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TU Chemnitz: Gasnitrieren zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit thermisch Gespritzter austenitischer Stähle

Die Verarbeitung austenitischer Stähle mittels thermischer Spritztechnik ist zur Funktionalisierung, Instandsetzung und Reparatur von Bauteiloberflächen weit verbreitet. Neben einem hervorragenden Widerstand gegenüber korrosiven Medien ist die Verbesserung des tribologischen Eigenschaftsprofils Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten. Hierfür wird der neuartige Ansatz einer thermochemischen Randschichthärtung von Schichtsystemen verfolgt.

Querschliffe HVOF-gespritzter Schichten des Typs EN 1.4404 nach unterschiedlichen Gasnitrierbehandlungen im farbgeätzten Zustand mit Beraha II (Bild: TU Chemnitz)

Querschliffe HVOF-gespritzter Schichten nach Gasnitrierbehandlungen

In einem erfolgreich abgeschlossenen Kooperationsprojekt wurde die Prozessführung des Gasnitrierens auf hochgeschwindigkeitsflammgespritzte EN-1.4404-Schichtsysteme angepasst. Unter Beibehaltung der Korrosionsbeständigkeit konnte die Verbesserung der Verschleißeigenschaften durch eine ausscheidungsfreie Härtung unter interstitieller Anreicherung von Stickstoff erreicht werden.

Als strukturelle Besonderheit thermisch gespritzter Schichtsysteme ist deren offene Porosität zu nennen. Die Gaspermeabilität kann im Rahmen einer thermochemischen Randschichthärtung ausgenutzt werden, um gegenüber Massivwerkstoffen eine deutliche Steigerung bei der Anreicherungstiefe zu realisieren. In einem vom BMWi geförderten ZIM-Kooperationsprojekt mit der Härterei Reese Chemnitz GmbH & Co. KG wurde eine angepasste Prozessführung für das Gasnitrieren von hochgeschwindigkeitsflammgespritzten (HVOF) Schichten des Typs EN 1.4404 (AISI 316L) entwickelt. Die rund 250 μm starken Schichten wiesen bei Porositäten von 1,6 Prozent eine hinreichende Schichthaftung auf Substraten artgleichen Typs auf.

Vorgelagerte Oberflächenaktivierung wichtig für erfolgreiche Diffusionsanreicherung

Wesentlich für eine erfolgreiche Diffusionsanreicherung bei passivierenden Werkstoffen ist eine vorgelagerte Oberflächenaktivierung. Im Gegensatz zu Massivwerkstoffen kann bei thermisch gespritzten Schichtsystemen aufgrund der heterogenen Passivierung auf diesen zusätzlichen Prozessschritt verzichtet werden.

Die interstitielle Einlagerung von Stickstoff im Austenitgitter führt zur Ausbildung der expandierten Austenitphase (S-Phase), die bei Massivwerkstoffen auf eine Diffusionstiefe von 30 μm beschränkt ist. Die guten Korrosionseigenschaften bleiben bei Behandlungstemperaturen unterhalb von 430 Grad Celsius aufgrund der Unterdrückung der Nitritbildung erhalten, wobei die Verschleißeigenschaften deutlich verbessert werden. Die Erweiterung des Gasnitrierens um eine druckmodulierte Prozesssteuerung ermöglicht den Austausch des Anreicherungsmediums innerhalb der offenen Porosität. Bei einer gleichzeitig kontrollierten Prozessgassteuerung mit Ammoniak, Wasserstoff und Stickstoff werden das Nitrierpotenzial und damit die Effektivität des Prozesses deutlich erhöht.

Die Abbildung zeigt Querschliffe behandelter Schichtsysteme nach dem Gasnitrieren bei Prozesstemperaturen von 420 Grad Celsius und einer Dauer von zehn Stunden in Abhängigkeit des Prozessregimes. Durch die Farbätzung mit Beraha II wird eine Kontrastierung der unterschiedlichen Phasenbereiche erreicht. Der Farbniederschlag ist auf die unbeeinflussten Bereiche der Austenitphase beschränkt. Der für den expandierten Austenit charakteristische weiße Saum tritt im Bereich der Spritzpartikeloberfläche auf. Durch eine Druckmodulation kann die Anreicherung innerhalb der gesamten Schicht erreicht werden. Die Kombination der Druckmodulation mit einer kontrollierten Prozessgassteuerung führt neben einer deutlichen Zunahme der Anreicherungstiefe innerhalb der einzelnen Spritzpartikel auch zu einer homogenen Verteilung über die gesamte Schichtdicke. Mittels Härtebestimmung am Nanoindenter werden in den weißen Randbereichen der Spritzpartikel Werte bis zu 1.000 HV gemessen. Diese liegen im Härtebereich der S-Phase, die für Massivwerkstoffe in der Literatur zu finden sind.

Projekt zeigt Machbarkeit zweier etablierter Verfahren

Die Bewertung des Verschleißverhaltens mittels der Modelltests Ball-on-Disk sowie Schwingreibverschleißtest runden die Untersuchungen zur Prozesskombination ab. Dabei zeigt sich, dass der Verschleißabtrag um bis zu 85 Prozent gegenüber den unbehandelten Schichtsystemen verringert werden konnte.

Innerhalb des Projekts wird die Machbarkeit der Prozesskombination zweier in vielen Industriezweigen etablierter Verfahren gezeigt. Vorteilhaft erweist sich in der Bauteilinstandsetzung und -reparatur die einfache Nacharbeit der Stahlschichten, die anschließend lokal nitriert werden können. Die Prozesskombination eignet sich für Anwendungen, die gute Verschleißeigenschaften bei gleichzeitig korrosivem Angriff aufweisen müssen.

Die ausführlichen Ergebnisse sind im Open Access Journal Materials 2019, 12, 1760; doi:10.3390/ma12111760 veröffentlicht.

Die Projektpartner danken dem BMWi im Rahmen des ZIM-Projekts (KF2152613WZ4) und der Härterei Reese Chemnitz GmbH & Co. KG für die Unterstützung. Besonderer Dank gilt Ulrich Reese, ehemaliger Geschäftsführer der Härterei Reese Chemnitz GmbH & Co. KG, der im Mai dieses Jahres unerwartet verstarb. 

Kontakt:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Lampke

Dipl.-Ing. Pia Kutschmann, pia.kutschmann@mb.tu-chemnitz.de

Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik
Technische Universität Chemnitz
www.tu-chemnitz.de/mb/WOT