I Anod Ni Fe...Abbildung 1.1; z. B. eingewalzte metallische Fremdpartikel in einer Schraube aus...

Informationen zu Korrosion, Korrosionsschutz, Materialien und Überzügen

Technischer ReportInformationen zu Korrosion, Korrosionsschutz,

IAnodNi

Fe

Inhaltsverzeichnis

2

1. Grundlagen der Korrosion Korrosion und Korrosionsschutz ............................................................................................ 3

2. Korrosionsarten2.1 Einleitung ................................................................................................................................ 6

2.2 Korrosionsarten ohne mechanische Beanspruchung ........................................................... 7

2.3 Korrosionsarten mit zusätzlicher mechanischer Beanspruchung ....................................... 9

3. Auswahlkriterien für Korrosionsschutz3.1 Korrosionsgerechte konstruktive Gestaltung ........................................................................11

3.2 Auswahlkriterien ...................................................................................................................12

4. Schrauben aus nichtrostenden Stählen4.1 Allgemeines ............................................................................................................................13

4.2 Stahlgruppen ..........................................................................................................................13

4.3 Austenitische Stähle ...............................................................................................................14

5. Oberflächenüberzüge - Einteilung5.1 Einteilung ...............................................................................................................................16

5.2 Nichtmetallische Überzüge ...................................................................................................17

5.3 Metallische Überzüge – Galvanische Überzüge ....................................................................18

5.4 Metallische Überzüge – Nichtelektrolytisch aufgebrachte Zinklamellen-Überzüge ...........20

5.5 Organische Überzüge ............................................................................................................23

Stand 08.2014

1. Grundlagen der Korrosion

3

Korrosion und Korrosionsschutz

Mögliche Schäden bei Schrauben oder Schraubenverbindungen durch Korrosion

•UnzulässigeoptischeVeränderungeninsichtbarenBereichen,z.B.„Rostfahnen“an GebäudefassadenoderRotrostbildungbeianderenSchraubenverbindungeninsichtbarenBereichen, z.B.anKraftfahrzeugen(Imageschaden),

•UnlösbarkeitderVerbindungdurchvoluminöseKorrosionsprodukte,

•VerunreinigungderUmgebungderVerbindungdurchKorrosionsprodukteunddamitGefahr sekundärenKorrosionsbefalls,

•EntstehungvonÜberbeanspruchungenbishinzumBruchdurchörtlicheQuerschnittsverminderungen oderdurchKerbwirkung(Korrosionskerben),

•SprödbruchinfolgeSpannungs-und/oderSchwingungsrisskorrosionoderWasserstoffversprödung.

Definition des Begriffs Korrosion nach DIN 50 900

KorrosionistdieReaktioneinesmetallischenWerkstoffsmitseinerUmgebung,dieeinemessbareVeränderungdesWerkstoffsbewirktundzueinerBeeinträchtigungderFunktioneinesmetallischenBauteilsodereinesganzenSystemsführenkann.IndenmeistenFällenistdieseReaktionelektrochemischerNatur,ineinigenFällenkannsiejedochauchchemischeroderphysikalischerNatursein.

BeiderBeurteilungdesKorrosionsverhaltensvonSchraubenverbindungendarfniedieSchraubealleinbetrachtetwerden.EntscheidendistimmerdasKorrosionssystemausSchraube(z.B.ausrostfreiemStahlodermiteinemOberflächenschutzüberzug),GegenwerkstoffunddemUmgebungsmedium.


4

Voraussetzungen für das Auftreten einer elektrochemischen Korrosion

•Esmüssenzweiverschiedenedle(verschiedenkorrosionsbeständige)MetalleoderMetalloberflächen (Elektroden)vorliegen.HierausergibtsicheineSpannungs-oderPotentialdifferenzalstreibendeKraftfür dasFließeneinesKorrosionsstroms.

•ZwischendenbeidenElektrodenmusseineelektrischleitendeVerbindungbestehen.Darausergibtsichbei ausreichendgroßerPotentialdifferenzdieMöglichkeiteinesElektronenflusses.

•BeideElektrodenmüssenvondemselbenElektrolytenbedecktsein(VoraussetzungfüreineIonenleitung).

Abbildung 1.1zeigtschematischdenVorgangderelektrochemischenKorrosion.DieunedleMetalloberfläche(z.B.einunedlesGefügeteilchenoderauchbeiSchraubeneinimVergleichzumGegenwerkstoffunedlererSchutzüberzug)bildetdieLokalanode(A)unddieedlereMetalloberflächedesGegenwerkstoffsdieLokalka-thode(K).AnderLokalanodewerdenMetallionenfreigesetzt,d.h.derWerkstofflöstsichauf,währenddieimMetallverbleibendenElektronenzurLokalkathodewandern.HierkommtesjenachUmgebungsmediuminneutralenundalkalischenMedienzurBildungvonHydroxylionen(OH-)undinsaurenMedienzurReduktionvonWasserstoffionen(H+).

FürdieIntensitätderMetallauflösungbeielektrochemischerKorrosion(AuflösungproFlächeneinheit) istdieKorrosionsstromdichte

vonbesondererBedeutung.SiesteuertdenaufeinebestimmteFlächebezogenenStoffumsatz.

Abbildung 1.1 Vorgang der elektrochemischen Korrosion (schematisch)

i = mit IKorr =Korrosionsstrom[A],

i =Korrosionsstromdichte[Acm-2],

AAnod =Anodenfläche[cm2]

IKorr

AAnod


e– e–

K

A

A Lokalanode (Einschluß,unedles Gefügeteilchen)

Anodenvorgang: (Oxidation)

K Lokalkathode (FlächeinderUmgebung vonA)

Kathodenvorgang: (Reduktion)

Sauerstofftyp:

Wasserstofftyp:Me Men+ + ne−

02 + 2H2O + 4e− 4OH−

2H+ + 2e− H2


5

AusderKonstanzdesKorrosionsstromsIKorr=IKath=IAnodfolgt,dassbeikleinerAnoden-undgroßerKathodenflächedieAnodenstromdichtegroßwird(Abbildung 1.2):

Abbildung 1.2 Korrosionsverhalten von Schraubenverbindungen bei der Paarung unterschiedlich edler metallischer Werkstoffe (Oberflächen)

iAnod ·AAnod = iKath·AKath iAnod = iKath·oder unddamit=iAnod

iKath

AKath

AAnod

AKath

AAnod


Korrosionsmedium

Schraube unedelVerspannte Teile

edlerAAnod kleini Anod großI Anod = IKath

IKorr =Pot.diff.

