Ziel der Entwicklung

Die technische Zielstellung war es, eine möglichst anwendungsnahe Materialauswahl mit den potenziellen Interessenten aus der Industrie abzustimmen, auszuwählen und zu verwerten. Es gibt seitens der Automobilindustrie ein enormes Interesse an Ergebnissen zur Korrosion an Aluminiumguss-teilen durch Unterwanderung z. B. als Gehäuseabdichtung von elektronischen Baugruppen in Kraftfahrzeugen. Hersteller von Dichtstoffen, für die oben genannte Anwendungen, haben großes Interesse, die Materialauswahl je nach Anwendung besser zu spezifizieren und für die Endanwendung anzupassen. Im Projekt wurden zwei verschiedene Aluminiumguss-Materialien (Castasil-37, AlSiMnMg) und eine Aluminium-Strangpress Legierung (AlMgSi0,5) untersucht. Die Oberflächen wurden unterschiedlich vorbehandelt (poliert und unpoliert). Als Dichtmaterialien wurden zwei kommerziell erhältliche O-Ring Typen ausgewählt: NBR (Nitril-Kautschuk) und EPDM ((Ethylen-Propylen-Dien-(Monomer)-Kautschuk)). Mit der zusätzlich ausgewählten Variation der Oberflächen-vorbehandlung mit Aceton oder einer elektrolytischen Entfettung wurde eine Versuchsmatrix der Material-Medien-Kombinationen aufgestellt und die Probekörper einer korrosiven atmosphärischen Belastung (Neutrale Salzsprühnebelprüfung gemäß ISO 9227) ausgesetzt. Ziel war es weiterhin, die Korrosion im Unterwanderungsbereich (v.a. Spaltkorrosion, Lochkorrosion) zu unterscheiden, Schadensbilder zu dokumentieren und die Material-Medien-Kombinationen zu bewerten.
Die technologische Zielstellung des Vorhabens war es, die korrosive Unterwanderung an der Kontaktfläche Metall-Dichtung durch ein gezieltes Korrosionsmonitoring mit den potenziell zur Verfügung stehenden elektrochemischen Prüfmethoden mit den Ergebnissen aus dem Belastungstest zu vergleichen und möglichst eine Korrelation zu finden. Dabei wurde unter normgerechten Prüfbedingungen gearbeitet und Anpassungen zu etablierten Messoperationen wie z. B. Polarisationsversuche, elektrochemisches Rauschen (ECR) vorgenommen. Bei den ECR-Messungen musste die Abschirmung berücksichtigt werden, der Temperatureinfluss und die Einstellungen am Anpressdruck (Metall-Dichtung) in der Messzelle wurden getestet. Weiterhin wurden bei der Entwicklung der Prüfmethode variable Befestigungsmöglichkeiten der Messelektroden, die Festlegung einer Geometrie der Messzelle, und der Beständigkeitsnachweis der Messzelle (Zellkörper, Elektrodenzuführung etc.) unter korrosiver Belastung im Labor untersucht.

