Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ermittlung von Einflussfaktoren und Erarbeitung von Effusionsparametern zur sicheren Anwendung von durch wasserstoffinduzierte Schäden gefährdeten hochfesten Stahl-Bauteilen (ehemals VP 1252)

Diffusibler Wasserstoff kann an hochfesten Stahlbauteilen, die im Zuge des Leichtbaus immer häufiger verwendet werden, zu katastrophalem Bauteilversagen führen. Die hierzu ausreichenden geringen kritischen Gehalte (< 1 ppm) diffusiblen Wasserstoffs können bereits bei der Fertigung von Halbzeugen und Bauteilen während des Beizens oder Verzinkens in den Werkstoff gelangen.

Daher sind sowohl Stahlhersteller, als auch –anwender daran interessiert, diesen Wasserstoff durch Wärmebehandlungen zu entfernen. Die dabei verwendeten Temperaturen und Zeiten werden jedoch nicht durch werkstoffspezifische Effusionsparamater ermittelt. Das resultiert in zu langen Wärmebehandlungszeiten oder einer unzureichenden Wasserstoffeffusion.

Im Rahmen des Projekts werden der Warmumformstahl 22MnB5, der Kaltumformstahl DP800 sowie der klassische Maschinenbaustahl 42CrMo4 mit verschiedenen Gefügezuständen hinsichtlich ihrer Wasserstoffeffusion untersucht.

Hierzu werden zunächst Sättigungskurven mit unterschiedlichen Wasserstoffgehalten erfasst. Danach erfolgen eine Auslagerung bei Raumtemperatur sowie Wärmebehandlungen bei verschiedenen Temperaturen und Zeiten. Der Wasserstoffgehalt wird dann mit der Hydrogen Collecting Analysis (HCA) und thermischen Desorptionsanalyse (TDA) erfasst. Hierdurch kann der Einfluss des Gefüges hinsichtlich des maximal löslichen Wasserstoffgehalts, der Diffusions- sowie der Effusionsgeschwindigkeit direkt verglichen werden. Mithilfe von Standzeitprüfungen wird der Einfluss extern wirkender Spannungen erfasst.

Als Ergebnis des Vorhabens werden leicht zu handhabende Diagramme und Tabellen bereitgestellt. Diesen kann der Anwender die Adsorption, Diffusion und Verteilung des Wasserstoffs im Bauteil entnehmen und die für die Effusionswärmebehandlung nötige Temperatur und Zeit ablesen.

Das ermöglicht eine effizientere Effusionswärmebehandlung für KMU, was wiederum Kosten spart und die Gefahr auf herstellungsbedingte wasserstoffinduzierte Schädigungen ausschließt.

Ergebniszusammenfassung:

Die Wasserstoffeffusion hochfester Stahlbauteile wird wesentlich von deren Gefügezustand und plastischen Verformung beeinflusst. Die zugrundeliegenden Effusionsprozesse können mit Hilfe von gemessenen Diffusions- und Effusionsmessungen in numerischen Simulationen abgebildet werden, was mit Effusionsversuchen in der Thermodesorptions Spektroskopie verifiziert werden konnte. Diese nummerischen Rechnungen ermöglichen somit eine Abschätzung von Effusionszeiten in Abhängigkeit der Blechdicke, des Umformgrades oder der Effusionstemperatur. Dafür wurden Effusionsdiagramme erstellt, aus denen sich die Effusionszeiten einfach ablesen lassen. Anwendungsmöglichkeiten sind bspw. die Optimierung von Effusionszeiten sowie die Abschätzung von Effusionszeiten bei neu konstruierten Bauteilen, bei denen jegliche Erfahrungswerte für die Dauer der Effusionswärmebehandlung fehlen. Da die prozessbedingte Wasserstoffaufnahme von Bauteil zu Bauteil unterschiedlich ist, sind vorgeschaltete Wasserstoffanalysen dennoch notwendig. Die Effusionsdiagramme bilden aus diesem Grund lediglich eine prozentuale und somit allgemeingültige Wasserstoffabnahme ab.

Um eine breite Anwendbarkeit für verschiedenste KMU zu gewährleisten müssen zusätzliche Einflussgrößen wie die Effusionstemperatur und die Zeit der Wasserstoffaufnahme (Grad der Sättigung) Berücksichtigung finden, die sich nicht alle gemeinsam in wenigen Diagrammen abbilden lassen. Aus diesem Grund wäre es ausblickend denkbar, die Abschätzung von Effusionszeiten nicht in einem Effusionsdiagramm, sondern in einer simplen Software zu integrieren.