Die applikationsbedingte wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion beschreibt das insbesondere bei hochfesten Stahlbauteilen ab Festigkeiten größer 1000 N/mm² auftretende Phänomen eines plötzlichen Materialversagens. Ob bei Blattfedern, Rückhaltefedern oder Stoßdämpfer-Federn: Der verzögerte Sprödbruch tritt meist bei der ersten Belastung auf, d. h. während der Montage der Bauteile im Werk oder wenn die Feder das erste Mal mit der Fahrzeuglast beladen wird. Das bedeutet für den Hersteller in der Regel Produktionsstillstand, Lieferverzug und somit enorme Mehrkosten. Noch schwerwiegender können Versagensfälle im laufenden Fahrzeugbetrieb sein. Da im Fahrwerk verbaute Federn – zum Beispiel im Bremssystem – sicherheitsrelevante Funktion haben, bleibt nach Montage ein Restrisiko für die Gesundheit der Insassen bestehen.

Wie tritt Wasserstoffversprödung auf?

Eine applikationsbedingte wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion kann immer dort auftreten, wo Wasserstoffatome in die hochfesten Stahlbauteile eindiffundieren. Dies kann zum Beispiel schon während der Stahlerzeugung erfolgen. Dabei wandert der atomare Wasserstoff im Stahl zu den Korngrenzen sowie zu Fehlstellen – zum Beispiel äußere und innere Kerben, Stanzkanten oder Grate. Dort reichert er sich an und schwächt dabei den Metallverbund, bis ein mikroskopisch feiner Riss entsteht. Dadurch entspannt sich zwar diese Zone, an der Rissspitze entstehen jedoch neue Spannungskonzentrationen. Diese ziehen wieder atomaren Wasserstoff an und schwächen somit das Material. Letztlich kann der Restquerschnitt die Spannungen nicht mehr tragen und der Werkstoff bricht. Auch im weiteren Fertigungsprozess von Stahlbauteilen kann die Gefahr des Eindiffundierens von Wasserstoff bestehen. Nicht zuletzt besteht die Gefahr der Wasserstoffversprödung auch im Beschichtungsprozess. Denn bei bestimmten Vorbehandlungsmethoden wie Beizen und elektrolytischem Entfetten sowie auch dem galvanischen Beschichten von ferritischen Stahlbauteilen kann im Prozessbad atomarer Wasserstoff entstehen, der dann in die Stahloberfläche eindiffundiert.

Festzuhalten bleibt: In der Praxis führt meist das kritische Zusammenwirken verschiedener Einflussgrößen zum spontanen Versagen bzw. zu einem verzögerten Sprödbruch des Bauteils. Die Normenreihe DIN 50969 beschreibt, wie sich die Einflussgrößen der wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion durch die konstruktive Auslegung des Bauteils, durch werkstofftechnische und fertigungstechnische Maßnahmen sowie durch die Verminderung von Zugeigenspannungen reduzieren lassen.

Die richtige Beschichtung wählen

Ob Blattfedern, Rückhaltefedern, Stoßdämpfer oder die im Bremssystem verbauten Federn: Das Fahrwerk eines Pkw besteht aus unterschiedlich dimensionierten Federn aus hochfestem Stahl. Diese sind im Fahrbetrieb Temperaturen bis etwa 40 °C ausgesetzt und müssen darüber hinaus stetigen Witterungseinflüssen und mechanischen Belastungen wie zum Beispiel Steinschlägen standhalten. Ein hochleistungsfähiger und genau auf die jeweiligen Beanspruchungen abgestimmter Korrosionsschutz ist daher zwingend erforderlich, um die Bauteilfunktionalität sicherzustellen. Doch im Hinblick auf die Beschichtung von Federn ist klar: Die Gefahr der Wasserstoffaufnahme sollte durch entsprechende Maßnahmen im Applikationsprozess minimiert und im besten Fall komplett verhindert werden. Dies kann bei der Vorhandlung zum Beispiel durch den Verzicht auf das Beizen erfolgen – stattdessen bieten sich das Strahlen oder die alkalische Entfettung an. Bei der galvanischen Beschichtung lässt sich der Wasserstoff auch durch Tempern (gezieltes langfristiges Erhitzen) wieder effundieren. Je nach Struktur der galvanischen Schicht gestaltet sich dies jedoch als sehr zeit- und damit kostenaufwendig.

Zinklamellenbeschichtungen als vorteilhafte Lösung

Als vorteilhafte Alternative erweist sich die Zinklamellenbeschichtung, da bei deren Applikation keinerlei Wasserstoff angeboten wird. Das elektrolytisch applizierte System hat sich bei der Beschichtung von Federn im Automotive-Bereich seit vielen Jahren bewährt und erreicht bereits mit sehr dünnen Schichtdicken von nur 8 μm bis 20 μm eine sehr hohe Korrosionsschutzleistung. Der Basecoat der Zinklamellenbeschichtung besteht aus lamellenartigen, in eine Bindermatrix eingebetteten Zinklegierungspartikeln, die durch Vernetzung auf dem Bauteil den Korrosionsschutz erzeugen. Ein zusätzlicher Topcoat verleiht der Beschichtung multifunktionale Eigenschaften wie Steinschlag- und Chemikalienbeständigkeit (z. B. gegen Streusalze). Die einzelnen Schichten werden sehr materialschonend bei geringen Vernetzungstemperaturen von max. 240 °C getrocknet. Zinklamellensysteme sind zudem sehr duktil – dies ist die Fähigkeit des Überzugssystems, elastischer und/oder plastischer Verformung ohne Beeinträchtigung der funktionalen Eigenschaften zu folgen. Außerdem bieten sie eine aktive kathodische Schutzwirkung von mehr als 1000 h gegen Grundmetallkorrosion (Rotrost) im Salzsprühtest nach DIN EN ISO 9227. Wird die Beschichtung verletzt, opfert sich beim Kontakt mit Wasser und Sauerstoff das unedle Zink im Basecoat zugunsten des edleren Stahluntergrundes. Die Applikation der unterschiedlichen Fahrwerk-Federn kann je nach Anforderung zum Beispiel im Spritz-Verfahren oder auch im Tauch-Schleuder-Verfahren erfolgen.

Fazit

Die applikationsbedingte wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion stellt für im Fahrwerk verbaute Federn eine ernstzunehmende Gefahr dar. Um einen plötzliches Materialversagen, vor allem während der Montage und auch im Fahrzeugbetrieb zu verhindern, empfiehlt sich beim Korrosionsschutz der Einsatz eines Zinklamellensystems. In dessen Applikationsprozess wird kein Wasserstoff angeboten.

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