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Kolbenstangen werden als kraftübertragende Elemente in Hydraulikzylindern eingesetzt. Ihre Oberflächen müssen daher zum Einen die Funktion des Gegenlaufpartners zu den Dicht- und Führungselementen erfüllen und folgerichtig in der Lage sein, unterschiedlichste statische und dynamische Lasten aufnehmen zu können. Zum Anderen muss die Beschichtung der Kolbenstangen ausreichenden, an die Anwendung angepassten Korrosions- und Verschleißschutz sicherstellen. Das gilt insbesondere für Einsätze in maritimer Umgebung, denn nur so lässt sich eine ausreichende Lebensdauer des gesamten Systems erreichen. 

Darüber hinaus werden Hydraulikzylinder auch in extrem korrosiven und schwer zu wartenden Bereichen wie beispielsweise Spritzwasserzonen eingesetzt. Auch das erfordert die Verwendung hochleistungsfähiger Schichtsysteme. Doch wie eigentlich lassen sich die Einsatzbedingungen richtig bewerten, um die jeweils geeignete Beschichtung auswählen zu können? Und welche Testverfahren und Abnahmekriterien zur Qualifizierung der Schichten sind anzuwenden? Für Einsätze im maritimen Bereich werden aktuell hauptsächlich elektrochemische Schichten, Spritzschichten und Schweißschichten appliziert. Andere Verfahren, wie beispielsweise das Vapour Deposition Coating, konnten bislang keine nennenswerte Verbreitung im Hydraulikzylinderbau finden.

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In Bild 1 sind die wichtigsten verfügbaren Verfahren mit den jeweils verarbeitbaren Materialien aufgelistet. Im Offshore- Bereich werden vor allem galvanisch aufgetragene Nickel- Chromschichten, thermisch gespritzte Metalloxid- und Karbidschichten sowie geschweißte Schichten eingesetzt. Die Auswahl der geeigneten Schicht erfolgt durch den Anwender oder den Hydraulikzylinderhersteller. Bestimmend dabei: Einsatzerfahrungen sowie qualifizierende Tests. Oftmals werden als Entscheidungshilfe auch Empfehlungen unabhängiger Institutionen,  beispielsweise Germanischer Lloyd, DNV oder ABS hinzugezogen. Das Fehlen einer einheitlichen, umfassenden Richtlinie lässt leider aber immer noch genügend Spielraum für Irrtümer, Halbwissen und Fehlentscheidungen.

 

Das JIP mit der Bezeichnung „Guideline for qualification of wear and corrosion protective surface materials for piston rods and other components“ wurde im vergangenen Jahr abgeschlossen. Die Unterlagen in Form einer Richtlinie stehen Hydraulikzylinderherstellern, Ausrüstern und Anwendern zur Verfügung. Eine wesentliche Grundlage für die Auswahl der geeigneten Kolbenstangenbeschichtung ist die einheitliche Klassifizierung der Einsatzbedingungen.

Bild 2 bietet dazu einen Überblick über die Korrosionskategorien in Anlehnung an EN ISO 12944-2. Im Wesentlichen werden drei Korrosionskategorien spezifiziert – Marineatmosphäre, Spritzwasserzone sowie der Unterwasserbereich. Sämtliche Korrosionszonen weisen hohe bis sehr hohe Korrosivität auf. Weitere Differenzierungsmerkmale, wie beispielsweise unterschiedliche Umgebungstemperaturen innerhalb einer Korrosionszone, werden dabei nicht berücksichtigt.

 

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Für die Auswahl und Qualifizierung einer geeigneten Beschichtung empfiehlt sich deshalb die Anwendung der in Bild 3 dargestellten Methodik aus dem DNV-JIP- Report. Sämtliche Schritte werden dabei durch detaillierte Empfehlungen zu Beschichtungsverfahren, Materialien und Tests sowie in Tabellenform zusammengefasste Einsatzerfahrungen belegt.

