Wasserstoffversprödung: Ursachen, Risiken und Vermeidung in der Oberflächentechnik

Dringen Wasserstoffatome in die atomare Gitterstruktur eines Metalls ein, verändern sich dessen Eigenschaften und damit das Werkstoffverhalten. Unter anderem können sich die Duktilität und die Tragfähigkeit verringern, was Rissbildung und Sprödbrüche unterhalb der erwarteten Dehn- und Streckgrenze zur Folge haben kann. Besondere Vorsicht ist in der Oberflächentechnik geboten, da Beschichtungsverfahren wie Galvanik, Verzinkung und Beizen Wasserstoff an der Metalloberfläche erzeugen und so dessen Eintrag ins Material begünstigen.

Was ist Wasserstoffversprödung und wie kommt es dazu?

Der Begriff Wasserstoffversprödung steht für einen Prozess, bei dem Metalle aufgrund von Wasserstoffeinlagerungen ihre Zähigkeit verlieren. Dieser Effekt tritt auf, wenn auf der Metalloberfläche durch Wasserstoffkorrosion oder andere chemische Reaktionen in der Oberflächenbehandlung Wasserstoffatome entstehen, die durch Diffusion in das Material eindringen, bevor sie sich an dessen Oberfläche zu diffusionsunfähigen Wasserstoffmolekülen verbinden.

Ein Teil des Wasserstoffs lagert sich in das Metallgitter ein und kann, je nach Werkstoff, zur Bildung von Metallhydriden führen. Ein anderer Teil sammelt sich an Gitterdefekten wie Versetzungen, Ausscheidungen oder Korngrenzen. In beiden Fällen kommt es zur Versprödung des Metalls. Unterschieden werden drei Hauptphasen:

1. Wasserstoff-Absorption: Das Metall nimmt den Wasserstoff auf.
2. Diffusion und Akkumulation: Die Wasserstoffatome wandern durch die Korngrenzen des Metalls. Sie sammeln sich in Bereichen mit hoher Zugspannung und bilden dort Mikrorisse und Hohlräume.
3. Risswachstum und Versagen: Die Mikrorisse dehnen sich aus. Mit der Zeit wird das Metallgitter so geschwächt, dass schon normale mechanische oder thermische Belastung zur Rissbildung führen kann.

Ursachen für Wasserstoffversprödung

Zu den wichtigsten Ursachen für Wasserstoffversprödung zählen:

• Schweißen
• Galvanik
• Beizen
• korrosive Umgebungen wie Säuren oder Feuchtigkeit
• unsachgemäßige Wärmebehandlung.

Vor allem Stahl nimmt Wasserstoff leicht auf und kann schnell verspröden. Besonders empfindlich reagieren hochfeste Stähle, da ihre Mikrostruktur den Vorgang begünstigt und Risse schneller wachsen können. Ein verwandtes Schadensbild ist die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion, bei der Zugspannungen und Wasserstoffaufnahme zusammenwirken und das Entstehen und Ausbreiten von Rissen fördern.

Eine Ausnahme bilden austenitische Stähle, die gegen eine Versprödung durch Wasserstoffeinlagerung und die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion weitgehend unempfindlich sind.

Welche Risiken sind mit einer Wasserstoffversprödung verbunden?

Verspröden Metalle unter dem Einfluss von Wasserstoff, verlieren sie ihre Verformbarkeit. Bauteile, die sich normalerweise elastisch oder plastisch verformen würden, brechen plötzlich und ohne Vorwarnung. Das unterscheidet Versprödungsbrüche von klassischen Ermüdungs- und Überlastungsbrüchen. Typische Beispiele sind der Ausfall von Schrauben und anderen Verbindungselementen und das Versagen von Leitungen und Druckbehältern.

In sicherheitskritischen Anwendungen wie der Automobilindustrie, der Luftfahrt und der Chemieindustrie ist die Wasserstoffversprödung ein ernstzunehmendes Thema, da sich ein Bauteileausfall unmittelbar auf die Funktions- und Betriebssicherheit auswirken kann.

Eine frühzeitige Risikobewertung und daraus abgeleitete Maßnahmen zur Prävention sind unverzichtbar, um das wasserstoffbedingte Versagensrisiko zu minimieren und die langfristige Zuverlässigkeit sicherheitsrelevanter Komponenten zu gewährleisten. Für Verbindungselemente wie Schrauben kann beispielsweise die DIN EN ISO 4042 herangezogen werden.

Wie lässt sich Wasserstoffversprödung vermeiden?

Wasserstoffversprödung und wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion lassen sich nicht vollständig verhindern. Es ist aber möglich, das Risiko durch verschiedene Methoden deutlich zu senken.

