Praxisbeispiel

VORSCHAU: Transformation der Galvano- und Oberflächentechnik

Bericht über das 41. Ulmer Gespräch, die jährlich stattfindende wissenschaftliche Tagung der Deutschen Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik e. V.(DGO) am 8. und 9. Mai in Neu-Ulm

Der Einsatz von hochfesten Stählen erfordert eine sorgfältige Behandlung der metallischen Oberflächen durch Reinigen und galvanische Beschichtung, um die Gefahr einer Schädigung durch Wasserstoffversprödung zu verhindern. Häufig wird hierzu das Tempern als Nachbehandlung eingesetzt. Drei Fachvorträge des Ulmer Gesprächs befassten sich mit dem Thema Wasserstoffversprödung. Die Konsequenzen aus REACh im Hinblick auf die Versorgung mit Grundchemikalien sowie dem Recycling von metallischen Werkstoffen als Quelle für Rohstoffe waren weitere Vortragsthemen. Auch über die Fortschritte der galvanischen Abscheidung durch den Einsatz von ionischen Flüssigkeiten und nichtwässrigen Elektrolyten, die vor allem für Metalle wie Aluminium oder Titan sehr gefragt sind, wurde berichtet.

Fortsetzung aus WOMag 6/2019

Wasserstoffversprödung

Die Gefahr der Bildung von Schäden durch Wasserstoffversprödung stellt bei den galvanisch beschichteten hochfesten Stählen eine große Herausforderung dar. Mit diesem Thema befasst sich Sören Trollst, TU Darmstadt, speziell mit der Spannungsrisskorrosion im Schraubensektor. Die Ursachen für derartige Schädigungen liegen in der hohen Festigkeit und einer bestimmten Gefügestruktur des Stahls, einem ausreichend hohen Angebot an Wasserstoff sowie dem Vorliegen einer mechanischen Spannung.

Zur Prüfung von Werkstoffen und Gefahren, wie sie auch in der Arbeitsgruppe des Vortragenden durchgeführt wurden, kommen unter anderem mechanisch-technologische Prüfverfahren zum Einsatz, bei denen vor allem die langen Prüfdauern nachteilig sind. Der Schädigungsmechanismus wird in die Bereiche Wasserstoffaufnahme, Wasserstoff­diffusion und Gitterverzerrung unterschieden. Als Testwerkstoff wurde in der Arbeitsgruppe des Vortragenden C75 (1.0605) gewählt, der mit Zink-Nickel (alkalischer Elektrolyt) und Zink (saurer Elektrolyt) galvanisch beschichtet wurde. Die Schichten aus den beiden Systemen unterscheiden sich deutlich in Bezug auf die auftretenden Risse, die nur bei Zink-Nickel beobachtet wurden.

Verfahren zur Sichtbarmachung der Effusionspfade für Wasserstoff aus galvanisch aufgebrachten Beschichtungen (Bild: S. Trollst)

 

Die Menge des aufgenommenen Wasserstoffs wurde mittels Heißgasextraktion mit unterschiedlichen Versuchsdetails bestimmt. Parallel wurde die gängige Prüfmethode mittels C-Ring genutzt, wobei zwei unterschiedliche Härten der C-Ringe zum Einsatz kamen. Die Verteilung des Wasserstoffs wurde einmal mit und einmal ohne Beschichtung bestimmt; dazu wurde die Schicht chemisch abgebeizt. Bei Zink-Nickel zeigte es sich, dass Wasserstoff bei Raumtemperatur abhängig vom Beschichtungssystem bereits wieder effundieren kann. Bei Zinkschichten konnte dies nicht festgestellt werden. Nach einer Wärmebehandlung treten bei offenporigem Zink-Nickel keine Ausfälle durch Wasserstoffversprödung auf. Bei Zinkschichten kann durch das Tempern (200 °C, 1 h) die Ausfallrate verringer, aber nicht vollständig vermieden werden.

Unter Einsatz von Silber besteht die Möglichkeit, den Wasserstoffaustritt auf der Schicht sichtbar zu machen: Es lässt sich nachweisen, dass der Austritt bei Zink-Nickel-Schichten an den Rissen erfolgt, so dass die Rissbildung von Vorteil ist. Bei Zinkschichten ist es nicht entscheidend, ob eine Schicht Risse hat oder nicht.

