Hart und korrosionsbeständig

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 (Bild 1). Über die reine Abschreckhärtung hinaus ermöglichen zudem thermochemische Diffusionsverfahren durch die Einlagerung von Kohlenstoff und Stickstoff eine gezielte Panzerung von Oberflächen gegen verschiedene Verschleiss- und Ermüdungsvorgänge. Während sich die klassischen Aufkohlungs- und Nitrierverfahren (Einsatzhärten, Karbonitrieren, Nitrokarbuieren, Gas- und Plasmanitrieren) für die niedrig legierten Stähle bewährt haben, sind sie vom Prinzip her nicht auf hoch legierte, 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 kontrollierten Stickstoffpartialdruck. Auf der Basis der 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 (nichtmagnetischen) 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, vor allem 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 solche mit tieferen Werten.

Grosse Leistungssteigerung für rostfreie Stähle
Die Hochtemperaturaufstickung von Halbzeugen oder Produkten aus rostfreien Stählen kann für verschiedene, leistungssteigernde Modifikationen des Randgefüges genutzt werden:
• Für eine Härtesteigerung von martensitisch rostfreien Stählen vom Typ 1.4021, 1.4057, 1.4122 und ähnlichen
• Für die Ausbildung eines martensitisch gehärteten Randgefüges in ferritisch rostfreien Stählen vom Typ 1.4016, 1.4104 oder 1.4113
• Für die Ausbildung eines rein austenitischen Randgefüges in duplex (austenitisch-ferritisch) rostfreien Stählen vom Typ 1.4462
• Für die Steigerung der Korrosionsbeständigkeit in den meisten rostfreien Stählen

Bild 2 veranschaulicht den Nutzen dieses Verfahrens. Ein noch härtbarer Chromstahl vom Typ 1.4021 kann härtemässig in Richtung eines Typs 1.4034 gesteigert werden, bietet aber diesem gegenüber eine deutlich höhere Beständigkeit gegen Korrosion. Höher legierte, härtbare Legierungen vom Typ 1.4057 oder 1.4122 lassen sich hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und Härte auf ein Niveau der stickstofflegierten Varianten vom Typ 1.4108 oder 1.4123 veredeln. Beeindruckend ist die Feststellung, dass man in ferritischen Legierungen, die keine (1.4016, 1.4113) oder nur äusserst geringe Härtbarkeiten aufweisen (1.4104), eine martensitische Randschicht mit beachtlich hohen Härtewerten erzeugen 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-Molybdän-Stählen noch mit härtbaren, nickelfreien Stählen realisiert werden kann.

Grosses technisches und wirtschaftliches Potenzial
Der grosse Nutzen dieser Technologie liegt in der Steigerung der Lebensdauer und Wertbeständigkeit von rostfreien Produkten und der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens begründet. Viele Produkte, bei denen aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit auf einen austenitischen Chrom-Nickel- oder Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl zurückgegriffen werden musste, lassen sich heute auf der Basis eines nickelfreien, ferritischen Stahls zusätzlich auf hohe Verschleiss- und Kratzfestigkeit veredeln.
Die Herstellung von kratzfesten Haushaltwaren oder andern Konsumgütern des täglichen Gebrauchs ist somit nicht nur technisch machbar, sondern auch bezahlbar. Umgekehrt kann die Zuverlässigkeit von vielen Produkten, die heute neben einem Verschleiss auch einem korrosiven Angriff unterliegen, ebenso wirtschaftlich erhöht werden. Eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen findet sich in der Automobilindustrie, der Kunststoffindustrie, in der Lebensmittelindustrie, in der chemischen Industrie, in der Off-Shore-Industrie sowie auch in der Energietechnik.

Bild 1: Verschleissbeständige Bauteile durch härtereitechnische Methoden.

Bild 2: Leistungssteigerung verschiedener Stahlgüten durch das «Hard-Inox»-Verfahren.