Entwicklung einer Methode zur Untersuchung und Bewertung des fertigungsbedingten Wasserstoffgefährdungspotenzials moderner Korrosionsschutzsysteme für hochfeste Bauteile aus Stahl

Förderinstitution: AiF/FSV
Projektnummer: 17815 N/1


Kurzdarstellung
Im Zuge des voranschreitenden Leichtbaus wird immer stärker der Einsatz hochfester Stähle gefordert. Die Nutzung dieser Stähle ermöglicht es, Konstruktionen des Maschinen-, Apparate- und Stahlbaus hinsichtlich ihrer Baugröße zu optimieren und dadurch Ressourcen und Energie einzusparen. Mit zunehmender Festigkeit der eingesetzten Stähle steigt jedoch deren Anfälligkeit gegenüber einer wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion (H-SpRK) erheblich an, die eine Systemgröße darstellt. Die Ursache stellt stets ein anfälliger Werkstoffzu-stand dar und der Auslöser ist eine kritische Überlagerung einer mechanischen Beanspruchung und eines Wasserstoffangebots (Gefährdungspotenziale).

Zur Bewertung des fertigungsbedingten Wasserstoffgefährdungspotenzials von galvanischen Beschichtungsprozessen werden aktuell mechanischtechnologische Prüfmethoden nach DIN 50969-2 verwendet. Diese Methoden zählen jedoch zu den indirekten Prüfmethoden, da mit diesen das Gesamtsystem – Werkstoff – mechanische Beanspruchung – Wasserstoffangebot – bewertet wird und nicht allein das Wasserstoffgefährdungspotenzial. Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsprojekts stellte aus diesem Grund die Entwicklung eines umfassenden Bewertungsverfahrens dar, mit dem eine ganzheitliche und objektive Einschätzung des fertigungsbedingten H-Gefährdungspotenzials der unterschiedlichen Beschichtungsprozesse möglich ist. Aufbauend auf der entwickelten Bewertungsmethode sollte das Wasserstoff-Effusionsverhalten von beschichteten hochfesten Stählen untersucht werden, um die Effusionsprozesse in solchen System besser zu verstehen und die bisher üblichen nachträglichen Wärmebehandlungen zum Austreiben des während der Beschichtung aufgenommenen Wasserstoffs bezüglich der Dauer und damit auch bezüglich des Energieverbrauchs zu optimieren.

Am Beispiel von galvanischen Zink- und Zink-Nickel-Beschichtungsprozessen, die bei unterschiedlichen Beschichtern durchgeführt wurden, konnte eine umfassende Methodik zur Bewertung des fertigungsbedingten Wasserstoffgefährdungspotenzials von galvanischen Beschichtungsprozessen durch Kombination der bisher eingesetzten mechanisch-technologischen Prüfverfahren mit einer speziellen Form der Wasserstoffanalytik (Heißgasextraktionsmethode mittels Yanako-Einheit) entwickelt und verifiziert werden. Das für die verschiedenen Überzüge und die verwendeten Grundwerkstoffe charakteristische Wasserstoff-Effusionsverhalten bei Raumtemperatur (RT) und 200°C und die damit verbundenen Auswirkungen auf das Wasserstoffgefährdungspotenzial konnte mit dieser Methode untersucht und bewertet werden.

Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die oft verwendeten und mit hohem Zeit- und Kostenaufwand zu fertigenden Kerbzugproben durch einfach handhabbare und preiswerte C-Ringproben, die standardmäßig in drei Anfälligkeitsstufen verfügbar sind, im Zuge der Prozessfreigabe und –kontrolle von galvanischen Beschichtungsprozessen auf Basis der hier erzielten Ergebnisse ersetzt werden können.

Kurzdarstellung

Die statistische Auswertung der Wöhlerlinien von Schraubendruckfedern wurde unter Verwendung der Maximum-Likelihood-Methode, dem arcsin√p-Verfahren und dem Probitverfahren durchgeführt. Liegen ausreichend viele Bruchereignisse vor, die einen entsprechend großen Schwingspielzahlbereich umfassen, ist eine zweistufige Auswertung zu bevorzugen.

Aus den erzeugten und statistisch ausgewerteten Wöhlerlinien der untersuchten Schraubendruckfedern wurden Ermüdungsfestigkeitsnachweise mit den unterschiedlichen Schadensakkumulationshypothesen Miner elementar, Miner original und Miner modifiziert durchgeführt. Die verwendeten Schadensakkumulationshypothesen bildeten die Ergebnisse der Betriebsfestigkeitsversuche gut ab.

Im nächsten Schritt wurden Schadenssummen für die Schraubendruckfedern aus DH im Bereich von D = 0,49 bis D = 0,62 sowie für Schraubendruckfedern aus VDSiCr von D = 0,72 bis D = 0,79 ermittelt. Durch die Ermittlung dieser Schadenssummen können innerhalb der Betriebsbemessung von Schraubendruckfedern Lebensdauerabschätzungen bei Verwendung des entsprechenden Beanspruchungskollektivs durchgeführt werden. Die wirtschaftlichen Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind die Erhöhung der Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit von Schraubendruckfedern aus den genannten Werkstoffgruppen, die Vermeidung der Überdimensionierung und damit des nicht ökonomischen Materialeinsatzes, die Reduzierung von Schadensfällen mit allen negativen Konsequenzen sowie die Verbesserung der Kompetenz und der Beratungsmöglichkeiten der Federhersteller für ihre Kunden.