Dehnungsinduzierte Spannungsrißkorrosion in der Flüssigzinkphase bei der Hochtemperaturverzinkung von HV-Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 mit großen Abmessungen. Teil 2 Experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Schadensmechanismus und Konsequenzen für die Praxis

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    15-Jun-2016

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  • Dehnungsinduzierte SpannungsriBkorrosion in der Flussigzinkphase bei der Hochtemperaturverzinkung von HV-Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 mit groBen Abmessungen Teil2*: Experimentelle und theoretische Untersuchungen zum

    Schadensmechanismus und Konsequenzen fur die Praxis

    St. Beyer'), V. Diinke12), U. Hasselmann3), R. Landgrebe4) und H. Speckhardt5)**

    1 Einleitung

    Untersuchungen von Sprodbruchen an hochfesten HV- Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 ergaben, daB bei einer Hochtemperaturverzinkung solcher Schrauben oberhalb der Abmessung M27 an den kritischen Kerbstellen im Kopf/Schaft-Ubergang und/oder im Gewindeauslauf in sehr schmalen Randbereichen eine dehnungsinduzierte SpannungsriBkorrosion in der Flussigzinkphase auftreten kann. Da derart vorgeschadigte Schrauben eine stark erhohte Anfalligkeit gegenuber einer wasserstoffinduzier- ten Spannungsrifikorrosion besitzen, stellt die durch die Hochtemperaturverzinkung hervorgerufene interkristalli- ne AnriBbildung die eigentliche Ursache der spater im Betrieb entstandenen wasserstoffinduzierten Sprodbruche dar. Hieruber wurde ausfuhrlich im 1. Teil dieses Beitrags berichtet .

    Das Auftreten dieses bislang nicht beachteten Schadens- mechanismus bei der Feuerverzinkung macht eine neue Bewertung von bisher angewendeten Mafinahmen zur Vermeidung von Sprodbruchen bei HV-Schrauben erfor- derlich, da bei solchen MaBnahmen in der Vergangenheit im wesentlichen eine Vermeidung wasserstoffinduzierter

    Fortsetzung von Heft 4, 1994, S. 158-166. Auszugsweise Vorveroffentlichung der Darmstadter Disserta- tion (D17) von Uwe Hasselmann. Der Beitrag ist unserem leider allzu fruh verstorbenen Kollegen Dr.-Ing. E! Burow gewidmet, der die Verfasser bei der Durchfuhrung der thermodynami- schen Berechnungen maRgeblich unterstiitzte. Dip].-Ing. Stefan Beyer, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Deutschen Schraubenverbandes e.V am Institut fur Werkstoff- kunde der TH Darmstadt. Dip1.-Ing. Volker Diinkel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fur Werkstoffkunde der T H Darmstadt. Dip1.-Ing. Uwe Hasselmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fur Werkstoffkunde der TH Darmstadt. Dr.-Ing. Ruiner Landgrebe, Leiter der Abteilung Metalle an der Staatlichen Materialpriifungsanstalt Darmstadt der TH Darmstadt. Prof. Dr.-Ing. Helmut Speckhardt, Leiter der Abteilung Ober- flachentechnik am Institut fur Werkstoffkunde der TH Darm- stadt.

    Sprodbriiche als Folge einer fertigungsbedingten Wasser- stoffaufnahme im Vordergrund stand.

    Zur weiteren Schadensaufklarung wurden in Versuchen an HV-Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 sowie an bauteilahnlichen Proben zunachst grundsatzliche Erkennt- nisse zur Reproduzierbarkeit des bei der Feuerverzinkung auftretenden Schadensmechanismus gewonnen. Die An- wendung der Thermoelement-Mefitechnik gestattete hier- bei eine Bestimmung von ortlichen Temperatur-Zeit- Verlaufen in Proben unterschiedlicher Abmessungen wah- rend eines vollstandigen Feuerverzinkungsprozesses. Auf der Grundlage dieser MeBreihen konnte der Ablauf des Schadensmechanismus nachvollzogen werden.

    Durch die Anwendung eines numerischen Rechenmo- dells war fur zylindrische Proben unter Einbeziehung der experimentellenVersuchsergebnisse und bei Variation rele- vanter Einflufiparameter eine Ermittlung vollstandiger Temperatur-Zeit-Verlaufe und Temperaturgradienten so- wie eine Bestimmung von Warmedehnungen und Warme- spannungen an jeder Stelle eines Probenquerschnitts mog- lich. Die Versuche wurden erganzt durch die Ermittlung mechanischer Werkstoffeigenschaften in Abhangigkeit von der Temperatur.

    Ein wichtiges Ergebnis der gesamten Untersuchungen war schlieBlich ein in die Praxis umsetzbarer neuer Katalog mit Fertigungsempfehlungen zur Vermeidung von Sprod- bruchen bei HV-Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9, der hier vorgestellt wird.