Kein Kontakt zwischen Metall und atomarem Wasserstoff

Die wichtigste Maßnahme besteht darin, die Interaktion von Metall und atomarem Wasserstoff zu unterbinden. Zum einen hilft es, Prozesse zu optimieren, in denen Wasserstoff entsteht, etwa in der Galvanik, beim Beizen oder beim Schweißen. Zum anderen sollten korrosive Medien vermieden oder zumindest durch einen wirksamen Korrosionsschutz unter Kontrolle gebracht werden.

Reduzieren des Wasserstoffeintrags

Effektiven Schutz bieten Diffusionsbarrieren und Beschichtungen, die den Wasserstoffdurchtritt deutlich senken. Am verbreitetsten sind Nickel- und Chromschichten, die in der Galvanik eingesetzt werden. Außerdem eignet sich die Zinklamellenbeschichtung, die eine dichte Barriere aus Zink- und Aluminiumflocken erzeugt. Während Zink für den klassischen kathodischen Korrosionsschutz sorgt, erhöht Aluminium die Barrierewirkung und verbessert die chemische Stabilität. Die Kombination ergibt eine sehr dichte, nicht-elektrochemische Schutzschicht, die fast keinen Wasserstoff mehr durchlässt.

Wo metallische Schichten an ihre Grenzen stoßen, können keramische Beschichtungen Abhilfe schaffen. Sie kommen vor allem dort zur Anwendung, wo Temperaturbeständigkeit, chemische Stabilität oder ein möglichst starker Barriere-Effekt gefragt sind. Gängige Einsatzfelder sind:

• Hochtemperaturtechnik
• Motoren und Turbinen
• chemische Prozessanlagen
• Bauteile mit hoher Verschleißbelastung
• Werkzeuge und Formen

Schichten aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliziumnitrid und Chromoxid sind dichter als die meisten metallischen Beschichtungen und zeichnen sich durch extrem niedrige Wasserstoffdiffusionsraten aus. Sie eignen sich allerdings nicht als Standardlösung, weil sie nicht auf jedem Grundwerkstoff ausreichend haften, spröder sind als metallische Schichten und die Aufbringungsverfahren aufwendig sind.

Gezielte Materialwahl und Beeinflussen der Mikrostruktur

In Einsatzgebieten, in denen sich das Auftreten atomaren Wasserstoffs nicht vermeiden lässt, können Stähle mit niedrigerer Festigkeitsklasse oder alternative Legierungen das Risiko für Wasserstoffversprödung reduzieren. Zusätzlich helfen Maßnahmen wie Kornfeinung, gezielte Ausscheidungen oder spezielle Legierungskonzepte dabei, den Wasserstoffeintrag zu verringern.

Entgasungs- und Entbrittungswärmebehandlungen

Gelangt beim Beizen, Schweißen oder in der Galvanik Wasserstoff in den Stahl, kann eine gezielte Wärmebehandlung dafür sorgen, dass er wieder ausdiffundiert, bevor eine Wasserstoffversprödung einsetzt. Häufig wird hierfür das Tempern genutzt, da die moderaten Temperaturen sowohl den eingedrungenen Wasserstoff austreiben als auch die Empfindlichkeit des martensitischen Gefüges reduzieren.

Minimieren von Eigenspannungen in metallischen Werkstoffen

Besonders nach dem Abschrecken liegen häufig eine ausgeprägte Eigenspannung und eine hohe Härte vor, die die Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung und wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion erhöhen. Deshalb spielt die Spannungsreduzierung im Material eine zentrale Rolle.

Moderate Wärmebehandlungen wie Spannungsarmglühen bauen die Eigenspannungen ab, ohne das Gefüge stark zu verändern. Zudem können konstruktive Anpassungen und eine kontrollierte Fertigung dazu beitragen, Spannungsspitzen zu vermeiden, die eine Wasserstoffversprödung begünstigen.

Wasserstoffversprödung ist ein ernst zu nehmendes, aber vermeidbares Risiko

Wasserstoffinduzierte Schäden können in einer Vielzahl hochfester, mechanisch belasteter Komponenten auftreten. Wie anfällig ein Bauteil für die Wasserstoffversprödung ist und unter welchen Bedingungen diese zu einem Materialbruch führt, ergibt sich aus dem Zusammenspiel von Werkstoffzustand, Festigkeitsklasse, Art der Oberflächenbehandlung und dem eingesetzten Korrosionsschutz.

Verfahren wie die galvanische Verzinkung können zwar einen wirksamen Schutz vor Korrosion bieten, bei mangelnder Sorgfalt aber auch Wasserstoff in das Metall eintragen. Durch effektive Präventivmaßnahmen ist es jedoch möglich, das Risiko deutlich zu reduzieren und die Zuverlässigkeit von Bauteilen langfristig zu sichern.

 

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Bilder ohne Quellenangabe wurden KI-generiert