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EFB-Forschungsbericht Nr. 263

Füge- und Korrosionsuntersuchungen an Stanznietverbindungen aus Chrom-Nickel-Stahl und oberflächenveredelten Feinblechen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Doris Regener, Dr.-Ing. Joachim Göllner, Institut für Werkstofftechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Wirt.-Ing. Dominik Hußmann, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik LWF, Universität Paderborn

69 Seiten (sw 66, teils farbige Abb.)

ISBN: 978-3-86776-295-3

Preis (Digital) EUR 70,00

Preis (Print) EUR 79,00

Zusammenfassung

Das mechanische Fügen zeichnet sich durch intensive Weiterentwicklungen aus und bereichert damit die blechverarbeitende Industrie. Mit dem Einsatz neuer Werkstoffe und Nietformen, neuer Schutzschichten, modifizierter Fertigungstechnologien, der erforderlichen Mischbauweise, Veränderungen der medialen Belastungen sowie der Gewährleistung von Langzeitgarantien wird eine Vielzahl von Fragen bezüglich des Korrosionsverhaltens der neuen Verbindungen aufgeworfen.

Als eine Alternative für den Materialeinsatz im Karosseriebau kommen Chrom-Nickel-Stähle in Betracht, welche im Bereich crashrelevanter oder umformtechnisch anspruchsvoller Bauteile Verwendung finden können. In den meisten Fällen bedingt dies eine Verbindung mit verzinkten Feinblechen. Für die Umsetzung der Fügeauf-gabe sind Stanznietverfahren eine geeignete Lösung. Aber auch auf vielen anderen Gebieten finden Stanznietverbindungen von Chrom-Nickel-Stählen mit Stählen geringerer Korrosionsbeständigkeit Anwendung. Von Seiten der Korrosion sind Mischverbindungen sehr kompliziert. Hier kommt der Systemcharakter der Korrosion - das komplizierte Zusammenspiel von Werkstoffen, Medien und Design - besonders deutlich zum Ausdruck.

Die Ergebnisse der Salzsprüh- und VDA-Wechseltests bieten die Möglichkeit, schnell die Schwachstellen in Überzügen und Beschichtungen aufzuzeigen, erlauben jedoch nicht das Korrosionsverhalten einer Nietverbindung unter praktischen Bedingungen einschätzen zu können, da hier die Korrosion nach einem anderen Mechanismus abläuft. Außerdem sind die Bedingungen zu "scharf", sodass kaum Differenzierungen möglich sind. Elektrochemische Messungen (Potential, Korrosionsstrom, elektrochemisches Rauschen) liefern differenzierte Aussagen und geben einen besseren Einblick in die Korrosionsprozesse. Sie zeigen eine gute Korrelation zu den Auslagerungsversuchen.

Die wegen der Geometrie der Nietverbindungen bei hochlegierten Chrom-Nickel-Stählen zu befürchtende Spaltkorrosion konnte nicht bestätigt werden, da durch Werkstoffkombination (Nietüberzüge/Chrom-Nickel-Stahl) die kritischen Potentiale der Spaltkorrosion nicht erreicht werden. Dagegen konnte Bimetallkorrosion nachgewiesen werden, die durch die ungünstigen Flächenverhältnisse zwischen Niet (Anode) und Chrom-Nickel-Stahlblech (Kathode) bei Dauerbefeuchtung extreme Ausmaße annehmen kann. Bei der Verwendung von Nieten aus hochlegiertem Chrom-Nickel-Stahl besteht jedoch auch hier die Gefahr der Spaltkorrosion.

Der Einsatz hochlegierter korrosionsbeständiger Stähle bedarf einer besonderen Herangehensweise, da diese Stähle nicht a priori korrosionsbeständig sind, sondern ihre Beständigkeit von einer Passivschicht herleiten, die Bedingungen für ihre stete Neubildung bedarf.

Mit dem Forschungsprojekt wurden wichtige Impulse für die korrosionsschutzgerechte Gestaltung und Fertigung von Bauteilen sowie für den Einsatz von Mischverbindungen unter korrosiven Bedingungen gegeben. Die Resultate aus den Untersuchungen zum Einfluss der Fertigungsparameter und der Umgebungsbedingungen auf das Korrosionsverhalten dienen zur Optimierung des Korrosionsschutzes bei der Gestaltung und Herstellung von Stanznietverbindungen aus Chrom-Nickel-Stahlblechen mit veredelten Feinblechen.

