1. Theoretischer Test und Analyse
Von den 3ReifenventileDie von der Firma bereitgestellten Muster umfassen zwei Ventile und ein unbenutztes Ventil. Bei den Ventilen A und B ist das unbenutzte Ventil grau markiert. Abbildung 1 zeigt die Außenfläche von Ventil A, die von Ventil B und C ist flach. Ventil A und B weisen Korrosionsprodukte auf. An den Biegungen beider Ventile sind Risse zu erkennen, wobei der äußere Teil der Biegung entlang des Ventils verläuft. Der Riss am Ventilring von Ventil B ist zum Ende hin ausgeprägt. Die gerissenen Stellen auf Ventil A sind mit einem weißen Pfeil markiert. Die Risse sind flächendeckend vorhanden und am größten.
Ein Abschnitt desReifenventilDie Proben A, B und C wurden aus dem Biegebereich entnommen und deren Oberflächenmorphologie mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) ZEISS-SUPRA55 untersucht. Die Zusammensetzung der Mikrostruktur wurde mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) analysiert. Abbildung 2(a) zeigt die Mikrostruktur der Ventiloberfläche B. Es sind zahlreiche weiße, helle Partikel auf der Oberfläche zu erkennen (markiert durch die weißen Pfeile in der Abbildung). Die EDS-Analyse dieser weißen Partikel ergab einen hohen Schwefelgehalt. Die Ergebnisse der Energiespektrumanalyse der weißen Partikel sind in Abbildung 2(b) dargestellt.
Abbildungen 2 (c) und (e) zeigen die Oberflächenmikrostrukturen von Ventil B. Abbildung 2 (c) zeigt, dass die Oberfläche nahezu vollständig mit Korrosionsprodukten bedeckt ist. Die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) identifiziert die Korrosionsbestandteile der Korrosionsprodukte hauptsächlich als Schwefel (S), Chlor (Cl) und Sauerstoff (O). Der Schwefelgehalt ist an einzelnen Positionen höher. Die Ergebnisse der EDX sind in Abbildung 2 (d) dargestellt. Abbildung 2 (e) zeigt Mikrorisse entlang des Ventilrings auf der Oberfläche von Ventil A. Abbildungen 2 (f) und (g) zeigen die Oberflächenmikromorphologien von Ventil C. Auch hier ist die Oberfläche vollständig mit Korrosionsprodukten bedeckt, und die Korrosionsbestandteile umfassen ebenfalls S, Cl und O, ähnlich wie in Abbildung 2 (e). Die Rissbildung könnte, wie die Analyse der Korrosionsprodukte auf der Ventiloberfläche nahelegt, auf Spannungsrisskorrosion (SRK) zurückzuführen sein. Abbildung 2(h) zeigt die Oberflächenmikrostruktur von Ventil C. Die Oberfläche ist relativ sauber, und die mittels EDS analysierte chemische Zusammensetzung ähnelt der von Kupferlegierungen, was darauf hindeutet, dass das Ventil nicht korrodiert ist. Der Vergleich der mikroskopischen Morphologie und der chemischen Zusammensetzung der drei Ventiloberflächen zeigt, dass in der Umgebung korrosive Stoffe wie Schwefel (S), Sauerstoff (O) und Chlor (Cl) vorhanden sind.
Der Riss in Ventil B wurde durch einen Biegeversuch geöffnet. Dabei zeigte sich, dass der Riss nicht den gesamten Querschnitt des Ventils durchdrang, sondern an der Rückbiegungsseite auftrat und auf der gegenüberliegenden Seite intakt war. Die visuelle Untersuchung des Bruchs ergab eine dunkle Färbung, was auf Korrosion hindeutet. Einige Bereiche des Bruchs waren besonders dunkel, was auf eine stärkere Korrosion schließen lässt. Der Bruch von Ventil B wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht (siehe Abbildung 3). Abbildung 3(a) zeigt die makroskopische Ansicht des Bruchs. Der äußere Bruchbereich nahe dem Ventil ist von Korrosionsprodukten bedeckt, was erneut auf das Vorhandensein korrosiver Medien in der Umgebung hinweist. Die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) ergab, dass die Korrosionsprodukte hauptsächlich aus Schwefel (S), Chlor (Cl) und Sauerstoff (O) bestehen, wobei der Anteil an S und O relativ hoch ist (siehe Abbildung 3(b)). Die Bruchfläche zeigte ein Risswachstum entlang der Kristallstruktur. Bei höherer Vergrößerung sind zahlreiche Sekundärrisse erkennbar (siehe Abb. 3(c)). Diese sind in der Abbildung mit weißen Pfeilen markiert. Korrosionsprodukte und Risswachstumsmuster auf der Bruchfläche weisen erneut auf Spannungsrisskorrosion hin.
