Ziel der Entwicklung

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung und Erprobung einer neuartigen Messmethode zur gezielten Untersuchung von Spaltkorrosion unter definierten, variierbaren Spaltbedingungen.
Ausgangspunkt ist die Tatsache, dass Spaltkorrosion zu den kritischsten Formen der lokalen Korrosion gehört, in der Praxis aber nur schwer vorherzusagen und mit konventionellen Prüfverfahren nur unzureichend abbildbar ist. Klassische Spalttests arbeiten mit starren Spaltkörpern, bei denen die Spaltgeometrie weder während der Prüfung verändert noch mit dem elektrochemischen Verhalten direkt korreliert werden kann. Dadurch bleiben zentrale Fragen – etwa nach kritischen Spaltbreiten, Potenzialen und Induktionszeiten – weitgehend unbeantwortet.
Mit dem Projekt sollte deshalb eine piezoelektrisch gesteuerte Spaltzelle entwickelt werden, die folgende Anforderungen erfüllt:
- reproduzierbare Einstellung der Spaltbreite im Mikrometerbereich,
- stufenlos einstellbare Vorschubgeschwindigkeit bis in den Bereich von etwa 1 nm/s,
- definierte elektrochemische Betriebsführung (Potenzialsteuerung, Temperaturführung),
- flexible Aufnahme unterschiedlicher Probengeometrien und Werkstoffpaarungen,
- Eignung für artgleiche (Metall/Metall) und artfremde (Metall/Kunststoff) Konfigurationen.
Ziel der Entwicklung war es, mit dieser Zelle:
- das Strom–Spaltbreite-Verhalten unter realitätsnahen Bedingungen zu erfassen,
- die kritischen Spaltbreiten und Potenzialabstände zu identifizieren, bei denen Spaltkorrosion gegenüber Loch- oder Flächenkorrosion dominiert,
- den Einfluss von Werkstoff (z. B. austenitische und Duplexstähle), Oberflächenzustand (Ausgangszustand, gebeizt, poliert, gestrahlt), Elektrolyt (Chloridgehalt) und Temperatur systematisch und voneinander getrennt zu untersuchen,
- und eine methodische Grundlage für spätere praxisnahe Prüf- und Bewertungskonzepte (z. B. für Anlagenbau, Apparatebau, Rohrleitungen, Flanschverbindungen) zu schaffen.
Langfristiges Entwicklungsziel ist es, auf Basis dieser Messmethode:
- die Spaltkorrosionsanfälligkeit von Werkstoffen und Bauteildetails besser bewerten zu können,
- konstruktive Schwachstellen frühzeitig zu erkennen,
- und damit die Zuverlässigkeit und Lebensdauer korrosionsbelasteter Komponenten – insbesondere in mittelständischen Anwendungen – zu erhöhen.

Vorteile und Lösungen

Ausgangspunkt des Projekts war, dass Spaltkorrosion in der Praxis zwar häufig auftritt, mit klassischen Prüfverfahren (starrer Spaltkörper, Massenverlust, Endpunktbewertung) aber nur grob und wenig realitätsnah erfasst werden kann. Insbesondere fehlte bisher eine Methode, mit der Spaltbreite, Potential und elektrochemische Reaktion in Echtzeit miteinander verknüpft und systematisch variiert werden können.
Die entwickelte piezoelektrische Spaltzelle setzt genau hier an und bietet gegenüber dem Stand der Technik folgende Lösungen und Vorteile:
1. Definierte, variierbare Spaltgeometrie statt starrer Spaltkörper
- Die Spaltbreite kann reproduzierbar im Mikrometerbereich eingestellt und mit sehr langsamer, stufenlos regelbarer Vorschubgeschwindigkeit (bis in den nm/s-Bereich) verengt werden.
- Damit wird das bislang „feste“ Spaltmaß zu einer gezielt einstellbaren Prüfgröße: kritische Spaltbreiten können nicht nur vermutet, sondern im Versuch gezielt durchfahren und mit dem Stromverlauf korreliert werden.
- Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren erhält man vollständige Strom-Spaltbreite-Kurven statt nur eines Endpunkts (z. B. „bestanden/nicht bestanden“, Massverlust).