Das Forschungsvorhaben "Füge- und Korrosionsuntersuchungen an Stanznietverbindungen aus Chrom-Nickel-Stahl und oberflächenveredelten Feinblechen" wurde unter der Fördernummer AiF 14254BG von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 263 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The mechanical joining technology is subject of intense further development and thus promotes the whole metalworking industry. But the use of new materials, new rivet forms, new protective layers, changed production technologies, hybrid design, changed environmental influences and demanded long-term guarantees let arise various questions regarding the corrosion resistance of new mechanical joints.

As an alternative material in the field of bodyworks stainless CrNi-steels are considered more and more, which may be used for crash-relevant components or components where mechanical working becomes ambitious. For most applications this cause a mechanical joint with zinc coated sheet metals. For the realization of such joints the blanking technology is the method of choice. The combination of stainless steels with steels of lower corrosion resistance is not unusual, but from a corrosion resistance point of view such hybrid designs are sometimes very complicated, because the system-character of corrosion - the complicated interplay between material, environment and design - expresses here in a particular way.

Regarding corrosion testing, the common salt-spray test and the alternating test specified by the VDA are useful to show weak spots on metallic and non-metallic coatings, but they do not allow assessing the corrosion behaviour of rivet joints under practical conditions, because the corrosion mechanisms are different. On the other side the testing conditions are often too "aggressive", so that distinctions between fabrication parameters are not possible.

Electrochemical measurements (potential, corrosion current, electrochemical noise) allow more detailed statements and give a better insight to the corrosion mechanisms. They also show a good correlation with practical exposure tests.

The expected crevice corrosion on the stainless steels due to the geometry of the rivet joints was no issue, because the combination of rivet covering and stainless steel results in uncritical potentials where no crevice corrosion takes place. On the other hand galvanic corrosion could be detected, which was caused by an unfavourable area ratio between rivet (anode) and stainless steel sheet metal (cathode). This type of corrosion can extremely escalate when permanent wetting appears. However, using stainless steel rivets with stainless steel metal sheets crevice corrosion is a problem in turn.

The use of high alloyed stainless steels requires a special approach, because this material is not a priori corrosion resistant but gets its resistance from a passive layer on the surface, which needs conditions where a rebuilding is always possible.

With this research project important impulses for a properly design and production for minimizing corrosion were given as well as ideas for the application of hybrid designs under corrosive conditions. The results from investigations to the influence of fabrication parameters and environmental conditions on the corrosion behaviour are helpful for optimizing the corrosion protection during the process of design and fabrication of rivet joints from stainless steel and finished metal sheets.

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Erkenntnisse / Technik
2.1 Mechanisches Fügen
2.2 Korrosion
2.3 Korrosionsprüfung
3 Aufgabenstellung
4 Versuchsbedingungen und Versuchsdurchführung
4.1 Ausgangsmaterialien
4.2 Nietverbindungen
4.3 Korrosionsprüfung
5 Versuchsergebnisse
5.1 Korrosionsuntersuchungen an den Ausgangsmaterialien
5.1.1 Charakterisierung der Nietüberzüge
5.1.2 Korrosionsbeständigkeit der Bleche
5.2 Konditionierung der Passivschicht auf Chrom-Nickel-Stahlblechen
5.2.1 Einfluss der Auslagerungsatmosphäre auf die Korrosionsbeständigkeit
5.2.2 Einfluss verschiedener Vorbehandlungen
5.2.3 Einfluss von Verformungsmartensit auf die Korrosionsbeständigkeit
5.3 Korrosionsverhalten von Nietverbindungen
5.3.1 Freibewitterungsversuche in ländlicher Atmosphäre
5.3.2 Elektrochemische Untersuchungen zur Spaltkorrosion
5.3.3 Sprühnebelversuche an Stanznietverbindungen
5.3.4 VDA-Wechseltest 621-415 an Stanznietverbindungen
5.3.5 Stanznietverbindung mit niedrigviskosem Dichtsystem
5.3.6 Untersuchungen zur Bimetallkorrosion
5.3.7 Bleche und Nieten aus hochlegiertem Stahl in Meeresatmosphäre
6 Zusammenfassung
7 Literatur
Danksagung