2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen
Wasserstoff
Einführung und Grundlagen
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Schäden durch Korrosion
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Schäden durch Korrosion
Allein in Deutschland für 2008
73 Mrd. Euro / Jahr
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Wasserstoff induzierte
Spannungsrisskorrosion
Grundlagen und Theorien
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Eisen Wasserstoff
Größenvergleich der Atome Eisen Wasserstoff
Durchmesser Eisenatom 252 pm Durchmesser Wasserstoffatom 50 pm
Umrechnung piko-Meter Meter 1pm = 1012 Meter
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Beispiel eines Eisengitters mit Fehlern
Wasserstoff
Wasserstoff
Wasserstoff
Wasserstoff
Wasserstoff
Nur der atomare Wasserstoff (H) ist gefährlich!
Der molekulare (H2) Wasserstoff kann nicht ins
Metallgitter.
Er ist einfach zu groß!
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Mangansulfide
herausgelöste Mangansulfide
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Quelle: Galvanotechnik 06/2009
Festigkeit > 1000N/mm2
Durch
Stahlherstellung
Wärmebehandlung
Beizen
Korrosion
Durch
statische bzw.
niederfrequente
Belastung
Wann besteht die Gefahr von Wasserstoffbrüchen?
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•Es gibt 4 wesentliche Theorien:
•Drucktheorie
•Adsorbtionsmodell
•Dekohäsionstheorie
•Versetzungstheorie
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Die Drucktheorie
Dieses Modell ist eines der ältesten, das zur
Erklärung von Schäden an Stahl durch
Wasserstoff erstellt wurde.
Diese Theorie geht davon aus, dass der atomare
im Gitter gelöste Wasserstoff an den inneren
Oberflächen des Gefüges rekombiniert, wobei
das entstehende H2 – Gas extrem hohe Drücke
aufbaut.
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Das Adsorbtionsmodell
Dieses Modell basiert auf der Annahme, dass
durch die Verringerung der Oberflächenenergie
infolge von Wasserstoffadsorbtion an der
Rissspitze die kritische Bruchspannung für das
Risswachstum herabgesetzt wird.
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Dekohäsionstheorie
Durch Anlagerungen des Wasserstoffs an den
Korngrenzen kommt es zur Herabsetzung der
Bindung der Korngrenzen untereinander. Dieses
führt zum Bruch. Eine Dekohäsion kann bereits
durch Ausscheidungen (Karbide) auf den
Korngrenzen verursacht werden
(Anlassversprödung) und in Kombination mit
einem Wasserstoffangebot zu Ausfall führen.
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Versetzungstheorie
Infolge der starken Bindungsenergie des
Wasserstoffs an die Versetzungen kommt es zu
hohen Wasserstoffkonzentrationen. Diese führen
dann zur Blockierung der Versetzung.
Es kommt zum Aufstauen der Kräfte und somit
zum Spontanausfall.
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Quelle: Galvanotechnik 06/2009
Werkstoffliche Ursache für Ausfälle
Nichtmetallische
Einschlüsse und
Fehlstellen
Wärmebehandlungs-
fehler beim
Anlassen / Härten
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Nachweis von Wasserstoffversprödung
•Der Nachweis von Wasserstoffversprödung ist ein indirekter Nachweis.
•Erkannt werden bei der Bruchfläche:
•Interkristalliner Bruchverlauf mit klaffenden Korngrenzen,
Mikroporen und Harrlinien.
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Werkstoffliche Ursache für die Ausfälle
Welche Seite zeigt einen Bruch verursacht durch
Wasserstoff??
Wasserstoff Karbidausscheidung
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Es gibt nicht nur die Wasserstoffversprödung die zu
einem solchen Bruchbild führen kann!
•Mögliche weitere Ursachen:
•Schwächung der Korngrenzen.
•Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit des H.
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Somit sollte der Nachweis dieses berücksichtigen
•Schritte des Nachweises:
•Betrachtung der Bruchfläche im Rasterelektronenmikroskop.
•Erstellen eines Schliffs als Mehrstufen- (3D) Schliff und Untersuchung auf
Fehlstellen.
•Innerhalb des 3D Schliffs 2 mal auf Korngrenzenausscheidungen ätzen.
