Thema: Prüfverfahren zur dynamischen Alterung von Werkstoffen Im Gespräch: Prof. Uwe Franzke | Frau Dr. Franziska Krahl | Herr Dr. Ulrich Zerweck-Trogisch Prof. Franzke: Herzlich Willkommen zur ersten Folge „Wissenschaft praktisch erklärt“. Im Rahmen dieser Veranstaltungsreihe möchten wir neueste Erkenntnisse und Erfahrungen aus Forschungsprojekten des ILK Dresden vorstellen. Heute sprechen wir über ein Prüfverfahren zur dynamischen Alterung von Werkstoffen. Wir alle ärgern uns, wenn Produkte schnell kaputt gehen und unsere Erwartungen an die Qualität nicht erfüllt werden. Speziell die die zeitliche Änderung von Werkzeugeigenschaften ist ein Problem, welches den Herstellern große Schwierigkeiten bereitet. Dabei lassen sich viele Erkenntnisse der Alterung im Vorfeld ermitteln, wenn man den richtigen Partner mit dem richtigen Equipment an seiner Seite hat. Mein Name ist Uwe Franzke. Ich bin der Geschäftsführer des ILK Dresden. Gemeinsam mit Herrn Dr. Ulrich Zerweck begrüße ich unseren heutigen Gast, Frau Dr. Franziska Krahl ganz herzlich. Lassen Sie mich Frau Dr. Krahl kurz vorstellen. Sie hat an der TU Dresden Chemie studiert und dort im Jahr 2008 promoviert. Seit Juni 2012 ist sie wissenschaftlich-technische Mitarbeiterin am ILK Dresden und arbeitet als Chemikerin u. a. auf den Themengebieten Arbeitsstoffanalytik, Kältemittel- und Ölanalysen, Alterungsuntersuchungen und Schadensanalysen. Herzlich Willkommen. Frau Dr. Krahl, wir werden heute über Ihr Forschungsthema „Prüfverfahren zur dynamischen Alterung von Werkstoffen“ sprechen. Ganz ehrlich, das Thema klingt etwas sperrig. Daher meine erste Frage: was genau muss man sich unter diesem Projekt vorstellen? Es geht in dem Projekt um Werkstoffe, um deren Alterung und um ein Prüfverfahren, was die Alterung abbilden oder nachbilden soll. Und der Kernpunkt ist die Art und Weise, wie die Werkstoffe gealtert werden und zwar im Gegensatz zu existierenden Verfahren altern wir die Werkstoffe in diesem Prüfverfahren auf eine dynamische Art und Weise. Prof. Franzke: Welche Werkstoffe muss man sich vorstellen? Unter Werkstoffen kann man sich wie in unserem Fall in der Kältetechnik Werkstoffe vorstellen, die Dichtungsmaterialen, Bauteil-relevante Kunststoffe oder auch Schlauchmaterialien und im Einsatz müssen diese Werkstoffe ihre Eigenschaft erfüllen, ihre Funktion erfüllen und sind dabei Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Wir haben erhöhten Druck, erhöhte Temperaturen, wir haben das Kältemittel und das Kältemaschinenöl und während des Einsatzes werden die Werkstoffe beansprucht und dabei altern sie, sollen aber ihre Eigenschaften erhalten und ihre Funktion möglichst lange erfüllen. Und wenn man nun wissen möchte, ob ein Werkstoff in einer Anlage eingesetzt werden kann, muss man diese prinzipielle Eignung nachweisen und das macht man mittels standardisierter Prüfverfahren, die die Alterung simulieren. Und das bezeichnen wir auch als Beständigkeitsprüfung und in den existierenden Verfahren werden die Werkstoffe dabei auf eine Art und Weise gealtert, die man als statisch bezeichnen kann. Dr. Zerweck: OK, statisch heißt, man beaufschlagt einfach mit einer gewissen Belastung und was wäre jetzt der Unterschied zum dynamischen Test? Frau Dr. Krahl: ich