Ziel der Entwicklung

Logo: Polarisation von Aluminiumoberflächen unter verschiedener mechanischer Belastung in 0,1 m Na2SO4 © Dipl.-Ing. Benjamin Pietsch – Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH
Polarisation von Aluminiumoberflächen unter verschiedener mechanischer Belastung in 0,1 m Na2SO4 © Dipl.-Ing. Benjamin Pietsch – Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH

Das Ziel des Vorhabens ist die Verfahrens- und Produktentwicklung zum elektrochemischen Nachweis des Aufreißens von Passiv- und Deckschichten unter statischer und zyklischer mechanischer Last. Es sollte eine Messzelle konstruiert und gefertigt werden, mit der es möglich ist, das Verhalten von Oberflächenschichten an senkrecht eingespannten Zugproben während der mechanischen Belastung elektrochemisch zu untersuchen. Im Fokus sollte das Aufreißen von Passiv- und Deckschichten unter mechanischer Last stehen. Dazu sollten Untersuchungsverfahren an drei verschiedenen Schichtsystemen und deren Grundwerkstoffen entwickelt werden, welche über Potentialmessungen unter verschiedener mechanischer Last Aussagen zum Werkstoffverhalten liefern.
Konkret sollten folgende Zielsetzungen verfolgt werden:
- Konstruktion einer/mehrerer Messzelle/n, für senkrecht positionierte Zugproben
- Integration von Dichtungen, Haftungsvorrichtungen und Öffnungen für Elektrodenzugängen
- Fertigung der Messzelle/n und Funktionstest → Auswahl der besten Lösung
- Verfahrensentwicklung zum Nachweis des Aufreißens von Deck- und Passivschichten unter mechanischen Lasten
- Nachweis an drei grundlegend verschiedenen Schichten:
- passiver Überzug / aktives Substrat
- passiver Überzug (dicke Schicht) / passivierendes Substrat
- Substrat mit Passivschicht
Ziel des Projektes war es Rissinitiierungsprozesse an verschiedenen Deck- und Passivschichten unter mechanischer Belastung zu ermitteln.
Es wurde eine Messzelle entwickelt, welche elektrochemische Messungen an mechanisch belasteten Proben ermöglicht. Die Untersuchungen sind aussagekräftig und reproduzierbar.
Es wurden Versuche in verschiedenen Elektrolyten und an drei Schichten sowie den darunterliegenden Grundwerkstoffen zur Untersuchung mechanisch induzierter Rissinitiierungs- und Repassivierungsprozesse durchgeführt.
Es konnten erfolgreich mechanische und elektrochemische Vorgänge an beschichteten Werkstoffen analysiert werden.
Folgeuntersuchungen mit anderen Schichtsystemen, anderer medialer Umgebung und unter anderer Belastung sind vielversprechend.
Für eine bessere statistische Absicherung und die Optimierung des Verfahrens müssen noch weitere Proben geprüft werden.

Vorteile und Lösungen

1. Im ersten Jahr muss das Messverfahren verbessert werden um die Messgenauigkeit zu erhöhen und die Aussagekraft der Ergebnisse zu steigern.
2. a) Im zweiten Jahr steht die Erforschung weiterer Parameter im Vordergrund. Dazu müssen Messanordnungen und Schichtsysteme untersucht werden, in denen die Überlagerung der Parameter unterdrückt wird und einzelne Effekte direkt auf die jeweilige Anordnung übertragbar sind. Dazu können weitere Optimierungen der im Projekt konstruierten Zelle notwendig sein. Vorstellbar ist die Einreichung eines Folgeprojektes um die oben genannten Untersuchungen durchführen zu können. Durch ein Folgeprojekt. Unter der Annahme einer durchschnittlichen Fördersumme von ca. 190.000 bis 200.000 € / Forschungsvorhaben ist bei Annahme vom Eingang der Vorhabenergebnisse in 2 weitere Forschungsvorhaben in den nächsten 5 Jahren mit einem wirtschaftlichem Potential von ca. 350.000 bis 400.000 € zu rechnen.
b) Parallel zur Weiterentwicklung der Zelle und dem damit einhergehenden Fortschritt können im zweiten Jahr Dienstleistungen für externe Anfragen in Form von Messungen an unterschiedlichen Schichtsystemen angeboten werden. Industrielle Messaufträge zur Bestimmung des elektrochemischen Verhaltens von deckschicht- bzw. passivschichtbildenden Werkstoffen unter mechanischen Lasten werden mit einem wirtschaftlichen Potential von ca. 5.000 € / Jahr ab dem 2. Jahr nach Projektende abgeschätzt.
3. Mit der Ausreifung der Messzelle und des Messverfahrens kann die im dritten Jahr marktreife Zelle produziert und getestet werden.
4. Im vierten Jahr ist eine Markteinführung der fertigen elektrochemischen Messzelle inklusive des zugehörigen Messverfahrens denkbar.
5. Mit dem Verkauf der marktreifen Zellen ist in 5 Jahren mit einem Gewinn von 1500 €/Stück zu rechnen. Aufgrund der schwer kalkulierbaren Absatzsituation wird der Absatz auf 5 Stück im 5. Jahr nach dem Projektabschluss geschätzt. Somit beträgt der Jahresgewinn durch den Verkauf der Messzellen im 5. Jahr geschätzte 7500 €.
Bewertung des Verwertungsplans:
Die im Verwertungsplan dargestellten Ziele werden als realistisch angesehen. Es ist jedoch notwendig weitere Untersuchungen zur Verbesserung und Konzeption der Messzelle an sich durch zu führen. Unter Annahme eines Folgeprojekts ist eine positive Entwicklung infolge der durch das Projektvorhaben angestoßenen Forschungen zu erwarten.
Zusammenfassung aller erfolgten bzw. geplanten Veröffentlichungen:
Es sind bisher keine Veröffentlichungen umgesetzt. Es ist eine Kurzdarstellung auf der Homepage des Instituts für Korrosionsschutz Dresden GmbH geplant. Auch eine Darstellung im Dresdener Transferbrief ist angestrebt. Es sind Vorträge innerhalb des Seminars des IKS geplant. Wenn möglich ist die Erstellung eines Posters oder Vortrags auf einer externen Tagung wünschenswert.

