Aluminiumoxidschicht

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Bestandteil aus Vergütungsstahl und/oder aus einem niedriglegierten Stahl, bei dem der Bestandteil mit einer Aluminiumdiffusionsschicht und einer Aluminiumoxidschicht versehen ist. Insbesondere kann die Erfindung auch ein Befestigungsmittel, wie eine Schraube oder eine Mutter, betreffen, welches einen Bestandteil aus Vergütungsstahl und/oder aus einem niedriglegierten Stahl aufweist, welcher mit einer Aluminiumdiffusionsschicht und einer Aluminiumoxidschicht versehen ist.

Bauteile aus Metall, insbesondere hochfeste und ultrahochfeste Bauteile aus Vergütungsstahl und/oder niedriglegiertem Stahl, sind anfällig für eine Wasserstoffversprödung. Die Wasserstoffversprödung wird durch das Eindringen von Wasserstoff in die Metallstruktur der Bauteile verursacht und führt bei Beanspruchung der Bauteile zur interkristallinen Rissbildung. Dieses Phänomen wird als wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion bezeichnet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wasserstoffversprödung und damit die Neigung zur wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion bei Bauteilen aus Stahl zu verringern.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Bauteil mit einem Bestandteil aus einem Vergütungsstahl und/oder einem niedriglegierten Stahl gemäß Anspruch 1, mit einem Befestigungsmittel gemäß Anspruch 2, mit einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß Anspruch 8 und mit einer Verwendung gemäß Anspruch 11. Weitere Merkmale, Ausführungsformen sowie Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Bestandteil aus Vergütungsstahl und/oder aus einem niedriglegierten Stahl, wobei der Bestandteil zumindest teilweise mit einer Aluminiumdiffusionsschicht beschichtet ist und auf der Aluminiumdiffusionsschicht eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht ist, wobei die Schichtdicke der Aluminiumdiffusionsschicht 1 -200 pm beträgt, bevorzugt 2 - 100 pm, besonders bevorzugt 3 - 20 pm, wobei die Aluminiumdiffusionsschicht einen Aluminiumanteil aufweist, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumdiffusionsschicht, von 10 Gew.-% über dem Aluminiumanteil des Stahls bis zu einer Maximalkonzentration, wobei der Aluminiumanteil in der Aluminiumdiffusionsschicht in Richtung einer Grenzfläche zwischen der Aluminiumdiffusionsschicht und der Aluminiumoxidschicht von 10 Gew.-% über dem Aluminiumanteil des Stahls bis zur Maximalkonzentration zunimmt, und wobei die Maximalkonzentration 11 - 60 Gew.-% beträgt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann ein Bauteil mit einem Bestandteil aus Vergütungsstahl und/odereinem niedriglegierten Stahl, betreffen, wobei das Bauteil ein Befestigungsmittel ist, wobei der Bestandteil aus Stahl einen Gewindebereich aufweist und/oder ausbildet, wobei der Bestandteil, insbesondere im Gewindebereich, zumindest teilweise mit einer Aluminiumdiffusionsschicht beschichtet ist und auf der Aluminiumdiffusionsschicht eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht ist, wobei die Schichtdicke der Aluminiumdiffusionsschicht 1 - 200 pm beträgt, bevorzugt 2 - 100 pm, wobei die Aluminiumdiffusionsschicht einen Aluminiumanteil aufweist, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumdiffusionsschicht, von 10 Gew.-% über dem Aluminiumanteil des Stahls bis zu einer Maximalkonzentration, wobei der Aluminiumanteil in der Aluminiumdiffusionsschicht in Richtung einer Grenzfläche zwischen der Aluminiumdiffusionsschicht und der Aluminiumoxidschicht von 10 Gew.-% über dem Aluminiumanteil des Stahls bis zur Maximalkonzentration zunimmt, und wobei die Maximalkonzentration 11 - 60 Gew.-% beträgt. Das Befestigungsmittel ist zweckmäßigerweise eine Schraube, insbesondere eine hochfeste oder sogar eine ultrahochfeste Schraube, oder eine Mutter, insbesondere eine hochfeste oder sogar eine ultrahochfeste Mutter.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Bestandteil aus einem Vergütungsstahl und/oder einem niedriglegierten Stahl, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Bauteils mit einem Bestandteil aus einem Vergütungsstahl und/oder einem niedriglegierten Stahl, b) Aufbringen einer Aluminiumdiffusionsschicht mit einer Schichtdicke von 1 - 200 pm auf dem Bestandteil bei einer Temperatur von 400 bis 1100 °C in einer Inertgasatmosphäre, c) Erwärmen des Bauteils auf 700 bis 1000 °C in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre für mindestens 10 Minuten, wodurch eine Aluminiumoxidschicht auf der Aluminiumdiffusionsschicht hergestellt wird.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils zur Verminderung einer Wasserstoffversprödung.

Die erfindungsgemäße Aluminiumdiffusionsschicht in Kombination mit der Aluminiumoxidschicht wirkt überraschenderweise auf Bauteilen aus Vergütungsstahl und/ oder aus niedriglegiertem Stahl als sehr wirksame Barriere gegen das Eindringen von Wasserstoff durch Diffusion und erhöht dadurch die Resistenz der Bauteile gegen wasserstoffinduzierte Spannungskorrosion. Der Diffusionsprozess und damit die Ausbildung der Aluminiumdiffusionsschicht verbessert zudem die Haftung der Aluminiumschicht auf dem Stahl, da die Aluminiumschicht sozusagen mit dem Stahl des Bauteils verwächst.

Insbesondere bei Befestigungsmitteln aus niedriglegierten Stählen, welche meist eine hohe und auch häufig dynamische axiale Spannung aufweisen bzw. ausgesetzt sind, ist das Vermindern einer wasserstoffinduzierten Spannungskorrosion besonders vorteilhaft und wünschenswert, denn diese Befestigungsmittel, welche beispielsweise Schrauben oder Muttern sein können, sind für viele Baugruppen essentiell. Beispielsweise kann daher das Versagen eines Befestigungsmittels, insbesondere einer hochfesten oder ultrahochfesten Schraube, drastische Folgen für Mensch oder Maschine haben, wie z.B. bei einer Motorkopfschraube, einer Brückenschraube, einer Zylinderkopfschraube, Fahrwerksschraube und/oder Batteriebefestigungsschraube. Die Erfindung kann somit auch ein Fahrzeug, einen Motor, insbesondere einen Zylinderkopf, eine Fahrwerksanordnung oder eine Batterieanordnung mit einem Bauteil, insbesondere einem Befestigungsmittel, mit der erfindungsgemäßen Aluminiumdiffusionsschicht oder ein Bauwerk, insbesondere wie eine Brücke, oder ein Fahrzeug betreffen.