Einsatzerfahrungen mit Kolbenstangenbeschichtungen im maritimen Bereich basieren leider zumeist auf der Try-and-error-Methode. Das stellt viele Lieferanten-Kundenbeziehungen oftmals auf eine harte Probe. Denn selbst Lösungen, die sich über einen langen Zeitraum bewährten, können aufgrund veränderter Fertigungsbedingungen oder eines neuen Einsatzortes plötzlich versagen. Hinzu kommt, dass den zuständigen Personen – normalerweise Spezialisten auf einem völlig anderen Gebiet – die tatsächlich wirkenden Korrosions-Schadensmechanismen nicht bekannt sind.

Im maritimen Bereich lassen sich fünf wesentliche Ausfallursachen für Kolbenstangenbeschichtungen identifizieren:

  • Unterrostung
  • Pitting-Bildung (Lochfraß)
  • Spaltkorrosion
  • Elektrochemische Korrosion
  • Mechanisches Schichtversagen

Während Unterrostung hauptsächlich Chrom und Nickel- Chromschichten sowie alle Spritzschichten betrifft, können die anderen Ausfallursachen alle Arten von Kolbenstangenbeschichtungen und auch unbeschichtete Kolbenstangen aus seewasserfesten Stählen betreffen.

Viele Schadarten sind möglich
Unterrostung ist das Versagen der Kolbenstangenbeschichtung aufgrund unzureichender Abdeckung des Kolbenstangengrundmaterials. Dabei tritt Korrosion am Grundmaterial auf, die Schicht selbst ist zumeist aber nicht korrodiert. Bei Hartchromschichten wiederum gibt die Mikrorissstruktur den Weg für das korrosive Medium bis hinunter zum Grundwerkstoff frei, bei thermischen Spritzschichten ist die Porosität der Schicht dafür verantwortlich. Die Schichtporosität thermischer Spritzschichten beträgt, in Abhängigkeit von Spritzverfahren und Schichtmaterial, lediglich zwischen 0,1 und etwa fünf Prozent.

Zudem wird die Schicht aus Gründen der hydraulischen Funktionssicherheit und des Korrosionsschutzes noch versiegelt. Das bedeutet allerdings auch, dass der Korrosionsschutz der Spritzschicht entscheidend von der Beständigkeit des verwendeten Sieglers abhängt. Das Schichtversagen wird oftmals erst durch das von expandierenden Korrosionsprodukten verursachte Abheben der Schicht vom Grundmaterial sichtbar. Das wiederum bedeutet Verlust von Maß- und Oberflächengüte der Kolbenstangenbeschichtung. Folge: sofortiger Ausfall der Dichtelemente im Hydraulikzylinder.

Bild 4 verdeutlicht die Unterrostung einer Metalloxidbeschichtung an einem Hydraulikzylinder, der in einem Brückenbauwerk für Servicezwecke eingesetzt wird. Der Hydraulikzylinder wird nur einmal im Jahr benutzt, die Kolbenstange ist immer ausgefahren und der Marineatmosphäre ausgesetzt. Erkennbar ist die scharfe Grenze zwischen unterrostetem und noch intaktem Schichtbereich. Untersuchungen ergaben, dass die unterrostete Seite die der Sonne zugewandte Südseite des Hydraulikzylinders ist. Als Ausfallursache wird ein Zusammenspiel aus Versagen des Sieglers nach intensiver UV-Belastung und erhöhter Salzkonzentration auf der Schicht durch stärkere Erwärmung und Verdunstung angenommen. Ein Beispiel dafür, wie schwierig es ist, die Einsatzbedingungen korrekt zu beschreiben, da unter gleichen Umgebungsbedingungen eine Beschichtung sehr schnell versagen, aber auch für sehr lange Zeit funktionieren kann.

