Wasserstoffinduzierte Rissbildung (Wasserstoffversprödung)

Bei Beiz- bzw. Reinigungsvorgängen und dem galvanische Beschichten von ferritischen Stahlteilen wird aus dem Prozess-Bad immer atomarer Wasserstoff abgeschieden, der in die Stahloberfläche eindiffundieren kann.

Im Stahl wandert der atomare Wasserstoff zu Zonen mit hohen Zugspannungen (äußere und innere Kerben), reichert sich dort an und schwächt den Metallverbund Reduzierung der Kohäsionskräfte zwischen den Fe-Molekülen), bis ein Mikro-Riss entsteht.

Dadurch entspannt sich diese Zone, an der Riss-Spitze entstehen jedoch neue Spannungskonzentrationen, die ihrerseits wieder atomaren Wasserstoff anziehen, geschwächt werden, reißen, usw. Dies geht so lange, bis der Restquerschnitt die äußere Zugbelastung nicht mehr tragen kann und spontan bricht.

In inneren Poren kann sich zudem Wasserstoff ansammeln, zu Molekülen verbinden und dadurch sehr hohe Drucke erzeugen, die innere Anrisse, evtl. bis zur Zerstörung bilden.

Bei örtlichen Spannungskonzentrationen, vorzugsweise an kalt umgeformten Werkstücken, können sich bereits im unbelasteten Zustand Risse bilden, die final zum Sprödbruch führen können.

Teile mit Zugfestigkeiten Rm < 1.000 MPa sind in der Regel unkritisch. Alle Stahlteile mit einer Zugfestigkeit von Rm ≥ 1.000 MPa gelten als hochfest und gelten somit als kritisch.

Man kann versuchen die Wasserstoffaufnahme durch entsprechende Prozessführung zu minimieren (blanke Oberflächen, strahlen statt beizen, Inhibitoren) und einen Teil des Wasserstoffs durch Tempern (Erwärmen) der Teile nach der Galvanik wieder austreiben.

Diese Wärmebehandlung muss spätestens 4 Stunden nach der Beschichtung vorgenommen werden und kann bei ca. 210°C (± 10°C), je nach Zugfestigkeit, zwischen sechs und 24 Stunden dauern.

Zu beachten ist, dass die temperaturgestützte Wasserstoffaustreibung (Entsprödung) jedoch einen bereits eingesetzten Sprödbruch nicht rückgängig machen kann. Durch die nachträgliche Wärmebehandlung wird das Risiko einer Wasserstoffversprödung vermindert, eine vollständige Beseitigung kann aber nicht garantiert werden. Das Restrisiko trägt der Auftraggeber.

Eine Versprödungsprüfung kann nur durch eine Verspannungsprüfung (möglichst hohe Zugspannungen) über 24 - 96 Stunden bei 20°C durchgeführt werden, bei der kein Teil brechen darf.

Bei kritischen Teilen empfiehlt sich eine alternative Beschichtung (organisch/anorganisch) oder der Einsatz von nichtrostendem Stahl.

Quellen

DIN EN ISO 15330 - Verbindungselemente - Verspannungsversuch zur Entdeckung von Wasserstoffversprödung - Verfahren mit parallelen Auflageflächen

DIN EN ISO 4042 - Verbindungselemente - Galvanische Überzüge