Wasserstoffgefährdung bei zinkbasierten Schutzsystemen

Im zweiten Beitrag gab Dr. Jens Pudewills, Dörken MKS, einen Überblick über den Stand der Technologie zur Wasserstoffgefährdung für zinkbasierte kathodische Korrosionsschutzsysteme. Als Wasserstoffquellen spielen neben den galvanischen Beschichtungsverfahren das Beizen und die elektro­chemische Reinigung eine ­nennenswerte Rolle. Zudem kann durch säureinduzierte Korrosion Wasserstoff entstehen und in den Werkstoff eindringen. Zu berücksichtigen ist, dass die Bildung von Wasserstoffgas an der Oberfläche bei allen Verfahren bevorzugt abläuft. Je nach Zusammensetzung der vorhandenen Lösung oder dem Zustand der Werkstoffoberfläche kann allerdings mehr oder weniger Wasserstoff in den Werkstoff eindiffundieren. Im Werkstoff erfolgt die Einlagerung beispielsweise an Fehlstellen wie Korngrenzen, Leerstellen oder Versetzungen.

Zur Erklärung der Wasserstoffaufnahme stehen vier Theorien zur Auswahl: Drucktheorie, HELP, Adsorptionstheorie und HEDE, wobei die Schädigungen durch Wasserstoff bevorzugt durch HEDE erklärt werden. Die Theorien lassen sich wie folgt kurz beschreiben:

  • Drucktheorie: Der atomare, im Gitter gelöste Wasserstoff rekombiniert an den inneren Oberflächen des Gefüges und durch den auftretenden Druck entstehen Risse
  • HELP (Hydrogen Enhanced Local Plasticity): Eine Erhöhung der Beweglichkeit von Versetzungen hat eine Verringerung der Dehngrenze zur Folge
  • Adsorptionstheorie: An einer Rissspitze führt die Wasserstoffadsorption zur Verringerung der Oberflächenenergie
  • HEDE (Hydrogen Enhanced Decohesion): Die Bindungskräfte im Gitter werden durch eingelagerten Wasserstoff geschwächt

Die Effusion kann am besten durch eine Wärmebehandlung erfolgen, wobei je nach Örtlichkeit der Wasserstoffeinlagerung unterschiedliche Temperaturen zu empfehlen sind.

Mechanismen der Wasserstoffabsorption (Bild: Dr. J. Pudewills)

 

Im Vergleich der verschiedenen Verfahren mit Potenzial einer Wasserstoffversprödung schneiden das Beizen und die galvanische Beschichtung bezüglich der Wasserstoffentstehung gegenüber allen anderen Methoden schlechter ab. Aus diesem Grund müssen hochfeste Stähle nach dem Beizen oder Beschichten einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Bei Verfahren wie Feuerverzinken, thermischem Spritzen oder Zink­lamellenbeschichtung eignen sich die prozessbedingten Schritte bei höheren Temperaturen zur Effusion von Wasserstoff im Grundwerkstoff.

Wärmebehandlung

Dr. Frank Schweizer, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, und Dr. Stefan Kölle, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, richteten den Blick auf die Verfahren zur Wärmebehandlung, durch die eine Wasserstoffversprödung vermieden werden soll. Die Bestimmung von Wasserstoff in Schichten und Grundwerkstoffen wurde mittels Glimmentladungsspek­troskopie (GDOS) vorgenommen, bei der die Wasserstoffanteile in Abhängigkeit vom Abstand zur äußeren Grenzfläche erfasst werden. Die Vorgaben in der Normung sind nach Ansicht von Dr. Schweizer unbefriedigend, insbesondere sind die Zeitdauern der Wärmebehandlung tendenziell zu lang.

Experimentelle und rechnerische Methoden sollen optimierte Verfahren ermöglichen. Zu diesem Zweck wurden Untersuchungen und Bewertungen zu Behandlungstemperatur und -dauer durchgeführt; die Energieeffizienz des Gesamtprozesses war dabei ein wichtiger Aspekt. Ziel ist, dem Anwender auf Basis einer Datenbank ein Werkzeug zur Verfügung zu stellen, um seinen jeweiligen Prozess bestmöglich zu gestalten. Bezüglich der Anfälligkeit von Werkstoffen ist deren jeweilige Löslichkeit für Wasserstoff eine wichtige Größe. Aus allen derartigen Angaben wurde ein Berechnungsmodell erstellt. Mit dem entstandenen Modell lässt sich die Wasserstoffverteilung gemäß der Praxis mit guter Genauigkeit aufzeigen. In einem weiteren Schritt wird das Modell durch Messwerte aus der Praxis validiert. Für die Datenbank finden unter anderem Messwerte für Nickel, Zink-Nickel und Kadmium auf Stahl als Vergleichswerte Anwendung.

Übersicht über genormte Verfahren zur Wärmebehandlung mit den wichtigsten Charakteristika (Bild: F. Schweizer/S. Kölle)

 

Den gesamten Bericht lesen Sie in der nächsten Ausgabe der WOMag, die ab 10. August verfügbar ist.