Czym jest kruchość wodorowa? Dlaczego śruby klasy 10.9 i 12.9 pękają "same z siebie"?

Wyobraź sobie scenariusz: montujesz maszynę, dokręcasz wszystkie śruby kluczem dynamometrycznym zgodnie ze sztuką, a kontrola jakości potwierdza poprawność montażu. Maszyna stoi nieużywana na hali. Po 24 godzinach słychać głośny trzask – łeb jednej ze śrub leży na podłodze. Bez obciążenia roboczego, bez uderzenia. To nie magia, to fizyka i chemia w najgorszym wydaniu. Tak objawia się kruchość wodorowa śrub – cichy zabójca elementów złącznych o wysokiej wytrzymałości. Poniżej wyjaśniamy mechanizm tego zjawiska, dlaczego śruby 10.9 pękają częściej niż inne i jak się przed tym ustrzec. 

Najważniejsze informacje na start 

• Grupa ryzyka: Problem kruchości wodorowej dotyczy głównie stali o wysokiej twardości i wytrzymałości (klasy 10.9, 12.9, podkładki sprężyste). 

• Źródło problemu: Wodór atomowy wnika w strukturę stali podczas procesów trawienia kwasami (przed cynkowaniem) lub podczas samej galwanizacji. 

• Czas: Pęknięcie nie następuje od razu. To tzw. pęknięcie opóźnione, które może wystąpić po godzinach, dniach, a nawet tygodniach od montażu. 

• Rozwiązanie: Stosowanie powłok nieelektrolitycznych (ocynk płatkowy) lub rygorystyczny proces odwodorowania (wygrzewania) zaraz po cynkowaniu. 

Mechanizm zniszczenia – kruchość wodorowa metali i stali 

Stal wysokowytrzymała ma specyficzną, naprężoną strukturę (martenzytyczną). Podczas procesów chemicznych, takich jak trawienie kwasem solnym w celu usunięcia rdzy przed cynkowaniem, na powierzchni metalu wydziela się wodór. Jest to zjawisko groźne, ponieważ kruchość wodorowa metali, a w szczególności kruchość wodorowa stali, polega na dyfuzji atomów wodoru w głąb materiału. Atomy te są tak małe, że bez trudu wnikają pomiędzy atomy żelaza w sieci krystalicznej śruby. 

Głównym problemem są przyczyny natury fizycznej: atomy wodoru wędrują wewnątrz śruby, gromadząc się w miejscach największych naprężeń – czyli tam, gdzie śruba jest rozciągana po dokręceniu. Z czasem atomy łączą się w cząsteczki gazu H₂, zwiększając swoją objętość i wytwarzając gigantyczne ciśnienie wewnętrzne, które rozsadza stal od środka. 

Dlaczego głównie śruby 10.9 pękają, a 8.8 są bezpieczne? 

To kwestia twardości i plastyczności materiału. 

• Klasa 8.8: Jest stalą stosunkowo plastyczną. Nawet jeśli wodór wniknie w jej strukturę, sieć krystaliczna potrafi się „rozciągnąć” i zniwelować ciśnienie wewnętrzne. 

• Klasa 10.9 i 12.9: To stal bardzo twarda i sztywna. Nie ma zdolności do odkształceń plastycznych. Gdy ciśnienie wodoru wzrośnie, materiał nie „płynie”, lecz pęka krucho – jak szkło. 

Dlatego śruby 10.9 pękają najczęściej po wizycie w nieprofesjonalnej ocynkowni, która nie przeprowadziła procesu odwodorowania. 

Cynkowanie kruchość wodorowa – cichy zabójca 

Najbardziej podstępną cechą tego zjawiska jest czas. Wada nie ujawnia się przy dokręcaniu. Jest to tzw. delayed fracture (pęknięcie opóźnione). Aby do niego doszło, potrzebne są trzy czynniki działające jednocześnie: 

1. Podatny materiał (wysoka klasa wytrzymałości). 
2. Obecność wodoru (dlatego procesy takie jak cynkowanie nasilają kruchość wodorową). 
3. Naprężenie rozciągające (dokręcenie śruby). 

Dopiero po montażu, gdy naprężenia „zagonią” wodór w krytyczne miejsca, następuje awaria. Może to trwać 24 godziny, a może 2 tygodnie. 

Zapobieganie kruchości wodorowej – jak temu zaradzić? 

Tradycyjny ocynk galwaniczny to „uszczelniacz”. Jeśli wodór wniknął w stal podczas trawienia, a następnie został przykryty szczelną warstwą cynku w kąpieli galwanicznej, nie ma jak uciec. Jeśli chodzi o kruchość wodorowa, zapobieganie opiera się na dwóch filarach: 

1. Odwodorowanie: Natychmiast po cynkowaniu (maksymalnie do 4 godzin), śruby muszą trafić do pieca i być wygrzewane w temp. ok. 200-230°C przez wiele godzin (nawet do 24h). Pozwala to wodorowi dyfundować na zewnątrz. Proces ten nie daje jednak 100% gwarancji. 
2. Zmiana technologii: Najpewniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie ocynku płatkowego (Geomet/Dacromet), który nie wymaga trawienia kwasami i nie wprowadza wodoru do stali. Kruchość wodorowa w tej technologii jest całkowicie wyeliminowana. 