Vorteilhafterweise ist der Bestandteil aus Stahl in Bereichen mit erhöhter Kerbwirkung und/oder benachbarten Bereichen zu Bereichen mit erhöhter Kerbwirkung mit der Aluminiumdiffusionsschicht beschichtet, insbesondere in Bereichen eines Gewindes, unter einem Kopf, z.B. einer Schraube, Kerben oder Nuten. Bereiche mit einer erhöhter Kerbwirkung sind insbesondere Bereiche, welche einen Kerbwirkungsfaktor von mehr als 1,1 bevorzugt von mehr als 1,4, besonders bevorzugt von mehr als 1,9 und am meisten bevorzugt von mehr als 2,1, aufweisen. In einem Bereich eines Gewindes, einer Nut oder unter einem (Schrauben-)Kopf bzw. im Übergang zum Schraubenkopf ist daher vorteilhafterweise ein Bereich mit erhöhter Kerbwirkung im Sinne der Erfindung zu sehen. Unter einem benachbarten Bereich zu einem Bereich mit erhöhter Kerbwirkung ist dabei ein Bereich zu sehen, welcher maximal 10 mm bevorzugt maximal 5 mm und besonders bevorzugt maximal 2 mm, von dem Bereich mit erhöhter Kerbwirkung beabstandet ist. Alternativ bevorzugt kann ein benachbarter Bereich zu einem Bereich mit erhöhter Kerbwirkung auch dann vorliegen, wenn dieser maximal 10%, bevorzugt maximal 5%, besonders bevorzugt maximal 2%, der größten Flauptabmessung des Bestandteils aus Stahl von dem Bereich mit erhöhter Kerbwirkung beabstandet ist.

Zur Fierstellung der Aluminiumdiffusionsschicht sind alle bekannten Aluminiumbeschichtungsverfahren und Alitierverfahren geeignet, sofern die Verfahren bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 1100 °C durchführbar sind, so dass eine Aluminiumdiffusionsschicht herstellbar ist. Bevorzugt sind das Feueraluminieren, Chemical Vapor Deposition (CVD) und das Schlickerverfahren. Besonders bevorzugt ist Chemical Vapor Deposition (CVD).

Das Aluminium diffundiert durch die erhöhte Temperatur von 400 bis 1100 °C in einer Inertgasatmosphäre in das Eisengitter des Stahls, wodurch die Aluminiumdiffusionsschicht entsteht. Insbesondere kann das Aluminium mit dem Eisen reagieren, um eine intermetallische Phase (sogenannte Aluminid-Phase) zu bilden. Neben dem Eisen diffundieren selbstverständlich auch etwaige Legierungsbestandteile des Stahls in die Aluminium-haltige Schicht. Die Aluminiumdiffusionsschicht weist einen Konzentrationsgradienten auf, bei dem die Aluminiumkonzentration in Richtung der Oberfläche der Aluminiumdiffusionsschicht zunimmt. Diese Oberfläche ist nach der Herstellung der Aluminiumoxidschicht die Grenzfläche zwischen der Aluminiumdiffusionsschicht und der Aluminiumoxidschicht. Die Eisenkonzentration nimmt in derselben Richtung ab. Ferner nimmt die Konzentration etwaiger Legierungsbestandteile des Stahls in dieser Richtung ab. Die Oberfläche und/oder die Grenzfläche ist insbesondere diejenige Fläche, welche die Aluminiumdiffusionsschicht distal gegenüberliegend bzw. abgewandt zu dem Bestandteil aus Stahl begrenzt.

Im sich anschließenden Erwärmungsschritt des Bauteils in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre oxidiert das Aluminium an der Oberfläche und bildet eine Aluminiumoxidschicht auf der Aluminiumdiffusionsschicht aus (Oxidationsschritt). Diese Aluminiumoxidschicht fungiert als zusätzliche Wasserstoffbarriere und dient auch als Korrosionsschutz. Die Oberfläche der Aluminiumoxidschicht kann selbst wiederum beschichtet sein und/oder die Oberfläche kann beispielsweise eine freie Oberfläche sein, welche nicht beschichtet ist. In anderen Worten kann die Oberfläche frei liegend sein oder durch eine Beschichtung und/oder durch ein weiteres Bauteil bedeckt sein.

Die Aluminiumdiffusionsschicht ist im Sinne der Erfindung definiert als der Bereich des Bestandteils aus Vergütungsstahl bzw. niedriglegiertem Stahl, der einen Aluminiumanteil aufweist, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminium diffusionsschicht, von 10 Gew.-% über dem Aluminiumanteil des Stahls bis zu einer Maximalkonzentration, wobei die Maximalkonzentration 10-60 Gew.-% Aluminium beträgt. Wenn beispielsweise der eingesetzte Stahl kein Aluminium enthält, ist die Aluminiumdiffusionsschicht die Schicht, die einen Aluminiumanteil von 10 Gew.-% bis zur Maximalkonzentration an Aluminium aufweist. In diesem Falle liegt für einen Stahl ohne Aluminiumanteil die Aluminiumkonzentration in der Aluminiumdiffusionsschicht zwischen 10 und 60 Gew.-%.

Wenn der Stahl des Bestandteils des Bauteils ein legierter Stahl mit einem Aluminiumanteil von beispielsweise 1 Gew.-% ist, so beträgt der Aluminiumanteil in der Aluminiumdiffusionsschicht 11 Gew.-% bis zur Maximalkonzentration. Ist die Maximalkonzentration an der Oberfläche 60 Gew.-%, liegt somit der

Aluminiumanteil in der Aluminiumdiffusionsschicht bei 11 - 60 Gew.-%.