Unter Pittingbildung (Lochfraß) versteht man das Versagen der Kolbenstangenbeschichtung aufgrund lokal begrenzter Korrosion der Schicht. Das Kolbenstangengrundmaterial bleibt dabei so lange unversehrt, bis die Korrosionstiefe die Schicht durchdrungen hat. Anschließend kann sich der durch zusätzliche elektrochemische Korrosion mehrerer beteiligter Elemente bedingte Korrosionsprozess deutlich beschleunigen. Ursache für Pittingbildung ist mithin die lokale Aufhebung der Passivierung des schützenden Schichtmaterials.

Schäden fallen anfangs kaum auf
Dabei wird Sauerstoff durch Chloridionen verdrängt, die Stelle ist dann nicht mehr durch eine Oxidschicht geschützt. Da die Korrosion anfangs nur einige Bereiche der Kolbenstange betrifft, tritt das Versagen des Hydraulikzylinders nicht unbedingt unmittelbar ein. Fährt allerdings eine durch Pittings beschädigte Stelle der Kolbenstange über die Dichtkante der Stangendichtung, wird diese beschädigt und es tritt äußere Leckage auf.

Bild 5 zeigt Pittings in der Nickel- Chromschicht eines Hydraulikzylinders, eingesetzt in der Passagierbrücke eines Fähranlegers. Der dargestellte untere Bereich der Kolbenstange fährt praktisch nie in den Hydraulikzylinder ein und ist somit stets der Marineatmosphäre ausgesetzt. Der zum normalen Hubbereich des Hydraulikzylinders gehörende Teil der Kolbenstangenoberfläche hingegen wird des öfteren in den Ölraum gefahren, er ist frei von Korrosion.

Aus diesem Grund konnte die Gesamtanlage auch weiterhin störungsfrei betrieben werden, ohne eine Beschädigung der Kolbenstangenabdichtung zu befürchten. Spaltkorrosion ist definiert als Versagen der Kolbenstangenbeschichtung aufgrund lokal begrenzter Korrosion der Schicht in engen Spalten. Ähnlich wie bei Pittingbildung bleibt das Kolbenstangengrundmaterial dabei so lange unversehrt, bis die Korrosionstiefe die Schicht durchdrungen hat. Danach kann sich der Korrosionsprozess, beschleunigen. Ursache für Spaltkorrosion ist der Konzentrationsunterschied eines korrosiven Mediums im Spalt und Außenspaltbereich.

Die mit dem Unterschied einhergehende Potentialdifferenz führt zu elektrochemischer Korrosion im Spalt. Das Material des spaltbildenden Partners kann beliebig sein. Von Spaltkorrosion sind lediglich jene Bereiche der Kolbenstangenbeschichtung betroffen, die sich konstruktionsbedingt in engen Spalten von maximal 0,5 mm befinden. Zusätzlich ist eine gewisse, wenn auch nur kurze, Einwirkzeit erforderlich.

Typische konstruktionsbedingte Spalte an Kolbenstangen von Hydraulikzylindern sind aufgeschraubte Gelenkaugen sowie Dicht- und Führungselemente im Zylinderkopf. So lange der Hydraulikzylinder bewegt wird, besteht keine Gefahr von Spaltkorrosion. Während Stillstandsphasen allerdings kann durch die Hubbewegung in den Zylinderkopf hineingezogenes Seewasser sehr schnell zu Spaltkorrosion führen.

Im Bild 6 sind aufgrund von Spaltkorrosion zerstörte Bereiche in der Metalloxidschicht eines Offshorezylinders zu erkennen. Der Zylinder wurde nach dem Probebetrieb und während der Überführung in eine Parkstellung gefahren, nachdem die Kolbenstange mehrfach aus dem Seewasser in den Zylinder eingefahren worden war. Dabei konnte unter dem Abstreifer hindurch Salzwasser zwischen die Kolbenstangenoberfläche und die Kunststoffführungselemente gelangen. Die Position der Führungselemente ist gut zu erkennen und stimmt exakt mit der Konstruktionszeichnung überein.