Vorteile und Lösungen

Auf Basis von Vorgesprächen mit einem Pkw-Hersteller und einem Dichtstoffhersteller konnten sowohl typische Legierungen aus dem Aluminiumdruckgussbereich als auch entsprechende Dichtstoffmaterialien (vorzugsweise O-Ringe) für die Versuchsreihen ausgewählt werden.
Für diese Materialpaarungen wurden Einflussgrößen für die Beständigkeitsuntersuchungen im Übergangsbereich Dichtung-Metallsubstrat festgelegt. Diese wurden für die Planung der elektrochemischen Messungen sowie Salzsprühtests berücksichtigt.
Für die Untersuchung von praxisrelevanten Baugruppen in korrosiver Umgebung wurden Probekörper entwickelt, die im neutralen Salzsprühnebeltest gemäß ISO 9227 im Hinblick auf den Unterwanderungsfortschritt untersucht werden sollen.
Die Zielsetzung des Projektes bestand darin, eine elektrochemische Messzelle zur Untersuchung von Korrosionsprozessen an statischen Dichtverbindungen zu entwickeln, um den Einfluss von Medien, Dichtungs- und Grundwerkstoffen sowie Oberflächenzuständen zu validieren. Im Normalfall werden derartige Konstruktionen heute immer noch aufwendigen Belastungsszenarien unterworfen. Dabei können die Aufgaben von Dichtungen sehr breit gefächert sein. Es werden beispielsweise Kühlkreisläufe von Schmierkreisläufen in Motoren und Getrieben getrennt, oder aber es werden Kühlkreisläufe gegen die Umgebung abgedichtet. In der Elektrotechnik werden elektronische Komponenten in Schaltkästen gegen Umgebungsbedingungen geschützt. Undichtigkeiten führen fast immer zum Komplettversagen. Da nun die Belastungsversuche entweder forciert oder auch im Feld vergleichsweise teuer und zeitraubend sind, war der Anspruch, mit Hilfe der Elektrochemie und einer geeigneten Messzelle ein gezieltes Korrosionsmonitoring durchzuführen und damit eine qualitative Vorauswahl von Werkstoff-Oberfläche-Dichtungsmaterialien zu ermöglichen.
Für die Lösung der Aufgabenstellung wurden 8 Arbeitspakete geplant und bearbeitet. Während der Bearbeitung wurde festgestellt, dass es eine kommerziell verfügbare Messzelle (Flexcell, Fa. Gaskatel) gibt, die den Überlegungen aus der Antragstellung schon sehr nahekam. Diese Messzelle wurde aus Eigenmitteln finanziert und baulich unseren Anforderungen angepasst. Zwar besteht weiterer Optimierungsbedarf, aber die eigentliche Messaufgaben für die qualitative Bewertung eines statischen Dichtungssystems konnten erfüllt werden.
Um zunächst die Zusammenhänge aus Grundwerkstoff, Oberflächenzustand, Oberflächenvorbehandlung, Dichtmaterial und korrosiver Belastung zu untersuchen, wurden ausgewählte Grundwerkstoff-Dichtstoff-Kombinationen im neutralen Salzsprühnebel belastet und nachfolgend ausgewertet.
Die Probengeometrie für die NSS-Prüfung basiert auf zwei verschraubten Blechstreifen, in deren Mitte ein Rundring durch entsprechende Abstandshalter definiert verpresst wird. Die Streifen werden paarweise durch die Löcher am Ende des Streifens verschraubt. Genau in der Mitte zwischen den Streifen befindet sich die O-Ring-Dichtung. Durch die Abstandshalter wird eine Verpressung von 20 % realisiert.
Die durchgeführten elektrochemischen Untersuchungen zeigten, dass mittels zerstörungsfreier Rauschmessung an passiven Aluminiumwerkstoffen prinzipiell auswertbare Signale erhalten werden, die auf eine beginnende Unterwanderung hinweisen. Ein klarer Nachweis zur Eignung für ein Messverfahren konnte im Rahmen der Projektbearbeitung jedoch nicht erbracht werden. Der zweite Ansatz in Form zyklischer anodischer Belastung gedichteter Proben ergab bei Auswertung der Ladungsmengen deutliche Hinweise zu beginnender Korrosion entlang der Dichtungsfläche. Hier konnte auch eine Korrelation zur optischen und metallographischen Bewertung nach der Belastung für die Legierung A hergestellt werden.
Für die elektrochemischen Messungen wurde eine kommerziell erhältliche chemikalienbeständige beheizbare Zelle beschafft und für die Aufnahme der Probekörper modifiziert. Die einzustellenden Randbedingungen (Temperatur, Spaltöffnung, Anpressdruck etc.) wurden erarbeitet.

Zielgruppe und Zielmarkt

Nicht nur die konventionellen Fahrzeugkonstruktionen basierend auf dem Verbrennungsmotor, sondern auch die gesamte Produktpalette der Elektromobilität ist von der Dichtheit der Fahrzeugkomponenten abhängig. Zur Absicherung der Produktsicherheit von heute genutzten Lithium-Ionen-Batterien in Fahrzeugen ist eine sogenannte chemische, elektrische und mechanische Sicherheit eingebaut. Das Gehäuse muss dabei eine Isolierung und Entgasung ermöglichen. Funktionale Abdichtungen sind hier unumgänglich.
Auch bekannte Komponenten im Maschinen- und Fahrzeugbau sowie in der Elektrotechnik bieten noch vielfältigen Verbesserungsbedarf an den Dichtungen, weil Material- und Kosteneinsparungen oftmals einer sicheren und lang andauernden Dichtung entgegenstehen.