Bevorzugt ist die Aluminiumoxidschicht in direktem Kontakt mit der Aluminiumdiffusionsschicht ausgebildet. In anderen Worten, wie insbesondere bereits beschrieben, ist keine weitere Schicht zwischen der Aluminiumoxidschicht und der Aluminiumdiffusionsschicht vorhanden. Vorteilhafterweise ist zumindest 90% besonders bevorzugt zumindest 95% und besonders stark bevorzugt zumindest 99% der Aluminiumdiffusionsschicht, bzw. deren Grenzfläche, durch die Aluminiumoxidschicht bedeckt. Hierdurch kann eine besonders gute und flächige Abschirmung der Diffusionsschicht erreicht werden.

Unter einem Bestandteil aus Vergütungsstahl oder niedriglegiertem Stahl im Sinne der Erfindung kann insbesondere verstanden werden, dass zumindest ein Teil des Bauteils, also ein Volumenbereich, aus Vergütungsstahl oder niedriglegiertem Stahl ausgebildet ist. Ein Vergütungsstahl ist ein Stahl, der durch Vergüten, insbesondere in der Form eines Härtens und/oder eines Anlassens, hohe Zug- und Dauerfestigkeit erhält bzw. aufweist. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Gewicht des Bauteils zu zumindest 80%, bevorzugt zu zumindest 90%, und besonders stark bevorzugt zu zumindest 95 %, aus Vergütungsstahl oder niedriglegiertem Stahl besteht bzw. durch den Bestandteil aus Vergütungsstahl oder niedriglegiertem Stahl ausgebildet ist. Hierdurch kann eine besonders gute mechanische Festigkeit des Bauteils, insbesondere des Befestigungsmittels, erreicht werden. Besonders bevorzugt ist es, um die mechanische Festigkeit zu steigern, wenn der Bestandteil aus Stahl einstückig ist oder mehrteilig. Unter einem "einstückig" kann insbesondere verstanden werden, dass zumindest der einstückige Teil in einem Urformprozess geschaffen worden ist und/oder zusammenhängend ist.

Unter „beschichtet“ mit einer Aluminiumdiffusionsschicht wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass der Bestandteil aus Stahl im Querschnitt außen eine Aluminiumdiffusionsschicht aufweist. Dies bedeutet insbesondere, dass der Bestandteil aus Stahl in zumindest eine Raumrichtung durch eine festhaftende Schicht aus formlosem Stoff berandet ist, welche eine Aluminiumdiffusionsschicht ist. Vorteilhafterweise kann das Beschichten dabei der DIN 8580 entsprechen - insbesondere in der am 1. Mai 2021 geltenden Fassung. .

Die Dicke der Aluminiumdiffusionsschicht beträgt erfindungsgemäß 1 - 200 pm, bevorzugt 2 - 100 pm, besonders bevorzugt 3 - 50 pm und am meisten bevorzugt 3 - 20 pm. Die geringeren Dicken der bevorzugten Ausführungsformen der Aluminiumdiffusionsschicht sind insbesondere bei passgenauen Bauteilen von Vorteil. Bevorzugt ist die Aluminiumoxidschicht unmittelbar auf der Aluminiumdiffusionsschicht aufgebracht. Dies bedeutet, dass sich zwischen Aluminiumdiffusionsschicht und Aluminiumoxidschicht keine weitere Schicht befindet.

Die Erzeugung der Aluminiumoxidschicht wird unter anderem bestimmt durch die Dauer und Temperatur des Erwärmungsschritts in sauerstoffhaltiger Atmosphäre (Oxidationsschritt). Die Dicke der Aluminiumoxidschicht beträgt vorzugsweise 1 - 5000 nm (Nanometer), bevorzugt 100 - 2000 nm, besonders bevorzugt 500 - 1000 nm. Mit diesen Schichtdicken wird eine besonders wirksame Barriere gegen das Eindringen von Wasserstoff und somit eine besonders wirksame Verminderung der Wasserstoffversprödung erreicht.

Unter der „Schichtdicke“ der der Aluminiumdiffusionsschicht und der Aluminiumoxidschicht wird, sofern die Ober- oder Unterseite Unebenheiten aufweist, die mittlere Schichtdicke verstanden. Dazu werden mindestens drei Messungen der Schichtdicke vorgenommen, vorzugsweise 6 bis 8 Messungen, und das arithmetische Mittel der Messwerte ermittelt.

Die Barrierewirkung gegen das Eindringen von Wasserstoff wird mit der vorliegenden Erfindung durch die Kombination aus einer Aluminium diffusionsschicht und einer Aluminiumoxidschicht erreicht. Als vorteilhaft hat sich ein Verhältnis der Schichtdicke der Aluminiumdiffusionsschicht zur Schichtdicke der Aluminiumoxidschicht von 0,2 - 2.000.000 erwiesen, weiter bevorzugt von 0,5 bis 2000. Dieses Schichtdickenverhältnisse führen zu einer besonders wirksamen Verminderung der Wasserstoffversprödung, bei gleichzeitig hervorragendem Halt der Aluminiumdiffusionsschicht auf dem niedriglegierten Stahl und/oder vergüteten Stahl und einer haltbaren, als Barriere wirksamen und korrosionsbeständigen Aluminiumoxidschicht.

Die Maximalkonzentration des Aluminiums in der Aluminiumdiffusionsschicht beträgt 11 - 60 Gew.-%. Bevorzugt sind 11 - 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 11 - 35 Gew.-%, weiter bevorzugt 12 - 35 Gew.-%, noch weiter bevorzugt 15 - 35 Gew.-%, insbesondere 18 - 30 Gew.-%. Diese Maximalkonzentrationen des Aluminiums in der Aluminiumdiffusionsschicht führen zu einer ausgeprägten Bildung von Eisen-Aluminidphasen (FeAl), die besonders wirksam im Hinblick auf die Vermeidung der Wasserstoffversprödung sind.

Der Aluminiumanteil in der Aluminiumdiffusionsschicht nimmt in Richtung der Grenzfläche zwischen der Aluminiumdiffusionsschicht und der Aluminium oxidschicht zu. Die Zunahme erfolgt dabei von 10 Gew.-% oberhalb des Aluminiumanteils des Stahls bis hin zur Maximalkonzentration, beispielsweise 11 - 60 Gew.-%. Vorzugsweise nimmt der Aluminiumanteil in der

Aluminiumdiffusionsschicht senkrecht in Richtung der Grenzfläche zwischen der Aluminiumdiffusionsschicht und der Aluminiumoxidschicht zu. Weiter ist es bevorzugt, dass der Aluminiumanteil in der Aluminiumdiffusionsschicht senkrecht in Richtung der Grenzfläche zwischen der Aluminiumdiffusionsschicht und der Aluminiumoxidschicht zunimmt. In der Aluminiumdiffusionsschicht bilden sich vorzugsweise intermetallische Phasen aus, die bevorzugt intermetallische Eisen- Aluminidphasen (FeAl) sind. Diese werden vorzugsweise ausgebildet, indem die Maximalkonzentration des Aluminiums in der Aluminiumdiffusionsschicht in den bevorzugten Bereichen eingestellt wird, z.B. 11 - 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 11 - 35 Gew.-%, weiter bevorzugt 12 - 35 Gew.-%, noch weiter bevorzugt 15 - 35 Gew.-%, insbesondere 18 - 30 Gew.-% Maximalkonzentration des Aluminiums in der Aluminiumdiffusionsschicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann bei der Herstellung der Aluminiumdiffusionsschicht die Kontrolle der Al-Aktivität je nach Beschichtungsprozess eingestellt werden, zB. kann im Slurry-Verfahren Al-Pulver mit Si gemischt werden, um die Al-Aktivität zu senken oder im CVD-Verfahren wird durch das Verhältnis der sogenannten Packmischung (Filler AI2O3 z.B. 85 Gew.%, plus Halogen-haltiger Aktivator (z.B. 6%), wie z.B. NH4CI, und z.B. 9% Al-Pulver). Diese Verfahren führen zur verstärkten Ausbildung intermetallische Phasen, die bevorzugt intermetallische Eisen-Aluminidphasen (FeAl) sind.

Die Aluminiumoxidschicht kann zumindest teilweise die Oberfläche des Bauteils ausbilden. Um die Oberfläche des Bauteils an den jeweiligen Einsatzzweck weiter anzupassen, ist es bevorzugt, dass auf die Aluminiumoxidschicht noch eine weitere Schicht aufgebracht ist, vorzugsweise ausgewählt aus Verschleißschutzschicht und Gleitschicht. Bevorzugt sind Phosphatschichten und Zinklamellen, insbesondere wenn das Bauteil ein Befestigungsmittel, vorteilhafterweise eine Schraube oder ein Bolzen, ist. Diese Schichten sind insbesondere im Hinblick auf die Verbesserung der Reibeigenschaften von Vorteil.

Der Stahl des Bestandteils des Bauteils ist ein niedriglegierter Stahl und/oder vergüteter Stahl. Unter einem niedriglegierten Stahl wird im Sinne der Erfindung ein Stahl verstanden, dessen Gesamtanteil an Legierungselementen 5 Gew.-% nicht überschreitet, insbesondere der Legierungselemente Cr, Mo, V, Ni, Mn, AI, B und Ti, bezogen auf das Gesamtgewicht des Stahls. Unter den Begriff niedriglegierter Stahl im Sinne der Erfindung fallen somit auch unlegierte Stähle und mikrolegierte Stähle. Unter einem unlegierten Stahl wird im Sinne der Erfindung ein Stahl verstanden, der bis zu 0,8 Gew.-% Kohlenstoff und weniger als 1 Gew.-% Mangan enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht des Stahls.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem niedriglegierten Stahl des Bestandteils des Bauteils, der auch ein unlegierter Stahl sein kann, bevorzugt um einen hochfesten oder ultrahochfesten Stahl. Insbesondere kann es sich um einen niedriglegierten vergüteten Stahl handeln. Niedriglegierte Stähle können besonders gut vergütet werden und gleichzeitig oder alternativ ein besonders hohes Maß an Festigkeit bereitstellen, sodass hier die durch die Erfindung erreichen Vorteile, insbesondere in Hinblick auf eine Wasserstoffversprödung, besonders gut eingesetzt bzw. erreicht werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gefüge des Bestandteils aus Stahl im Bauteil zumindest überwiegend martensitisch, bainitisch und/oder dual-phasig (Restaustenit, Ferrit und/oder Martensit). Vorzugsweise ist das Gefüge des Bestandteils aus Stahl im Bauteil mindestens 80 Gew.-%, insbesondere mindestens 90 Gew.-% martensitisch, bainitisch und/oder dual- phasig (Restaustenit, Ferrit und/oder Martensit), jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Bestandteils aus Stahl. Diese Gefüge verleihen dem erfindungsgemäßen Bauteil eine besonders hohe Festigkeit und Zähigkeit. Diese Gefüge können einer hohen und auch häufig dynamischen axialen Spannung ausgesetzt werden, so dass für sie die Verminderung der Wasserstoffversprödung besonders vorteilhaft ist. Das Gefüge in der Aluminiumdiffusionsschicht kann sich vom Gefüge des restlichen Bestandteils aus Stahl (des sogenannten Grundwerkstoffs) unterscheiden. Die Elementverteilung in der Aluminiumdiffusionsschicht ist vorteilhafterweise gekennzeichnet durch eine hohe Konzentration von zwei Elementen, nämlich Eisen und Aluminium. Die anderen Legierungselemente können je nach Zusammensetzung des Bestandteils aus Stahl als gelöste Elemente oder als intermetallische Ausscheidung in der Aluminiumdiffusionsschicht vorliegen.

Das erfindungsgemäße Bauteil ist vorzugsweise ein hochfestes oder ultrahochfestes Bauteil, insbesondere mit Festigkeiten über 1000 MPa, bevorzugt über 1200 MPa, besonders bevorzugt über 1400 MPa und besonders stark bevorzugt über 1600 MPa. Bevorzugte hochfeste und ultrahochfeste Bauteile sind hochfeste oder ultrahochfeste Schrauben bzw. Befestigungsmittel, Federn, Blattfedern, Tellerfedern und Kettenantriebe, Umformbauteile und/oder Strukturbauteil. Weiter oder alternativ bevorzugt ist das erfindungsgemäße Bauteil, insbesondere das hochfeste oder ultrahochfeste Bauteil, bevorzugt ein geschweißtes Bauteil, ein additiv-gefertigtes Bauteil oder ein einsatzgehärtetes Bauteil. Gerade bei geschweißten Bauteilen kann eine hohe Wasserstoffversprödung durch das Schweißen entstehen, sodass gerade hier die Erfindung besonders gut eingesetzt werden kann. Bei einem einsatzgehärteten Bauteil wird zur Herstellung das Bauteil zusätzlich einsatzgehärtet, insbesondere durch Aufkohlung, Nitrierung oder Nitrocarburierung. Anschließend wird das Bauteil dann mit der Aluminiumdiffusionsschicht versehen, wie vorliegend beschrieben.

