Wasserstoff Korrosion

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2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen Wasserstoff Einführung und Grundlagen

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Wasserstoff Korrosion

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    Wasserstoff

    Einfhrung und Grundlagen

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    Schden durch Korrosion

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    Schden durch Korrosion

    Allein in Deutschland fr 2008

    73 Mrd. Euro / Jahr

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    Wasserstoff induzierte

    Spannungsrisskorrosion

    Grundlagen und Theorien

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    Eisen Wasserstoff

    Grenvergleich der Atome Eisen Wasserstoff

    Durchmesser Eisenatom 252 pm Durchmesser Wasserstoffatom 50 pm

    Umrechnung piko-Meter Meter 1pm = 1012 Meter

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    Beispiel eines Eisengitters mit Fehlern

    Wasserstoff

    Wasserstoff

    Wasserstoff

    Wasserstoff

    Wasserstoff

    Nur der atomare Wasserstoff (H) ist gefhrlich!

    Der molekulare (H2) Wasserstoff kann nicht ins

    Metallgitter.

    Er ist einfach zu gro!

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    Mangansulfide

    herausgelste Mangansulfide

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    Quelle: Galvanotechnik 06/2009

    Festigkeit > 1000N/mm2

    Durch

    Stahlherstellung

    Wrmebehandlung

    Beizen

    Korrosion

    Durch

    statische bzw.

    niederfrequente

    Belastung

    Wann besteht die Gefahr von Wasserstoffbrchen?

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    Es gibt 4 wesentliche Theorien:

    Drucktheorie

    Adsorbtionsmodell

    Dekohsionstheorie

    Versetzungstheorie

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    Die Drucktheorie

    Dieses Modell ist eines der ltesten, das zur

    Erklrung von Schden an Stahl durch

    Wasserstoff erstellt wurde.

    Diese Theorie geht davon aus, dass der atomare

    im Gitter gelste Wasserstoff an den inneren

    Oberflchen des Gefges rekombiniert, wobei

    das entstehende H2 Gas extrem hohe Drcke aufbaut.

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    Das Adsorbtionsmodell

    Dieses Modell basiert auf der Annahme, dass

    durch die Verringerung der Oberflchenenergie

    infolge von Wasserstoffadsorbtion an der

    Rissspitze die kritische Bruchspannung fr das

    Risswachstum herabgesetzt wird.

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    Dekohsionstheorie

    Durch Anlagerungen des Wasserstoffs an den

    Korngrenzen kommt es zur Herabsetzung der

    Bindung der Korngrenzen untereinander. Dieses

    fhrt zum Bruch. Eine Dekohsion kann bereits

    durch Ausscheidungen (Karbide) auf den

    Korngrenzen verursacht werden

    (Anlassversprdung) und in Kombination mit

    einem Wasserstoffangebot zu Ausfall fhren.

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    Versetzungstheorie

    Infolge der starken Bindungsenergie des

    Wasserstoffs an die Versetzungen kommt es zu

    hohen Wasserstoffkonzentrationen. Diese fhren

    dann zur Blockierung der Versetzung.

    Es kommt zum Aufstauen der Krfte und somit

    zum Spontanausfall.

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    Quelle: Galvanotechnik 06/2009

    Werkstoffliche Ursache fr Ausflle

    Nichtmetallische

    Einschlsse und

    Fehlstellen

    Wrmebehandlungs-

    fehler beim

    Anlassen / Hrten

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    Nachweis von Wasserstoffversprdung

    Der Nachweis von Wasserstoffversprdung ist ein indirekter Nachweis.

    Erkannt werden bei der Bruchflche:

    Interkristalliner Bruchverlauf mit klaffenden Korngrenzen, Mikroporen und Harrlinien.

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    Werkstoffliche Ursache fr die Ausflle

    Welche Seite zeigt einen Bruch verursacht durch

    Wasserstoff??

    Wasserstoff Karbidausscheidung

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Es gibt nicht nur die Wasserstoffversprdung die zu

    einem solchen Bruchbild fhren kann!

    Mgliche weitere Ursachen:

    Schwchung der Korngrenzen.

    Erhhung der Diffusionsgeschwindigkeit des H.

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    Somit sollte der Nachweis dieses bercksichtigen

    Schritte des Nachweises:

    Betrachtung der Bruchflche im Rasterelektronenmikroskop.

    Erstellen eines Schliffs als Mehrstufen- (3D) Schliff und Untersuchung auf Fehlstellen.

