Der Sensor-Chip piezoresistiver Druckmessumformer ist gewöhnlich von einer Stahlmembran umgeben. Auch für die Gehäuse der Messinstrumente wird für die meisten Anwendungen Edelstahl verwendet. Kommt es zu Wasserstoffkontakt, kann der Werkstoff spröde werden und reissen.
Wasserstoffversprödung tritt nicht nur bei Stahl, sondern auch anderen Metallen auf. Daher ist die Verwendung von Titan beispielsweise keine Alternative im Hinblick auf Wasserstoffanwendungen.
Was versteht man unter Versprödung?
Wasserstoffversprödung bezeichnet einen Verlust von Duktilität im Material. Duktilität beschreibt die Eigenschaft von Materialien, sich unter Belastung plastisch zu verformen, bevor sie brechen. Stahl kann sich je nach Sorte um mehr als 25 Prozent verformen. Materialien, die diese Fähigkeit nicht haben, nennt man brüchig.
Auch duktile Werkstoffe können brüchig, also spröde werden. Ist die Versprödung des Materials die Folge von Wasserstoffabsorption, spricht man von Wasserstoffversprödung.
Wasserstoffversprödung tritt auf, wenn atomarer Wasserstoff in den Werkstoff diffundiert. Die Voraussetzung für Wasserstoffversprödung ist in der Regel Wasserstoffkorrosion.
Wasserstoffkorrosion, auch Säurekorrosion, findet immer dann statt, wenn Sauerstoffmangel besteht und Metall in Kontakt mit Wasser kommt. Als Endprodukt der Redoxreaktion bleibt reiner Wasserstoff zurück, der das Metall oxidiert. Das Metall geht als Ionen in Lösung. Das Material wird dabei gleichmässig abgetragen.
Der durch die Redoxreaktion freigewordene Wasserstoff diffundiert dank der geringen Atomgrösse von nur etwa 0,1 Nanometer in den Stahl ein. Direkt im Metallgitter des Werkstoffs besetzt der Wasserstoff als Atom Zwischengitterplätze. Gitterstörungen vergrössern dabei das Aufnahmevermögen. Es kommt zu einer chemischen Materialermüdung, die schliesslich schon bei geringen Belastungen plötzlich Risse von innen nach aussen entstehen lassen können.
Wasserstoff und Druckmessumformer
Aufgrund der sehr geringen Grösse kann Wasserstoff nicht nur in das Material eindringen, er kann es auch gänzlich durchdringen. Es kann also nicht nur zu einer Versprödung des Werkstoffes kommen. Die Metallmembranen von piezoresistiven Drucksensoren sind sehr dünn – je dünner, desto empfindlicher und genauer arbeitet der Sensor. Diffundiert Wasserstoff in und durch die Membran (Permeation), kann er mit der den Sensor-Chip umgebenden Übertragungsflüssigkeit reagieren. In der Folge kommt es durch Wasserstoffanlagerungen zu Veränderungen der messtechnischen Eigenschaften der Messbrücke. Gleichzeitig kann es durch die Einlagerungen auch zu einer Druckerhöhung kommen, die in einer Wölbung bis hin zur völligen Zerstörung der Sensormembran resultiert.
Neben einer dickeren, dafür aber etwas ungenaueren, Membran kann dieser Prozess durch eine Goldlegierung stark verzögert und die Lebensdauer optimiert werden. Mehr dazu lesen Sie hier.
Zur Lebensdaueroptimierung von Druckmessumformern mit Wasserstoffkontakt haben wir auch eine kostenlose Infografik für Sie zusammengestellt:
