Ein sprödes Thema

Die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion kann zum plötzlichen Zerbrechen von Schrauben, Federn oder Querlenkern führen – die Folgen bei Fahrzeugen und Maschinen wären verheerend.

Sie ist ein Phänomen, das aus scheinbar ungeklärten Ursachen eintritt: Die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion führt besonders bei hochfesten Bauteilen zum plötzlichen Versagen. Neben Verbindungselementen können dadurch auch Konstruktionsteile von jetzt auf gleich zerbrechen. Das führt bei komplexen Anlagen, Agrarmaschinen, Autos oder Trucks zu Ausfällen, Störungen aber auch Unfällen.

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, welches schließlich zum Versagen eines Bauteils führt, ohne dass eine Vorschädigung bemerkt werden konnte. 

Ein schleichender Prozess


REM-Aufnahme eines Wasserstoffrisses interkristallin 10 µm (Foto: GSI SLV Duisburg)

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. 


REM-Aufnahme eines Wasserstoffrisses transkristallin 10 µm (Foto: GSI SLV Duisburg)

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. 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“ Lösung

Eine relevante Alternative stellt deshalb der Einsatz eines Beschichtungssystems dar, in dessen Prozess gar kein Wasserstoff angeboten wird. Die nicht-elektrolytisch applizierte Zinklamellenbeschichtung ist hier 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 bzw. der Zinklegierung wird ein höchst kathodischer Korrosionsschutz und aktiver Schutz vor Umwelteinflüssen erzeugt. 

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 Korrosionsstanzeiten in allen gängigen Korrosionsprüfverfahren ermöglichen. Lamellenartig angeordnete Zinkpartikel, verbunden durch eine Bindermatrix, vernetzen sich dabei auf dem Bauteil. Dies kann schon bei Raumtemperatur geschehen; die meisten Produkte werden jedoch für gewöhnlich bei Temperaturen von 180–220°C eingebrannt. Aufgrund dieser hohen Performance zum Schutz vor Korrosion, wird dieses Verfahren bei einem Großteil aller Verbindungselemente sämtlicher Automobile eingesetzt.Je nach Bauteilgeometrie haben sich innerhalb des weltweiten Beschichternetzwerkes unterschiedliche Applikationsformen wie z. B. das Tauch-Schleuder-Verfahren für Federn und Schrauben, aber auch die Spritzapplikation für größere Bauteile etabliert.  

Diese wettbewerbsfähige Variante zur Aufbringung einer effektiven Beschichtung ist eine kostengünstige Alternative, die gleichzeitig alle geforderten technischen Anforderungen gegen Wasserstoffversprödung erfüllt. Nachdem das Verfahren bereits seit rund zwei Jahrzenten in der Automobilindustrie im Einsatz ist, wird sie nun auch vermehrt in der Windkraft-, Bau- und Agrarindustrie verwendet.