Umgebungseinfluss auf den korrosionsbedingten Wasserstoffeintrag in hochfeste Stähle bei Anwendung von modernen Korrosionsschutzsystemen auf Zinkbasis
Förderinstitution: AiF/FSV
Förderkennzeichen: IGF-Nr. 17816 N/1
Projektlaufzeit: 01.09.2013 – 31.08.2016)
Kurzdarstellung
Zur Unterstützung des Leichtbaus erwächst die Forderung nach einem verstärkten Einsatz hochfester Stähle. Die angestrebte Gewichtsersparnis wird dabei durch eine Reduzierung der Bauteilwandstärke bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften ermöglicht. Mit dieser Entwicklung wächst aber auch für hochfeste Stahlbauteile das Risiko, dass sie unter bestimmten Bedingungen durch wasserstoffinduzierte Rissbildung versagen.
Als entscheidendes Manko erweist sich hierbei, dass zur Einschätzung des Gefährdungspotenzials infolge einer betriebsbedingten Aufnahme des Wasserstoffs im mechanisch hoch beanspruchten Zustand die grundlegende Kenntnis der Teilprozesse der Entstehung, Absorption und Verteilung von Wasserstoff während der Betriebsphase fehlt. Durch ein Verständnis dieser Teilprozesse könnte der Anwendungsbereich von hochfesten Werkstoffen im Maschinenbau und Fahrzeugbau grundlegend erweitert werden.
Eine der Kernaufgaben dieses Forschungsvorhabens war es, unterschiedliche praxisrelevante hochfeste bainitische Grundwerkstoffe hinsichtlich deren Eigenschaften bezüglich Wasserstoffdurchtritt, korrosionsbedingtem Wasserstoffangebot, Wechselwirkung mit dem Grundwerkstoff und dem daraus resultierenden Wasserstoffgefährdungspotenzial zu charakterisieren. Darüber hinaus wurde der Einfluss von Überzugssystemen auf Zinkbasis auf das resultierende Gefährdungspotenzial in Abhängigkeit des darunter liegenden Grundwerkstoffs beurteilt.
Die gewonnenen Ergebnisse verdeutlichen, dass die Werkstofffestigkeit kein alleinstehendes Merkmal zur Beurteilung der Werkstoffanfälligkeit gegenüber der Wasserstoffversprödung darstellt. Vielmehr kommt es auf das Wasserstoffangebot, die Wasserstoffeintrittsrate und die Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und den Versetzungen an, die letztendlich zu einem Bauteilversagen führen. Des Weiteren konnte im Rahmen dieses Forschungsprojektes ein unterschiedliches Verhalten von Zink-Überzugssystemen in Bezug auf die Grundwerkstoffeigenschaften festgestellt werden. Diese Charakteristika resultieren in – für die zwei praxisrelevanten Grundwerkstoffe und Überzugssysteme ermittelten – unterschiedlichen korrosionsbedingten Wasserstoffgefährdungspotenzialen, welche im Rahmen des Forschungsvorhabens mittels Laststeigerungsversuche ermittelt wurden. Es wurde gezeigt, dass bainitische Werkstoffe mit Festigkeitsklassen von 14.8 und 16.8 ein durchaus vergleichbares Verhalten wie das vom häufig eingesetzten martensitischen Werkstoff 32CrB4 erbringen können. Es ist jedoch zu beachten, dass die Toleranz gegenüber fertigungsbedingten Fehlern mit steigender Festigkeitsklasse abnimmt. Der beim Überzugssystem galvanisch Zink (gZn) beobachtete Festigkeitsabfall ist dem fertigungsbedingten Wasserstoffeintrag zuzuordnen. Das Überzugssystem Zink-Nickel (gZnNi) übt einen positiven Einfluss auf das Gefährdungspotenzial bei den getesteten Bedingungen aus. Die Auswirkung des Zinklamelle (ZnL)-Überzugs konnten nicht eindeutig beurteilt werden. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich des korrosionsbedingten Wasserstoffs dienen zur Charakterisierung des Korrosionssystems (Grundwerkstoff – Überzug – Korrosionsmedium) sowie zur besseren Abschätzung des potenziellen Risikos der Umgebungsbedingungen und tragen somit zur sicheren Bauteilauslegung bei.