AK Wasserstoffversprödung: Korrosionsbedingtes ... Wasserstoff-durchtritt möglich? Diffusions-koeffizient [cm²/s] Randbedingung Grundwerkstoff (GW): Ck67(Diffusionskoeffizient:

AK Wasserstoffversprödung:

Korrosionsbedingtes Wasserstoffgefährdungspotenzial

Zentrum für KonstruktionswerkstoffeMPA/IfW TU DarmstadtProf. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 1

Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

Kompetenzbereich OberflächentechnikDipl.-Ing. Georg Andersohn

Christian Krauß M.Sc.

Technologische Herausforderungen Industrielle Anforderungen

Effizienter Einsatz von Rohstoffen/ Ressourcen bei stetig steigenden Sicherheitsanforderungen

Konsequenz: Leichtbau, höhere mechanische Ausnutzung, höherfeste Werkstoffe

Werkstoffe im Wandel Anforderungen vs. Herausforderungen

Eignung hochfester Stähle unter korrosiven Einsatzbedingungen bewerten

Prüfung: Bewertung des korrosionsbedingten Wasserstoffgefährdungspotenzials

Gefahr: Wasserstoffinduzierte Rissbildung

?29.11.2012 | Zentrum für Konstruktionswerkstoffe | Christian Krauß M.Sc. | AK Wasserstoffversprödung | Folie Nr.: 2

Wasserstoffinduzierte RissbildungKomplexbeanspruchung

Werkstoff

•Hohe Festigkeit•Anfälliges Werkstoffgefüge•Unreines Werkstoffgefüge

H-Quelle Mech. Belastung

• Zugbeanspruchung• Zugeigenspannung

• Fertigungsbedingt• Betriebsbedingt

Wasserstoffinduzierte

Rissbildung

[Quelle: Bildarchiv-Hamburg.de]

[Quelle: http://www.wotec-online.com]


Wasserstoffinduzierte RissbildungWasserstoffeintrag

� Hoher Wasserstoffeintrag in kurzem Zeitintervall [Minuten]

� Auswirkungen nach Belastung

� Geringer Wasserstoffeintrag in unbekanntem Zeitintervall [Jahrzehnte]

� Auswirkungen nach Belastung in

Fertigungsbedingt Betriebsbedingt

innerhalb kurzer Zeit sichtbar [Stunden, Tage]

� Wahrnehmung des Gefährdungspotenzials hoch und messbar

Abhängigkeit des Wasserstoffeintrags sichtbar [Jahrzehnte]

� Wahrnehmung des Gefährdungspotenzials gering bis gar nicht und kaum messbar

Differenzierte Betrachtung nötig


Projekt AiF 16196 N/1

Entwicklung einer Methode zur Untersuchung des korrosionsbedingten Wasserstoffgefährdungspotenzials von modernen Korrosionsschutzsystemen auf Zinkbasis bei hochfesten Bauteilen aus Stahl

BewertenZiele, Chancen

„neues“ Werkzeug

Umweltsimulationen

Ziele, Chancen:

� Einsatzmöglichkeiten hochfester Bauteile besser beurteilen können

� Überzugssysteme vertieft bewerten und entwickeln können

� Produktsicherheit erhöhen

„neu


BewertenAufbau „Werkzeug“

Charakterisierung der Systemkomponenten

Einfluss des Überzuges auf

� Wasserstoffangebot

� Wasserstoffdurchtrittsverhalten

Wechselwirkungen der Systemkomponenten analysierenWechselwirkungen der Systemkomponenten analysieren

� Festigkeitseigenschaften bei betriebsbedingtem Wasserstoffangebot

Geeignete Umweltsimulation ableiten

� Vereinfachte Qualifizierungsmethode zur Bewertung des

Gefährdungspotenzials infolge Korrosion


Charakterisierung der SystemkomponentenVersuchsmaterial

Werkstoff: 32CrB4 (Martensitisches Gefüge)

Rm: 1340 MPa

RmK: 1836 MPa

Form: Eingerollte Kerbe (mehrachsiger (mehrachsiger Spannungszustand)

Beschichtungssysteme:

1) thermisch Zink [thermZn]

2) Zinklamelle [ZnL]

3) galvanisch Zink (alk.) [gZn]

4) galvanisch Zink-Nickel [gZnNi]

eingerollte Kerbe


Charakterisierung der SystemkomponentenBetrachtung der „Wasserstoffquelle“

Schicht-system

Schichtdicke (Schaftbereich)

[µm]

Ladungs-menge

[C/cm²]

Ladungsmengebezogen auf Schichtdicke

thermZn 35 90 2,6

gZnNi 5 9 1,8

gZn 6 10 1,7

ZnL 6 3 0,5


Charakterisierung der SystemkomponentenBetrachtung des Durchtrittverhaltens

Vorgehen: Wasserstoffpermeationsmessungen

Schichtsystem Wasserstoff-durchtritt möglich?

Diffusions-koeffizient

[cm²/s]

RandbedingungGrundwerkstoff (GW): Ck 67 (Diffusionskoeffizient: 1,3*10-6 cm²/s)Palladiumüberzug: beidseitigBeladung: Galvanostatisch (10 mA/cm²)

gZn Nein - (n.b.)

gZnNi Ja 6,4*10-7

Zinklamelle Ja 1,6*10-6


st [%]

Wechselwirkungen der Systemkomponenten analysieren

Fragestellung: Einfluss des korrosionsbedingten Wasserstoffangebots auf die resultierenden Festigkeiten

Verfahren: Gestufter Korrosionszeitstandversuch

(Step-Load-Test)

rel. ertragbare Last [%

68Merkmale:

� Stufenweiser Anstieg bis zum Bruch (kritische Last)

� Laststufen richten sich nach Festigkeit des Probenmaterials

� Effektive Ermittlung einer Schwellbelastung durch Anpassung

der Laststufen


st [%]

100


Zugversuch an Luft

gestufter Korrosionszeitstandversuch(Step-Load-Test, SLT)?

st [% Rmk]

80

100

120

Schichtsystem: gZn; Medium: 5% NaCl (pH = 3)


Versuchsdauer

68?