Rges

AAnod großi Anod klein

Rges großi Anod groß

SchraubeedelVerspannte Teile

unedler

SchraubeedelVerspannte Teile

unedler

2. Korrosionsarten nach DIN 50 900 (Auswahl)

6

NachDIN50900wirdunterschiedenzwischenKorrosionsartenohneundKorrosionsartenmitmechanischerBeanspruchung.EineAuswahlderfürSchraubenverbindungenwichtigstenKorrosionsartenistin Diagramm 2.1dargestellt.

Diagramm 2.1 Korrosionsarten nach DIN 50 900 (Auswahl)

2.1 Einleitung

Korrosionsarten nach DIN 50 900

GleichmäßigeFlächenkorrosion

Mitzusätzlicher mechanischerSpannung

Spannungsrißkorrosion

Schwingungsrißkorrosion (Korrosionsermüdung)

Lochkorrosion

Spaltkorrosion

Kontaktkorrosion

Korrosiondurchunterschiedliche Belüftung

KorrosionunterAblagerungen (Berührungskorrosion)

SelektiveKorrosion: InterkristallineKorrosion TranskristallineKorrosion

Kondeswasserkorrosion: (Schwitzwasserkorrosion)

Ohnemechanische Beanspruchung


2.2 Korrosionsarten ohne mechanische Beanspruchung

7

Gleichmäßige Flächenkorrosion

NahezugleichmäßigerKorrosionsabtragaufdergesamtenBauteiloberfläche(z.B.einerSchraube),der–beidirektemAngriffaufdenGrundwerkstoffohneKorrosionsschutzüberzug–zueinerweitgehendgleichmäßigenVerringerungdesBauteilquerschnittsführt.

Lochkorrosion

Korrosion,beiwelcherderelektrolytischeMetallabtragnurankleinenOberflächenbereichenabläuftundLochfraßerzeugt.

Kontaktkorrosion

BeschleunigteKorrosioneinesmetallischenBereichs,diebeieinemKorrosionselementauseinerPaarungMe-tall/MetalloderMetall/elektronenleitenderFestkörperauftretenkann.Häufiginsog.MischbaukonstruktionenoderbeiBauteilenausStahlmitmetallischenÜberzügenanzutreffen.IonenleitungüberleitendeFlüssigkeiten(Elektrolyten),ElektronenleitungdurchdieKontaktstellenderFestkörper.BestimmendfürdasAusmaßderKorrosion:PotentialdifferenzundFlächenverhältnisdermiteinandergepaartenMetalle/Bauteile,LeitfähigkeitdessiebedeckendenElektrolyten(s. Abbildung 1.2).

WeitereFormenderKontaktkorrosion:LokalelementbildungzwischenheterogenenLegierungsbestandteilenaneinerMetalloberflächeoderzwischenunbeabsichtigteingepresstenFremdmetallteilchenunddemBauteil(s. Abbildung 1.1;z.B.eingewalztemetallischeFremdpartikelineinerSchraubeausnichtrostendemStahl),EntstehungvonanodischenundkathodischenBezirken,diesichdurchInhomogenitätenimmetallischenWerkstoff,z.B.ankaltverformtenStellenunterschiedlicherUmformgrade,ausbildenkönnen.

Korrosion durch unterschiedliche Belüftung

VerstärkteörtlicheKorrosiondurchdieEntstehungeinesKorrosionselementsinfolgeunterschiedlicherBe-lüftung(sog.Belüftungselement).ImExtremfall:ImanodischenBereichdurchHydrolysegelösterEisenionenzunehmendeAnsäuerungdesElektrolytenmitderFolgeeinerausgeprägtenMulden-oderNarbenkorrosion.BelüftungselementehäufigimBereichvonörtlichenAblagerungen,HohlräumenoderSpalten.


2.2 Korrosionsarten ohne mechanische Beanspruchung

8

Spaltkorrosion

ÖrtlichverstärkteKorrosioninkonstruktivbedingtenengenSpalten.BeiSchraubenverbindungenhäufigimBereichderKopf-und/oderMutterauflageflächenoderimBereichvonDurchgangslöchern.InfolgeDiffusions-hemmungundSauerstoffmangel:VeränderungderElektrolytlösungunderhöhterMetallabtrag.KathodischeBereicheanStellen,woSauerstofffürdieReduktionsreaktionzurVerfügungsteht.BeiverstärkterHydrolysevonKorrosionsprodukteninSpalten:AbsenkungdespH-WertesundEntstehungvonLochkorrosion.

Berührungskorrosion

ÖrtlicheKorrosioneinesBauteilsdurchBerührungmiteinemmetallischenFremdkörper.Möglichsind: Spaltkorrosion,KontaktkorrosionoderKorrosiondurchunterschiedlicheBelüftung.

Selektive Korrosion

Dadurchgekennzeichnet,dassbeimAngriffeinesKorrosionsmediumsbestimmteGefügebestandteile,korngrenzennaheBereicheoderLegierungsbestandteilebevorzugtkorrodieren.TrittnurbeimehrphasigenLegierungenauf.

InterkristallineKorrosion:BevorzugterKorrosionsangriffaufkorngrenzennaheBereiche. Ursache:RelativeelektrochemischePotentialunterschiedezwischenKorngrenzenundKorninnerem,diedurchintermetallischeAusscheidungenentlangderKorngrenzenhervorgerufenwerden.TypischeBeispiele:BevorzugterKorngrenzenangriffbeisensibilisiertenCrNi-StählenoderNickellegierungensowiebeiAluminium-legierungen.

