Grundlagenuntersuchungen zur Oberflächenmodifizierung von austenitischen rost- und säurebeständigen Stahlblechen mittels kombinierter Beschichtungs- und Plasmadiffusionsprozesse im Niederdruck

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Peter Klages
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266379143

Das Vorhaben befasst sich mit dem Plasmanitrieren austenitischer rost- und säurebeständiger (RS) Stähle, einer etablierten Technologie zur Verbesserung der mechanischen Oberflächeneigenschaften. In großen Teilen nicht verstanden ist der Einfluss der beim Plasmanitrieren entstehenden Diffusionsschichten auf die Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Neuste Studien zum direkten (ohne Plasmavorbehandlung), extrem kurzzeitigen (d. h. einige zehn Sekunden) Plasmanitrieren von RS-Stählen mit Bezug auf deren potentielle Anwendung für bipolare Platten für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen deuten darauf hin, dass neben der gebildeten Diffusionsschicht die direkte Modifizierung der Oberfläche eine sehr wichtige Rolle für die Oberflächeneigenschaften der RS-Stähle spielt.Ziel des beantragten Forschungsprojekts ist die grundlegende Erforschung des Einflusses von Chrom als eines der Hauptlegierungselemente und Stickstoff auf die Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit der austenitischen RS-Stähle innerhalb eines neuen Konzepts der Oberflächenmodifizierung. Dieses basiert auf zwei aufeinander folgenden Prozessen: Auftragung einer dünnen (d. h.,für die Stickstoffdiffusion bei der Nitriertemperatur durchlässigen) Schicht aus einem oder mehrerer Übergangsmetallen (wie z. B. Chrom, Titan, etc.) und Plasmanitrieren.Dem Vorhaben liegt die Arbeitshypothese zugrunde, dass sich Chromnitride auf der RS-Stahloberfläche bereits während eines extrem kurzzeitigen und direkten Plasmanitrierprozesses bilden. Diese Nitride haben großen Einfluss auf die Oberflächeneigenschaften. Weiter wird angenommen, dass eine Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit erst dann eintritt, wenn sich Chrom an der Oberfläche infolge Chromnitrid-Bildung auf weniger als 13 Atom-% abgereichert hat. Diese Verarmung soll durch das Chrom aus der dünnen Vorbeschichtung, welches während des Plasmanitrierens wie Stickstoff in den Grundwerkstoff diffundiert, kompensiert werden. Schwerpunkt des Forschungsprojekts ist die grundlegende Untersuchung der neuartigen Oberflächenmodifizierung in Bezug auf die oberflächennahen Diffusionsschichten bzw. Diffusionsschichtsysteme und die Oberflächeneigenschaften. Die Randschichten werden unter Berücksichtigung der Stickstoffdiffusion in den Grundwerkstoff und des Mechanismus des Plasmanitrierens, der Diffusionsvorgänge zwischen Chrom und Grundmaterial, der Elementverteilung und Phasenbildung, sowie des Oberflächenzustandes analysiert. Ferner wird der Einfluss der Oberflächenmodifikation auf den Korrosionswiderstand und der elektrischen Leitfähigkeit der RS-Stahloberflächen untersucht. Durch die Prüfung der Arbeitshypothese und Aufklärung der Struktur-Eigenschaft-Korrelation soll so zu einem sehr grundlegenden Erkenntnisgewinn hinsichtlich der Korrosionsmechanismen und Oberflächeneigenschaften diffusionsbehandelter austenitischer RS-Stähle beigetragen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen