_/ p .0 -°-,o__x Ai - o Ruhepotential Mavitationspotent z16ohneE-WechseO,1 (nach Kavi'tationspaiise) ing al e,nnnnu/iger . -.

-

---'q)1 I ¡y../ $

/

A "

I'

I I I ¼ / b 40 80 -. /08 1Ttt12120 0. 28 40 68 80 100nviri 120

0O

:1

Lösung yon 20 °C gebildete

Schutzschicht durch

Kavi-tation sofort gestört wird.

Dem-zufolge tritt in Na2SO4-Lösung

eine sprunghafte Potential-steigerung von 240 mV auf. In destilliertem Wasser ergibt sich rur éine Anderung von 80 mV.

hier bleibt trotz des Angriffs

der Schutzschicht die Inhibitor-wirkung teilweise bestehen,

denny beide Potentialwerte

liegen bei sehr viel

edlefen

Werten im Vergleich zu reinem destilhierten Wasser dicht

bei-samrnen. Der Unterschied be. trägt rd. 300 mV.

Demgegen-über beschränkt sich die

In-hibitorwirkung in

Na2SO4-Lö-sung ausschließlich auf die

veredeinde Beeiñfiussuiig des Ruhepotentials. Dieses Poten-tial wird dadurch gleich dem Kavitationspoteñtial, das

ge-genüber dem Kavitations-potential reiner Na2SO4-Lösng kaum einen Unterschied zeigt,

d. h., durch Antvesenheit von

Sulfatiònen ist die Einwirkung

360 .120 280 (n '240 200 L n mV +00 120 80

des

Inhibitors während der

Kavitatiòn bèseitigt. Die sehr

viol aggressiveren Chiorionen vermindern, wie bereits

angegeben, selbst

bei ruhendem Elektrolyten

die

Bildung einer Schutzschicht.

Potentialmessungen an V2A- Stahl in 0,5 n NaC1-Lösung

bei 20, 40 und 60 °C

Bild 26 gibt den Verlauf von Kavitations- ud

Ruhe-potential in 0,5 n NaC1-Lösung mit steigender Tempe-40

ratur wieder. Es fällt zunächst auf, daß im Gegensatz zu gleichen Verhältnissen bei C 60 das

Kavitations-potential hier wesentlich unedler als das RuheKavitations-potential ist. Nur zu Versuchsbeginn erfährt diese Tendenz eine Verzögerung. Dabei spielt wieder der Elektrolytwechsel

eine besondere Rolle, indem or besonders beim Kavi-tationspotential im Sinne einer Veredelung zu wirken

scheint, und zwar um so intensiver, je höher die

Elektro--p

d

0 20 40 58 80 100min 128 0 20 - 40 60 88

Versechszeit

Bild 29. V2A-Stahl-Proben, knvjtiert in 0,5 n Na,SO4-Liisung bei 40 0 mit unterschledlichei Begasung

Sehiffbauforsehung 1 3/1962 101 T - 40°C 20 o 5 mit E - Wechsel 0,7 mg O ,jOo/sieE-Wechsel- 0,2 mg -o-s- __O 40 P' e o5 ohne E-Wechsel 0,2 mg A 58 108 min 120 -ø I_ T2û°C ¿jQ mil E-Wechsel o ¿j 5 ohne E -Wechsel - 8,5mg - ¿il mg Ru/iepotent/al Havit o'l/onspotèntial (nich ui'avitationspause) e/nmirîûtiger - r---I- --- - I - -. -I-iuibegast

IP,,-/

° G ohne E-Wechseloo,2mg

-1

ì/i!i!i

rtV_ Job 340 320 380g 250 z50 24cL 220 160 j4fl Ar r - --o ¿15 --ohne E-Wechsel ci mg -- Ruhepolentiál Havitationspotenhial (nach /cavilauonsp -einminilüger -wise) -Ii

h---ii I -F

---

-_ -- -- -I- I J- f r 188 min 120 0 28 48 60 88 100 miii 120 20 40 îO 80 100 nihi 120 Ve rs ¿ichszeit

360 mv .140 320 300 280 250 '240 . 220 200 180 150 140 120 110 80 80 lûOrrUn 120 0/7 20 Yersschszeit ,'/ ,"50 ow

Bild 30. V2A-Stahi-Proben, kavitiert in destilliertem Wasser bei 20 C und 40 C

lyttemperatur liegt. Die Kavitationspotentiale ohne

Elektrolytwechsel liegen bei unedleren Werten und

zeigen ebenfalls eine Verminderung der Differenz

'zwi-schen Kavitations- und Ruhepotential mit steigender .Elektrolyttemperatur. Bei 20, 40 und 60 oc liegen die

Differenzen bei 120, 100 und 80 mV.

