Korrosion von rostfreien Stählen in Chloridlösungen. Eine XPS-Untersuchung der Passivfilme

Summary

Five commercial steels ranging from the martensitic stainless steel containing 12% chromium to the Superferrite containing 29% chromium, 4% molybdenum and 2% nickel have been studied by XPS. Armco iron and pure chromium (99.99%) were included as references. The formation of the passive films (or corrosion) occurred in deoxygenated 0.1 M NaCl solution (pH 5.6), from which the samples were transferred directly to the XPS chamber under controlled atmosphere (Ar). Concentration profiles (at%) of the alloy constituents in their oxidized and metallic states have been determined separately from the measured XPS depth profiles. The passive films have the following structure: there is a depletion of Cr in the inner region, followed by an enrichment (concentration maximum) in the central region of the films. The height of this maximum increases, and its position shifts towards the surface with increasing chromium content in the alloy. The outermost monolayers are rich in water and hydroxyl groups. The thickness and other significant properties of the films change drastically at the critical chromium concentration of about 12%. This behaviour is practically independent of the other components (Mo, Ni, Cu) present in the alloys and is discussed in terms of a phase transition in the films which is controlled by the chromium concentration.

Zusammenfassung

Es werden XPS-Untersuchungen von 5 kommerziellen Stählen, angefangen vom martensitischen rostfreien Stahl mit 12% Chrom bis zum Superferrit mit 29% Chrom, 4% Molybdän und 2% Nickel, präsentiert; zusätzlich wurden Armco-Eisen und reines Chrom (99,99%) untersucht. Die Korrosion bzw. die Bildung der Passivfilme erfolgte in sauerstofffreier, 0,1 M NaCl-Lösung (pH 5,6), aus welcher die Proben in kontrollierter Atmosphäre (Ar) direkt in die XPS-Apparatur eingeschleust wurden. Aus den gemessenen Tiefenprofilen wurden Konzentrationsprofile (at%) der Legierungsbestandteile im oxidierten und metallischen Zustand separat bestimmt. Die Passivfilme haben die folgende Struktur: Eine Verarmung von Cr im inneren, gefolgt von einer Anreicherung in Form eines Maximums im zentralen Bereich der Filme. Mit steigendem Cr-Gehalt nimmt die Höhe dieses Maximums zu und verschiebt sich gegen die Oberfläche. Die äußersten Monolagen enthalten viel Wasser und Hydroxylgruppen. Die Dicke sowie verschiedene andere signifikante Eigenschaften der Filme ändern sich drastisch bei der kritischen Chromkonzentration von ca. 12%. Dieses Verhalten ist praktisch unabhängig von der Gegenwart weiterer Legierungsbestandteile (Mo, Ni, Cu) und wird auf der Basis eines von der Chromkonzentration gesteuerten Phasenübergangs in den Filmen diskutiert.