On the influence of microstructure and carbide content of steels on the electrochemical dissolution process in aqueous NaCl-electrolytes

Abstract

The electrochemical dissolution behaviour of armco-iron and of the steels C15, C45, C60 and 100Cr6 in concentrated sodium chloride media has been investigated. Anodic metal dissolution experiments have been carried out using the flow channel cell (parallel plate reactor), the rotating cylinder electrode (RCE) and the capillary cell. The microstructure of the steel has been varied through variation of carbon content and heat treatment (e.g. soft annealed with globular carbides or pearlitic). Current-efficiency values have been obtained by gravimetric measurements in the current-density range from i = 5 to 60 A/cm2. For the soft annealed steels, the divalent ferrite dissolution in combination with electroless cementite removal dominates. For the pearlitic steels, the occurrence of oxygen evolution at electronically conductive metal carbides or trivalent ferrite dissolution, depending on the current density applied, was detected. Microstructure dependent potentiostatic current transients and potentiodynamic polarization curves have been presented. Polarization resistances, Rpol, were measured in dependence on NaCl concentration and the applied anode potential. For pearlitic steels (with carbon contents ≥ 0.45%) Rpol exceeds that of the analogous soft annealed steels. The topographies of the steel surfaces after anodic dissolution show microscopic structures, based on inert metal carbides, which are the result of preferential ferrite dissolution. Qualitative metal dissolution models explain the electrochemical dissolution behaviour of soft annealed and pearlitic steels on the basis of the formation of solid films at the substrate surfaces and recognizing the role of the inert metal carbides in the steel matrix. In these models, the role of a polishing layer forming between the solid particles has been taken into account. Über den Einfluss von Mikrostruktur und Carbid-Gehalt von Stählen auf den elektrochemischen Auflösungsprozess in wässrigen NaCl-Elektrolyten Das elektrochemische Auflösungsverhalten von armco-Eisen und den Stählen C15, C45, C60 und 100Cr6 in konzentriertem Natriumchlorid-Medium wurde untersucht. Anodische Metallauflösungsexperimente mit dem Strömungskanal (parallel plate reactor), der rotierenden Zylinderelektrode (RCE) und der Kapillarzelle wurden durchgeführt. Die Mikrostruktur des Stahls wurde durch Variationen des Kohlenstoffanteils und der Wärmebehandlung (weichgeglühter Zustand mit globularen Carbiden und perlitisches Gefüge) angepasst. Mit Hilfe von gravimetrischen Messungen wurden Stromausbeuten im Stromdichtebereich von i = 5 bis 60 A/cm2 ermittelt. Bei den weichgeglühten Stählen dominiert die zweiwertige Ferrit-Auflösung in Kombination mit stromlosem Cementit-Abtrag. Für perlitische Stähle wurde die Sauerstoffentwicklung an elektronisch leitenden Metall-Carbiden oder die dreiwertige Ferrit-Auflösung in Abhängigkeit von der Stromdichte beobachtet. Mikrostrukturabhängige potentiostatische Stromtransienten und potentiodynamische Polarisationskurven werden dargestellt. Polarisationswiderstände, Rpol, wurden in Abhängigkeit von der NaCl-Konzentration und des Anodenpotentials gemessen. Bei perlitischen Stählen (mit Kohlenstoffanteilen ≥ 0,45%) ist Rpol größer als bei den analogen weichgeglühten Stählen. Die Topographien der Stahloberflächen nach der anodischen Auflösung weisen mikroskopische Strukturen auf Basis von Metall-Carbiden auf, welche das Resultat bevorzugter Ferritauflösung sind. Qualitative Metallauflösungsmodelle erklären das elektrochemische Auflösungsverhalten von weichgeglühten und perlitischen Stählen mit Hilfe der Ausbildung von festen Deckschichten auf der Substratoberfläche unter Anbetracht der inerten Metall-Carbide in der Matrix des Stahls. In diesen Modellen wird die Rolle eines Polierfilms, der sich zwischen den festen Partikeln ausbildet, mit einbezogen.