TranskristallineKorrosion:KorrosionsangriffquerdurchdieKristalliteundannäherndparallelzurVerformungs-richtung.

WeiteretypischeErscheinungsformenselektiverKorrosion:EntzinkungvonCuZn-Legierungen(Messing)unterZurücklassungporösenKupfers,EntnickelungundEntaluminierungderintermetallischenPhasenbeiAlumini-umlegierungen.


2.3 Korrosionsarten mit zusätzlicher mechanischer Beanspruchung

9

Wasserstoffinduzierte (H-induzierte) Sprödbruchbildung

OberbegrifffüreineBeeinträchtigungodereinVersagenvonBauteilenausStählenmithochfestenWerkstoff-zuständeninfolgeeinerWechselwirkungdesWerkstoffsmitWasserstoff.Hierbeimussunterschiedenwerden,obderschädigendeWasserstoffbereitsvordemAufbringeneinermechanischenZugbeanspruchungals„in-nerer“WasserstoffineinemWerkstoffvorliegtoderobderWasserstoffals„äußerer“WasserstoffvoneinemWerkstoffaufgenommenwird,derbereitseinerZugbeanspruchungausgesetztist.DieZugbeanspruchungenkönnenhierbeiZug-Lastspannungenund/oderZug-Eigenspannungensein.

Die Gefahr eines wasserstoffinduzierten Sprödbruchs ist unter folgenden Voraussetzungen gegeben (Diagramm 2.2):

•EsmusseinWerkstoffmiteinererhöhtenEmpfindlichkeitgegenüberH-induzierter Sprödbruchbildungvorliegen.

•EsmusseinspezifischesKorrosionsmediumwirken,gegenüberdemderWerkstoffeinebesondere EmpfindlichkeitinBezugaufH-induzierteSprödbruchbildungbesitzt.

•DerWerkstoffmusseinermechanischenBeanspruchungdurchZuglastspannungen und/oderZugeigenspannungenausgesetztsein.

Diagramm 2.2 Voraussetzungen für das Auftreten eines wasserstoffinduzierten Sprödbruchs

Beanspruchung:

lastinduzierte Zug-und/oder Zugeigenspannung

inhomogeneSpannungsverteilung, z.B.infolgeBiegung

Kerbwirkung,z.B.Bauteilgeometrie,Einschlüsse

Werkstoffzustand:

hoheZugfestigkeitoder Härtebeieingeschränkter Zähigkeit

eingeschränktesFormänderungsvermögen

Korngrenzen- segregationvonVerunreinigungen

Werkstoffzustand:

betriebsbedingt,z.B.infolgeKorrosion

fertigungsbedingt,z.B.Wärmebehandlung, Säurebeizung,galv.Oberflächenbeschichtung

Werkstoff- zustand

Beanspruchung H-Angebot

H-ind. Rißbildung

H-ind. Sprödbruch

mechanischer Bruch


2.3 Korrosionsarten mit zusätzlicher mechanischer Beanspruchung

10

Wasserstoffversprödung

Vorgang,beidemesinfolgevonbereitsimWerkstoffvorhandenemdiffusiblemWasserstoffbeiodernachAufbringeneinerZugspannungörtlichzueinerkritischenWasserstoffkonzentrationundalsFolgehiervonzueinemverzögertensprödenAnrissodereinemverzögertenSprödbruchkommt.DerschädigendeWasserstoffstammtmeistausFertigungsprozessen,beiderSchraubenfertigungz.B.

•Gasaufkohlen(Einsatzhärten),

•Beizen,

•Phosphatieren,

•galvanischeOberflächenbehandlung.

DieAnfälligkeitvonStählengegenübereinerWasserstoffversprödungbeginntbeiWerkstofffestigkeitenober-halbvonrd.1200N/mm2oderHärtenvonrd.370HV.

DieGefahreinerWasserstoffversprödunginfolgeeinerfertigungsbedingtenWasserstoffaufnahmekanndurchgeeignetefertigungsbegleitendeMaßnahmenaufeinMinimumreduziertwerden.DiewirkungsvollsteMaßnahmeistdieBegrenzungderWasserstoffaufnahme,insbesondereimRahmenvonchemischenodergalvanischenOberflächenbehandlungsprozessen.HierzuwendetSPAXeinpatentiertesVerfahrenan.

Wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion (SpRK)

Mechanismus,beidemineinemunterZugspannungstehendenWerkstoffinfolgederkathodischenTeilre-aktioneinesKorrosionsprozesses(kathodischeReduktion)eineelektrochemischeWasserstoffentladungundeineEindiffusionvonatomaremWasserstoffstattfindet.BeimErreicheneineskritischenWasserstoffgehaltsverzögerterspröderAnrissoderverzögerterSprödbruch.Wasserstoffaufnahmebeieinerwasserstoffinduzier-tenSpRKz.B.

•beiKorrosionsreaktionenimBetrieb,

•beimMechanismusdeskathodischenKorrosionsschutzes.

DieAnfälligkeitvonStählengegenübereinerwasserstoffinduziertenSpRKbeginntbeiWerkstofffestigkeitenoberhalbvonrd.1000N/mm2oderHärtenvonrd.320HV.

Anodische SpRK

(z.B.durchChlorionen):ImallgemeinennurbeipassivenWerkstoffen(z.B.nichtrostendeaustenitischeStähle).RisskeimbildungalsAusgangspunkteineranodischenSpRKentwederimBereichörtlicherVerletzungenderPassivschichtausdemWerkstoffinneren(durchstoßendeGleitungenbeiplastischerVerformung)oderimBe-reicheinerörtlichenZerstörungderPassivschichtdurchäußereEinwirkungen.RissfortschrittdurchanodischeMetallauflösunganderRissspitze.