würde das kurz erklären, vor allem wie die statische Alterung abläuft üblicherweise. Man altert bzw. stresst den Werkstoff, in dem man ihm den in der Anlage eingesetzten Medien, wie Kältemittel und Kältemaschinenöl aussetzt und zwar bei erhöhter Temperatur und Druck und dafür gibt man dem Werkstoff zusammen mit dem Kältemittel und dem Kältemaschinenöl in ein Druckgefäß und lagert dieses über eine bestimmte Zeit – üblicherweise zwischen 3 und 10 Wochen – in einem Wärmeschrank bei einer definierten Temperatur aus und die Temperatur ist dabei im Vergleich zur Einsatztemperatur des Werkstoffes deutlich erhöht, womit man einen zeitraffenden Effekt erzielt und damit die Prüfzeit verkürzt. Vor der Auslagerung und nach der Auslagerung bestimmt man die Eigenschaften des Werkstoffes, Masse, Volumen, Härte, Zugeigenschaften und vergleicht die miteinander und für die max. zulässigen Änderungen gibt es Bewertungskriterien und die muss ein Werkstoff erfüllen. In der Vorgehensweise, die ich gerade beschrieben habe, liegt der Werkstoff während der gesamten Auslagerungszeit im Kältemittel-Öl-Gemisch, also statisch. Das kann man zur Veranschaulichung mit dem Einweichen eines schmutzigen Wäschestücks vergleichen. Der Schmutz im Wäschestück soll ins Wasser übergehen, wohingegen Dinge, die im Wäschestück enthalten sein sollen, wie Farbe oder Aufdrucke natürlich verbleiben sollen. Und wenn ich das Wäschestück einfach nur im Wasser einweiche, also statisch drin liegen lasse, habe ich zunächst einen sehr hohen Konzentrationsgradienten zwischen Schmutz im Wäschestück und Schmutz im Wasser. Das heißt, zu Beginn löst sich sehr viel Schmutz in dem Wasser und mit der Zeit sinkt aber diese Konzentrationsdifferenz und es stellt sich ein sogenanntes Lösungsgleichgewicht ein. Und wir alle wissen, dass durch quasi reines Einweichen eines Wäschestücks im Wasser dieses nicht vollständig sauber wird. Dr. Zerweck: Und deshalb schließt sich dann anschließend die dynamische Auswaschung, die dynamische Alterung des Werkstückes/Werkstoffes an? Frau Dr. Krahl: Genau. Wir haben das damit übertragen, also übertragen auf den Auslagerungsversuch, der Werkstoff ist das Wäschestück und das Kältemittel und das Kältemaschinenöl sind das Wasser. Und unter dem Schmutz verstehen wir die Bestandteile, die durch das Kältemittel und das Wasser aus dem Werkstoff herausgelöst werden können, also die Komponenten, die eigentlich nicht kompatibel mit dem System sind. Und das sind bei Werkstoffen üblicherweise Weichmacher, Verarbeitungsadditive oder sogar die Grundbausteine des Werkstoffes selbst. Da in den existierenden Beständigkeitsprüfungen der Werkstoff nur eingeweicht wird, wird auch sich dort ein Löslichkeitsgleichgewicht einstellen und mit der Zeit sinkt der, also der Konzentrationsgradient minimiert sich und irgendwann geht von diesen löslichen Bestandteilen nichts mehr in das Kältemittel oder Öl über, obwohl es das theoretisch noch könnte. Und dieser Zustand ist nicht auf den Betrieb einer Kälteanlage übertragbar. Denn in der Kälteanlage ändert das Kältemittel ja immer wieder seinen Zustand zwischen flüssig und gasförmig. Und wenn der Werkstoff z. B. in einer Kälteanlage immer wieder mit dem flüssigen Kältemittel in Kontakt steht, kann man sich vorstellen, dass