Ein sprödes Thema

Die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion kann plötzliche Systemausfälle an Funktionsbauteilen von Trucks und Trailern verursachen.

Sie ist ein Phänomen, das aus scheinbar „heiterem Himmel“ eintritt: Die wasserstoffinduzierte Spannungsriss­korro­sion führt besonders bei hochfesten Bau­teilen zum plötz­lichen Versagen. Konstruktionsteile, aber auch  Ver­bindungselemente können von jetzt auf gleich brechen. Bei Trucks und Trailern bedeutet dieser plötzliche Ausfall: Stillstand, Lieferverzug und erhöhte Kosten.

Zusammenspiel verschiedener Ursachen

Die Gefahr der Wasserstoffversprödung betrifft nur hoch­feste Stähle ab Festigkeiten > 1.000 N/mm² und sie ent­steht durch Wasserstoffatome, die in den Stahl ein­diffun­dieren. Ermöglicht wird dies z. B. durch Ge­fügefehler, Einschlüsse, Verunreinigungen oder mecha­nische Span­nun­gen bei der Stahlerzeugung. Weitere Einflussgrößen ergeben sich dann bei der Fertigung von Bauteilen aus Stahl durch Maßnahmen wie Umfor­mung, Verfestigung oder Wärmebehandlung. Den dritten Einflussfaktor stellt die Beschichtung des Bauteils. Bei Beiz- bzw. Reini­gungsvorgängen und dem galvani­schen Be­schichten von ferritischen Stahlteilen kann im Pro­zessbad atomarer Wasserstoff entstehen, der in die Stahloberfläche ein­diffundieren kann. Meist ist es das kritische Zusammen­wirken verschiedener Einfluss­größen, das schließlich zum Versagen eines Bau­teils führt, ohne dass eine Vor­schädigung bemerkt werden konnte.

Ein schleichender Prozess

Der atomare Wasserstoff wandert im Stahl zu den Korngrenzen und zu Fehlstellen - wie z. B. äußere und innere Kerben, Stanzkanten oder Grate. Er reichert sich dort an und schwächt dabei den Metallverbund bis ein mikro­skopisch feiner Riss entsteht. Dadurch entspannt sich zwar diese Zone; an der Rissspitze entstehen jedoch neue Spannungskonzentrationen, die ihrerseits wieder atomaren Wasserstoff anziehen, geschwächt werden und reißen. In letzter Konsequenz kann der Restquerschnitt die äußere Zugbelastung nicht mehr tragen und es kann zu einem verzögerten Sprödbruch kommen.

Die DIN 50969-1 beschreibt, wie sich die Einflussgrößen der wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion durch die konstruktive Auslegung des Bauteils, durch werk­stofftechnische und fertigungstechnische Maßnahmen und durch die Verminderung von Zugeigenspannungen reduzieren lassen. Auch bei der Beschichtung kann man versuchen, die Wasserstoffaufnahme durch ent­spre­chen­de Prozessführung zu minimieren – zum Beispiel indem man bei der Vorbehandlung nicht beizt sondern strahlt oder alkalisch entfettet einsetzt. Auch kann man den Wasserstoff  durch Tempern wieder effundieren lassen. Dies hängt jedoch von der Struktur der galvanischen Schicht ab und ist zeit- und damit kostenaufwändig.

Zinklamelle als „entspannte“ Alternative

Die beste Lösung ist deshalb, ein Beschichtungssystem einzusetzen, in dessen Prozess gar kein Wasserstoff an­geboten wird. Die nicht-elektrolytische applizierte Zink­lamellen­beschichtung ist deshalb eine gute Wahl bei der Her­ausforderung, ein hochfestes Stahlbauteil sicher vor Korrosion zu schützen. Dabei handelt es sich um einen „Lack“ aus vielen kleinen Lamellen, der Bauteile ver­schiedener Art primär vor Korrosion schützt. Durch die Opferwirkung des unedleren Zinks schützt er aktiv vor Umwelteinflüssen. Das nennt sich kathodischer Korro­sionsschutz.

Zinklamellenüberzüge enthalten meist eine Kombination aus Zink- und Aluminiumlamellen (gem. DIN EN ISO 10683 oder DIN EN 13858), die durch eine anorganische Matrix verbunden sind. Dabei wer­den im Regelfall Schutz­schichten im Schichtdi­ckenbereich zwi­schen 8 und 12 µm aufge­bracht, die sehr hohe Korro­sionsstand­zeiten im Salz­­sprühnebeltest er­möglichen. Lamellenartig angeord­nete Zink­partikel, verbunden durch eine Bindermatrix, ver­netzen dabei auf dem Bauteil. Dies kann schon bei Raumtemperatur geschehen; die meisten Produkte wer­den jedoch bei Temperaturen von gewöhnlich 180 - 220°C eingebrannt. Materialschonender kann kathodi­scher Kor­ro­­sionsschutz nicht aufgebracht werden. Je nach Bauteil empfehlen sich unterschiedliche Applikationsformen - für Schrauben bietet sich z.B. das Tauch-Schleuder-Ver­fahren an, für größere Bauteile die Spritzapplikation.


Verhältnis von Schichtdicke zu Salzsprühnebeltestbeständigkeit

Keine wirkliche Kostenfrage

Korrosionsschäden an hoch beanspruchten Kon­struk­tionsteilen oder Verbindungssystemen bei Trucks und Trailern können im Versagensfall zu Schäden und Folgekosten führen, deren wertmäßige Größenordnung in keinem Vergleich zu den Kosten des eingesetzten Be­schichtungssystems steht. Der Einsatz von Zinklamellen­systemen ermöglicht hier einen hoch leistungsfähigen kathodischen Korro­sions­schutz - ohne die Gefahr der prozessbedingten Wasserstoffversprödung während des Applikationsprozesses und mit der Aussicht auf den langen Werterhalt und den störungs­freien Einsatz eines teuren Investitionsgutes.

Abbildung 1 und 2 stellen beispielhaft zwei verschiedene Arten von Wasserstoffrissen dar:


Abb. 1:Interkristalliner Wasserstoffriss (REM-Aufnahme 10 µm, Quelle: GSI NL SLV Duisburg)


Abb. 2: Transkristalliner Wasserstoffriss (REM-Aufnahme 10 µm, Quelle: GSI NL SLV Duisburg)