3. Kriterien zur Auswahl eines geeigneten Korrosionsschutzes

3.1 Korrosionsgerechte konstruktive Gestaltung

11

EinwirkungsvollerKorrosionsschutzbeginntbereitsbeiderKonstruktion.ZurVerbesserungdes KorrosionsschutzesbeiSchraubenverbindungensolltenfolgendekonstruktiveGesichtspunkte besondersbeachtetwerden:

•VerwendungvonmetallischenWerkstoffen/WerkstoffpaarungenmitgleichemoderähnlichemPotential

•VermeidungeinesdirektenKontaktszweierMetalleungleichenPotentialsinVerbindungmiteinem Elektrolyten,wenneinegrößerePotentialdifferenzunumgänglichist (z.B.durchIsolationderMetallemittelsnichtleitenderSchichten)

•VermeidungvonSpalten,indiedasKorrosionsmediumeindringenundinfolgegeänderterKonzentration oderungleicherBelüftungsverhältnisseeineSpaltkorrosionverursachenkann

•VermeidungeinesungünstigenFlächenverhältnissesvonAnodezuKathode(derunedlereTeileiner VerbindungsolltederjenigemitdergrößerenOberflächesein,damitinfolgehoherStromdichtekein unzulässiggroßer,örtlichbegrenzterAbtragentsteht,s.Abbildung 1.2).

Diagramm 3.1anbeizeigtverschiedeneMaterialkombinationenundderenVerträglichkeitenunterdemAspektderKontaktkorrosion:

Diagramm 3.1 Kontaktkorrosion unterschiedlich edler Metalle

Stahl

(verzinkt)

Nickel/ Stahl

(vernickelt)

Kupfer/Stahl

(verkupfert)

Messing/Stahl

(vermessingt)

Aluminium Stahl

(Dacroment/Deltatone)

Rostfreier Stahl

(A2/A3;A4/A5)

Stahl (verzinkt)

Stahl (vernickelt)

Stahl (verkupfert)

Stahl (vermessingt)

Messing

Aluminium

Stahl (Dacroment/ Deltatone)

Rostfreier Stahl (A2/A3;A4/A5)

Bauteil Werkstoff (Überzug)

Schraube Werkstoff(Überzug)

Intensive Kontaktkorrosion

Keinenennenswerte Kontaktkorrosion

Keine Kontaktkorrosion

+

+

+

+

+

+

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

––

–

–

–

–

•

•

• •

•

•

•

•

••

•

•

3. Kriterien zur Auswahl eines geeigneten Korrosionsschutzes

3.2 Auswahlkriterien

12

Grundsätzlichgilt:Einen absoluten Korrosionsschutz gibt es nicht!

BeiderAuswahleinesgeeignetenKorrosionsschutzesfürSchraubensindfolgendeKriterienzubeachten:

•DieVerbindungselementemüssendieAnforderungen,diesichausmechanischer,thermischerund chemischerBeanspruchungergeben,sichererfüllen.

•DieLebensdauerderVerbindungselementemussderLebensdaueroderdervorgesehenenNutzungsdauer dermiteinandergepaartenTeileangepasstsein.

•DerKorrosionsschutzmusshinsichtlichProzesssicherheitundWirtschaftlichkeitSchraubenals Massenartikelgerechtwerden.

•ProzessbedingteörtlicheSchichtdickenunterschiedemüssenberücksichtigtwerden(beigalvanischen Überzügen:geringereStreufähigkeitvonElektrolytenimBereichvonVertiefungenund Querschnittsübergängen;s.beispielhaft Abbildung 3.1;beinichtelektrolytischaufgebrachten Zinklamellen-ÜberzügenoderbeiorganischenÜberzügen:Kantenflucht).

•FestgelegteToleranzen(z.B.imGewindeoderinInnenkraftangriffen)dürfennichtüberschrittenwerden.

•DieDehnungdesSchraubenschaftsunterVorspannungdarfdieDehnfähigkeiteinesSchutzüberzugs nichtüberschreiten(AufreißendesÜberzugs).

•GegebenenfallsmüssenForderungenandasReibungsverhaltenbeimAnziehenberücksichtigtwerden.

•Schraubenverbindungenmüssenlösbarsein(VerletzungdesSchutzüberzugsbeimAnziehenoder Lösen,Abrieb,Festfressen,voluminöseKorrosionsprodukteetc.).

Abbildung 3.1 Schichtdickenverteilung bei galvanisch beschichteten Schrauben (beispielhaft)

12 A A11

5

8

13

16

ZahlenangabeninμmSchraubeverzinkt

14

B B

9

4. Schrauben aus nichtrostenden Stählen

4.1 Allgemeines

4.2 Stahlgruppen

13

DieKorrosionsbeständigkeitvonSchraubenausnichtrostendenStählenberuhtinsbesondereaufdenhohen,imGrundgittergelöstenChromanteilenvonmehrals13%.HierdurchwirdeineporenfreiePassivschichtanderStahloberflächegebildet,dieeinenKorrosionsangriffaufdasGrundmetallverhindert.JenachAnforderun-genkönnennebenChromweitereElementezulegiertwerden,diedieWirkungdesChromsaufdiePassiv-schichtbildungverstärken.

DasZusammenwirkenverschiedenerLegierungselementeführtzuunterschiedlichenGefügeausbildungen.DieErhaltungderaustenitischenStrukturbeiRaumtemperaturbeidenüblichenFe-Cr-Ni-LegierungenberuhthauptsächlichaufdemNickelanteil.EineVergrößerungdesNi-GehaltsbewirkteineerhöhteStabilitätdesAustenits.

NachDINENISO3506werdennichtrostendeStähleinaustenitische,martensitischeundferritischeStähleeingeteilt.Tabelle 4.3zeigtdiechemischeZusammensetzungfürdieStählederdreiStahlgruppenineinerÜbersicht.DetailskönnenderNormDINENISO3506-1entnommenwerden.FürSchraubenhatdieStahlgrup-pederaustenitischenStählediegrößteBedeutung.


4.3 Austenitische Stähle

14

A2istdieSortedernichtstabilisiertennichtrostenden,A4dieSortedernichtstabilisiertensäurebeständigenStähle.DieSortenA3(A2stabilisiert)undA5(A4stabilisiert)sindzurReduzierungderGefährdunggegenüberinterkristallinerKorrosionmitTitan,NioboderTantalstabilisiert.DieStählederSorteA4(A5)sindmitMolyb-dänlegiertundbesitzenimVergleichzudenStählenderSorteA2(A3)eineerheblichbessereKorrosionsbe-ständigkeit.DieStahlsorteA1(guteZerspanbarkeit,abergegenüberA2oderA4geringereKorrosionsbestän-digkeit)findetkaumAnwendung.

