Ursachenanalyse des Wasserstoffversprödungsbruchs von Schrauben aus legiertem Stahl

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 verursachte konzentrierte Spannung die lokale Festigkeitsgrenze des Stahls überschreitet, entstehen irreversible Mikrorisse im Inneren des Materials. 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 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 Hauptquellen 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, wodurch 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 dauerhaft 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. Wasserstoffinduzierter 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 plötzlichen Ausfallmodus mit geringer Belastung.

Maßnahmen zur Verhinderung von Wasserstoffversprödung

Wasserstoffversprödung vonSchraubensetzt vor allem auf Prävention. In der tatsächlichen Produktion und Anwendung müssen Rohstoffe mit geringer Wasserstoffempfindlichkeit entsprechend den Schraubenfestigkeitsklassen und Betriebsbedingungen ausgewählt werden. Schlüsselprozesse wie Wärmebehandlung, Beizen, Phosphatieren und Galvanisieren sollten optimiert werden, begleitet von einer strengen Dehydrierungsbehandlung und einer umfassenden Qualitätskontrolle des Prozesses. Umfassende Präventionsmaßnahmen, die die Auswahl der Rohstoffe, die Herstellung, die Oberflächenbehandlung, die Montage und den Betrieb umfassen, können das Risiko einer Wasserstoffversprödung wirksam beseitigen.