Unter einem umgeformten Bauteil ist insbesondere ein Bauteil zu verstehen, welches mittels eines Umformschrittes, insbesondere einem Kaltumformverfahren, umgeformt wurde. Gerade bei einem Umformbauteil, insbesondere einem kaltumgeformten Bauteil, ist eine Vermeidung einer Sprödigkeit, insbesondere einer Wasserstoffversprödung, besonders vorteilhaft, denn bei einem umgeformten Bauteil besteht bereits ein gewisses Maß an Sprödigkeit durch die aufgestauten Waldversetzungen. Ein Strukturbauteil im Sinne der Erfindung liegt insbesondere dann vor, wenn es sich bei dem Bauteil um ein lasttragendes Bauteil handelt. Dieses Strukturbauteil verfügt insbesondere über zwei Lasteinleitungsabschnitte, welche vorteilhafterweise lasteinleitende Strukturen, wie z.B. Montageausnehmungen oder -durchbrüche, aufweisen, und einen zwischen den Lasteinleitungsabschnitten angeordneten Übertragungsbereich, welcher eine Last, insbesondere eine Biegelast, von dem einem Lasteinleitungsabschnitt auf den anderen Lasteinleitungsabschnitt übertragen kann und/oder überträgt. Vorteilhafterweise ist dabei zumindest einer, bevorzugt alle Lasteinleitungsabschnitte, und/oder der Übertragungsbereich mit der erfindungsgemäßen Aluminiumdiffusionsschicht ausgestattet. Das Ausbilden des Bauteils dahingehend, dass der Stahl eine Festigkeit von über 1000 MPa, bevorzugt über 1200 MPa, besonders bevorzugt über 1400 MPa und besonders stark bevorzugt über 1600 MPa, aufweist, ist gerade besonders vorteilhaft, da bei diesen Festigkeitsklassen die Wasserstoffversprödung immer entscheidender wird, sodass die Erfindung ihre Vorteile gerade bei diesen Festigkeiten ausspielen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einem Bestandteil aus einen Vergütungsstahl und/oder einem niedriglegierten Stahl, wobei das Bauteil ein Befestigungsmittel ist, wobei der Bestandteil einen Gewindebereich und/oder Schaftbereich aufweist und/oder ausbildet, wobei der Bestandteil zumindest teilweise, insbesondere im Gewindebereich und/oder Schaftbereich, mit einer Aluminiumdiffusionsschicht beschichtet ist und auf der Aluminiumdiffusionsschicht eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht ist, wobei die Schichtdicke der Aluminiumdiffusionsschicht 1 -200 pm beträgt, wobei die Aluminiumdiffusionsschicht einen Aluminiumanteil aufweist, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumdiffusionsschicht, von 10 Gew.-% über dem Aluminiumanteil des Stahls bis zu einer Maximalkonzentration, wobei der Aluminiumanteil in der Aluminiumdiffusionsschicht in Richtung einer Grenzfläche zwischen der Aluminiumdiffusionsschicht und der Aluminiumoxidschicht von 10 Gew.-% über dem Aluminiumanteil des Stahls bis zur Maximalkonzentration zunimmt, und die Maximalkonzentration 11 - 60 Gew.-% beträgt, wobei das Bauteil ein hochfestes oder ultrahochfestes Bauteil ist.

Die erfindungsgemäßen Befestigungsmittel können insbesondere kraftschlüssige Befestigungsmittel sein, wie Schrauben, Bolzen oder Muttern. Kraftschlüssige Befestigungsmittel zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese einen Gewindeabschnitt zum Verspannen oder Befestigen aufweisen, insbesondere mit einem Außengewinde oder einem Innengewinde. Beispielsweise kann der Gewindeabschnitt daher ein Außengewinde oder ein Innengewinde sein. Vorteilhafterweise ist dieser Gewindeabschnitt dabei in einem Bestandteil des Befestigungsmittels eingebracht, welcher aus Stahl ist. In anderen Worten kann der Bestandteil aus Stahl einen Gewindeabschnitt aufweisen, welcher mit der vorgehend und nachfolgend dargelegten Aluminiumdiffusionsschicht beschichtet sein kann. Zweckmäßigerweise sind insbesondere zumindest drei, bevorzugt zumindest fünf, und besonders bevorzugt alle Gewindegänge, des Gewindeabschnitts mit der Aluminiumdiffusionsschicht beschichtet. Vorteilhafterweise sind zumindest die distalen Endgewindegänge dabei diejenigen Gewindegänge, welche mit der Aluminiumdiffusionsschicht beschichtet sind. Die Endgewindegänge sind dabei insbesondere die Gewindegänge, welche ein Ende des Gewindeabschnitts ausbilden oder die Endbereiche des Gewindeabschnitts oder den Gewindeauslauf ausbilden. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann die Aluminiumdiffusionsschicht auch in einem Schaftbereich vorhanden sein. Der Schaftbereich ist insbesondere ein Bereich des Befestigungsmittels, welcher zwischen dem Kopf, insbesondere dem Schraubenkopf, und dem Gewindeabschnitt des Befestigungsmittels liegt und diese mechanisch miteinander verbindet. Vorzugsweise kann der Schaftbereich gewindelos ausgebildet sein und/oder als ein zylindrischer Abschnitt ausgebildet sein. Der Durchmesser des Schafts kann dabei geringer oder gleich dem Gewindedurchmesser im Gewindeabschnitt sein. Durch das Aufbringen bzw. Ausbilden einer Aluminiumdiffusionsschicht - wie vorgehend und nachfolgend beschrieben - in dem Schaftbereich können dort die mechanischen Eigenschaften des Befestigungsmittels erfindungsgemäß positiv beeinflusst werden. Bei den Schrauben handelt es sich vorteilhafterweise um hochfeste oder ultrahochfeste Schrauben.

