1. Allgemeine Feststellungen

Das Verhalten von Wasserstoff in Metallen hängt stark von der Natur des Metalls ab, dem Grad seiner Reinheit, von Legierungselementen, der Verteilung der Spannungen, des Charakters von Defekten und anderen Faktoren. Es ist bekannt, dass Wasserstoff, der in das Metallgitter eines Metalls diffundiert, in der Lage ist, mit verschiedenen Defekten zusammenzuwirken, die im Metall vorhanden sind. Die Anreicherung von Wasserstoff in den Defekten eines Metalls ruft eine wesentliche Verschlechterung der Nutzungseigenschaften des Materials hervor.

 

Am stärksten erscheint die Wasserstoff-Sprödigkeit bei einer Wasserstoffanreicherung von hochfesten und gehärteten Stählen, die angewandt werden für die Fertigung sensibler und hochbelastbarer Eisenteile, von denen maximale Zuverlässigkeit im Betrieb erwartet werden. Wasserstoff in Stählen kann sich befinden in verschiedenen Zuständen, darunter in gelöstem (atomaren) und Molzustand, wie auch in verschiedenen gebundenen Formen. Für die kohlenstoffhaltigen Stähle ist charakteristisch das Zusammenwirken von Wasserstoff mit Kohlenstoff unter Bildung von Kohlenwasserstoffverbindungen, was zu unumkehrbaren Strukturänderungen führen kann. Die Vielfalt der Formen des Zusammenwirkens von Wasserstoff mit Metallen erklärt sich aus der Widersprüchlichkeit der Angaben über die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften hochfester Stähle vom allgemeinen Inhalt an Wasserstoff.

 

Das Problem der Wasserstoffanreicherung wird besonders aktuell, da die Wasserstoff-Sprödigkeit hochfester Stähle zu einer unbedeutend kleinen Menge an Wasserstoff führen kann.

 

Die Wasserstoffanreicherung von Stählen mit geringem Kohlenstoffanteil, aus denen die Mehrzahl von Kleineisenteilen hergestellt wird, führt nicht zu Metallversprödung.

 

Die Wasserstoffanreicherung von Stahlerzeugnissen bei elektrochemischen Prozessen findet in diesem oder jenem Maße statt auf allen Etappen der Verzinkung von Eisenteilen. Einen entscheidenden Beitrag bei der Wasserstoffanreicherung spielt die Verzinkung selbst, jedoch ist der Einfluss von Vorbereitungshandlungen bei der Erörterung von Fragen der Wasserstoff-Sprödigkeit ebenso zu berücksichtigen, deshalb wird die Katoden-Entfettung hochfester Stähle nicht angewandt.

 

Für die Beseitigung der Wasserstoff-Sprödigkeit werden die Eisenteile nach der elektrolytischen Verzinkung einer thermischen Verringerung der Kohlenstoffanreicherung unterworfen.

 

Die technologische Sicherstellung der Erhitzung der Bauteile bis zum vollständigen Erhitzen erfordert eine längere Zeit und hohe Energieaufwendungen. Das Erreichen einer vollständigen Beseitigung von Wasserstoff selbst bei längerer Verringerung der Wasserstoffanreicherung ist unmöglich bei Eisenteilen mit hervorragender Beschichtung wegen der extrem niedrigen Wasserdurchlässigkeit.

 

Im Maschinenbau ist das elektrolytische Verzinken für Stähle zulässig für Stähle mit einer Festigkeit von 1.000 N/mm². bei Erfüllung der entsprechenden Maßnahmen zur Senkung der Wasserstoff-Sprödigkeit. Gleichzeitig ist es verboten, hochbelastbare Kleinteile aus Stahl mit einer Festigkeit von 1.000 N/mm² und höher, für den eine erhöhte Zuverlässigkeit erforderlich ist, elektrolytisch zu verzinken.

 

Für eine garantierte Verhinderung der Wasserstoff-Sprödigkeit von Stählen mit einer Festigkeit von mehr als 1.000 N/mm² ist es zweckmäßig "stromlose" Verfahren des Verzinkens einzusetzen, bei deren Auftragung keine Wasserstoffanreicherung erfolgt. Zu diesen zählen die Heißverzinkung, die mechanische Verzinkung der Beschichtung des Typs "Dakromet", Zinklamellenbeschichtungen und andere auf Basis von Hochdispersions-Zink.

