Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Die Entgasungs-Wärmebehandlung dient dem Austreiben von Wasserstoff aus galvanisch beschichteten Bauteilen, um Wasserstoffversprödung zu vermeiden. Meist erfolgen solche Wärmebehandlungen auf Basis experimenteller Versuche, wobei die Richtlinien zu Temperaturen und Behandlungszeiten oft ungenau sind. Das führt zu konservativen, zeit- und kostenintensiven Prozessen, die das konkrete Schicht-Substrat-System und die Bauteilgeometrie unzureichend berücksichtigen.
Die galvanische Beschichtung beeinflusst die Wasserstoffkonzentration im Bauteil, was zu lokalen Anreicherungen und damit erhöhter Versprödungsgefahr führt. Zudem variiert die Diffusions- und Effusionskinetik des Wasserstoffs in unterschiedlichen Schichtsystemen. Dies erschwert eine verlässliche Prognose und Auslegung der Wärmebehandlung, weshalb in der Praxis oft konservative Zeiten gewählt werden, die wirtschaftlich nachteilig sind.
Zielführender sind wissensbasierte Wärmebehandlungsstrategien für eine sichere, wirtschaftliche und anwendungsspezifische Entgasung. Die Herausforderung dabei besteht in der Beherrschung der komplexen Wechselwirkungen zwischen Beschichtung, Wasserstoffdiffusion und Bauteilgeometrie.
Mit Hilfe eines multiparametrisches Modells, das die physikalischen Prozesse der Wasserstoffdiffusion und des Austreibens unter Berücksichtigung von Schichtsystemen und Bauteilgeometrie integriert, kann die lokale Verteilung von Wasserstoff abgeschätzt werden. Die Diffusion von atomarem Wasserstoff im metallischen Gitter sowie das Traping-Verhalten kann simulativ abgebildet werden. Durch analytische Verfahren (bspw. Thermische Desorptionsspektroskopie, Trägergas-Heißextraktion und H-Permeationsmessungen) werden Wasserstoffgehalt und -beweglichkeit erfasst, um die Simulationsmodelle mit realen Messdaten zu versorgen. Damit erlaubt das Modell eine schnelle und spezifische Auslegung der Entgasungswärmebehandlung unter Vermeidung von zu langer Entgasungs-Wärmebehandlungen. Die Modelle können mittels FEM-Simulationen zur Wasserstoffverteilung auf beschichtete Bauteile übertragen werden.
Mit einem Simulationstool können so individuelle, sichere und ökonomische Entgasungswärmebehandlungen geplant werden.