    2 Kenntnisstand

    2.1 Literaturiibersicht

    Der Mechanismus der fliissigmetallinduzierten interkri- stallinen SpannungsriBkorrosion von Bauteilen ist ein bereits seit einigen Jahrzehnten bekanntes Phanomen und war bis heute Gegenstand zahlreicher Untersuchungen [l-231. Uber Schadensfalle wurde insbesondere aus dem Bereich der Schmelztauchverzinkung berichtet. So traten interkristalline Anrisse beim Anfahren von Verzinkungs-

    Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 25, 459-470 (1994) 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69451 Weinheim, 1994

    0933-5137/94/1212-0459$5.00 + .25/0 459

  • kesseln dort auf, wo wahrend des Anfahrprozesses Zug- spannungen herrschten [2,3]. An anderen Stellen [ 1,4-101 wurde das Auftreten interkristalliner Risse oder Bruche an Verzinkungsgut untersucht. In diesen Untersuchungen stehen die Einflusse von chemischer Zusammensetzung des verwendeten Stahls, Zinkbadtemperatur,Verformung oder Vorverformung sowie die Betrage von Last- und/oder Eigenspannungen im Vordergrund.

    Unter folgenden Voraussetzungen kann es bei Bauteilen zu einer interkristallinen SpannungsriBkorrosion in Flus- sigmetallen kommen [lo]: - Die Schmelze oder deren Wirkbestandteil mul3 in dern

    festen Metall oder das letztere in der Schrnelze loslich sein. Hierbei mu8 die Temperatur nicht notwendigerwei- se uber dem Schmelzpunkt des angreifenden Mediums liegen.

    - Das feste Metall mu13 unmittelbar rnit der wenigstens teilweise flussigen Legierung in Beruhrung kornmen, d. h. es mu8 eine Benetzung durch die Schmelze stattfin- den.

    - Das mit der Schmelze benetzte Metall muB unter Zugspannung stehen. Bei Druckbeanspruchung treten keine Korngrenzenschadigungen auf. Zugspannungen beim Feuerverzinken konnen nach [5,8]

    entweder aufgrund einer vorangegangenen Fertigungsfolge des Verzinkungsguts in Form von Zug-Eigenspannungen bereits vor dem VerzinkungsprozeB vorhanden sein und/oder als Zug-Warmespannungen infolge Dehnungsbe- hinderung erst im Verlaufe des Verzinkungsprozesses ent- stehen.

    Wahrend sich ortliche Zug-Eigenspannungen meist bei Abkuhlungsvorgangen nach einer Warmverarbeitung (z. B. Walzen, Schmieden, SchweiBen), bei einer Warmebehand- lung (z. B. Harten, Verguten) oder bei einer Kaltumfor- mung (z. B. Pressen, Ziehen) ausbilden, konnen ortlich hohe Zug-Warrnespannungen entstehen, wenn es beim (langsamen) Eintauchen von grol3en (z. B. geschweiBten) Konstruktionen oder von Bauteilen rnit groBen Wanddik- kenunterschieden infolge des schroffen Temperaturanstiegs von Raumternperatur oder Vonvarmtemperatur auf Zink- badtemperatur zu ausgepragten Dehnungsbehinderungen kommt.

    Offenbar gibt es eine Beziehung zwischen der Hohe der Zugspannungen und der Beanspruchungsdauer bis zum AnriB oder bis zum Bruch [l, 2, 5 , 81. Als Grenzspannun- gen fur das Auftreten von SpannungsriBkorrosion in Flus- sigzink werden je nach Werkstoff und Versuchsbedingun- gen Werte zwischen 100 und 320 N/mm2 genannt. GemaB [3] sind bei hinreichend hohen Zugspannungen praktisch alle un- und niedriglegierten Stahle in Zinkschmelzen anfallig gegenuber SpannungsriBkorrosion.

    Die Anfalligkeit von Kohlenstoffstahlen gegenuber flus- sigmetallinduzierter SpannungsriBkorrosion steigt rnit zunehmendem Kohlenstoffgehalt [9] und zunehmender Zugfestigkeit des Grundwerkstoffs [ 141 an. Sie nirnmt dagegen mit hoherer Warmfestigkeit des Werkstoffs ab [l]. Nach Angaben in [8] verstarkt Nickel in Kohlenstoffstah- len die Neigung zur SpannungsriBkorrosion, wahrend sie durch hohere Chromgehalte erniedrigt wird. GemaB [ 121 wird dem Reinheitsgrad der Zinkschmelze bei der Schmelz- tauchverzinkung ein EinfluB auf die SpannungsriBkorro- sionsauslosung beigemessen. Hier bewirken insbesondere Zusatze von Antimon und Arsen [3] sowie Zinn und Kadmium [22] eine deutliche Erhohung der SpannungsriB- korrosionsgefahrdung .