Der Bestandteil aus Stahl in dem erfindungsgemäßen Bauteil ist zumindest teilweise mit einer Aluminiumdiffusionsschicht beschichtet, das heißt der Bestandteil ist teilweise oder vollständig mit einer Aluminiumdiffusionsschicht beschichtet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Bauteil eine hochfeste oder ultrahochfeste Schraube. Unter einer hochfesten Schraube wird eine Schraube mit einer Zugfestigkeit von mindestens 800 MPa verstanden. Hochfeste Schrauben sind beispielsweise Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8, 10.9 und 12.9. Insbesondere entsprechen die Festigkeitsklassen der Erfindung dabei der ISO 898-1 in ihrer im Januar 2021 gültigen Fassung. Unter einer ultrahochfesten Schraube wird eine Schraube mit einer Zugfestigkeit insbesondere von mindestens 1200 MPa und/oder vorteilhafterweise von 1400 MPa verstanden. Ultrahochfeste Schrauben sind beispielsweise Schrauben der Festigkeitsklassen 12.8, 12.9, 14.8, 14.9, 15.8, 15.9, 16.8, 16.9, 17.8 und 12.8U, 12.9U, 14.8U, 14.9U, 15.8U, 15.9U, 16.8U, 17.8U. Eine hochfeste Schraube ist eine Schraube, die mindestens hochfest ist, sie kann aber auch ultrahochfest sein. Vorzugsweise handelt es sich um eine hochfeste oder ultrahochfeste Schraube mit einer Festigkeit über 1000 MPa. Besonders bevorzugt ist dabei der Bestandteil des Bauteils bzw. der Schraube, welche(r) die Aluminiumdiffusionsschicht aufweist, der Schaft und/oder der Gewindebereich der Schraube, denn gerade hier treten starke dynamische Lasten im Betrieb der Schraube auf, welche die Anfälligkeit der Schraube gegenüber Wasserstoffversprödung erhöhen, welche durch die Erfindung verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden kann. Die Schraube kann dabei einen Kopf mit Werkzeugangriffsflächen aufweisen, wobei diese Werkzeugangriffsflächen insbesondere einen Innen- oder einen Außensechskant miteinander ausbilden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die gesamte Schraube mit der Aluminiumdiffusionsschicht beschichtet ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Bestandteil aus einem Vergütungsstahl und/oder einem niedriglegierten Stahl, umfasst die Schritte: a) Bereitstellen eines Bauteils mit einem Bestandteil aus einem Vergütungsstahl und/oder einem niedriglegierten Stahl, b) Aufbringen einer Aluminiumdiffusionsschicht mit einer Schichtdicke von 1 - 200 pm auf dem Bestandteil bei einer Temperatur von 400 bis 1100 °C in einer Inertgasatmosphäre, c) Erwärmen des Bauteils auf 700 bis 1000 °C in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre für mindestens 10 Minuten, wodurch eine Aluminiumoxidschicht auf der Aluminiumdiffusionsschicht hergestellt wird.

Die Temperatur im Schritt b) beträgt bevorzugt 800 - 1000 °C. Vorzugsweise wird im Erwärmungsschritt c) für mindestens 15 Minuten erwärmt, bevorzugt mindestens 20 Minuten und besonders bevorzugt für mindestens 30 Minuten. Weiter ist es bevorzugt, dass die Erwärmung für 10 - 600 Minuten stattfindet, besonders bevorzugt für 15 - 400 Minuten und am meisten bevorzugt für 20 - 180 Minuten erwärmt wird. Die Erwärmung im Schritt c) erfolgt auf 700 - 1000 °C für die angegebenen Zeiträume, vorzugsweise auf 800 - 1000 °C, besonders bevorzugt auf 820 - 980 °C.

Das Aufbringen der Aluminiumdiffusionsschicht erfolgt vorzugsweise indem eine Aluminiumschicht aufgebracht wird, die dann bei der Temperatur des Schritts b), vorzugsweise einer Temperatur von 400 bis 1100 °C, eine Aluminiumdiffusionsschicht ausbildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Bestandteil aus einem Vergütungsstahl und/oder einem niedriglegierten Stahl, umfasst somit die Schritte: a) Bereitstellen eines Bauteils mit einem Bestandteil aus einem Vergütungsstahl und/oder einem niedriglegierten Stahl, b) Aufbringen einer Aluminiumschicht auf dem Bestandteil bei einer Temperatur von 400 bis 1100 °C in einer Inertgasatmosphäre, wobei sich eine Aluminiumdiffusionsschicht mit einer Schichtdicke von 1 - 200 pm auf dem Bestandteil ausbildet, c) Erwärmen des Bauteils auf 700 bis 1000 °C in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre für mindestens 10 Minuten, wodurch eine Aluminiumoxidschicht auf der Aluminiumdiffusionsschicht hergestellt wird.

Unter einer Inertgasatmosphäre wird im Sinne der Erfindung eine Atmosphäre eines Gases oder Gasgemisches verstanden, das gegenüber dem Aluminium der Aluminiumdiffusionsschicht reaktionsträge ist. Vorzugsweise ist es eine Gasatmosphäre, die weniger als 1 Vol.-% gegenüber Aluminium reaktive Gase enthält, insbesondere weniger als 1 Vol.-% Sauerstoff enthält. Besonders bevorzugt umfasst die Inertgasatmosphäre mehr als 99 Vol.-% Stickstoff, Wasserstoff und/oder Edelgase, beispielsweise Argon, Argon und Stickstoff, oder Stickstoff und Wasserstoff, z.B. Stickstoff und 5-10% H2.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, wobei das Bauteil ein hochfestes oder ultrahochfestes Bauteil ist, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Bauteils, wobei das Bauteil ein hochfestes oder ultrahochfestes Bauteil ist, wobei das ein Befestigungsmittel ist, das einen Gewindebereich und/oder Schaftbereich aufweist und/oder ausbildet, mit einem Bestandteil aus einem Vergütungsstahl und/odereinem niedriglegierten Stahl, b) Aufbringen einer Aluminiumdiffusionsschicht mit einer Schichtdicke von 1 - 200 pm auf dem Bestandteil, insbesondere im Gewindebereich und/oder Schaftbereich, bei einer Temperatur von 400 bis 1100 °C in einer Inertgasatmosphäre, c) Erwärmen des Bauteils auf 700 bis 1000 °C in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre für mindestens 10 Minuten, wodurch eine Aluminiumoxidschicht auf der Aluminiumdiffusionsschicht hergestellt wird.