 

Ergebnis vielzähliger Versuche zeugen davon, dass das elektrolytische Verzinken eine deutliche Verringerung der relativen Verlängerung um 80% und der Anzahl der Zyklen bis zur Zerstörung eines Musters von 60% im Vergleich zu nichtbeschichteten Mustern. Die mechanische Verzinkung führt nicht zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von Kleinteilen, und die relative Verlängerung nach mechanischem Verzinken wächst sogar etwas an.

 

Das Erhitzen beschichteter Eisenteile auf 250°C wirkt positiv auf die Senkung der Wasserstoff-Sprödigkeit der Stähle, hat aber negativen Einfluss auf die Beschichtung selbst. Die Verringerung der Wasserstoffanreicherung senkt die Korrosionsbeständigkeit der Chromat-Überzüge und verschlechtert das äußere Bild.

 

2. Mechanismen der Wasserstoffanreicherung und Einflussfaktoren

 

In elektrochemischen Prozessen wird der Wasserstoff an der Katode abgeschieden, d.h. auf der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils. Bei der Verzinkung sind die Reaktionen der Abgabe von Wasserstoff und der Entladung der Metallionen immer verknüpft und verlaufen gleichzeitig.

 

Die Tiefe des Eindringens von Wasserstoff in die Stahlgrundlage kann 100 Mikrometer erreichen.

 

Die organischen Einschlüsse haben Einfluss auch auf die Kinetik der anschließenden thermodynamischen Verringerung der Wasserstoffanreicherung der Beschichtung und der Grundlage, ändern die Wasserdurchlässigkeit von Zink und erschweren die Entfernung von Wasserstoff auf dem Stahl. In hervorragenden Beschichtungen organischer Einschlüsse gibt es gewöhnlich mehr Einschlüsse, als in matten und ihre Entgasung ist erschwert. Beim Erhitzen der matten Beschichtungen wird der Wasserstoff faktisch vollständig entfernt, wogegen aus Bauteilen mit hervorragenden Zink eine vollständige Entfernung des Wasserstoffs selbst bei längerem Erhitzen im Verlaufe von 10-20 Stunden nicht eintritt.

 

Die Wasserstoff-Sprödigkeit hochfester Stähle, als negative Folge der Wasserstoffanreicherung von Metallen, hängt von allen betrachteten Faktoren ab, welche die Wasserstoffanreicherung des Systems "Stahl-Beschichtung" bestimmen. Jedoch selbst Stähle zeigen eine unterschiedliche Neigung zur Sprödigkeit in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung, des enthaltenen Kohlenstoffs, der Legierungsergänzungen und -beimischungen. Man darf nicht das elektrolytische Verzinken als einzige Ursache der Wasserstoff-Sprödigkeit hochfester Stähle ansehen. Von großer Bedeutung sind ebenso die Metallstruktur, Regime und Verfahren der Thermobehandlung, wie auch der Zustand der Teileoberflächen, die mit dem galvanischen Verzinken entstehen.

 

Die Standards für Ingenieure sehen spezielle Tests hinsichtlich der Neigung zur Wasserstoff-Sprödigkeit vor, auf Grundlage derer Handlungen zur Korrektur eigeleitet werden können, die gerichtet sind auf eine Verringerung der negativen Einwirkung der Wasserstoffanreicherung. Hinsichtlich der Neigung zur Wasserstoff-Sprödigkeit zur Senkung ist dargestellt eine Strukturreihe. Die Kombination einer annehmbaren Struktur des Metalls und der Technologie der Auftragung einer Beschichtung, einschließlich des Typs des Elektrolyt, erlaubt eine wesentliche Senkung der Gefahr eines Sprühbruchs des Erzeugnisses.

 

3. Einige Maßnahmen zur Senkung der Wasserstoff-Sprödigkeit

 

1.           Auswahl der Stahlmarke auf Grundlage von Versuchen hinsichtlich der Neigung zur Wasserstoff-Sprödigkeit;

2.           Auswahl der Regimes der Thermobearbeitung mit dem Ziel der Optimierung der Struktur und der Minimierung der Oberflächen-Säuerung des Metalls;

3.           Ausschluss einer Katoden-Entfettung in den Vorbereitungswannen der Oberfläche vor dem Verzinken;

4.           Auswahl des Elektrolyt der Verzinkung, dabei hervorragende Beschichtungen ausschließend;

5.           Anwendung stromloser Verfahren der Verzinkung, z.B. der Heißverzinkung, der mechanischen Verzinkung.

6.           Optimierung der Regime der Wasserstoffanreicherung.