Da der Bruch von Ventil A nicht geöffnet wurde, wurde ein Teil des Ventils (einschließlich der Rissstelle) entfernt, der axiale Querschnitt des Ventils geschliffen und poliert und anschließend mit einer Lösung aus FeCl₃ (5 g) + HCl (50 mL) + C₂H₅OH (100 mL) geätzt. Die metallografische Struktur und die Rissausbreitungsmorphologie wurden mit einem optischen Mikroskop (Zeiss Axio Observer A1m) untersucht. Abbildung 4 (a) zeigt die metallografische Struktur des Ventils, die eine α+β-Zweiphasenstruktur aufweist, wobei die β-Phase relativ fein und körnig ist und in der α-Phasenmatrix verteilt vorliegt. Die Rissausbreitungsmuster an den Umfangsrissen sind in Abbildung 4 (a) und (b) dargestellt. Da die Rissflächen mit Korrosionsprodukten gefüllt sind, ist der Abstand zwischen den beiden Rissflächen groß, wodurch die Rissausbreitungsmuster schwer zu erkennen sind. Zahlreiche Sekundärrisse (in der Abbildung mit weißen Pfeilen markiert) wurden entlang des Hauptrisses beobachtet (siehe Abb. 4(c)). Diese Sekundärrisse breiteten sich entlang der Faserrichtung aus. Die REM-Untersuchung der geätzten Ventilprobe ergab zahlreiche Mikrorisse an anderen Stellen parallel zum Hauptriss. Diese Mikrorisse gingen von der Oberfläche aus und breiteten sich ins Innere des Ventils aus. Die Risse verzweigten sich und verliefen ebenfalls entlang der Faserrichtung (siehe Abb. 4(c), (d)). Da die Umgebung und der Spannungszustand dieser Mikrorisse nahezu identisch mit denen des Hauptrisses sind, kann davon ausgegangen werden, dass sich der Hauptriss ebenfalls interkristallin ausbreitet. Dies wird durch die Bruchuntersuchung von Ventil B bestätigt. Die Rissverzweigung ist ein weiteres Indiz für Spannungsrisskorrosion im Ventil.
2. Analyse und Diskussion
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Beschädigung des Ventils durch Spannungsrisskorrosion infolge von SO₂ verursacht wurde. Spannungsrisskorrosion erfordert im Allgemeinen drei Bedingungen: (1) spannungsrisskorrosionsanfällige Werkstoffe; (2) ein korrosives Medium, das Kupferlegierungen anspricht; (3) bestimmte Spannungszustände.
Es gilt allgemein als erwiesen, dass reine Metalle nicht von Spannungsrisskorrosion betroffen sind, während alle Legierungen in unterschiedlichem Maße anfällig dafür sind. Bei Messingwerkstoffen wird im Allgemeinen angenommen, dass die Zweiphasenstruktur eine höhere Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion aufweist als die Einphasenstruktur. Laut Literaturangaben steigt die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion in Messingwerkstoffen ab einem Zinkgehalt von 20 %. Je höher der Zinkgehalt, desto höher die Anfälligkeit. Die metallografische Struktur der vorliegenden Gasdüse entspricht einer α+β-Zweiphasenlegierung mit einem Zinkgehalt von ca. 35 %, der deutlich über 20 % liegt. Daher weist sie eine hohe Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion auf und erfüllt die Materialbedingungen für Spannungsrisskorrosion.
Bei Messingwerkstoffen tritt Spannungsrisskorrosion auf, wenn nach der Kaltverformung keine Spannungsarmglühung durchgeführt wird. Dies geschieht unter geeigneten Spannungsbedingungen und in korrosiver Umgebung. Die Spannung, die zu Spannungsrisskorrosion führt, ist in der Regel eine lokale Zugspannung, die entweder eine angelegte Spannung oder eine Eigenspannung sein kann. Nach dem Aufpumpen des Lkw-Reifens entsteht aufgrund des hohen Reifendrucks eine Zugspannung entlang der axialen Richtung des Luftventils, die zu umlaufenden Rissen im Luftventil führt. Die durch den Reifeninnendruck verursachte Zugspannung lässt sich einfach mit σ = p R/2t berechnen (wobei p der Reifeninnendruck, R der Innendurchmesser des Ventils und t die Wandstärke des Ventils ist). Im Allgemeinen ist die durch den Reifeninnendruck erzeugte Zugspannung jedoch nicht sehr groß, weshalb die Wirkung von Eigenspannungen berücksichtigt werden muss. Die Rissstellen der Gasventile befinden sich alle an der Rückbiegung. Offensichtlich ist die Restverformung an der Rückbiegung groß, und es herrscht dort eine Eigenzugspannung. Tatsächlich wird Spannungsrisskorrosion bei vielen praktischen Bauteilen aus Kupferlegierungen selten durch konstruktionsbedingte Spannungen verursacht, sondern meist durch unsichtbare und vernachlässigte Eigenspannungen. Im vorliegenden Fall ist an der hinteren Ventilbiegung die Richtung der durch den Reifeninnendruck erzeugten Zugspannung mit der Richtung der Eigenspannung identisch. Die Überlagerung dieser beiden Spannungen führt zur Entstehung von Spannungsrisskorrosion.
3. Schlussfolgerung und Empfehlungen
Abschluss:
Das Brechen desReifenventilwird hauptsächlich durch Spannungsrisskorrosion infolge von SO2 verursacht.
Anregung
(1) Die Quelle des korrosiven Mediums in der Umgebung des/der/der/desReifenventilund versuchen Sie, direkten Kontakt mit dem umgebenden korrosiven Medium zu vermeiden. Beispielsweise kann eine Korrosionsschutzschicht auf die Oberfläche des Ventils aufgetragen werden.
(2) Die durch Kaltverformung entstandenen Zugspannungen können durch geeignete Verfahren, wie z. B. Spannungsarmglühen nach dem Biegen, beseitigt werden.
Veröffentlichungsdatum: 23. September 2022