2. Direkte Kopplung von Spaltbreite, Potential und Temperatur
- Durch die Kombination aus Potenzialsteuerung und variabler Spaltgeometrie lassen sich Potentialfenster identifizieren, in denen Spaltkorrosion gegenüber Loch- oder Flächenkorrosion überhaupt eine Chance hat zu dominieren.
- Die Zelle ist temperierbar, sodass der Einfluss der Temperatur auf Passivität, Durchbruchverhalten und Spaltinitiierung unter identischen geometrischen Bedingungen untersucht werden kann.
- Damit wird das in der Praxis relevante Zusammenspiel von Geometrie, Medium und Potential erstmals in einer einzigen, kontrollierten Versuchsanordnung abgebildet.
3. Abbildung realer Konfigurationen: artgleiche und artfremde Paarungen
- Die Zelle ermöglicht sowohl artgleiche Metall/Metall-Paarungen (typisch für Flansch-, Dicht- und Fügegeometrien) als auch Metall/Kunststoff-Konfigurationen.
- Dadurch kann gezielt untersucht werden, wie sich ein elektrisch nichtleitender Partner (z. B. PTFE) auf die Ausbildung des Spaltmilieus auswirkt – eine Fragestellung, die in vielen realen Dichtsystemen relevant ist, aber mit Standardtests kaum adressiert werden kann.
- Das Ergebnis: Es wird sichtbar, in welchen Konfigurationen ein zweiter metallischer Partner die Spaltkorrosion fördert – und wo ein isolierender Partner das Risiko deutlich reduziert.
4. Quantitative Grundlage für Werkstoff- und Konstruktionsentscheidungen
- Die Kombination aus Durchbruchpotentialen, Strom-Spaltbreite-Kurven und Oberflächenbefunden liefert eine deutlich tiefere Datengrundlage, als sie mit klassischen Prüfmethoden verfügbar ist.
- Für industrielle Anwender ergibt sich daraus der Vorteil,
- Werkstoffe und Oberflächenzustände gezielter zu vergleichen,
- spaltkritische Geometrien früher zu identifizieren,
- und Schutzmaßnahmen (Werkstoffwahl, Oberflächenbehandlung, konstruktive Änderungen) fundierter abzuleiten.
5. Methodische Lösung für eine „schwierige“ Korrosionsform
- Die Ergebnisse zeigen, dass die Initiierung stabiler Spaltkorrosion stark stochastisch ist und nur in einem engen Parameterfenster auftritt.
- Gerade deshalb ist eine flexible, fein einstellbare Messmethode nötig – und genau hier liegt der Kernvorteil der entwickelten Zelle:
- Sie ermöglicht das systematische Herantasten an kritische Bereiche,
- macht gleichzeitig sichtbar, wo trotz aggressiver Bedingungen keine Spaltkorrosion entsteht,
- und hilft so, das reale Risiko von Spaltkorrosion gegenüber Loch- oder Flächenkorrosion besser einzuschätzen.
In Summe löst die entwickelte Messanordnung das Problem, dass Spaltkorrosion bislang nur grob, indirekt und mit starren Geometrien prüfbar war. Sie schafft eine flexible, geometrisch definierte und elektrochemisch kontrollierte Plattform, mit der Spaltkorrosion technisch, wissenschaftlich und für industrielle Entscheidungen deutlich besser fassbar wird.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Ergebnisse des Vorhabens adressieren vor allem Anwender, bei denen nichtrostende Stähle und andere hochlegierte Werkstoffe in spaltgefährdeten Geometrien und chloridhaltigen Medien eingesetzt werden. Im Fokus stehen insbesondere:
- Apparate- und Anlagenbau (Chemie, Petrochemie, Prozess- und Verfahrenstechnik)
- Energie- und Offshore-Anlagen, Kühl- und Meerwassersysteme
- Wasseraufbereitung, Kraftwerks- und Umwelttechnik
- Lebensmittel- und Pharmaindustrie (hygienische Verbindungen, Dichtbereiche)
- Komponenten- und Armaturenhersteller (Flansche, Ventile, Pumpengehäuse, Rohrsysteme)
- Prüflabore und Ingenieurbüros mit Schwerpunkt Korrosionsprüfung und Schadensanalyse
- Hersteller von Korrosionsschutzsystemen (Beschichtungen, Inhibitoren, kathodischer Schutz)
Diese Zielgruppen finden sich sowohl im deutschen Mittelstand als auch bei internationalen Anwendern, insbesondere im europäischen Raum, wo hohe Anforderungen an Anlagenverfügbarkeit und Sicherheit bestehen.
