Zur Vermeidung von Wasserstoffschäden am höchstfesten Stahl 300M bei der galvanischen Abscheidung von Zink-Nickel-Überzügen

Gommlich, Tim; Schmitt, Günter; Bleck, Wolfgang Peter

doi:HT019631778

Zur Vermeidung von Wasserstoffschäden am höchstfesten Stahl 300M bei der galvanischen Abscheidung von Zink-Nickel-Überzügen = Avoidance of hydrogen damage on the high strength steel 300M at the electrodeposition of zinc-nickel coatings

Gommlich, Tim^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Tim Gommlich

ImpressumAachen : Shaker 2017

Umfang1 Online-Ressource (III, 162 Seiten)

ISBN978-3-8440-5717-1

ReiheBerichte aus dem Institut für Eisenhüttenkunde ; 1/2018

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Schmitt, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-11-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-00919
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/713102/files/713102.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
300M (frei) ; Metallüberzug (frei) ; Wasserstoffeffusion (frei) ; Wasserstoffpermeation (frei) ; Wasserstoffversprödung (frei) ; ZnNi (frei) ; höchstfest (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Zum Korrosionsschutz höchstfester Stähle werden bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie z. B. im Militär- und Luftfahrtbereich aufgrund der guten technischen Eigenschaften immer noch Cadmium-Überzüge eingesetzt. Aufgrund seiner Toxizität soll Cadmium jedoch möglichst ersetzt werden. Als vielversprechendste Alternative gelten Zink-Nickel-Legierungen mit 10 - 14 % Nickel. Wie bei der Cadmium-Abscheidung besteht jedoch auch bei der Herstellung von ZnNi-Überzügen die Gefahr der Wasserstoffversprödung des höchstfesten Stahls. Während dieses Problem bei der Cadmium-Abscheidung seit Jahrzehnten gelöst ist, konnte für die ZnNi-Abscheidung bisher noch kein versprödungssicheres Verfahren entwickelt werden. Dies sollte in der vorliegenden Arbeit im Rahmen eines öffentlich geförderten industriellen Kooperationsprojektes erfolgen. Durch Quantifizierung der Wasserstoffabsorption des höchstfesten Stahls 300M mit In-situ-Wasserstoffpermeationsmessungen konnten die Abscheideparameter mit dem Ziel der Minimierung der Wasserstoffbelastung modifiziert werden. Durch vollständige Wasserstoffbilanzierung wurde erstmals ermittelt, welcher Anteil des insgesamt gebildeten Wasserstoffs vom Stahl absorbiert wird und wie dieser Anteil das Versprödungsverhalten des Stahls beeinflusst. Als grundlegend für die erfolgreiche Vermeidung von Wasserstoffversprödung erwies sich, dass die Parameter des ZnNi-Beschichtungsverfahrens so eingestellt werden, dass eine geeignete ZnNi-Überzugsmorphologie entsteht, welche das Ausgasen des aufgenommenen Wasserstoffs durch Wärmebehandlung erleichtert. Durch Wasserstoffeffusionsmessungen wurde der kritische Wasserstoffkonzentrations-bereich im Stahl 300M bestimmt. Dabei wurde auch festgestellt, dass ZnNi-, Ni-, und Zn-Überzüge erhebliche Mengen an diffusiblem Wasserstoff speichern können, der zeitverzögert in den Werkstoff diffundieren und Wasserstoffversprödung auslösen kann. Bei Glanz-Cadmium-Überzügen wurde ein abweichendes Verhalten festgestellt, welches einen gesonderten Schadensmechanismus vermuten lässt. Als Resultat der Untersuchungen steht nunmehr ein galvanisches ZnNi-Abscheidungsverfahren für höchstfesten Stahl zur Verfügung, das sich derzeit in der Industrialisierungsphase befindet.

For corrosion protection of high strength steels electroplated cadmium coatings are still applied in safety relevant applications like in the military and aviation sector because of their excellent characteristics. But cadmium should be replaced due to its toxicity. The most promising alternative are zinc-nickel alloy coatings with 10 - 14% nickel. However, like cadmium deposition also ZnNi plating implicates the risk of hydrogen embrittlement of high strength steel base material. While for cadmium electroplating this problem has been solved since decades, a non-embrittling process for ZnNi electrodeposition has not yet been developed. This was the aim of the present work performed within a publicly funded joint industry project. By in-situ hydrogen permeation measurements the parameters of a commercial ZnNi deposition process were modified to minimize the hydrogen uptake of the high strength steel 300M. By total hydrogen balancing it was determined for the first time, which percentage of the total amount of hydrogen produced was absorbed by the material and how this percentage influences the embrittlement behaviour of the steel. For successful prevention of hydrogen embrittlement it was proved to be fundamental to choose process parameters that yield an appropriate morphology of the ZnNi coating which facilitates the effusion of the absorbed hydrogen during thermal treatment. By measurements of hydrogen effusion the critical hydrogen concentration range was determined. Thus, it was found that ZnNi, Ni and Zn coatings can store significant amounts of diffusible hydrogen which can diffuse into the steel base material at a later time and cause hydrogen embrittlement. In case of bright-Cd coatings a differing behaviour was found indicating a separate failure mechanism. The investigations performed resulted in a non-embrittling galvanic ZnNi deposition process for high strength steels which currently is in the industrialization phase.

OpenAccess:
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