sich dabei lösliche, nicht kompatible Bestandteile aus dem Werkstoff lösen und durch das Kältemittel mitgerissen werden. Wenn das Kältemittel dann in den gasförmigen Zustand übergeht, dann werden diese gelösten Bestandteile nicht mit in den gasförmigen Zustand übergehen üblicherweise, sondern sie separieren sich vom Kältemittel und fallen im ungünstigsten Zufall an irgend einer Stelle im Kreislauf aus und lagern sich ab. Wenn das Kältemittel anschießend wieder verflüssigt wird, enthält es diese gelösten Bestandteile nicht mehr und ich habe wieder den max. Konzentrationsgradienten, wenn das Kältemittel den Werkstoff wieder sieht. Genau dieser Effekt wird in den statischen Beständigkeitsuntersuchungen nicht abgebildet, und deswegen haben wir genau dieses Verfahren entwickelt. Dr. Zerweck: Man wäscht also immer wieder mit neuem sauberem Kältemittel aufs Neue, aufs Neue und aufs Neue aus. Frau Dr. Krahl: Genau, so macht man das. Prof. Franzke: Vielen Dank für die Erklärung. Klingt schon mal sehr spannend. Aber was war die Motivation für dieses Vorhaben? Sie wollten ganz sicher nicht verstehen, wie man Wäsche wäscht. Frau Dr. Krahl: Nein. Die größte Motivation war in der Tat die Tatsache, dass wir etwas an den existierenden Verfahren verbessern wollten mit der Abbildung des Phasenwechsels des Kältemittels im Kältekreislauf. Das war unsere ursprüngliche Intension, um dieses Löslichkeitsgleichgewicht zu vermeiden, denn es gibt Fälle, wo Werkstoffe beständig geprüft werden aber in der Praxis versagen, weil die Bedingungen dort eben doch auf das Herauslösen von Komponenten harscher sind. Eine zweite Motivation für dieses Projekt resultiert aus dem verstärkten Einsatz von Kältemitteln mit geringem Erderwärmungspotenzial, wodurch sich ein erhöhter Bedarf an der Vorhersagen der Langzeitstabilität von Werkstoffen ergeben hat in den letzten Jahren. Wir alle wissen, es gibt zahlreiche neue Kältemittel und vor allem auch zahlreiche neue Kältemittelgemische und es gibt wenige bis gar keine Verträglichkeits- bzw. Beständigkeitsdaten dafür und die individuelle Prüfung ist langwierig, zeitaufwändig und da haben wir nach einer Möglichkeit gesucht, dieses Prüfverfahren in einer beschleunigten Art und Weise zu modifizieren. Dann gibt es noch einen dritten Punkt: In den existierenden Beständigkeitsuntersuchungen wird ja der Zeitraffer durch eine erhöhte Temperatur ermöglicht, und man möchte immer am liebsten eine lange Einsatzdauer in möglichst kurzer Prüfzeit abbilden. Jetzt können wir uns aber alle vorstellen, dass man dafür die Temperatur im Vergleich zum Einsatz deutlich überhöhen müsste, was am Ende dazu führt, dass der Werkstoff schlicht durch thermische Effekte zerstört wird. Häufig bleibt also nur eine lange Prüfdauer. Und da schließt auch unser Prüfverfahren an, verkürzte Prüfzeiten zu ermöglichen. Dr. Zerweck: In Ordnung. Warum ist es nun wichtig, die Alterungseffekte von Dichtungsmaterialien in Kältekreisläufen zu verstehen und zu bewerten? Frau Dr. Krahl: Einerseits führt der Eigenschaftsverlust von Werkstoffen oder von Dichtmaterialien in Kälteanlagen zum Verlust der Dichtheit und damit zum Verlust von Kältemittel, welches einerseits in die Umwelt austritt und andererseits bricht die Leistung in der Anlage