Przeglądaj produkty według kategorii 

Szukasz bezpiecznych śrub wysokiej wytrzymałości? Oto linki do produktów w odpowiednich klasach i powłokach: 

• Śruby z łbem stożkowym 10.9 (Odwodorowane lub czernione) 

• Śruby w ocynku płatkowym (Bezpieczne od wodoru) 

• Zestawy HV do konstrukcji (Ocynk ogniowy – bezpieczny proces) 

• Śruby imbusowe klasa 12.9 

• Śruby 8.8 (Niska podatność na kruchość) 

Przykładowy wybór produktów Elgo 

W Elgo dbamy o to, aby elementy złączne o wysokich parametrach były bezpieczne w użytkowaniu. Oferujemy produkty w technologiach minimalizujących ryzyko kruchości: 

• Śruby z łbem sześciokątnym z kołnierzem stożkowym DIN 6921 10.9 fl-zn – powłoka płatkowa całkowicie eliminuje problem wodoru. 

• Śruby z łbem walcowym z gniazdem sześciokątnym ISO 21269 12.9 fl-zn – najwyższa wytrzymałość 12.9 połączona z bezpieczną powłoką. 

• Zestaw EN 14399-4/6 kl. 10.9 typ HV tZn – zestawy HV są produkowane w reżimie technologicznym gwarantującym bezpieczeństwo przy ocynku ogniowym. 

• Śruby z łbem stożkowym z gniazdem sześciokątnym ISO 10642 10.9 – dostępne w wersji czarnej lub profesjonalnie ocynkowanej z odwodorowaniem. 

• Śruby dociskowe z łbem kwadratowym DIN 479 10.9 – stal wysokiej wytrzymałości bez pokrycia, co eliminuje ryzyko wodorowe (do zastosowań w oleju/smarze). 

Najczęściej poruszane kwestie 

Czy można uratować pękniętą śrubę? 

Nie. Pęknięcie wodorowe jest nieodwracalne i obejmuje cały przekrój elementu. Śrubę należy bezwzględnie wymienić na nową, najlepiej od innego dostawcy lub w innej technologii zabezpieczenia (np. płatkowym). 

Czy każda śruba ocynkowana 10.9 pęknie? 

Nie każda, ale ryzyko jest bardzo wysokie, jeśli proces nie był kontrolowany. Jeśli śruba przeszła profesjonalne odwodorowanie w piecu tuż po galwanizacji, ryzyko spada do kilku procent. Jednak dla elementów krytycznych (zawieszenia, dźwigi) zaleca się rezygnację z ocynku galwanicznego na rzecz płatkowego. 

Jak rozpoznać pęknięcie wodorowe? 

Jest to pęknięcie kruche, bez widocznego przewężenia (szyjki) charakterystycznego dla zerwania przez przeciążenie. Powierzchnia przełomu jest często ziarnista i matowa. Najważniejszą cechą jest jednak moment wystąpienia – pęknięcie pojawia się „samoistnie” po pewnym czasie od montażu. 

Ekspert Elgo radzi 

Zlecanie cynkowania galwanicznego surowych śrub o wysokiej wytrzymałości (klasy 10.9 i 12.9) w przypadkowych zakładach usługowych to błąd technologiczny, który może skutkować poważną awarią. Standardowe linie galwaniczne wykorzystują agresywne trawienie kwasami, co powoduje nasycenie stali wodorem. Bez przeprowadzenia procesu odwodorowania (długotrwałego wygrzewania w piecu) natychmiast po nałożeniu powłoki, w strukturze materiału zachodzą nieodwracalne zmiany. W rezultacie otrzymujemy element złączny, który mimo poprawnego wyglądu, utracił swoje parametry wytrzymałościowe i jest podatny na pęknięcie opóźnione. W przypadku połączeń odpowiedzialnych rekomenduję stosowanie wyłącznie elementów zabezpieczonych fabrycznie w technologii ocynku płatkowego (fl-zn), który jest procesem całkowicie bezpiecznym dla struktury stali. 

Elgo – wyceny, sprzedaż i doradztwo techniczne dla każdego zamówienia 

Elgo to dostawca świadomy zagrożeń technicznych. Oferujemy elementy złączne klasy 10.9 i 12.9 w bezpiecznych powłokach, które eliminują ryzyko kruchości wodorowej. Zamówienia standardowe realizujemy w 24 h. Dla przemysłu i produkcji seryjnej przygotowujemy indywidualne wyceny z działu handlowego, dobierając powłoki zgodnie z wymogami bezpieczeństwa. Oferujemy także produkcję specjalną na zamówienie, w tym wykonywanie elementów złącznych ze stali nierdzewnych i kwasoodpornych, które są całkowicie odporne na to zjawisko.