Technische Wärmebehandlung

Gesteigerte Härte von rostfreien Stählen

| Redakteur: Karl-Ullrich Höltkemeier

Zahnräder Ø130mm, Modul 2.5, aus dem Material 1.4021 weisen nach einer HARD-INOX-P Wärmebehandlung Härtewerte 59 HRC bei Kernhärtewerten von 45HRC auf.
Zahnräder Ø130mm, Modul 2.5, aus dem Material 1.4021 weisen nach einer HARD-INOX-P Wärmebehandlung Härtewerte 59 HRC bei Kernhärtewerten von 45HRC auf. (Bilder: Härterei Gerster)

Moderne Wärmebehandlungsverfahren steigern die Härte und Korrosionsbeständigkeit von rostfreien Stählen. Die Schweizer Härterei Gerster bietet dazu Unterstützung an.

Die Konstruktion von verschleiß- und korrosionsbeständigen Bauteilen aus Stahl stellt Konstrukteure wie auch Werkstofftechniker vor besondere Herausforderungen. Steht die Beständigkeit gegen Verschleiß im Vordergrund, greift der Konstrukteur auf Stahllegierungen zurück, bei denen die Beständigkeit gegen Verschleiß durch eine klassische Härtung realisiert werden kann.

Steht hingegen die Beständigkeit gegen Korrosion im Vordergrund, greift der Konstrukteur auf hoch legierte Stähle zurück, welche aber gerade aufgrund der erhöhten Gehalte an Chrom und Molybdän nicht mehr durch eine rein thermisch geführte Wärmebehandlung gehärtet werden können.

Hohe Härte, jedoch eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit der härtbaren Chromstähle

Innerhalb der Klasse der martensitisch härtbaren Chromstähle findet der Konstrukteur mit Legierungen vom Typ 1.4021, 1.4034, 1.4057, 1.4112 oder 1.4122 eine Werkstoffauswahl, mit denen neben einer hohen Härte noch eine noch eine angemessene Beständigkeit gegen Rostbildung an Luft gewährleistet werden kann. Höher korrosionsbeständige, dafür nicht mehr härtbare Stähle, finden sich in der Klasse der ferritischen Chromstähle (1.4016, 1.4104, 1.4113), der austenitischen Stähle (1.4301, 1.4404, 1.4435) oder der duplex Stähle (1.4462).

Im Grenzbereich zwischen den martensitisch härtbaren Stählen und den austenitischen oder ferritischen Güten wurden vor etwa 15-20 Jahren neuartige, martensitisch härtbare Chromstähle entwickelt (1.4108, 1.4123), in denen legierungstechnisch ein Optimum an Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit realisiert wurde und in denen das Legierungselement Stickstoff eine zentrale Rolle spielt. Die hohen Werkstoffkosten wie auch die schlechte Verfügbarkeit verschiedener Halbzeugausführungen verringern indessen markant die Attraktivität dieser Hochleistungslegierungen.

Auf kostengünstige Weise hohen Erfolg erzielen

Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit folgen aus der chemischen Zusammensetzung und Struktur der Werkstoffoberfläche. Diese können für un- oder niedriglegierte Stähle mit den klassischen, thermochemischen Diffusionsverfahren (Einsatzhärten, Karbonitrieren, Plasmanitrieren, Gasnitrieren, Nitrokarburieren) wirksam und gezielt beeinflusst werden.

Für Konstrukteure steht die Wahl eines dieser Verfahren an aller oberster Stelle, wenn es darum geht, auf einem kostengünstigen Weg höchste Beständigkeit gegen abrasiven oder adhesiven Verschleiß, gegen Wälzverschleiß oder Ermüdung von Bauteilen zu realisieren. Die Anwendung dieser Verfahren auf Chromstähle hat indessen eine drastische Verringerung der Korrosionsbeständigkeit zur Folge und ist daher für Chromstähle grundsätzlich ungeeignet.

Mit der von der Universität Bochum entwickelten Randaufstickung bei hohen Temperaturen hat sich in der Zwischenzeit ein Wärmebehandlungsverfahren etabliert, welche die Tür für die Realisierung moderner, thermochemischer Diffusionsverfahren für rostfreie Stähle förmlich geöffnet hat. Im Gegensatz zu den klassischen Nitrierverfahren wird die Korrosionsbeständigkeit der rostfreien Stähle nicht verschlechtert, sondern vielmehr verbessert. Dieser Umstand ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Stickstoff bei den beim Randaufsticken angewendeten hohen Prozesstemperaturen (1050 bis 1150°C), keine Verbindungen mit dem Chrom eingeht.

Die besondere Rolle des Stickstoffs

Stickstoff als Legierungselement wirkt wie Kohlenstoff, wenn es um die Härtung von Stahl geht. Es wirkt wie Nickel, wenn es um die Stabilisierung des austenitischen 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 durch eine PRE-Zahl (Pitting Resistance Equivalent: PRE = %Cr + 3.3x%Mo +16x%N) angegeben. Sie ermöglicht ein auf die Beständigkeit gegen Lochfraßkorrosion bezogenes Ranking von Stählen mit unterschiedlichen Gehalten an Chrom, Molybdän und Stickstoff. Stähle mit höheren PRE-Zahlen weisen erfahrungsgemäß eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf als Stähle mit tieferen PRE-Zahlen.

Möglichkeiten des Hochtemperatur-Randaufstickens

Der Nutzen dieses Verfahrens für martensitisch härtbare und ferritische Chromstähle wird in Bild 2 veranschaulicht. Eine Legierung vom Typ 1.4021 kann härtemäßig in Richtung eines 1.4034 veredelt 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 Härtesteigerung auf ein Niveau eines 1.4108 oder eines 1.4123 veredelt werden. Von besonderer Bedeutung ist ferner die Tatsache, dass in ferritischen Chromstählen, welche keine (1.4016, 1.4113) oder nur äußerst geringe Härtbarkeit aufweisen (1.4104), eine beachtliche Randschichthärtung erzeugt werden kann. Randaufgestickte Stähle vom Typ 1.4016 und 1.4113 bieten eine Korrosionsbeständigkeit, die sich mit austenitischen Stählen vom Typ 1.4301 und 1.4404 durchaus vergleichen lässt.

Die für den Konstrukteur nutzbaren Vorteile liegen auf der Hand. Oberflächeneigenschaften wie Härte und Korrosionsbeständigkeit der rostfreien Stähle können durch die Randaufstickung massiv verbessert werden. Unter Berücksichtigung zusätzlicher Anforderungskriterien wie Kernzähigkeit, Preis und Verfügbarkeit der Halbzeugausführungen öffnet sich ein großes Optimierungspotential in der Werkstoffauswahl.

Hard-Inox-P Wärmebehandlung der Härterei Gerster

Die Wärmebehandlung im Vakuumofen unter Stickstoffpartialdruck ermöglicht eine Härtesteigerung von martensitischen Chromstählen um 4 bis 14HRC und eine Erhöhung des Lochfraßwiderstandes um 4 bis 8 PRE – Einheiten (PRE: Pitting Resistance Equivalent). Ihr zugrunde liegt eine Randaufstickung um 0.25 bis 0.5 Gew.-% Stickstoff bei einer Aufsticktiefe von typischerweise 0.2 bis 0.5mm.

KONSTRUKTIONSPRAXIS ABONNIEREN

Immer dienstags und freitags erhalten Sie hier die News aus der Branche. Jetzt den Newsletter abonnieren:

* Ich bin mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung einverstanden.
Spamschutz:
Bitte geben Sie das Ergebnis der Rechenaufgabe (Addition) ein.

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 23151940 / Werkstoffe)