AustenitischenichtrostendeStählekönnennichtdurchMartensitumwandlunggehärtetwerdenundsindüblicherweisenichtmagnetisierbar.IhreFestigkeitseigenschaftenlassensichausschließlichdurchgezielteKaltumformung(Kaltverfestigung)beeinflussen.UmdieNeigungzurKaltverfestigungzuverringern,kannzudeninTabelle1angegebenenStahlsortenA1bisA5Kupferzulegiertwerden.

BeiAustenitenmitmetastabilerGefügestrukturistjenachUmformgradörtlicheineUmwandlungineinenmartensitähnlichenZustand(Umformmartensit)möglich,wasnebeneinererhöhtenMagnetisierungdieKorro-sionsbeständigkeitbeeinträchtigt.LegierungenmithöherenCr-undNi-Gehaltensindimwesentlichenstabilaustenitisch.

SchraubenausaustenitischenStählensindnichtuneingeschränktkorrosionsbeständiggegenüberallenAngriffsmedienundUmgebungsbedingungen:

•BeiZugspannungenneigenAusteniteinchloridhaltigerUmgebung(z.B.Schwimmbäder)und hochkonzentriertenLaugenbeihöherenTemperaturenzuchloridinduzierterSpannungsrisskorrosion. Abhilfe:ZulegierenvonMolybdän.

•EineVerarmungderMatrixanChromdurchKorngrenzenausscheidungenchromreicherKarbidebei austenitischenStählenoderchromreicherNitrideinstickstofflegiertenferritischenChromstählenkannzu einerAnfälligkeitgegenüberinterkristallinerKorrosionführen(Ursache:LangsamesAbkühlendurchden BereichdersogenanntenSensibilisierungstemperaturoderlängereSchweißvorgänge).

Abhilfe: -Lösungsglühenbei1050bis1100°CundnachfolgendesAbschrecken,

-VerminderungdesKohlenstoffgehalts(C<0,03%),

-ZusatzvonStabilisatorenwieTi,Nb,Ta,dieeinehöhereAffinitätzuKohlenstoffhabenalsChrom (Karbidbildner).HierfürwurdenspezielldieStählederKlassenA3(A2stabilisiert)undA5 (A4stabilisiert)nachDINENISO3506-1(s.Tabelle 4.3)entwickelt.


4.3 Austenitische Stähle

15

InDeutschlandwerdenheutefürSchraubenausGründenderSortenverminderungvorwiegenddiefolgendennichtrostenden/säurebeständigenStähleeingesetzt:

•X5CrNi18-10, 1.4301 (A2,nichtrostend)

•X3CrNiCu18-9-4, 1.4567 (A2,nichtrostend,CuzurVerbesserungderKaltumformbarkeit)

•X6CrNiTi18-10, 1.4541 (A3,nichtrostend,Ti-stabilisiert)

•X5CrNiMo17-12-2, 1.4401 (A4,säurebeständig)

•X6CrNiMoTi17-12-2, 1.4571 (A5,säurebeständig,Ti-stabilisiert).

DieStähle1.4301und1.4567derWerkstoffgruppeA2sowiederStahl1.4401derWerkstoffgruppeA4sindaufgrundihresniedrigenC-Gehalts,derStahl1.4541derWerkstoffgruppeA3sowiederStahl1.4571derWerkstoffgruppeA5durchZugabestabilisierenderElemente(hier:Titan(Ti))weitgehendbeständiggegeninterkristallineKorrosion.

DerA2-Stahl1.4301(X5CrNi18-10)findetheutefürSchraubenimmerwenigerVerwendung,weilernicht dieAustenitstabilitätaufweistwiederStahl1.4567(X3CrNiCu18-9-4),dersichzudemaufgrunddes Kupferanteilsbesserkaltumformenlässt.

Tabelle 4.3 Chemische Zusammensetzung nichtrostender Stähle der austenitischen, martensitischen und ferritischen Stahlgruppen nach DIN EN ISO 3506-1 (Auszug)

A B C D E F G H I J K

1

Stahlgruppe Sorte

ChemischeZusammensetzunginMassen-%¹

2 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu

3

austenitisch

A1 0,12 1,0 6,5 0,2 0,15-0,35 16-19 0,7 5,0-10,0 1,75-2,25

4 A2 0,1 1,0 2,0 0,05 0,03 15-20 – 8,0-19,0 4

5 A3² 0,08 1,0 2,0 0,045 0,03 17-19 – 9,0-12,0 1

6 A4 0,08 1,0 2,0 0,045 0,03 16-18,5 2,0-3,0 10,0-15,0 1

7 A5² 0,08 1,0 2,0 0,045 0,03 16-18,5 2,0-3,0 10,5-14 1

8

martensitisch

C1 0,09-0,15 1,0 1,0 0,05 0,03 11,5-14 – 1 –

9 C3 0,17-0,25 1,0 1,0 0,04 0,03 16-18 – 1,5-2,5 –

10 C4 0,08-0,15 1,0 1,5 0,06 0,15-0,35 12,0-14,0 0,6 1 –

11 ferritisch F1 0,12 1,0 1,0 0,04 0,03 15-18 – 1 –

1 Maximalwerte,wennnichtandersangegeben 2 stabilisiertmitTitan,NioboderTantal

5. Oberflächenüberzüge

5.1 Einteilung

16

OberflächenüberzügefürSchraubenkönneneingeteiltwerdeninnichtmetallische,metallischeundorganischeÜberzüge.DiegebräuchlichstenOberflächenüberzügesindinDiagramm 5.1dargestellt.

