Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung des Prüfverfahrens zum umweltbedingten wasserstoffinduzierten Sprödbruchverhalten von hochfesten Schraubenwerkstoffen mit Beschichtungssystemen auf Zinkbasis

Forschungsziel

Der Einsatz von hochfesten Stahlwerkstoffen in der Automobilindustrie ermöglicht es, durch Gewichtsreduzierung und Downsizing die vom Gesetzgeber geforderten und sich stetig verschärfenden Grenzwerte für den Schadstoffausstoß zu erreichen. Die besondere Anfälligkeit dieser Werkstoffe gegenüber umweltbedingter Wasserstoffversprödung und die Vielfalt der Faktoren, die den Schädigungsmechanismus beeinflussen, stellen eine Anforderung an eine zuverlässige, robuste und aussagekräftige Untersuchungsmethode für die Bewertung des umweltbedingten H-Gefährdungspotenzials von Schrauben mit Zinküberzugssystemen dar.

Der Ablauf eines im Rahmen vergangener Forschung erarbeiteten Laststeigerungsversuchs unter Korrosionsbelastung wird mit Hilfe eines Gleichungssystem analytisch beschrieben und mittels FEM (Comsol und Abaqus) numerisch simuliert. Dadurch wird das tiefere Verständnis über die Wechselwirkungen einzelner Schädigungsprozesse angestrebt. Das analytische Model wird durch einzelne Versuche mit Variation der Prüfparameter (Belastungsprofil, Aggressivität des Korrosionsmediums etc.) validiert.

Angestrebt wird eine Prüfmethode, die durch den Einsatz von numerischer Simulation von einzelnen Schädigungsprozessen und deren Wechselwirkungen vervollständigt und optimiert wird. Somit werden die Prüfergebnisse vertrauenswürdiger. Darüber hinaus wird die Interpretation und Bewertung der Prüfergebnisse im Hinblick auf die Einsatzsituation im Feld ermöglicht.

Den vorrangig dem Sektor der kmU zuzuordnenden Unternehmen in der Schrauben- und Beschichtungsindustrie kommen das erzielte Verständnis der Mechanismen und die Prüfmöglichkeiten im Zusammenhang mit einer umweltbedingten Wasserstoffversprödung von hochfesten Schrauben mit Zinküberzugssystemen unmittelbar zu Gute. Mittels numerischer Simulation wird eine Übertragbarkeit von an Prüfkörpern erzielten Ergebnissen der Korrosionsuntersuchungen auf die Feldbauteile komplexerer Geometrien ermöglich.

Ergebniszusammenfassung:

- Der Einfluss der Sauerstoffkonzentration, der Chloridionenkonzentration sowie des pH-Werts wässriger NaCl-Elektrolyte auf das Korrosionsverhalten einer Zink-Nickel- und einer Zinklamellenbeschichtung wurde quantitativ bewertet

- Die Wasserstoffabsorption und -adsorption einiger dieser Systeme wurde quantitativ bestimmt

- Die Beschichtungen haben zu keiner signifikant höheren Anfälligkeit gegenüber Wasserstoffversprödung geführt

- Eine Korrelation der Korrosionsstromdichte in wässrigen NaCl-Lösungen zur Bruchlast im Step-Load-Test (SLT) oder der Wasserstoffabsorption ist nicht gegeben

- Die Stromdichte bei der kathodischen Polarisation in einer wässrigen NaOH-Lösung und einer wässrigen H2SO4-Lösung korreliert in dem betrachtetem Parameterbereich ebenfalls nicht mit der Bruchlast

- Sowohl im SLT als auch im Slow-Strain-Rate-Test (SSRT) zeigt eine längere Wasserstoffbeladung keinen Einfluss auf die Bruchlast, wenn nicht gleichzeitig die Dehnrate variiert wird

- In einer wässrigen NaOH-Lösung wurden Bruchlasten erreicht, die leicht konservativ gegenüber denen in wässrigen NaCl-Lösungen sind. Eine wässrige H2SO4-Lösung hingegen führt zu deutlich niedrigeren Bruchlasten auch bei gleicher Stromdichte

- Eine Adaption der Parameter hinsichtlich der untersuchten Elektrolyte ist für verschiedene Normenkreise gegeben

- Vorgaben in Regelwerken müssen nicht zu detailliert gegeben werden, wodurch bereichsspezifische Realfälle besser abgebildet werden können

- Die Substitution einer NaCl-Lösung durch eine NaOH-Lösung ermöglicht die Bewertung gegenüber HE auch in Systemen, bei denen es zu keiner aktiven Metallauflösung kommen darf

- Bei der Entwicklung neuer Produkte und auch der Freigabeprüfung kann als Screening-Versuch ein beschleunigter SSRT zum Einsatz kommen

Unter Berücksichtigung einer im PbA beschlossenen Schwerpunktverschiebung wurde das Forschungsziel erreicht.

Zugunsten der Bewertung der Wasserstoffadsorption und -absorption wurde auf eine FEM-Simulation verzichtet.