Nach dem Erwärmungsschritt c) können sich weitere Schritte anschließen, insbesondere ein Vergütungsschritt d). Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann der Vergütungsschritt jedoch auch während und/oder zeitgleich bzw. zusammen mit dem Erwärmungsschritt c) erfolgen. In anderen Worten kann das Vergüten und das Erwärmen/Oxidieren in einem Schritt gemeinsam erfolgen. Hierdurch kann eine besonders schnelle und kostengünstige Herstellung der Aluminiumoxidschicht erreicht werden. Beispielsweise kann ein martensitisches Vergüten (vorzugsweise durch Abschrecken in Öl, Luft und/oder Wasser) oder eine Bainitisierung (vorzugsweise im Salzbad) erfolgen. Ein martensitisches Vergüten oder eine Bainitisierung erfolgen unter den üblichen Bedingungen.

Der Erwärmungsschritt c) kann somit ein separat vorgenommener Erwärmungsschritt sein, beispielsweise in einem Ofen, oder der Erwärmungsschritt kann während des Vergütungsschritts des Bauteils stattfinden, beispielsweise bei der Austenitisierung des Stahls. Vorzugsweise findet der Erwärmungsschritt während des Vergütens des Bauteils statt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst daher das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils die Schritte: a) Bereitstellen eines Bauteils mit einem Bestandteil aus einem Vergütungsstahl und/oder einem niedriglegierten Stahl, b) Aufbringen einer Aluminiumdiffusionsschicht mit einer Schichtdicke von 1 - 200 gm auf dem Bestandteil bei einer Temperatur von 400 bis 1100 °C in einer Inertgasatmosphäre, c) Erwärmen des Bauteils auf 700 bis 1000 °C während der Vergütung des Bauteils in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre für mindestens 10 Minuten, wodurch eine Aluminiumoxidschicht auf der Aluminiumdiffusionsschicht hergestellt wird.

Die oben genannten Schritte a), b) und c) werden in dieser Reihenfolge durchgeführt.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils zur Vermeidung oder Verminderung einer Wasserstoffversprödung. Die Verwendung umfasst vorzugsweise die Verwendung der beschriebenen, bevorzugten Bauteile zur Vermeidung oder Verminderung einer Wasserstoffversprödung, beispielsweise eines Befestigungsmittels mit einem Gewindebereich und/oder Schaftbereich. Dies betrifft insbesondere die Verminderung oder Vermeidung der Wasserstoffversprödung in dem Bauteil durch Wasserstoff, der von außen eindringen kann, beispielsweise beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Bauteils. Dies kann zum Beispiel beim Einsatz des erfindungsgemäßen Bauteils, beispielsweise eines Befestigungsmittels, in einem korrosiven Umfeld der Fall sein. Die erfindungsgemäße Aluminiumdiffusionsschicht in Kombination mit der Aluminiumoxidschicht schützt dann besonders wirksam das Bauteil vor einer Wasserstoffversprödung, indem sie das Eindringen des Wasserstoffs in das Bauteil vermindert oder verhindert. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils, insbesondere Befestigungsmittels, in einer Brennstoffzelle oder einer Batterieanordnung. Bei Brennstoffzellen oder Batterien entsteht häufig relativ viel Wasserstoff und hier kann die erfindungsgemäße Aluminiumdiffusionsschicht in Kombination mit der Aluminiumoxidschicht mit besonderem Vorteil die Wasserstoffversprödung vermeiden.

Die Erfindung betrifft auch eine Batterieanordnung und/oder Brennstoffzelle, umfassend ein erfindungsgemäßes Bauteil, insbesondere ein erfindungsgemäßes Befestigungsmittel. Hier werden die oben beschriebenen Vorteile der Vermeidung einer Wasserstoffversprödung besonderes wirksam erreicht aufgrund der relativ hohen Mengen an Wasserstoff, die in Batterieanordnungen oder Brennstoffzellen entstehen.

Die oben beschriebenen, vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auch für dieses bevorzugte Verfahren vorteilhaft, insbesondere die erwähnten bevorzugten und besonders bevorzugten Schichtdicken, Temperaturen, Erwärmungsdauern und/oder vorteilhaften Bauteile etc.

Das Gefüge des Bestandteils aus Stahl kann vor dem Erwärmungsschritt c) ferritisch, ferritisch-perlitisch, bainitisch, GKZ-geglüht oder ein Mischgefüge sein. Nach dem Vergütungsschritt d) kann das Gefüge des Bestandteils in einer bevorzugten Ausführungsform martensitisch, bainitisch oderferritisch-martensitisch oder dual-phasig (Restaustenit, Ferrit und/oder Martensit) sein.

Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil mit einem Bestandteil aus Stahl, erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Vorteilhafterweise kann das Bauteil und/oder der Bestandteil aus Stahl auch die vorgenannten Merkmale in Hinblick auf das Verfahren aufweisen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die genannten Vorteile von Merkmalen oder von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen von unterschiedlichen Patentansprüchen ist abweichend von den gewählten Rückbezügen der Patentansprüche möglich.

Messmethode zur Schichtdickenbestimmung:

Die Schichtdicke der Aluminiumdiffusionsschicht wird vorzugsweise mit einem Mikrometer gemessen, beispielsweise mit Hilfe des Verfahrens gemäß ASTM C664-10 (in der Fassung wie veröffentlicht 2020, Testmethode A). Dazu wird im Wesentlichen die Dicke des Bauteils vor und nach der Beschichtung mit der Aluminiumdiffusionsschicht gemessen und aus der Differenz ergibt sich die Schichtdicke.

Die Dicke der Aluminiumdiffusionsschicht kann auch ermittelt werden, indem zunächst die Dicke des Bauteils gemessen wird, nach dem Beschichten mit der Aluminiumdiffusionsschicht. Anschließend wird die Aluminiumdiffusionsschicht abgetragen, beispielsweise durch Schleifen, und die Zusammensetzung des Materials analysiert, zum Beispiel durch chemische Analyse des abgetragenen Materials oder chemische Analyse des verbleibenden Oberflächenmaterials. Als Analysemethode können beispielsweise nasschemische Verfahren, die Rasterkraftmikroskopie (AFM) oder die Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS, EDX, EDXS oder XEDS) eingesetzt werden. Es wird so lange Material abgetragen, wie das abgetragene Material einen Aluminiumanteil von mindestens 10 Gew.-% über dem Aluminiumanteil des Stahls aufweist, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumdiffusionsschicht. Nach Abtragung der Aluminium diffusionsschicht ist der Aluminiumanteil des Stahls auf der Oberfläche des Bauteils knapp unterhalb von 10 Gew.-% über dem Aluminiumanteil des Stahls und es wird erneut die Dicke des Bauteils mit einem Mikrometer gemessen. Aus der Differenz ergibt sich die Dicke der Aluminiumdiffusionsschicht. Alternativ kann die Schichtdicke der Aluminiumdiffusionsschicht mit Hilfe des Verfahrens gemäß ASTM C664-10 (in der Fassung wie veröffentlicht 2020, Testmethode B) ermittelt werden. Dazu wird im Wesentlichen im Querschliff die Schichtdicke mit Hilfe eines optischen Mikroskops bestimmt. Ferner ist es möglich, die Schichtdicke der Aluminiumdiffusionsschicht im Querschliff mit Hilfe der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS, EDX, EDXS oder XEDS) zu bestimmen. Die Dicke der Aluminiumoxidschicht kann mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie ermittelt werden.

