ToF-SIMS analysis of hydrogen in steels

Abstract

Das Bestreben, Stahl mit optimierter Leistung und Korrosionsbeständigkeit zu entwickeln, stellt einen kontinuierlichen Prozess in der Industrie dar. Die Anwesenheit von Wasserstoff, insbesondere in verzinkten Dualphasenstählen (DP), spielt eine entscheidende Rolle bei der Erreichung der gewünschten Materialeigenschaften, wie Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung und Korrosionsbeständigkeit. In der vorliegenden Studie wird die Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) als analytisches Verfahren zum Nachweis und zur Analyse von Wasserstoff in verzinktem DP-1000-Stahl eingesetzt. Die ToF-SIMS-Technik weist signifikante Vorzüge auf, darunter eine hohe räumliche Auflösung und Tiefenauflösung sowie eine hohe Empfindlichkeit. In der Folge wird der Nachweis von Wasserstoff sowohl an der Oberfläche als auch an den Grenzflächenbereichen der Stahlbeschichtung ermöglicht. In dieser Arbeit wurden Stahlproben ohne Beschichtungen und mit unterschiedliche Zinkbeschichtungen analysiert. Die Beladung der Proben mit Wasserstoff oder Deuterium ermöglicht eine vergleichende Analyse und die Erstellung eines Tiefenprofils, das die Art und Weise veranschaulicht, in der Wasserstoff in den Stahl eindringt. Um Hintergrundwasserstoff zu vermeiden, der bereits im Stahl vorhanden ist oder aus Spurengasen in der Vakuumkammer stammt, wurde Deuterium verwendet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zinkbeschichtung die Aufnahme von Wasserstoff in die Stahlproben nicht verhindert. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass der Wasserstoff die Zinkschicht durchdringen und sich im darunter liegenden Stahl anreichern kann.Die vorliegenden Ergebnisse lassen darauf schließen, dass sich daraus ein tieferes Verständnis der Wechselwirkung zwischen Wasserstoff und Stahl entwickeln könnte. Dieses Verständnis ist von besonderer Relevanz für die Automobilindustrie, in der Stahl sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine hohe Resistenz gegen Wasserstoffversprödung aufweisen muss.

The pursuit of steel that exhibits enhanced performance and corrosion resistance is an ongoing process within the industry. The presence of hydrogen, particularly in galvanised dual-phase (DP) steels, plays a critical role in achieving the desired material properties, such as susceptibility to hydrogen embrittlement and corro- sion resistance. The present study employs Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) as an analytical technique for the detection and analysis of hydrogen in galvanised DP-1000 steel. The ToF-SIMS technique offers distinct advantages, including high spatial and depth resolution, as well as high sensitivity, thereby facilitating the detection of hydrogen at both the surface and interfacial regions of the steel coating.In this work, steel samples with and without different zinc coatings were analysed. The loading of samples with hydrogen or deuterium allows for a comparative anal- ysis and the creation of a depth profile illustrating the manner in which hydrogen penetrates the steel.To avoid background hydrogen, which is already present in the steel or emanates from trace gases in the vacuum chamber, deuterium was used. The experimental results demonstrate that the zinc coating does not prevent hydrogen uptake by steel samples. Furthermore, the hydrogen can penetrate the zinc layer and accumulate in the steel below.This finding is expected to contribute to a more profound comprehension of the interaction between hydrogen and steel. This understanding is of particular impor- tance for the automotive industry, where steel must be both strong and resistant to hydrogen embrittlement.