Bei allen Temperaturen wird zu Versuchsbeginn auch das Ruhepotential verunedelt.

Potentialmessungen an V2A- Stahl in 0,5 n NaCl-Lösung bei 40 oc mit Sauerstoff- und Argonbegasung

In Bild 27 wird der Einfluß der Begasung fur eine Elektrblyttemperatur von 40 °c gezeigt. Durch Ein-leiten von Argon ist das Kavitátionspotential auf den

Wert des RuliepotentiaLs gesenkt worden. Durch Ein-leiten von Sauerstoff werden beide Potentiale veredelt.

Da das Kavitationspotential stärker beeinflußt wird,

hat dies eine Annäherüng beider zur Folge. Immer noch

liegt jedoch das Kavitationspotential über dem

Ruhe-potential. Bei diesen und den folgenden Begasungsver.

suchen sind die gleichartigen Ergebnisse für die

Ver-suchstemperatur von 20 °c zur Wahrung der ÏYbersicht nicht mit eingezeichnet worden

Potentialmessungen an V2A.Stahl in 0,5 n

Na2SO4-Lösung bei 20 und 40 °c

Für die Kavitation von V2A-Stahl in 0,5 n Na2SO4-Lösung zeigt siCh wieder eine Verunedelung des Kavi-tationspotentials gegenüber dem Ruhepotential (Bild 28). Die Differenzen liegen hier zwischen 40 und 60 mV. Die

Verzögerung der Verunedelung des

Kavitationspoten-tials zu Beginn des Versuchs ist vorhanden.

Potentialxnessungen an V2A-Stahl In 0,5 n NanSO4-Lösung bei 40°c mit Sauerstoff- und Argonbegasung. Die' für Nacl.Lösung bestimmten Tendenzen der

40

Potentialentwicklüng durch

Einleiten von Argon und

Sauerstoff bestätigen sich

im wesentlichen in

Na2SO4-Lösung Hier

sind zum

Unterschied bei

Saüerstoff-begasung Ruhe- und

Kavi-tationspotential praktisch

gleich (Bild 29).

Potentialmessungen an

V2A. Stahl in destillièttem

Wasser bei 20 und 40°C Bei Kavithtion von V2A-Stahl in destilliertem Wasser machen sich wieder

Störun-gen durch Wechseln des

Elektrolyten während des Versuchs bemerkbar (Bild 30). Prinzipiell ändert sich jedoch nichts an der

Tat-sache, daß durch Kavitation das entsprechende Potentiál gegenüber dem

Ruhepoten-tial verunedelt wird. Bei

Messungen ohne

Elektrolyt-wechsel ergeben sich bei

ent-sprechender Verzögerung zu Beginn des Versuchs Diffe-renzen von rd. 110 mV. Potentialmessungen an V2A. Stahl in destilliertem Wasser bei 40°C mit Sauer-stoff- und Argonbegasung

In Bild 31 ist der Einfluß

der Begasung durch Argon

und Sauerstoff zu entnehmen. Hier hat sich durch

Argoneinleiten das Kavitationspotential gegenüber dem Ruhepotential wenig veredelt.

Dagegen haben sich durch Einleiten von Sauerstoff

beide Potentiale stark genähert und veredelt.

Potentialmessungen an C 60 und V2A- Stahl in bewegten Flüssigkeiten

Die Sauerstoffzufuhr an eine Bozugsoberfläche wird

durch Bewegung des Bades erhöht [56], weil dadurch u. 'a. die Diffusionsgeschwindigkeit erhöht wird. Das muß sich besonders bei. aktiven Elektroden auf die

Potentialverhältnjsse auswirken.

Es wurden daher

eine Reihe von Messungen vorgenommen, bei denen die

Bewegung der Flüssigkeit infolge Kavitation ersetzt

wird durch die Bewegung mit Hilfe eines magnetischen Rührsteines. Diese Versuche mit ausschließender Bád-bewegung sollten zur Klärung der Frage beitragen,

in-wieweit die durch Kavitation bedingte Badbewegung am Verlauf des Kavitationspotentials mitbeteiligt ist.

Ein Vergleich von Kavitations- und Rührpotential läßt

gegebenenfalls nähere Rückschlüsse auf die potential-bestimmenden Funktionen der Kavitationsblasen zu.

