Wasserstoffversprödung ist eine typische spröde Versagensart von hochfestem Stahl. In die Stahlmatrix eindringende freie Wasserstoffatome sammeln sich an inneren Defekten, Korngrenzen und Spannungskonzentrationsbereichen an und verursachen einen starken Anstieg der lokalen inneren Spannungen. Wenn die durch Wasserstoff-induzierte konzentrierte Spannung die lokale Festigkeitsgrenze des Stahls überschreitet, bilden sich im Inneren des Materials irreversible Mikrorisse. Nach der Formung und dem Einsatz der Schraube breiten sich diese Mikrorisse unter dem Kopplungseffekt von innerer Restspannung und äußerer Arbeitsspannung weiter aus und führen schließlich zu einem plötzlichen Sprödbruch.
Wasserstoffversprödung ist irreversibel. Es kann nur durch die Kontrolle des Prozesses und der Arbeitsbedingungen verhindert und nicht durch eine Nachbehandlung beseitigt werden. Daher ist ein klares Verständnis der auslösenden Faktoren für Wasserstoffversprödungsbrüche unerlässlich, um solche Ausfälle grundsätzlich zu vermeiden. Zu den Hauptursachen für die Wasserstoffversprödung von Schrauben aus legiertem Stahl gehören das Eindringen von Wasserstoff beim Beizen, Restwasserstoff beim Schmelzen, Wasserstoffabsorption aus Betriebsumgebungen und wasserstoffinduzierter verzögerter Sprödbruch.
1. Eindringen von Wasserstoff bei Beizprozessen
Vorbehandlungsverfahren wie Beizen, Phosphatieren, Verseifen und Galvanisieren sind die Hauptursachen für das Eindringen von Wasserstoff bei der Schraubenherstellung. Unter diesen Prozessen weisen Beizen und Phosphatieren das bedeutendste Wasserstoffentwicklungs- und Wasserstoffpenetrationsverhalten auf. Während der Phosphatierungsbehandlung bildet das saure Medium zahlreiche mikrogalvanische Zellen zwischen Eisen- und Kohlenstoffstrukturen im Stahl. An der Anode bildet sich ein dichter Phosphatfilm auf der Werkstückoberfläche, während an der Kathode heftige Wasserstoffentwicklungsreaktionen stattfinden, die eine große Anzahl aktiver Wasserstoffatome erzeugen.
Neu erzeugte Wasserstoffatome zeichnen sich durch ein geringes Volumen und eine hohe Aktivität aus, sodass sie leicht in die Stahloberfläche eindringen und in der Matrix verbleiben können. Das Eindringen von Prozesswasserstoff während der Herstellung ist die Hauptursache für WasserstoffversprödungsbrücheSchrauben aus legiertem Stahl.
2. Unvollständige Wasserstoffentfernung während des Schmelzens
Beim Schmelzen von legiertem Stahl werden Spuren von Wasserstoff durch Rohstoffe, Ofengas und Kühlmedien eingetragen. Abhängig von der Schmelztemperatur, der Ofenumgebung, den Entgasungsprozessen und der Prozesskontrolle können Wasserstoffatome in der Stahlschmelze nicht vollständig entfernt werden, so dass eine gewisse Menge Restwasserstoff in der Stahlmatrix zurückbleibt.
Restwasserstoff verringert die Bindungsfestigkeit der Stahlkorngrenzen und erhöht die strukturelle Sprödigkeit. Bei der anschließenden Wärmebehandlung, dem Kaltstauchen und der Betriebsbelastung beschleunigt es die Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen und erhöht das Risiko eines Wasserstoffversprödungsbruchs erheblich.
3. Wasserstoffaufnahme aus externen Serviceumgebungen
Wenn Schrauben langfristig in feuchten, regnerischen oder korrosiven Umgebungen eingesetzt werden, kommt es auf der Schraubenoberfläche zu elektrochemischen Reaktionen, die durch Feuchtigkeit und korrosive Medien ausgelöst werden. Bei diesen Reaktionen entstehen kontinuierlich aktive Wasserstoffatome, die in die Bolzenmatrix eindringen.
In Umgebungen mit Regen, hoher -Luftfeuchtigkeit und starkem Salznebel absorbieren Bolzen Wasserstoff schneller und bilden eine höhere Wasserstoffansammlung, was im Vergleich zu trockenen Arbeitsbedingungen zu einer viel höheren Wahrscheinlichkeit eines Wasserstoffversprödungsbruchs führt.
4. Wasserstoff-induzierter verzögerter Sprödbruch
Dies ist die Hauptversagensart der Wasserstoffversprödung. Freier Restwasserstoff innerhalb der Schraubenmatrix sammelt sich unter der kombinierten Wirkung von Restvorspannung und wechselnder Betriebslast kontinuierlich an Spannungskonzentrationszonen an. Die Wasserstoffanreicherung verringert die Bruchzähigkeit des Materials erheblich und fördert die langsame Ausbreitung inhärenter Mikrorisse, was schließlich zu einem verzögerten Sprödbruch ohne offensichtliche Vorversagenssymptome führt. Es handelt sich um einen typischen, bei geringem Stress auftretenden plötzlichen Ausfallmodus.
Maßnahmen zur Verhinderung von Wasserstoffversprödung
Wasserstoffversprödung vonSchraubensetzt vor allem auf Prävention. Bei der tatsächlichen Produktion und Anwendung müssen Rohstoffe mit geringer -Wasserstoffempfindlichkeit- entsprechend den Festigkeitsklassen der Schrauben und den Betriebsbedingungen ausgewählt werden. Schlüsselprozesse wie Wärmebehandlung, Beizen, Phosphatieren und Galvanisieren sollten optimiert werden, begleitet von einer strengen Dehydrierungsbehandlung und einer vollständigen Prozessqualitätskontrolle. Umfassende Präventionsmaßnahmen, die die Auswahl der Rohstoffe, die Herstellung, die Oberflächenbehandlung, die Montage und den Betrieb umfassen, können das Risiko einer Wasserstoffversprödung wirksam beseitigen.