Die Herstellung eines Bauteils mit Aluminiumdiffusionsschicht erfolgt durch die Herstellung des Bauteils aus dem Substratwerkstoff Stahl mittels axialer Kaltmassivumformung. Das Ausgangsmaterial wird dabei der Umformmaschine in Form einer Drahtspule zugeführt. Das umgeformte Produkt besitzt die Geometrie einer Schraube. Im Anschluss wird eine Aluminiumdiffusionsschicht aufgebracht. Nach dem Aufbringen der Beschichtung wird das Bauteil in sauerstoffhaltiger Atmosphäre erwärmt und zur Vergütung auf einer Temperatur von 850°C für 30 min. austenitisiert.

Zur Einstellung des gewünschten Gefüges und der mechanischen Eigenschaften des Bauteils wird unmittelbar nach dem Austenitisieren ein Abschrecken durchgeführt. Während des Abschreckvorgangs wird eine geeignete Gefügestruktur eingestellt. Innerhalb der Diffusionsschicht wandelt der erzeugte Werkstoff gemäß seiner lokal vorliegenden Al-Konzentration um. Das resultierende Bauteil verfügte über eine Zugfestigkeit von 1600 MPa - 1650 MPa.

Experimentelle Beurteilung des Einflusses der Aluminiumdiffusionsschicht auf wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion:

Das Phänomen wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion bei höherfesten Stahlwerkstoffen erfordert im Allgemeinen drei äußere Einflussfaktoren. Diese sind:

1. Werkstoff mit einer Anfälligkeit aus wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion 2. Flohe mechanische Zug- oder Biegespannungen im Bauteil

3. Wasserstoffangebot in der Umgebung

Zur Bewertung des Werkstoffverhaltens hinsichtlich wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion eignet sich daher ein Versuchsaufbau, bei dem die beiden übrigen Faktoren reproduzierbar abgebildet werden. Zur Beurteilung wird daher der Prüfaufbau nach DIN EN ISO 7539-7 verwendet.

Als besonders präzise hat sich hierbei die Auswertung gemäß DIN EN ISO 7539-7 Kapitel 7.3 nach „Integral der Nennspannungs-/Dehnungs-Kurve“ erwiesen. In jedem Fall wird zur Charakterisierung immer das System bestehend aus o.g. Einflussfaktoren im Zustand ohne Wasserstoffangebot in der Umgebung mit dem System mit Wasserstoffangebot in der Umgebung verglichen. Nach der Auswertung des Kennwerts des „Integral der Nennspannungs-/Dehnungs-Kurve“, ergibt sich für jeden der beiden Zustände ein Wert für die Gesamte durch das Bauteil aufgenommene Verformungsenergie. Mittels der Formel

Wßh (Verformungsenergie mit H — Beladung ) W _Bu (Verformungsenergie ohne H — Beladung ) wird aus den beiden ermittelten Verformungsenergien der sogenannte FIE-Wert bestimmt. Der FIE-Wert kann zwischen 0 und 1 liegen. Dabei bedeutet ein Wert von FIE=0 keine Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften, während HE=1 das Versagen unterWasserstoff ohne Belastung bedeutet (letzterer ist ein theoretischer Extremwert und in der Realität nicht möglich).

Zur Charakterisierung der Schrauben mit integrierter Aluminiumdiffusionsschicht erfolgt indem der Referenzwert ohne Wasserstoffbelastung W _BU bestimmt wird. Dieser wird anhand des Mittelwerts dreier Proben mit einer

Dehnungsgeschwindigkeit von 0,0067 1/s in der instrumentierten Zug- /Druckprüfmaschine ermittelt. Die erfindungsgemäßen Schrauben zeigten keinen signifikanten Abfall der Festigkeit nach Aussetzen gegenüber Wasserstoff, wohingegen nicht erfindungsgemäß beschichtete Schrauben einen solchen Abfall zeigten.

Weitere Vorteile und Merkmal der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die Figuren. Einzelne Merkmale der dargestellten Ausführungsformen können dabei auch in anderen Ausführungsformen eigesetzt werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde. Es zeigt: Figur 1 ein erfindungsgemäßes Bauteil

In der Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Bauteil gezeigt. Das Bauteil verfügt über einen Bestandteil 1 aus niedriglegiertem Stahl und/oder Vergütungsstahl . Das Bauteil kann dabei insbesondere ein Befestigungsmittel sein oder eine Feder. Der Bestandteil 1 ist zumindest teilweise mit einer Aluminiumdiffusionsschicht 10 beschichtet, wobei die Schichtdicke der Aluminiumdiffusionsschicht 1 bis 200 gm beträgt. Der Pfeil in der Aluminiumdiffusionsschicht 10 der Figur 1 zeigt dabei die Abnahme der Konzentration des Aluminiums in der Aluminiumdiffusionsschicht 10 sowie die Dickenrichtung an, in welche sich insbesondere die Dicke der Aluminiumdiffusionsschicht 10 bestimmen kann. Auf der Aluminiumdiffusions schicht 10 ist eine Aluminiumoxidschicht 14 aufgebracht. Die Aluminiumdiffusionsschicht ist dabei distal gegenüberliegend zu dem Bestandteil 1 aus Stahl durch die Grenzfläche 12 zwischen Aluminiumdiffusionsschicht 10 und Aluminiumoxidschicht 14 begrenzt. Diese Oberfläche 16 der Aluminiumoxidschicht 14 kann selbst wiederum beschichtet sein.