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2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen

Wasserstoff

Einführung und Grundlagen


Schäden durch Korrosion


Schäden durch Korrosion

Allein in Deutschland für 2008

73 Mrd. Euro / Jahr


Wasserstoff induzierte

Spannungsrisskorrosion

Grundlagen und Theorien


Eisen Wasserstoff

Größenvergleich der Atome Eisen Wasserstoff

Durchmesser Eisenatom 252 pm Durchmesser Wasserstoffatom 50 pm

Umrechnung piko-Meter Meter 1pm = 1012 Meter


Beispiel eines Eisengitters mit Fehlern

Wasserstoff

Wasserstoff

Wasserstoff

Wasserstoff

Wasserstoff

Nur der atomare Wasserstoff (H) ist gefährlich!

Der molekulare (H2) Wasserstoff kann nicht ins

Metallgitter.

Er ist einfach zu groß!


Mangansulfide

herausgelöste Mangansulfide


Quelle: Galvanotechnik 06/2009

Festigkeit > 1000N/mm2

Durch

Stahlherstellung

Wärmebehandlung

Beizen

Korrosion

Durch

statische bzw.

niederfrequente

Belastung

Wann besteht die Gefahr von Wasserstoffbrüchen?


•Es gibt 4 wesentliche Theorien:

•Drucktheorie

•Adsorbtionsmodell

•Dekohäsionstheorie

•Versetzungstheorie


Die Drucktheorie

Dieses Modell ist eines der ältesten, das zur

Erklärung von Schäden an Stahl durch

Wasserstoff erstellt wurde.

Diese Theorie geht davon aus, dass der atomare

im Gitter gelöste Wasserstoff an den inneren

Oberflächen des Gefüges rekombiniert, wobei

das entstehende H2 – Gas extrem hohe Drücke

aufbaut.


Das Adsorbtionsmodell

Dieses Modell basiert auf der Annahme, dass

durch die Verringerung der Oberflächenenergie

infolge von Wasserstoffadsorbtion an der

Rissspitze die kritische Bruchspannung für das

Risswachstum herabgesetzt wird.


Dekohäsionstheorie

Durch Anlagerungen des Wasserstoffs an den

Korngrenzen kommt es zur Herabsetzung der

Bindung der Korngrenzen untereinander. Dieses

führt zum Bruch. Eine Dekohäsion kann bereits

durch Ausscheidungen (Karbide) auf den

Korngrenzen verursacht werden

(Anlassversprödung) und in Kombination mit

einem Wasserstoffangebot zu Ausfall führen.


Versetzungstheorie

Infolge der starken Bindungsenergie des

Wasserstoffs an die Versetzungen kommt es zu

hohen Wasserstoffkonzentrationen. Diese führen

dann zur Blockierung der Versetzung.

Es kommt zum Aufstauen der Kräfte und somit

zum Spontanausfall.


Quelle: Galvanotechnik 06/2009

Werkstoffliche Ursache für Ausfälle

Nichtmetallische

Einschlüsse und

Fehlstellen

Wärmebehandlungs-

fehler beim

Anlassen / Härten


Nachweis von Wasserstoffversprödung

•Der Nachweis von Wasserstoffversprödung ist ein indirekter Nachweis.

•Erkannt werden bei der Bruchfläche:

•Interkristalliner Bruchverlauf mit klaffenden Korngrenzen,

Mikroporen und Harrlinien.


Werkstoffliche Ursache für die Ausfälle

Welche Seite zeigt einen Bruch verursacht durch

Wasserstoff??

Wasserstoff Karbidausscheidung


Es gibt nicht nur die Wasserstoffversprödung die zu

einem solchen Bruchbild führen kann!

•Mögliche weitere Ursachen:

•Schwächung der Korngrenzen.

•Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit des H.


Somit sollte der Nachweis dieses berücksichtigen

•Schritte des Nachweises:

•Betrachtung der Bruchfläche im Rasterelektronenmikroskop.

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

Fehlstellen.

•Innerhalb des 3D Schliffs 2 mal auf Korngrenzenausscheidungen ätzen.

Alle diese drei Ergebnisse geben eine Ausfallwahrscheinlichkeit

weil…


Langsamzugversuch


Permeationsmessung

Versuchsaufbau aus dem Labor WKLM


Permeationsmessung


Beizen und Inhibitoren

Das Beizen

Anodische Teilreaktion: Fe Fe2+ + 2 e-

Kathodische Teilreaktion: 2 H+ + 2e- H2


Beizen und Inhibitoren


Wirkungsweise von Inhibitoren

Beizinhibitoren sind Stoffe, die den Angriff der Säuren

(Beize) auf das zu beizende Grundmaterial reduzieren und

somit den Wasserstoffeintrag vermindern.

Die Wirkung wird durch eine Filmbildung auf der Oberfläche

des Bauteils erzielt. Es handelt sich in der Regel um

langkettige bzw. zyklische Verbindungen.

Achtung! Es gibt beim Beizen zwei Vorgänge!

Anodische Metallauflösung (gewünscht).

Kathodische Wasserstoffabscheidung (unerwünscht)



Es soll somit nur die kathodische Teilreaktion unterbunden

werden!

Die anodische Teilreaktion wird unbedingt benötigt. Diese

Teilreaktion reinigt die Schrauben!!! Ohne diese Teilreaktion

wird die Ware nicht sauber!

Beize durchlöchert die Oxidschicht.

Elektrolytische Entfettung sprengt die Schicht ab.



Gibt es wesentliche

Unterschiede bei den

Inhibitoren?



Gibt es Stoffe bei denen die

Inhibitorwirkung aufgehoben wird?



Ja!!

So genannte Promotoren heben die

Wirkung eines Inhibitors auf.

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


Die Schraube M 14 x 1,5

Zink-Nickel transparent versiegelt,

gleitbeschichtet

Ohne Tempern

Realversuche in Versuchsfahrzeugen


Schichtdickenverteilung im Vergleich

Substrat

Gewindetal

Einbettmasse

Zn/Ni-Schicht

15 µm

Zink-Lamelle Zink-Nickel


Die Kenndaten

Werkstoffanalyse


Härteverlauf

Die Kenndaten


Gefügebilder Längsschliff

Die Kenndaten


Extremer Schichtaufbau im Gewindegrund durch 4-5

Beschichtungsdurchläufen. Lamelle Zink-Nickel


Verspanntest im Automobillabor


Korrosionstest

!! Nach 720 Stunden Salzsprühtest !!


Verspanntest nach 264

Stunden

Parameter 130 Nm

(links 180°, rechts 90°)


Verspanntest nach 264 Stunden +

Auslagerung –28°C 120 Stunden

Parameter 130 Nm

(links 180°, rechts 90°)


Verspanntest nach 264 Stunden

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


Projekt „Rippschraube und Mutter M 14“



Drehmoment:

Serie (Gegenlage hart)

210Nm

Versuch

300Nm



Drehmoment:

Serie (Gegenlage hart)

210Nm

Versuch

300Nm

360 Stunden

Salzsprühtest



Anzugsmoment 280Nm

(Gegenlage weich)

Zink-Nickel

Lamelle


Ende

Wir danken für Ihre Aufmerksamkeit!

Rohteil Ohne Beschichtung

Zink Zink/Nickel

Zink +

Passivierung

Zink/Nickel +

Passivierung

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