Hart im Nehmen

Vakuumhärteverfahren für Edelstähle

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25.09.2013 Die Anwendung härtereitechnischer Methoden zur Realisierung von verschleißbeständigen Bauteilen ist nicht nur wirksam, sondern auch sehr wirtschaftlich, weil sie das in einem Metall innewohnende Vermögen zur Härtung verfahrenstechnisch effizient ausnützen. Über die reine Abschreckhärtung hinaus ermöglichen darüber hinaus thermochemische Diffusionsverfahren durch das Einlagern von Kohlenstoff und Stickstoff eine gezielte Panzerung von Oberflächen gegen verschiedene Verschleiß- und Ermüdungsvorgänge.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Härte und Korrosionsbeständigkeit sind grundlegende Qualitätskriterien für die Wertbeständigkeit und Zuverlässigkeit von Produkten aus rostfreiem Stahl.
  • Ein neuartiges Vakuumhärteverfahren hebt die Korrosionsbeständigkeit gehärteter Bauteile auf das Niveau von Chrom-Nickel- und Chrom-Nickel-Molybdänstählen und bietet so neue Perspektiven in der Werkstoffauswahl und Wärmebehandlung von Rostfreiprodukten.
  • Anwendungsbeispiele sind Armaturenbestandteile, Buchsen von Pumpen sowie Exzenterachsen und Wellen.

Oktober 2013

Flansch für Schmutzwasserarmatur aus ferristischem Edelstahl 1.4104. Die Behandlung mit Hard-Inox-P erzeugt eine verschleißfeste (55 HRC) und korrosionsbeständige (wie 1.4404) Oberfläche in Kombination mit einem zähen Kern (30 HRC) (Bild: Härterei Gerster

Während sich die klassischen Aufkohlungs- und Nitrierverfahren – Einsatzhärten, Karbonitrieren, Nitrokarbuieren, Gas- und Plasmanitrieren – für die niedriglegierten Stähle bewährt haben, sind sie vom Prinzip her nicht auf hochlegierte, korrosionsbeständige Stähle anwendbar. Der wesentliche Grund dafür liegt in der Tatsache begründet, dass derartige Verfahren die Korrosionsbeständigkeit der rostfreien Stähle fast gänzlich zugrunde richten.

Hochtemperaturaufstickung bringt die Lösung
Anders als das Element Kohlenstoff wurde die vielfältige Wirkung des Stickstoffs im Stahl erst in den letzten beiden Jahrzehnten umfassend untersucht. Dieser Umstand wie auch die Tatsache, dass die hoch-stickstofflegierten Stähle in der Technik wenig verbreitet sind, liegt in der erschwerten schmelzmetallurgischen Herstellung und der Weiterverarbeitung dieser Stähle begründet.
In Bezug auf die Wirkung des Stickstoffs auf die Eigenschaften der Chromstähle sind die in Forschungsprojekten gesammelten Erfahrungen indessen durchaus positiv. Ein wesentlicher Durchbruch erfolgte schließlich mit der Realisierung der massiven Randaufstickung von Festkörpern bei hohen Temperaturen und unter einem kon-
trollierten Stickstoffpartialdruck. Auf der Basis der allseits bekannten Auswirkungen von Stickstoff auf die Eigenschaften von Chromstählen lassen sich heute beeindruckende Verbesserungen hinsichtlich Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Produkten aus standardmäßigen, rostfreien Stählen erzielen.

Günstige Wirkung des Stickstoffs im Stahl
Stickstoff als Legierungselement hinterlässt hinsichtlich der Härtung von Stahl in etwa dieselbe Wirkung wie das Legierungselement Kohlenstoff. Es wirkt wie Nickel, wenn es um die Stabilisierung des austenitischen – nicht magnetischen – Gefüges geht und es steigert wie Chrom und Molybdän die Korrosionsbeständigkeit des Stahls.
Die relative Wirkung von Stickstoff auf die Korrosionsbeständigkeit wird in der Literatur weitläufig durch einen PREN-Wert angegeben (PREN: Pitting Resistance Equivalent Number). Die PREN-Zahl ermöglicht ein auf die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere der Beständigkeit gegen Lochfraßkorrosion, bezogenes Ranking von Stahllegierungen mit unterschiedlichen Gehalten an Chrom, Molybdän und Stickstoff. Stähle mit höheren PREN-Werten sind erfahrungsgemäß korrosionsbeständiger als Stähle mit tieferen PREN-Werten.

Deutliche Leistungssteigerung für rostfreie Stähle
Die Hochtemperaturaufstickung (Hard-Inox-P) von Halbzeugen oder Produkten aus rostfreien Stählen kann für verschiedene, leistungssteigernde Modifikationen des Randgefüges genutzt werden. Ein noch härtbarer Chromstahl vom Typ 1.4021 kann härtemäßig in Richtung eines 1.4034 gesteigert werden, bietet aber dem 1.4034 gegenüber eine deutlich höhere Beständigkeit gegen Korrosion. Höherlegierte, härtbare Legierungen vom Typ 1.4057 oder 1.4122 können hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und Härte auf ein Niveau der stickstofflegierten Varianten vom Typ 1.4108 oder 1.4123 veredelt werden.
Beeindruckend ist die Feststellung, dass in ferritischen Legierungen, die keine (1.4016, 1.4113) oder nur äußerst geringe Härtbarkeiten aufweisen (1.4104), eine martensitische Randschicht mit beachtlich hohen Härtewerten erzeugt werden kann. Ein Vergleich der martensitischen oder ferritischen Stähle mit den austenitischen Stählen vom Typ 1.4301 und 1.4435 zeigt, dass die Korrosionsbeständigkeit von Chrom-Nickel- und Chrom-Nickel-Molybdänstählen auch mit härtbaren, nickelfreien Stählen realisiert werden kann.

Großes technisches und wirtschaftliches Potenzial
Der große Nutzen dieser Technologie liegt in der Steigerung der Einsatzdauer und Wertbeständigkeit von rostfreien Produkten sowie der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens begründet. Viele Produkte, bei denen aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit auf einen austenitischen Chrom-Nickel- oder Chrom-Nickel-Molybdänstahl zurückgegriffen werden musste, können heute auf der Basis eines nickelfreien, ferritischen Stahles zusätzlich auf hohe Verschleiß- und Kratzfestigkeit veredelt werden.
Eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen findet sich in der Automobilindustrie, der Kunststoffindustrie, in der Lebensmittelindustrie, in der chemischen Industrie (Armaturbestandteile wie Flansche und Regelkegel, Buchsen von Pumpen, Exzenterachsen und Wellen etc.), in der Off-Shore-Industrie wie auch in der Energietechnik.

 

Hier erfahren Sie mehr über Härteverfahren und hier über können Sie den Prospekt Hard-Inox herunterladen

Heftausgabe: Oktober 2013

Über den Autor

Michel Saner, Härterei Gerster AG
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