    Die bei einer flussigmetallinduzierten SpannungsriBkor- rosion an Bruchen stets beobachtete interkristalline AnriB- bildung [l, 3, 8, 11, 121 wird rnit einer Eindiffusion des Fliissigmetalls entlang der Korngrenzen und einer damit einhergehenden Herabsetzung der Kohasionskrafte zwi- schen den Metallatomen erklart [14, 161.

    In mehreren Arbeiten [12, 14, 181 wird auf die Ahnlich- keit der Schadensbilder von fliissigmetallinduzierter und wasserstoffinduzierter Spannungsrifikorrosion hingewie- sen.

    Bisher wurde in keiner Arbeit ein Hinweis auf ein Auftreten des Mechanismus der fliissigmetallinduzierten Spannungsrifikorrosion - insbesondere bei der Feuerver- zinkung - bei Schrauben oder ahnlich gestalteten zylindri- schen gekerbten Bauteilen gefunden.

    2.2 Eigene Untersuchungen

    Die eigenen Untersuchungen zur flussigmetallinduzier- ten Spannungsrifikorrosion an HV-Schrauben der Festig- keitsklasse 10.9 gehen insbesondere auf die im l..Teil dieses Beitrags beschriebenen Schadensfalle zuriick. Die bei diesen Untersuchungen aufgetretene Problematik wird hier nochmals zusammengefafit: - Da von den durch SpannungsriBkorrosion in der Flussig-

    zinkphase hervorgerufenen interkristallinen Randscha- digungen unter Betriebsbedingungen - wie die Schadens- untersuchungen gezeigt haben - bevorzugt wasserstoff- induzierte Bruche ausgehen, wurde in der Vergangenheit vermutlich aufgrund des ahnlichen und daher leicht zu venvechselnden Schadensbildes meist auf einen wasser- stoffinduzierten verzogerten Sprodbruch oder eine was- serstoffinduzierte SpannungsriBkorrosion als allein in Frage kornmende schadenauslosende Bruchmechanis- men geschlossen.

    - Die Entstehung der Zugspannungen bei der Feuerver- zinkung von zylindrischen gekerbten Bauteilen wie Schrauben groBerer Abmessungen als Folge plastischer Druckverformungen ist verschieden von den in der Literatur (s. Abschnitt 2.1) beschriebenen Ursachen, wo Teile entweder ortlich bereits vor dern Feuerverzinken unter Zugspannungen stehen oder die Zugspannungen - z. B. infolge behinderter Warmedehnungen - lokal unmittelbar als Zug-Warmespannungen aufgebaut wer- den. Dieser Mechanismus wurde bislang nicht in Erwa- gung gezogen. Zur Aufklarung dieser Problernatik wurden Versuche

    und Berechnungen durchgefuhrt, auf die im folgenden eingegangen wird.

    3 Versuche zur Reproduzierbarkeit des Schadensmechanismus

    Zunachst wurden zwei unterschiedliche Versuchsreihen mit HV-Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 durchgefuhrt, rnit denen die Reproduzierbarkeit des Schadensmechanis- mus nachgewiesen werden sollte. Bei diesen Versuchen standen der EinfluB der Schraubenabmessung sowie der EinfluB des Verzinkungsverfahrens - Normaltemperatur- verzinkung (nachfolgend NT-Verzinkung genannt) oder

    460 St. Beyer,V. Diinkel, U. Hasselmann, R. Landgrebe und H . Speckhardt Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 25, 459-470 (1994)

  • Hochtemperaturverzinkung (nachfolgend HT-Verzinkung genannt) - in1 Vordergrund.

    HT-Verzinkung ohne Vorwarrnung ohne Befund

    HT-Verzinkung rnit Vorwarrnung ohne Befund (Tv = 150C)

    3.1 EinfluO von Abmessung und Verzinkungsverfahren

    2 von 3 irn 1 von 3 irn Kopf/Schaft-Ubergang Gewindeauslauf Gewindeauslauf

    2 von 4 irn 2 von 4 irn ohne Befund Kopf/Schaft-Ubergang Gewindeauslauf

    2 von 3 irn

    Die erste Versuchsreihe wurde gemaB Tubelle I mit HV-Schrauben der Abmessungen M27, M36, M45 und M60 durchgefuhrt. Je drei Schrauben jeder Abmessung wurden ohne vorherigeVorwarmung NT- bzw. HT-verzinkt. Bei der HT-Verzinkung waren zusatzlich je vier Schrauben jeder Abmessung vor der Verzinkung auf eine Temperatur von T, = 150C vorgewarmt worden.