    Innerhalb des 3D Schliffs 2 mal auf Korngrenzenausscheidungen tzen.

    Alle diese drei Ergebnisse geben eine Ausfallwahrscheinlichkeit

    weil

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    Langsamzugversuch

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    Langsamzugversuch

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    Langsamzugversuch

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    Permeationsmessung

    Versuchsaufbau aus dem Labor WKLM

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    Permeationsmessung

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    Permeationsmessung

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    Beizen und Inhibitoren

    Das Beizen

    Anodische Teilreaktion: Fe Fe2+ + 2 e-

    Kathodische Teilreaktion: 2 H+ + 2e- H2

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    Beizen und Inhibitoren

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    Wirkungsweise von Inhibitoren

    Beizinhibitoren sind Stoffe, die den Angriff der Suren

    (Beize) auf das zu beizende Grundmaterial reduzieren und

    somit den Wasserstoffeintrag vermindern.

    Die Wirkung wird durch eine Filmbildung auf der Oberflche

    des Bauteils erzielt. Es handelt sich in der Regel um

    langkettige bzw. zyklische Verbindungen.

    Achtung! Es gibt beim Beizen zwei Vorgnge!

    Anodische Metallauflsung (gewnscht).

    Kathodische Wasserstoffabscheidung (unerwnscht)

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    Wirkungsweise von Inhibitoren

    Es soll somit nur die kathodische Teilreaktion unterbunden

    werden!

    Die anodische Teilreaktion wird unbedingt bentigt. Diese

    Teilreaktion reinigt die Schrauben!!! Ohne diese Teilreaktion

    wird die Ware nicht sauber!

    Beize durchlchert die Oxidschicht.

    Elektrolytische Entfettung sprengt die Schicht ab.

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Wirkungsweise von Inhibitoren

    Gibt es wesentliche

    Unterschiede bei den

    Inhibitoren?

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    Wirkungsweise von Inhibitoren

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    Wirkungsweise von Inhibitoren

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    Wirkungsweise von Inhibitoren

    Gibt es Stoffe bei denen die

    Inhibitorwirkung aufgehoben wird?

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    Wirkungsweise von Inhibitoren

    Ja!!

    So genannte Promotoren heben die

    Wirkung eines Inhibitors auf.

    z.B. Arsen, Cyanide und im Wesentlichen Schwefelwasserstoff.

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Die Schraube M 14 x 1,5

    Zink-Nickel transparent versiegelt,

    gleitbeschichtet

    Ohne Tempern

    Realversuche in Versuchsfahrzeugen

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Schichtdickenverteilung im Vergleich

    Substrat

    Gewindetal

    Einbettmasse

    Zn/Ni-Schicht

    15 m

    Zink-Lamelle Zink-Nickel

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    Die Kenndaten

    Werkstoffanalyse

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    Hrteverlauf

    Die Kenndaten

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    Gefgebilder Lngsschliff

    Die Kenndaten

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    Extremer Schichtaufbau im Gewindegrund durch 4-5

    Beschichtungsdurchlufen. Lamelle Zink-Nickel

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    Verspanntest im Automobillabor

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    Korrosionstest

    !! Nach 720 Stunden Salzsprhtest !!

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Verspanntest nach 264

    Stunden

    Parameter 130 Nm

    (links 180, rechts 90)

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Verspanntest nach 264 Stunden +

    Auslagerung 28C 120 Stunden

    Parameter 130 Nm

    (links 180, rechts 90)

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Verspanntest nach 264 Stunden

    (bis 5 Kopfneigung) + Korrosionsangriff (DIN 50021SS; 360h)

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Projekt Rippschraube und Mutter M 14

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Projekt Rippschraube und Mutter M 14

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Projekt Rippschraube und Mutter M 14

    Drehmoment:

    Serie (Gegenlage hart)

    210Nm

    Versuch

    300Nm

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    Projekt Rippschraube und Mutter M 14

    Drehmoment:

    Serie (Gegenlage hart)

    210Nm

    Versuch

    300Nm

    360 Stunden

    Salzsprhtest

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Projekt Rippschraube und Mutter M 14

  • 2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

    Projekt Rippschraube und Mutter M 14

    Anzugsmoment 280Nm

    (Gegenlage weich)

    Zink-Nickel

    Lamelle

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    Ende

    Wir danken fr Ihre Aufmerksamkeit!

    Rohteil Ohne Beschichtung

    Zink Zink/Nickel

    Zink +

    Passivierung

    Zink/Nickel +

    Passivierung