Eine Gegenüberstellung von Ve'rsuchsergebnissen an C 60 in NaCl-Lösung unterschiedlicher Begasung zeigt

Bild 32. Im begasungsfreien Elektrolyten hat

das

Potential des bewegten Bades (im folgenden als

Strö-mungspotential bezeichnet) einen ähnlichen Verlauf wie

das Kavitationspotential. Der bemerkenswerte Unter-schied besteht darin, daß die Größe der

Potentialver-edelung bei reiner Badbewegung geringer ist gegenüber

der Veredelung durch Kavitatiön. Bei Einithten von

Sauerstoff wird das Strö'mungspotential gegenüber dem

Ruhepotential ebenfalls sehr viel weniger veredelt als

das Kavitationspotential. Bei Einleiten von Argon sind

To20C P--o,

,

f

/ / 3Grni/E-Wechse/= 1rng I 6 / o 6ohneE-WechseI=02m0 Puhepo/enhial eirirninüfiqer Ka. ti/a fionspause) /(avita/ onspo len/ial

T I

U(nach

-/ i,

/

\

,I

\,,/

I I' I J U T'40°C o _{2G rn/f E-Wechsel=.12} t3ohne E-WchseI-0,lrng. mg ° r, / / P-.' i ¡ I

'I-

-I li'

/\

t'

_f

/ /

'

\-i

(Ï

102 Schiffbauforsehung 1 3/1962 20 40 50 80 100 min 120

Rühr- und Kavitationspotential praktisch gleióh dein

Ruhepotential.

Durch Bewegung der Flüssigkeit ergeben sich für V2A-Sahl auch bei unterschiedlicher Begasung keine Differenzen zwischen Strömungs- und Ruhepotential

(s.. Bild 33). Die Verhältnisse liegen fur C 60 und V2A-Stahl in allen drei Flüssigkeiten gleich, so daß auf eine Wiedergabe der Ergebnisse iii Na2SO4-Lösung und de-stilliertem Wasser verzichtet werden kann.

Die fehlende Differenz zwischen Rühr- und

Ruhe-potential bei V2A- Stahl belegt, daß die Verunedelung

des Kavitatiönspotentials auf die mechanischen

Ein-748 mV 700 q, 463 1:620 5ß0 540 500 Q. 468 'b

wirkungen -der Kavitationsblasen zurückzuführen silid. Béi C 60 ist die Parallelität der Potentiálverschièbungen

durch Badbewegung und Kavitation unverkennbär; In

beiden Fällen ist die Erhöhung des Sauerstoffangebotes

die Ursache. Durch Kavitation wird mehr Sauerstoff

an der Probenoberfläche frei als bei reiner Badbewegurig,

so daß sich das Potential entsprechend stärker veredelt. Quantitative Schlußfolgerungen lassn sich aus diesem Ergebnis jedoch nicht ziehen.

Masseverlustmessungen an C 60 mitund ohne

Korrosions-schutz .

-Wie anfangs schon erwähn, wurden bei allen

Ver-o Go/ìne E-Wechsel.0.Zmg

20 40 60 88 198 min 120

BiLd 32. Potentialverlauf von C 60-Proben in 0,5 n NaCI-Lösung bei Kavitation und Strömung durch Röhren (Elektrolyttemperatur 40 °C)

Ar t--\ odGohpe E-Wechsel°O2mg - r RllhepoIenIIizI /(c.i'ita/onspotential (nach Xavita/icnspacse) nm nhitiqer

b____

--

':

I I. I I I wibegast o dG o/une E-Wechsel 0,2 mg' T' / P--i

I',

-/ I -

\

--I 1

i

---- I I 02 o' o d13-48Omng - 3,5 mg

i..

-

_U

unbegasi o dG-odG15.Smg 1.6mg I -

--

_ò.

-f

I / I I - I-dr

:

ndltjLl,ómg dG -15 mg

T

Ruhepof

ent ial (nach einrninii/iqer

- - /(avitaIionl-bzw. o Po/enlid/ver/auf Kavitalion3pause) Ströthangspúteribal bei /(avi/alion bEi Rilhrbewegung L o Polenlialver/aif I Schiff bauforsehung 1 3/1 962 ₁₀₃ 20 40 lU 80 100 nitfi 120 0 20 40 60 80 100 min 120 0 Versathszeit

Büd 31. V2A-Stah1-Proben, kavitiert in destilliertem Wasser bei 40 oc mit unterschiedlicher Begasung

28 40 611 80

Versuchszeit

20 40 60 88 100 min 120 0 1811 min 128 0 28 48 68 88 100 mi't 124

360 rriV 340 320 300 280 j260 240 u₂₂₀ 200 180 Q, Q, Q, 180 143 120 100 80