Wasserstoffversprödung

Das unerwartete Versagen von Schrauben hat schwerwiegende Auswirkungen auf das Endprodukt und kann erhebliche Kosten verursachen. 

Wasserstoffversprödung bezeichnet den dauerhaften Verlust der Duktilität eines Metalls oder einer Legierung aufgrund von eingedrungenen Wasserstoffatomen im Gefüge. Unter Belastungen, insbesondere bei hohen Zugspannungen, kann dies zu einem spröden Bruch (verzögerter Bruch) führen.

Dieses Versagen kann sowohl kurz nach der Montage als auch Monate, oder sogar Jahre später auftreten, ohne dass äußerlich sichtbare Anzeichen vorhanden sind.

Wasserstoffversprödung wird in zwei Haupttypen unterteilt, je nachdem, woher der Wasserstoff stammt. Die interne Wasserstoffversprödung (Internal Hydrogen Embrittlement, IHE) wird durch Restwasserstoff verursacht, der während der Stahlherstellung oder Verarbeitungsschritte wie Beizen und Galvanisierung absorbiert wird. Umweltbedingte Wasserstoffversprödung (Environmental Hydrogen Embrittlement, EHE) hingegen kann durch von außen in das Metall eindringenden Wasserstoff verursacht werden.

Es ist wichtig, Maßnahmen zu ergreifen, um die Wasserstoffversprödung zu verhindern und das Risiko des Schraubenversagens zu minimieren. Dies kann eine sorgfältige Materialauswahl, die Kontrolle der Herstellungsprozesse und die Vermeidung von Wasserstoffquellen umfassen. Eine umfassende Kenntnis der Wasserstoffversprödung und der geeigneten Gegenmaßnahmen ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Baugruppen zu gewährleisten.

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Wie kommt es zur Wasserstoffversprödung?
Wie läuft der Prozess der Wasserstoffversprödung ab?
Wie lässt sich das Risiko der Wasserstoffversprödung bei Schrauben minimieren?
Wie CELO dabei helfen kann, Wasserstoffversprödung in Ihren Baugruppen zu verhindern

Wie kommt es zur Wasserstoffversprödung?

Das Auftreten von Wasserstoffversprödung erfordert das Vorhandensein von drei elementaren Bedingungen, die gleichzeitig erfüllt sein müssen. Diese Bedingungen sind in dem folgenden Diagramm dargestellt.

Das Risiko der Wasserstoffversprödung stellt insbesondere bei Schrauben ab Festigkeitsklasse 10.9 ein ernstzunehmendes Risiko dar.

Wie läuft der Prozess der Wasserstoffversprödung ab?

Die Wasserstoffversprödung erfolgt in der Regel durch einen 3-stufigen Prozess:

1. Wasserstoffabsorption:

Absorption von Wasserstoff


Bei Raumtemperatur können Kohlenstoffstahllegierungen Wasserstoffatome während verschiedener Herstellungsprozesse absorbieren, wie beispielsweise durch Säurereinigung, Galvanisierung oder Exposition gegenüber wasserstoffhaltigen Umgebungen.

2. Diffusion:

Wasserstoff bei Korngrenzen, Versetzungen oder Störstellen


Die absorbierten Wasserstoffatome sind äußerst mobil und diffundieren insbesondere in Bereiche mit hohen Spannungen im Bauteil, wie beispielsweise Korngrenzen, Versetzungen oder Einschlüsse. An den Metallkorngrenzen bilden sich Hohlräume durch den Wasserstoff. Die Diffusion von Wasserstoff in das Material führt zu einem Verlust an Duktilität. Dabei wird das Material spröder und anfälliger für Rissbildung.

 

3. Versprödung:

Rissbildung unter Belastung


Nach längerer Einwirkung hoher Zugspannungen auf die Schraube üben die entstandenen Hohlräume zusätzlichen Druck auf die Metallkörner aus. Dadurch entstehen erste Risse, die entlang der geschwächten Korngrenzen weiterwachsen, bis ein Bruch der Schraube erfolgt.

Wenn ein Riss unter Zugspannung entsteht, kommt es zu einer hohen Spannungskonzentration an der Rissspitze. Bei ausreichend vorhandenem Wasserstoff, interagiert dieser mit der Rissspitze und setzt die Ausbreitung des Risses in Gang.

Bild 1. Fortpflanzungsriss Riss in einer Schraube

Wie lässt sich das Risiko der Wasserstoffversprödung bei Schrauben minimieren?

Die Wasserstoffversprödung ist ein von außen nicht sichtbares und schwer vorhersehbares Phänomen. Obwohl die Herstellungsverfahren optimiert wurden, um das Risiko der Wasserstoffversprödung zu minimieren, gibt es keine Produktionsmethode, die eine vollständige Eliminierung der Versprödung garantieren kann. Es gibt jedoch Maßnahmen, um das Risiko einzugrenzen:

1. Die Normen für galvanisierte Schrauben ISO4042 und ASTMF1941/F1941M klassifizieren anfällige Verbindungselemente. Das Tempern erfolgt bei Temperaturen von 190°C bis 230°C über einen Zeitraum von bis zu 24 Stunden, abhängig von der Größe und Festigkeit/Härte der Schraube. Obwohl dieses Verfahren die interne Wasserstoffversprödung nicht vollständig beseitigt, reduziert es das Risiko erheblich, indem es den mobilen Wasserstoff extrahiert und an Einschlussstellen immobilisiert.

2. Verwendung organischer Beschichtungen: Bei Schrauben mit einem hohen Risiko der Wasserstoffversprödung in Anwendungen mit hohen mechanischen Anforderungen wird die Verwendung organischer Beschichtungen empfohlen, bei denen während des Beschichtungsprozesses keine Elektrolyse durchgeführt wird.

Bild 2. Wasserstoffverteilung in Schraube vor und nach dem Tempern

Wie CELO dabei helfen kann, Wasserstoffversprödung in Ihren Baugruppen zu verhindern

Die Anwendungsingenieure von CELO stehen Ihnen zur Seite, um das Auftreten von Wasserstoffversprödung in Ihren Baugruppen zu verhindern. Wir bieten folgende Unterstützung:

  • Empfehlung von Werkstoffen mit geringerer Anfälligkeit für Wasserstoffversprödun.

  • Optimierung der Baugruppe, um Zug-, Scher- und Biegespannungen zu reduzieren.

  • Auswahl der geeigneten Schraubenbeschichtung, die den Korrosionsanforderungen entspricht und das Risiko der Wasserstoffversprödung verringert. Porösere Beschichtungen ermöglichen eine effektivere Wasserstoffdiffusion und minimieren das Risiko.

TEST zum Nachweis von Wasserstoffversprödung

Der Nachweis der Wasserstoffversprödung von Schrauben bei Raumtemperatur kann anhand der internationalen Norm ISO 15330:1999 durchgeführt werden. Dieser Test führt ein Spannungsniveau ein, welches den Versprödungsprozess beschleunigt und die Anfälligkeit für wasserstoffinduzierte Rissbildung bestimmt. Bei CELO bieten wir diesen Test in unserem Labor an.