5 10 15 20 [h] 300

60

40

20



Ergebnis: Step-Load-Test an Luft


100

90

80

% Rmk]

-

Material: 32CrB4Rm: 1340 MPaRmk: 1836 Mpa (Kt=3,4)

Umgebungsmedium: Luft

gZnNi ZnL gZn thermZn schwarz

70

60

50

40

30

20

10

0

rel. ertragbare Last [% R


Ergebnis: Step-Load-Test in 5 % NaCl (pH= 3, angesäuert mit H2SO4) im Vergleich zu den an Luft ermittelten Werten


100

90

80

% Rmk]

-

Material: 32CrB4Rm: 1340 MPaRmk: 1836 MPa (Kt=3,4)Umgebungsmedium: 5 % NaCl pH=3

gZnNi ZnL gZn thermZn schwarz

70

60

50

40

30

20

10

0

rel. ertragbare Last [% R


⇒ Differenzierbares Gefährdungspotenzial der

unterschiedlichen Überzugsysteme unter korrosiven

Umgebungsbedingungen

⇒ für Testlösung 5 % NaCl, pH = 3:

thermZn, gZn > gZnNi, ZnL


thermZn, gZn > gZnNi, ZnL

gZn gZn


Geeignete Umweltsimulation ableitenZiele/ Vorgehensweise

Ziele

� Vereinfachte Qualifizierungsmethode zur Bewertung des korrosionsinduzierten Wasserstoffgefährdungspotenzials

Randbedingungen

� Nutzung vorhandener Testeinrichtungen� Nutzung vorhandener Testeinrichtungen

� Differenzierbarkeit

� Beaufschlagung: Wechsel zwischen Feuchtphase und Trockenphase (Effusionsmöglichkeit) realisieren

� Konditionierung: Stufenweiser Anstieg der korrosiven Belastung (Wasserstoffangebot)

� Unterstützung der Medienauswahl durch Wasserstoffaktivitätsbestimmungen


Geeignete Umweltsimulation ableitenUmgebungsmedien charakterisieren

kti

vit

ät

aH

Sauerstoffgehalt sowie pH-Wert beeinflussen die Wasserstoffaktivität stark

Korrosionsbedingte Beladung

ladung

pH=4

Wa

sse

rsto

ffa

kti

vit

Umgebungsmedium

pH=4

Material: C86

Tauch-versuch

Sprüh-kammer

Galvanostatische Beladun


Geeignete Umweltsimulation ableitenUmgebungsmedien charakterisieren

kti

vit

ät

aH

Wasserstoffpromotor führt zu einem signifikanten Anstieg der Wasserstoffaktivität

1% H2SO4+ 0,1g/l Na2S

1% H2SO4+ 1g/l Na2S

Wa

sse

rsto

ffa

kti

vit

Umgebungsmedium Material: C86

1% H2SO4


Durch veränderte Hardware können jetzt auch Permeationsströme resultierend aus der freien Korrosion unter weniger stark korrosiven Medien aufgezeichnet und bewertet werden (Anwendungsbezug).

Wasserstoffaktivität ist abhängig vom:

Umgebungsmedium (pH-Wert, Promotorkonzentration)

WasserstoffaktivitätsmessungenZusammenfassung

Umgebungsmedium (pH-Wert, Promotorkonzentration)

Applikationsart (Immersion, Nebelbeaufschlagung)

Wichtige Erkenntnisse:� Wasserstoffaktivität ist abhängig von vielen Faktoren.

� Die Wahrscheinlichkeit für einen korrosionsinduzierten Wasserstoffeintrag ist unter freier Korrosion um Zehnerpotenzen geringer als bei einer kath. H.-beladung.


Geeignete Umweltsimulation ableitenAktueller Stand

Step-Load-Test: Kritische LastniveausPermeation: Bewertung der Testlösung


Zusammenfassung/ Ausblick

Vor dem Hintergrund eines vermehrt wachsenden Einsatzes von hoch-und höchstfesten Stählen nimmt zwangsläufig das Gefährdungspotenzial einer betriebsbedingten wasserstoffunterstützten Rissbildung zu.

Es konnte nachgewiesen werden, dass die unterschiedlichen Es konnte nachgewiesen werden, dass die unterschiedlichen Überzugssysteme einen verschiedenartigen Einfluss auf das Wasserstoffgefährdungspotenzial ausüben.

Aktuell wird an der Umsetzung in eine vereinfachte Qualifizierungsmethode auf Basis der kombinierten Nutzung weit verbreiteter Testeinrichtungen gearbeitet.

Zukünftig soll eine Bewertungsgrundlage für verschiedenartige Umgebungsbedingungen erarbeitet werden.


Danksagung

Das IGF-Vorhaben (16196 N / 1) der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Stahlverformung e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Wir danken der FSV sowie dem Deutschen Schraubenverband (DSV) für die Realisierung und die finanzielle Unterstützung. Das Projekt wurde durch einen, aus Mitgliedsfirmen des DSV bestehenden, projektbegleitenden Ausschuss unter der Leitung von Dr.-Ing. Stefan Beyer begleitet.


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