Kruchość wodorowa śrub: 10.9 i 12.9 z powłoką

ISO 4042 wymienia trzy warunki, które muszą wystąpić jednocześnie: materiał podatny — stal o wysokiej wytrzymałości i twardości; naprężenie rozciągające — od dokręcenia, obciążenia albo naprężeń własnych; wodór atomowy wchłonięty przez stal. Bez któregokolwiek z nich do pęknięcia nie dojdzie, dlatego wszystkie środki zaradcze dotyczą albo twardości, albo wodoru.

Norma rozróżnia dwa źródła wodoru. Kruchość wodorowa wewnętrzna (IHE) pochodzi z produkcji — z trawienia w kwasie i powlekania galwanicznego — i ujawnia się wkrótce po montażu. Kruchość wodorowa środowiskowa (EHE) to wodór wchłaniany w czasie pracy, np. z korozji powierzchni; w tym przypadku mówi się też o korozji naprężeniowej. Środki przeciw IHE nie usuwają ryzyka EHE.

Podatność rośnie z twardością. ISO 4042 dzieli śruby wg ISO 898-1 na trzy grupy i dla każdej określa, co musi zrobić producent, który powleka je galwanicznie — cynkiem, cynkiem-niklem, cynkiem-żelazem:

Wygrzewanie (odwodorowanie) to wyżarzanie po cynkowaniu, zwykle przed pasywacją, które wypędza część wodoru ze stali. Dla śrub cynkowanych twardszych niż 390 HV norma podaje jako typowe 8–10 h w 190–220 °C i zaznacza, że popularne 4 h w 185–195 °C na ogół nie wystarcza, bo warstwa cynku utrudnia ucieczkę wodoru. Badanie wyrobu to próba długotrwałego obciążenia: śruby trzyma się napięte przez 24–200 h, np. według ISO 15330, i sprawdza, czy któraś pęknie.

Starsze źródła i karty katalogowe powtarzają regułę z wydania ISO 4042 z 1999 r.: ryzyko od twardości 320 HV, czyli od klasy 10.9, i wygrzewanie każdej takiej partii. Wydania 2018 i 2022 przesunęły granice na 360 i 390 HV. W załączniku norma dodaje, że śruby 10.9 wyprodukowane zgodnie z ISO 898-1 nie są podatne na pękanie od wodoru z produkcji — wygrzewa się je zapobiegawczo, na wypadek błędów procesu.

Najwięcej wodoru wnosi przygotowanie powierzchni: trawienie w kwasie, którym przed cynkowaniem usuwa się zgorzelinę i rdzę. Wodór wydziela się też w samej elektrolizie. Ile go zostanie w stali, zależy jednak przede wszystkim od powłoki: cynk jest dla wodoru barierą, więc to, co weszło do stali, zostaje pod powłoką.

Stąd różnice między powłokami galwanicznymi. Według ISO 4042 alkaliczny cynk-nikiel z 12–16 % niklu łatwiej przepuszcza wodór niż czysty cynk i niesie mniejsze ryzyko — przy twardości ponad 390 HV można z tego powodu zrezygnować z wygrzewania, ale tylko po badaniach i w uzgodnieniu z odbiorcą. Fosforanowane śruby 12.9 po dobie w temperaturze otoczenia nie są już zagrożone, bo porowata warstwa fosforanu wypuszcza wodór. Dla 12.9 norma zaleca przygotowanie powierzchni bez kwasu — śrutowaniem albo myciem alkalicznym.

Kod powłoki na etykiecie, np. A2K, nie mówi nic o tym, czy partię odwodorowano — zob. kody powłok wg ISO 4042. Czarne powłoki — cynk-nikiel czarny i cynk płatkowy czarny — porównujemy w artykule czarne śruby.

Cynk płatkowy wg ISO 10683 nie powstaje w elektrolizie: zawiesinę płatków cynku i aluminium nanosi się na śrubę i utwardza w piecu. Norma stwierdza wprost, że przy nakładaniu takiej powłoki wodór nie powstaje, a przygotowanie powierzchni przez mycie alkaliczne lub rozpuszczalnikiem i oczyszczanie mechaniczne eliminuje ryzyko kruchości wewnętrznej. Śrub twardszych niż 390 HV i klasy 12.9 nie wolno w tym procesie trawić w kwasie. Powłoka przepuszcza wodór, więc w czasie utwardzania może uciec także ten, który wszedł do stali wcześniej.

ISO 10683 zaznacza, że takie powłoki stosuje się szczególnie do śrub o wytrzymałości od 1000 MPa — właśnie po to, by uniknąć kruchości wodorowej. W katalogu klasa 12.9 jest surowa albo w cynku płatkowym, np. śruba imbusowa ISO 4762 12.9 fl Zn; w cynku płatkowym są też m.in. śruby DIN 933 10.9 i pręt gwintowany 10.9. Odporność korozyjną cynku płatkowego na tle innych powłok opisujemy w artykule powłoki i korozja.

Ocynku ogniowego wg ISO 10684 klasa 12.9 w ogóle nie dotyczy — norma obejmuje śruby do klasy 10.9. Ocynkowane ogniowo 10.9 to m.in. zestawy HV do połączeń sprężanych; czym ocynk ogniowy różni się od galwanicznego, piszemy w artykule ocynk ogniowy czy galwaniczny.

Kruchość środowiskową wywołuje wodór, który powstaje na powierzchni śruby, gdy ta koroduje w wilgotnym albo agresywnym otoczeniu. Wygrzewanie po cynkowaniu przed nią nie chroni. ISO 898-1 zaleca ostrożność przy każdym zastosowaniu klasy 12.9: trzeba wziąć pod uwagę możliwości producenta, warunki pracy i metodę dokręcania, bo środowisko może wywołać korozję naprężeniową śrub — zarówno surowych, jak i powlekanych. Więcej o samej klasie — w artykule klasy wytrzymałości śrub.