Alle diese drei Ergebnisse geben eine Ausfallwahrscheinlichkeit
weil…
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Langsamzugversuch
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Langsamzugversuch
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Langsamzugversuch
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Permeationsmessung
Versuchsaufbau aus dem Labor WKLM
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Permeationsmessung
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Permeationsmessung
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Beizen und Inhibitoren
Das Beizen
Anodische Teilreaktion: Fe Fe2+ + 2 e-
Kathodische Teilreaktion: 2 H+ + 2e- H2
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Beizen und Inhibitoren
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Wirkungsweise von Inhibitoren
Beizinhibitoren sind Stoffe, die den Angriff der Säuren
(Beize) auf das zu beizende Grundmaterial reduzieren und
somit den Wasserstoffeintrag vermindern.
Die Wirkung wird durch eine Filmbildung auf der Oberfläche
des Bauteils erzielt. Es handelt sich in der Regel um
langkettige bzw. zyklische Verbindungen.
Achtung! Es gibt beim Beizen zwei Vorgänge!
Anodische Metallauflösung (gewünscht).
Kathodische Wasserstoffabscheidung (unerwünscht)
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Wirkungsweise von Inhibitoren
Es soll somit nur die kathodische Teilreaktion unterbunden
werden!
Die anodische Teilreaktion wird unbedingt benötigt. Diese
Teilreaktion reinigt die Schrauben!!! Ohne diese Teilreaktion
wird die Ware nicht sauber!
Beize durchlöchert die Oxidschicht.
Elektrolytische Entfettung sprengt die Schicht ab.
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Wirkungsweise von Inhibitoren
Gibt es wesentliche
Unterschiede bei den
Inhibitoren?
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Wirkungsweise von Inhibitoren
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Wirkungsweise von Inhibitoren
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Wirkungsweise von Inhibitoren
Gibt es Stoffe bei denen die
Inhibitorwirkung aufgehoben wird?
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Wirkungsweise von Inhibitoren
Ja!!
So genannte Promotoren heben die
Wirkung eines Inhibitors auf.
z.B. Arsen, Cyanide und im Wesentlichen Schwefelwasserstoff.
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Die Schraube M 14 x 1,5
Zink-Nickel transparent versiegelt,
gleitbeschichtet
Ohne Tempern
Realversuche in Versuchsfahrzeugen
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Schichtdickenverteilung im Vergleich
Substrat
Gewindetal
Einbettmasse
Zn/Ni-Schicht
15 µm
Zink-Lamelle Zink-Nickel
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Die Kenndaten
Werkstoffanalyse
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Härteverlauf
Die Kenndaten
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Gefügebilder Längsschliff
Die Kenndaten
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Extremer Schichtaufbau im Gewindegrund durch 4-5
Beschichtungsdurchläufen. Lamelle Zink-Nickel
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Verspanntest im Automobillabor
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Korrosionstest
!! Nach 720 Stunden Salzsprühtest !!
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Verspanntest nach 264
Stunden
Parameter 130 Nm
(links 180°, rechts 90°)
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Verspanntest nach 264 Stunden +
Auslagerung –28°C 120 Stunden
Parameter 130 Nm
(links 180°, rechts 90°)
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Verspanntest nach 264 Stunden
(bis 5° Kopfneigung) + Korrosionsangriff (DIN 50021SS; 360h)
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Projekt „Rippschraube und Mutter M 14“
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Projekt „Rippschraube und Mutter M 14“
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2012 Dipl. Ing. Karsten Stamm Wasserstoff Grundlagen und Erfahrungen
Projekt „Rippschraube und Mutter M 14“
Drehmoment:
Serie (Gegenlage hart)
210Nm
Versuch
300Nm
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Projekt „Rippschraube und Mutter M 14“
Drehmoment:
Serie (Gegenlage hart)
210Nm
Versuch
300Nm
360 Stunden
Salzsprühtest
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Projekt „Rippschraube und Mutter M 14“
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Projekt „Rippschraube und Mutter M 14“
Anzugsmoment 280Nm
(Gegenlage weich)
Zink-Nickel
Lamelle
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Ende
Wir danken für Ihre Aufmerksamkeit!
Rohteil Ohne Beschichtung
Zink Zink/Nickel
Zink +
Passivierung
Zink/Nickel +
Passivierung