Zielgruppe und Zielmarkt

Darstellung der Zielmärkte und Schilderung der Wettbewerbssituation:
Als Zielmarkt kommt primär die Verwendung der Messzelle für weitergehende Forschungsarbeiten am IKS Dresden infrage. Die Veröffentlichung der Forschungsergebnisse eröffnet zudem weiteren Forschungseinrichtungen und interessierten Anwendern die Möglichkeiten zur Nutzung des im Rahmen des beantragten Vorhabens gewonnenen Know Hows für die Nachbildung ähnlicher Messzellen. Ein kommerzieller Vertrieb der Messzelle ist eine Eintragung eines Gebrauchsmusters möglich aber abhängig vom Erfolg des Vorhabens und somit noch nicht geplant.
Kommerzielle Messzellenhersteller haben ein vielfältiges Programm an unterschiedlichen Messzellen im Programm. Eine Messzelle mit vergleichbarem Anwendungskonzept zur in situ Messung während mechanischer Probenbelastung an senkrecht eingespannten Werkstoffproben ist nicht bekannt.
Des Weiteren werden die gewonnenen Erkenntnisse zu den ermittelten elektrochemischen Messverfahren bei unterschiedlichen Werkstoffen die Möglichkeiten verbessern, zukünftige Forschungsvorhaben auf diesem Gebiet zu generieren. Als Beispiele seien elektrochemische Begleitmessungen bei gleichzeitigen mechanischen Belastungen bei nickel-basierten Form-Gedächtnis-Legierungen (FGL), Kupfer-Nickel-Werkstoffen in der maritimen Technik und weitere Forschungsaktivitäten im Bereich der nichtrostenden Stähle genannt. Bei der letztgenannten Werkstoffgruppe ist insbesondere ein Fokus auf Duplex-Stähle möglich. Stahlhersteller in Deutschland und weltweit sehen die größten Werkstoffentwicklungspotentiale bei den nichtrostenden Stählen bei dieser Werkstoffgruppe.
Charakterisierung der Marktgröße und des angestrebten Anteils:
Die potentielle Marktgröße bei der Verwendung der Vorhabensergebnisse erstreckt sich zum großen Teil auf zukünftige Forschungsaktivitäten des IKS. Eine Ausweitung der Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Rissbildung in verschiedenen Korrosionsschutzschichten ist angestrebt.
Die Laborausstattung im Bereich der Elektrochemie am IKS ist seit Jahren auf einem hohen Niveau. Die Neuentwicklung von Messzellen verschiedener Bauarten und Anwendungsbereiche war in der Vergangenheit immer Teil der Forschungsaktivitäten.
Eine umfangreiche Verbesserung der Laborausstattung im Bereich der Material- und Werkstoffprüfung hat in den letzten Jahren am IKS stattgefunden. So wurden über das Programm Investitionszuschuss im Zeitraum der letzten 5 Jahre 2 dynamische Werkstoffprüfmaschinen (eine servohydraulische Prüfmaschine 100 kN, ein Hochfrequenzpulser 20 kN) sowie 2 quasi-statische Zugprüfmaschinen (eine 20 kN- und eine 50 kN- Prüfmaschine mit integrierter Temperierkammer) angeschafft. Diese gerätetechnische Aufrüstung hat die Möglichkeiten für Forschungsaktivitäten im Bereich der Werkstoffprüfung enorm verbessert. Eine Kombination mit den Möglichkeiten auf dem Gebiet der Elektrochemie ist daher nur naheliegend. Mit dem beantragten Vorhaben ist ein Anfang in dieser Richtung gelegt.
Die Verwendung von Know How aus dem Vorhaben durch weitere Forschungs- und Dienstleistungseinrichtungen aus dem Gebiet der Korrosion und des Korrosionsschutzes ist zwar durch die Veröffentlichung der Ergebnisse möglich. Eine Abschätzung zum Marktanteil aber zum gegenwärtigen Zeitpunkt kaum möglich.
Die Erzeugnisse sind ein Produkt und ein Verfahren, welche vom IKS als Hilfsmittel zur Bereitstellung von Dienstleistungen angeboten werden. Außerdem werden sowohl die Verwendung der Messzelle als auch der wissenschaftlichen Versuche Eingang in zukünftige Forschungsvorhaben am IKS finden.