Diagramm 5.1 Gebräuchliche Oberflächenüberzüge für Schrauben

Oberflächenüberzüge

Phos-phatiertt

Brüniert

Chromatiert

Vergütungs- geschwärzt

elektro-lytisch

Zink

Nickel

Zink-Eisen

Zink- Nickel

Zink- Kobalt

Zink- Chrom

Kadmium

Nickel

Nickel- Phosphor

außen- stromlos

Zink

Zink-Zinn

Zink- Aluminium

mecha- nisch

Zink

Zink-Zinn

Schmelz- tauchen

Delta-Tone

Dacromet

Zink- lamellen- überzüge

Delta-Seal

Poly-Seal

KTL- Überzüge

Deltacoll

Dünnbe-schichten

nichtmetallisch metallisch organisch

Oberflächenüberzüge


5.2 Nichtmetallische Überzüge

17

Thermische Schwärzung

HierbeihandeltessichumeinenanorganischenÜberzug,derauchalsvergütungsschwarzgeöltoderalseinbrenngeschwärztbezeichnetwird.ErentstehtdurchAbschreckenvonSchraubenvonderAnlasstemperaturinspeziellenÖlemulsionen.ThermischgeschwärzteSchraubenbesitzenfürTransportundLagerungszweckeeinenausreichendenKorrosionsschutz.

Brünierung

BrünierenistnachDIN50938einanorganischesVerfahren.DurchEintauchenvonStahlschraubenineinesiedende,alkalisch-oxidierendeLösungwerdenaufderOberflächedünne,festhaftendeEisenoxidschich-tenerzeugt.Brünierschichtensinddunkelbraunbisschwarz.DerrechtgeringeKorrosionsschutzbrünierterOberflächenkanndurchNachbehandlungen,z.B.inheißen,verseifbarenÖlenoderÖlemulsionen,verbessertwerden.BrünierteSchraubeneignensichnurfürInnenraumanwendungenund/oderfürdekorativeZwecke,wokeinedefiniertenKorrosionsschutzanforderungengestelltwerden.

Phosphatierung

DasVerfahrenderPhosphatierungistinDIN50942beschrieben.DurchTaucheninsaure,phosphathaltigeLösungenwerdenaufchemischemWegeanorganischeÜberzugeauskristallinenMetallphosphaten(z.B.Mangan-oderZinkphosphate)aufderOberflächevonSchraubenausStahloderaufz.B.verzinktenOberflä-chenerzeugt.DieunlöslichentertiärenPhosphatschichtenhabenbeidenheutemeisteingesetztenDünn-schichtphosphatierungenüblicherweiseDickenvon1bisrd.5µm.BeigrößerenSchichtdickensindPhosphat-schichtennichtmehrleitend,wasfürdiekathodischeSchutzwirkungzusätzlichaufgebrachtermetallischerÜberzügeeineRollespielenkann.PhosphatschichtenbesitzeneinehoheHaft-undDruckfestigkeitundsindbiszuTemperaturenvonrd.50°Cbeständig.SiebietenwegenihrerPorositäterstinVerbindungmitÖl,FettenoderWachsen,dieindersaugfähigenSchichtguthaften,einenbeschränktenKorrosionsschutz.PhosphatiertegeölteSchraubeneignensichnurfürInnenanwendungen.PhosphatschichtenaufStahlschraubenoderaufz.B.verzinktenOberflächenbietenjedocheinengutenHaftgrundfürzusätzlicheanorganischemetallischeÜber-zügewieDelta-ToneoderorganischeÜberzügewieKTL(kathodischeTauchlackierung),Delta-Seal,Deltacoll,Poly-Sealetc.,mitdenensichderKorrosionsschutzimVergleichzuphosphatiertenundgeöltenOberflächenwesentlichverbessernlässt.


5.3 Metallische Überzüge – Galvanische Überzüge

18

Allgemeines

NachDIN50961sindgalvanischeÜberzügemetallischeSchichten,dieauseinemElektrolytenaufelektrischleitendenoderleitendgemachtenTeilenkathodischabgeschiedenwerden.GalvanischeÜberzügewerdenbeiSchraubenüblicherweiseinTrommelnaufgebracht.Beisehrlangenund/oderschwerenTeilenmussdiegalva-nischeBeschichtungaufGestellenerfolgen.

WichtigeAnforderungenangalvanischeÜberzügesindinDINISO4042genormt.DieseNormenthältnebeneinemKlassifizierungscodeunteranderemauchAngabenzuSchichtaufbau,Chromatierung,Korrosionsschutz-dauerundzurVermeidungderGefahreinerWasserstoffversprödung.

DieKorrosionsschutzdauergeschlossenergalvanischerÜberzügeistannäherndproportionalderSchichtdicke.DurchnachträglichesChromatierenvongalvanischaufgebrachtenZink-oderZink-LegierungsüberzügenkannderBeginnderZinkkorrosion(Weißrostbildung)verzögertunddamitderKorrosionsschutzdesÜberzugsverbessertwerden.

DieChromatierungerfolgtüblicherweiseunmittelbarnachAufbringendesgalvanischenÜberzugsdurchkur-zesEintaucheninLösungen,diehierfürgeeigneteChromverbindungenenthalten.ChromatierungsschichtensindwasserunlöslichundbestehenhauptsächlichausChromhydroxidundChromchromat.

Siesindfarblosoderbläulich,gelblich,olivgrünbisolivbraunoderschwarz.JenachHerstellungsverfahrensindsiebiszuTemperaturenvonrd.60°C,inSonderfällenauchbis120°Cbeständig.

BeiTemperaturenoberhalbderBeständigkeitsgrenzewerdendieChromatüberzügerissig,unddieKorrosions-beständigkeitdesÜberzugs,insbesonderedieWeißrostbeständigkeit,gehtdeutlichzurück.

DieAbbildungen 5.1und5.2zeigenbeispielhaftSchraubenmitstarkerWeißrostbildung(Abbildung 5.1)undstarkerRotrostbildung(Abbildung 5.2).