    Die Abmessungen M45 und M60 wurden in dieversuche einbezogen, da zunachst. nicht ausgeschlossen werden konnte, daB die bisher nur bei der HT-Verzinkung beob- achtete SpannungsriBkorrosion bei groReren Abmessun- gen auch wahrend einer NT-Verzinkung auftritt.

    Die geringe Probenanzahl bei den Versuchen lieB aller- dings keine statistisch gesicherte Aussage zu.

    Unmittelbar nach der Feuerverzinkung erfolgte an allen Schrauben eine zerstorung3freie Magnetpulver-RiBpru- fung. AnschlieBend wurden die Schrauben in einem Pruf- kraftversuch nach DIN IS0 898-1 belastet und nach der Entlastung nochmals riljgepruft. Das Ergebnis der RiBpru- fungen geht ausTabelle 1 hervor und kann folgendermaBen zusammengefaBt werden: - Anrisse werden nur bei HT-verzinkten Schrauben regi-

    striert. - EineVorwarmung hat offensichtlich keinen nennenswer-

    ten EinfluB auf den Schadenseintritt. - AnriBorte sind die kritischen Kerbstellen im

    Kopf/Schaft-Ubergang und im Gewindeauslauf. - Bei der Abmessung M27 treten weder bei einer HT-

    Verzinkung noch bei einer NT-Verzinkung Anrisse auf.

    3.2 Vorbehandlung

    Um auszuschlieBen, daB es sich bei den interkristallinen Anrissen um eine Uberlagerung einer wasserstoffinduzier- ten Schadigung oder gar um eine ausschlieBlich wasserstoff- induzierte AnriBbildung handeln konnte, wurde ein groBe- res Fertigungslos von HV-Schrauben M36 der Festigkeits- klasse 10.9 lediglich mechanisch gereinigt und unmittelbar im AnschluB daran HT-verzinkt. Auch hier wurden in einer anschlieBend durchgefuhrten Magnetpulver-RiBprufung bei einem hohen Prozentsatz des Schraubenloses Anrisse an den kritischen Kerbstellen gefunden.

    Mit beiden Versuchsreihen war somit eine Reproduzier- barkeit des Schadensmechanismus eindeutig nachgewie- sen, wobei die Schadensmerkmale vollig rnit denjenigen iibereinstimmen, die bei den Schadensuntersuchungen im 1. Teil dieses Beitrags beschrieben wurden.

    4 Ortliche Temperatur-Zeit-Verlaufe beim Feuerverzin kungsprozet3

    Zur Klarung der beim Feuerverzinken von Schrauben ortlich ablaufenden Vorgange, die beim Zusammentreffen von kritischen Faktoren zur Auslosung einer dehnungsin- duzierten SpannungsriBkorrosion fuhren konnen, waren zunachst folgende Aspekte von prinzipieller Bedeutung: - Bisher sind keine Angaben daruber bekannt, ob bei der

    Feuerverzinkung von HV-Schrauben rnit UblichenTauch- dauern von rd. 60-120 sec bei allen Abmessungen eine vollstandige Durchwarmung auf Zinkbadtemperatur erfolgt .

    - Die Warmeubergangszahl a, zwischen Flussigzink und Grundmetall (Verzinkungsgut) bestimmt mal3geblich den Temperatur-Zeit-Verlauf am Rand und im Werk- stoffinnern wahrend der Tauchdauer. Diese Warmeuber- gangszahl liegt jedoch nicht vor.

    - Die beim zugigen Eintauchen desverzinkungsguts in die heiBe Zinkschmelze ortlich entstehenden Warmedeh- nungen und Warmespannungen hangen neben der schon erwahnten Warmeubergangszahl a, mal3geblich vom Oberflache/Volumen-Verhaltnis, der ProbengroBe, der Temperaturdifferenz zwischen Zinkbadtemperatur und Verzinkungsgut sowie von der Zinkbadtemperatur selbst ab. Zu keinem der genannten Einflusse sind quantitative Angaben bekannt. Auf der Grundlage der prinzipiellen Uberlegungen und

    Erfordernisse und der charakteristischen Schadensmerk- male wurde das nachfolgend beschriebene Versuchspro- gramm durchgefuhrt.

    4.1 Experimentelle Untersuchungen

    4. I .I Probenmuterial

    Zur Ermittlung von ortlichen Temperatur-Zeit-Verlau- fen wahrend einer Feuerverzinkung wurden aus Stabab- schnitten einer Charge des Werkstoffs 42 CrMo 4 zunachst zylindrische Rohlinge abgelangt und fur Schrauben der Abmessung M36 Rohlinge rnit angestauchtem Kopf herge- stellt. Diese wurden zusammen in einer ublichen Warme-

    Tabelle 1. Ergebnisse vo...

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