Neue Möglichkeiten für die Oberflächen-Härtung von rostfreien Stählen

Wie kann man das Verschleißverhalten von rostfreien Stählen verbessern unter
gleichzeitiger Beibehaltung des guten Korrosionsverhaltens?

Dank der der Plasma-Technologie kann diese häufig auftretende Frage nachfolgend
positiv beantwortet werden.

Durch Variation der Temperatur kann man unterschiedliche metallurgische Gefüge erhalten:

1)	Unter den bekannten konventionellen Plasma-Nitrierbedingungen bei Temperaturen zwischen 460 – 600 °C erfolgt der Härtungs-Mechanismus auf Grund der Ausscheidung von Chrom-Nitriden, was zur Abnahme von Chrom im Austenit führt und wodurch das Material seinen rostfreien Charakter verliert. (Oberflächen-Härte > 1000 HV; Härte-Tiefe bis zu 0,4 mm)
2)	Bei niedrigen Temperaturen – unterhalb von 460 °C – erfolgt der Härtungs-Mechanismus durch Druckspannungen indem in das Austenit N und C eingelagert werden (Oberflächen-Härte > 1000 HV). Chrom-Nitiride Ausscheidungen werden vermieden und der Korrosionswiderstand bleibt gut. Mit ungefähr 10 bis 40 Mikrometer bleibt die Schichtdicke dünn.
3)	Für einige Anwendungen benötigt man höhere Schichtdicken. Aus diesem Grund wurden Plasma-Nitirier- und Niederdruck-Aufkohlungsverfahren mit höheren Temperaturen über 900 °C entwickelt. Bei austenitischen rostfreien Stählen erfolgt der Härtungs-Mechanismus durch feine und homogene verteilte Karbid-Ausscheidungen (Oberflächen-Härte 700 HV und Schichtdicken bis zu 0,4 mm). Das Nicht- Magnetische- und das Korrosions-Verhalten bleiben gut.

Die wesentlichen metallurgischen Ergebnisse bei niedriger Temperatur mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff lassen sich wie folgt beschreiben:

Bei Verwendung von Kohlenstoff erhalten wir eine reine Lösung des Kohlenstoffs im Austenit, genannt C „ S-Phase“ Bild 1

Bild 1

Bei gleichzeitiger Verwendung von Kohlenstoff und Stickstoff wird eine Lösung von Kohlenstoff und Stickstoff erreicht, genannt C+N „S-Phase“ Bild 2. Die typische Verteilung von Kohlenstoff und Stickstoff in der Verbindungsschicht ist in Bild 3 gezeigt. Kohlenstoff hat ein spezielles Profil mit zwei Spitzenwerten – einer direkt unter der Oberfläche und einer in der Verbindungsschicht.

Bild 2

Bild 3

Der Verschleißwert für gelösten Stickstoff und Stickstoff+Kohlenstoff ist besser als der Faktor 700 und bei Lösung von Kohlenstoff liegt der Faktor bei 70.

Der Korrosionswiderstand ist optimal bei gelöstem Kohlenstoff und Kohlenstoff+Stickstoff und sinkt etwas ab bei nur gelöstem Stickstoff

Die neuen Möglichkeiten,die für das Oberflächenhärten von rostfreien Stählen zur Verfügung stehen, sind nachfolgend zusammengefasst:

VERFAHREN	RESULTAT	MATERIAL
Stickstoff „S-Phase“ Temp.< 420 °C	beste Verbesserung des Verschleiß- Reibungsverhaltens; geringer Verlust des Korrosionswiderstandes Schichtdicke 5-35 mikrometer	austenitische und martensitische rostfreie Stähle
Kohlenstoff „S-Phase“ Temp.<450 °C	höchster Korrosionswiderstand guter Reibungs-und Verschleißwiderstand etwas niedriger als N „S-Phase“ Schichtdicke 5-40 mikrometer	nur austenitische rostfreie Stähle
Kohlenstoff und Stickstoff „S-Phase“ Temp. < 420 °C	bester Kompromiss zwischen Verschleiß- und Korrosionswiderstand; Schichtdicke 5-40 mikrometer	austenitische und martensitische rostfreie Stähle
Plasma- Nitrieren 460°C<600°C	guter Verschleißwiderstand; Verlust von Korrosionswiderstand Schichtdicke 20-300 mikrometer	austenitische und martensitische rostfreie Stähle
Plasma-Aufkohlen oder Niederdruck- Aufkohlen Temp.>900°C	verbesserter Verschleißwiderstand guter Korrosionswiderstand Schichtdicke 100-800 mikrometer Verzugsrisiken	austenitische und martensitische rostfreie Stähle

*Bild 4* Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
1)	Um eine optimale Verbesserung bei Verschleiß und Reibung zu erzielen, eignet sich die Stickstoff“S-Phase“, die die besten Resultate bringt unter Berücksichtigung eines leicht abnehmenden Korrosionswiderstandes an der äußersten Oberfläche.
2)	Um das beste Korrosionsverhalten zu erreichen, eignet sich am besten die Behandlung mit der Kohlenstoff „S Phase“; dies gilt aber nur für austenitische rostfreie Stähle mit dem Nachteil, daß der Verschleißwiderstand geringer ist als bei der Behandlung mit Stickstoff „S Phase“.
3)	Den besten Kompromiss bezüglich Verschleißwiderstand und Korrosionsverhalten erreicht man durch die Kohlenstoff und Stickstoff „S Phase“ sowohl für austenitische als auch martensitische rostfreie Stähle.
4)	Die Schichtdicke der verschiedenen „S Phasen“ liegt zwischen 5 und 40 mikrometer. Um dickere Schichten zu erreichen, kann das konventionelle Plasma-Nitrieren in Verbindung mit lokalen Behandlungen zum Einsatz kommen (Dicken bis zu 300 mikrometer); der Korrosionswiderstand nimmt leicht ab, aber nur bei den behandelten Bereichen.
5)	Um hohe Schichtdicken und einen hohen Korrosionswiderstand überall zu erreichen, besteht die einzige Lösung in einer Hochtemperatur-Aufkohlung der martensitischen und austenitischen rostfreien Stähle. Die erreichbaren Schichtdicken liegen im Bereich von 100 bis 800 mikrometer. Aber auf Grund der hohen Temperaturen (900 bis 1100 °C) muß das Verzugsrisiko beachtet werden.

Anwendungsbereiche:

Die möglichen Abmessung der Teile, die nach diesem Verfahren zu behandeln sind, haben eine Länge von 1 mm bis 6 m, einen Durchmesser von 1mm bis 2,5 m und ein Gewicht von 1 g bis 6t.

Die Verfahren werden eingesetzt zur Wärmebehandlung in der Nuklear-, Chemie- und Lebensmittel-Industrie, in der Bio-Chemischen-Industrie (Implantate, medizinische Instrumente) sowie für die Flugzeug- und Raumfahrt- Industrie insbesondere Ventile und Komponenten.

Autor: Dr.-Ing. Jean-Paul Lebrun