Abbildung 5.1 Zinkkorrosion (Weißrost) an galvanisch verzinkten Schrauben

Abbildung 5.2 Grundmetallkorrosion (Rotrost) an galvanisch verzinkten Schrauben



19

Zinküberzüge

Zinkkanngalvanischausalkalisch-cyanidischen,saurenundreinalkalischen(cyanidfreien)Elektrolytenabge-schiedenwerden.Alkalisch-cyanidischeZinkbäderbesitzeneineguteStreufähigkeitundeignensichdaherfürSchraubensehrgut.HeuteistdiesesVerfahrenjedochinsbesondereausUmweltschutzgründenrückläufig.

Tabelle 5.1gibtAnhaltswertefürdieKorrosionsschutzdauerchromatierter/passivierterZinküberzügeinderSalzsprühnebelprüfungnachDIN50021SS.

Tabelle 5.1 Korrosionsschutzdauer chromatierter/passivierter galvanischer Zinküberzüge im neutralen Salzsprühnebeltest nach DIN 50 021 SS (Richtwerte nach DIN ISO 4042)

A B C D E F G H I

1

Chromatierung,Passivierung

Nenn-Schichtdickeinµm

2 31 5 8 12

3 W2 R3 W2 R3 W2 R3 W2 R3

4 transparent,bläulich 2 12 6 24 6 48 6 72

5 transparent,leichtirisierend 6 12 12 36 24 72 24 96

6 gelbirisierend 24 24 48 72 72 120 72 144

7 olivgrünbisolivbraun 24 24 72 96 96 144 96 168

8 schwarz,leichtirisierend k.A. k.A. 12 k.A. 24 72 24 96

1 GeringeSichtdickenbeeinträchtigendieEigenschaftenderChromatierung 2 ErstesErscheinenvonWeißrostinStunden 3 ErstesErscheinenvonRotrostinStunden k.A.:KeineAngabenverfügbar



20

Zink-Legierungsüberzüge

Zink-LegierungsüberzügebesitzengegenüberReinzinküberzügeninsbesondereeine erhöhteWeißrostbeständigkeit.

Zink-Nickel-LegierungsüberzügeausschwachsaurenElektrolytenhabenNickelanteilevon10-14%.DieÜber-zügewerdenüblicherweise–wiebeiReinzink-Überzügen–gelbchromatiert.Zn-Ni-ÜberzügeausalkalischenElektrolytenwerdenmitNickelgehaltenvonrd.9-15%abgeschieden.HiersindTransparent-,Gelb-oderSchwarzchromatierungenmöglich.Zn-Ni-ÜberzügekönnennachdemChromatierenzumZweckeeinerweite-renErhöhungderWeißrostbeständigkeitauchversiegeltwerden.

Zink-Kobalt-LegierungsüberzügebesitzenKobalt-Gehaltevonrd.1%.NacheinerSchwarzchromatierungbe-sitzendieseÜberzügeauchnacheinerTemperaturbelastungvon120°CnochguteBeständigkeitengegenüberWeißrostbildung.NebenSchwarzchromatierungensindauchGelb-,Oliv-oderBlauchromatierungenmöglich.

Zink-Eisen-LegierungsüberzügewerdenüblicherweiseauscyanidfreienalkalischenElektrolytenmitEisenge-haltenvonrd.0,4-0,6%abgeschieden.DerKorrosionsschutzvonZn-Fe-ÜberzügenistbesserimVergleichzuReinzink-Überzügen.AuchhieristfüreineerhöhteWeißrostbeständigkeiteinChromatierenerforderlich. EssindgelbeunddunkelgrauebisschwarzeChromatierungenmöglich.Zn-Fe-ÜberzügesindnurbedingtgeeignetfürTrommelware.



21

Nickelüberzüge

GalvanischabgeschiedeneNickelüberzügehabenbeiausreichenderSchichtdickeeinehoheKorrosionsbestän-digkeitunddarüberhinauseinoptischansprechendesAussehen.NickelüberzügeaufStahlschraubenwirkengegenüberStahljedochkathodisch.

ImFallevonPorenoderOberflächenverletzungenwirddaherdasGrundmetallverstärktkorrodiert, wassichdurchRostunterwanderungenundBlasenbildungbemerkbarmachenkann(Abbildung 5.3).

DurchspezielleVersiegelungenkönnenMikroporeninderNickelschichtgeschlossenunddie Korrosionsbeständigkeitverbessertwerden.

Abbildung 5.3 Grundmetallkorrosion im Bereich einer Oberflächenverletzung bei einem im Vergleich zum Grundmetall edleren Überzug (hier: Nickel auf Stahl)

Tiefenwachstum bei hoher Leitfä-higkeit des Korro-sionsmediums

IKath = IAnod

IKath

IAnodI Kath

Breitenwachstum bei niedriger Leit-fähigkeit des Korro-sionsmediums

Ni

Fe


5.4 Metallische Überzüge – Nichtelektrolytisch aufgebrachte Zinklamellen-Überzüge

22

Allgemeines

NichtelektrolytischaufgebrachteZinklamellen-Überzügesindanorganischemetallische,silberfarbeneDünn-beschichtungen,derenSchichtdickenvonrd.5-15µmdenengalvanischerÜberzügeentsprechen.DieKorro-sionsbeständigkeitinderSalzsprühnebelprüfungnachDIN50021SSistbeigleichenSchichtdickendeutlichbesseralsbeigalvanischenÜberzügen(Tabelle 5.2).DieSicherstellungdesKorrosionsschutzeswirddurchmitBindersystemenvernetztelanggestreckteZink-undAluminiumlamellenerreicht.DasVernetzenselbsterfolgtdurcheinenEinbrennprozess.HierdurchwirdeineelektrischeLeitfähigkeitinnerhalbdesgesamtenÜberzugsundzumGrundmetallhergestelltunddamitderkathodischeSchutzdesGrundmetallsbewirkt.

EinbesondererVorteilnichtelektrolytischaufgebrachterZinklamellen-Überzügebestehtdarin,dassbeimeigentlichenBeschichtungsprozesskeinWasserstoffangebotvorhandenist.DahereignensichdieseÜberzügeinsbesonderefürwasserstoffversprödungsanfälligeeinsatzgehärteteundangelasseneVerbindungselemente.NichtelektrolytischaufgebrachteZinklamellen-ÜberzügebesitzenaucheineguteWasserstoffdurchlässigkeit,sodassselbstnacheineretwaigenWasserstoffaufnahmeimRahmenvonVorbehandlungenbeimEinbrennprozessderWasserstoffwiedereffundierenkann.DamitistdieWasserstoffversprödungsgefährdungaufeinMinimumreduziert.

Zinklamellen-ÜberzügewieDelta-ToneoderDacrometwerdenüblicherweiseimTauch-Schleuder-Verfahrenaufgebracht.BeimBeschichteninsbesonderevonkleinenSchraubenmitInnen-Kraft-angriffenistdahergroßeSorgfalterforderlich,dahierdieGefahrdes„Zulaufens“derKraftangriffebesondersgroßist.DieBeschich-tungsolcherTeilekannnurvonspeziellenBeschichternvorgenommenwerden,dieeinezweckentsprechendeAnlagentechnikbesitzen.

Delta -Tone

BeiDelta-TonewerdendieZink-undAluminiumlamellendurcheinanorganischesBindersystemaufTitanat-basisvernetzt.DasEinbrennenerfolgtbeiTemperaturenvon180-200°C.Durchzusätzlicheorganische,elektrischisolierendwirkendeBeschichtungen(sog.Topcoats)aufDelta-TonebestehtdieMöglichkeiteinerindividuellenFarbgebungund/odereinerVerminderungderGefahrvonKontaktkorrosion,z.B.inVerbindungmitBauteilenausAluminium-oderMagnesiumlegierungen.

Dacromet

BeiDacrometwerdendieZink-undAluminiumlamellendurcheinchromathaltigesBindersystemvernetzt. DasEinbrennenerfolgtbeiTemperaturenvon300-320°C.

Tabelle 5.2 Korrosionsbeständigkeit nichtelektrolytisch aufgebrachter Zink-Lamellenüberzüge Dacromet und Delta-Tone in der neutralen Salzsprühnebelprüfung nach DIN 50 021 SS und zugehörige praxisübliche Mindest-Schichtdicken in µm

A B C

1

Prüfdauer(inStunden)

Mindest-Schichtdickeinµm

3 Dacromet(chromathaltig) Delta-Tone(chromatfrei)

4 240 4 6

5 480 5 8

6 720 8 10

7 960 9 12


5.5 Organische Überzüge

23

Versiegelungen

EineVersiegelungwirddurchEinbauvonorganischenpolymerenBestandteilenindienochfeuchteChroma-tierungvongalvanischenÜberzügenoderauchinPhosphatüberzügebewirkt.DasAufbringeneinerVersie-gelungerfolgtinFormwässrigerDispersionenunterschiedlicherKonzentrationdurchTauchenoderSpritzenundanschließendesTrocknenbeiTemperaturenvon60-70°C.HierdurchwirddieBildungvonZinkkorrosion(Weißrost)verzögertoderdieKorrosionsschutzdauerbeiphosphatiertenSchrauben(inGrenzen)erhöht.

Delta-Seal, Deltacoll, Poly-Seal, KTL etc.

DurchdasAufbringenorganischhochvernetzterBeschichtungenwieDelta-Seal,Deltacoll,Poly-Sealetc.oderauchdurchKTL(kathodischeTauchlackierungen)aufphosphatiertenStahlschraubenkanneinnurfürInnenrau-manwendungenausreichenderKorrosionsschutzerreichtwerden,dasolcheÜberzügealleinkeinekathodischeSchutzwirkungerzeugen.NacheinemTrocknungsprozessbeihöherenTemperaturen–ähnlichwiebeinicht-elektrolytischaufgebrachtenZinklamellen-Überzügen–entstehteinhaftfester,chemikalienresistenter,dünnerundporenfreier,nichtoderwenigelektrischleitenderÜberzugmitSchichtdickenzwischen5undrd.12µm.BeieinigenorganischenÜberzügenbestehtnebendenFarbenSilberoderSchwarzdieMöglichkeitindividuellerFarbgebung.DahersindsolcheÜberzügebesondersfürspezielledekorativeAnforderungengeeignet.

Duplex-Schichtsysteme

DurchorganischhochvernetzteDeckbeschichtungen(Top-coats)wieDelta-Seal,Deltacoll,Poly-Sealetc.oderauchdurchKTL(kathodischeTauchlackierungen)aufnichtelektrolytischaufgebrachtenZinklamellen-ÜberzügenoderaufgalvanischenÜberzügenentstehensogenannteDuplex-Schichtsysteme.DurchsolcheSchichtsyste-meisteineteilweisebedeutendeErhöhungderKorrosionsbeständigkeitimVergleichzumreinenBasisüber-zugmöglich.Duplex-Schichtsystemewerdenauchdorteingesetzt,wonebeneinemgutenKorrosionsschutzgleichzeitigdekorativeAnforderungenzuerfüllensind.DarüberhinausbietensiebeisachgerechterAufbringungderorganischenDeckbeschichtungaufgrundderelektrischenIsolationswirkungeinengutenSchutzgegenüberKontaktkorrosionbeimVerschraubenmitanderenMetallenodermetallischenÜberzügen.

OrganischeÜberzügewieDelta-Seal,Deltacoll,Poly-SealwerdenüblicherweiseimTauch-Schleuder-Verfahrenaufgebracht.BeimBeschichteninsbesonderevonkleinenSchraubenmitInnen-KraftangriffenistdahergroßeSorgfalterforderlich,dahierdieGefahrdes„Zulaufens“derKraftangriffebesondersgroßist.DieBeschich-tungsolcherTeilekannnurvonspeziellenBeschichternvorgenommenwerden,dieeinezweckentsprechendeAnlagentechnikbesitzen.

SPAX International GmbH & Co. KG

I Anod Ni Fe...Abbildung 1.1; z. B. eingewalzte metallische Fremdpartikel in einer Schraube aus...

Documents

Transcript of I Anod Ni Fe...Abbildung 1.1; z. B. eingewalzte metallische Fremdpartikel in einer Schraube aus...