Nutzen für Anwender
Anwender profitieren von der entwickelten Methodik in mehreren Punkten:
- Sicherere Werkstoff- und Oberflächenwahl:
Vergleichende Bewertungen von Stählen, Chargen und Oberflächenzuständen (gebeizt, poliert, gestrahlt) unter spaltkritischen Bedingungen ermöglichen belastbarere Entscheidungen bei Materialumstellungen oder Kostenoptimierungen.
- Bewertung spaltkritischer Bauteildetails:
Flansche, Dichtspalte, Rohrschellen und andere kritische Geometrien können im Labor nachgebildet werden. So lassen sich spaltgefährdete Konstruktionen frühzeitig identifizieren und konstruktiv optimieren.
- Qualifizierung von Schutzmaßnahmen:
Beschichtungen, Inhibitoren, Beiz- und Passivierungsverfahren oder kathodische Schutzsysteme können gezielt unter Spaltbedingungen geprüft werden, statt nur unter frei angeströmten Bedingungen.
In der Summe trägt die Methode dazu bei, Ausfallrisiken zu reduzieren, Instandhaltungskosten zu senken und die Lebensdauer kritischer Komponenten zu erhöhen.
Transfer der FuE-Ergebnisse in Anwenderunternehmen
Der Transfer soll schrittweise über folgende Kanäle erfolgen:
- Dienstleistungsangebote des IKS
Nutzung der entwickelten Spaltzelle im Rahmen von Auftragsprüfungen (z. B. „Spaltkorrosions-Check“ für konkrete Bauteile oder Werkstoffvarianten) mit ausführlicher Ergebnisdokumentation und Handlungsempfehlungen.
- Wiederkehrende Webinare und Fachvorträge
Am IKS finden jährlich mehrere Webinare zum Thema Spaltkorrosion statt. Der Projektbetreuer hält dort den Vortrag „Messung und Charakterisierung der Spaltkorrosion“, in den künftig die neue Messmethode und ausgewählte Projektergebnisse integriert werden. So werden potenzielle Anwender frühzeitig erreicht und sensibilisiert.
- Kooperative Projekte mit Industriepartnern
In Folgevorhaben können gemeinsam mit Unternehmen spezifische Fragestellungen (z. B. neue Werkstoffe, spezielle Medien, kritische Bauteilgeometrien) mit der neuen Methode systematisch untersucht werden.
- Schulungen und Workshops
Individuelle Schulungen für Firmen (z. B. Werkstoff-/Qualitätsabteilungen, Konstruktion, Instandhaltung) zur Interpretation der Messergebnisse und zur Ableitung von konstruktiven und werkstofftechnischen Maßnahmen.
Erwartete wirtschaftliche Effekte für die Einrichtung
Für das Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH (IKS) ergeben sich:
- Erweiterung des Prüf- und Beratungsportfolios um eine spezialisierte, bislang am Markt wenig verfügbare Methode zur Bewertung von Spaltkorrosion,
- Profilierung als Kompetenzzentrum für komplexe Spaltkorrosionsfragen, insbesondere bei nichtrostenden Stählen und Duplexsystemen,
- zusätzliche Erlöse aus Auftragsprüfungen, Schadensanalysen und Schulungen,
- sowie eine verbesserte Ausgangsbasis für öffentlich geförderte Verbundprojekte und industrielle Forschungsvorhaben.
Anwendungsbeispiele / Status
Konkrete industrielle Referenzfälle mit der neuen Zelle befinden sich noch im Aufbau. Die Ergebnisse des Projekts werden jedoch bereits:
- in internen Versuchsprogrammen des IKS eingesetzt,
- in Webinaren zum Thema Spaltkorrosion vorgestellt
- und dienen als Basis für die Ansprache von Pilotkunden aus Apparatebau, Rohrleitungs- und Anlagenbau.
Damit ist der praktische Transfer in den Zielmarkt vorbereitet und kann in den nächsten Jahren schrittweise ausgebaut werden.