Kombinationsbehandlung zur Erzeugung einer multifunktionalen Randschicht mittels Elektronenstrahlauftragens (EBA) und Thermochemischer Behandlung (TCB) auf einem austenitischen rost- und säurebeständigen Stahl (KomET)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des Forschungsvorhabens war die Kombination eines Elektronenstrahl-Auftragens mit einem nachfolgenden Nitrocarburieren mit dem Ziel lokale verschleiß- und korrosionsbeständige Schichten, insbesondere für höhere mechanische Belastungen in korrosiven Medien zu generieren. Als Grundwerkstoff (Substratmaterial) wurde ein austenitischer, säure- und rostbeständiger Stahl X6CrNiMoTi17-12-2 verwendet. Die Kobaltbasislegierung Stellite® 12 diente als Auftragwerkstoff. Das Auftragen erfolgte drahtbasiert mittels Elektronenstrahl (EBA). Der Einfluss von vier verschiedenen Strahloszillationsfiguren wurde untersucht. Der Einfluss dieser Strahloszillationsfiguren wurde unter Verwendung variierender EB-Parameter im Hinblick auf die Gefügeausbildung innerhalb der Auftragschicht sowie auf die metallurgische Anbindung an den Grundwerkstoff untersucht. Anhand der analytischen und mikroskopischen Gefügeuntersuchungen konnte belegt werden, dass die EBA-Schicht aus zwei Hauptkomponenten bestand, die dendritisch erstarrte Co-Mischkristallmatrix und interdendritischen Karbiden, im Wesentlichen bestehend aus Chromcarbid Cr7C3. Aufgrund der während des Auftragens stattfindenden Durchmischung des Zusatzstoffs mit Legierungselementen des Grundwerkstoffes, erfolgte ein zweilagiges Auftragen. Anhand von Thermokamerabildern wurde qualitativ die Energieverteilung der verwendeten Strahloszillationsfiguren analysiert und Zusammenhänge zur resultierenden Mikrostruktur gewonnen werden. Das Nitrocarburieren führte erwartungsgemäß zur Ausbildung einer mit Kohlenstoff und Stickstoff angereicherten Randschicht. Die erzeugte Schichtdicke lag bei ca. 10 µm. Die kubisch flächenzentrierte Matrix des Kobaltmischkristalls lag nach dem Nitrocarburieren deformiert vor – der sogenannte „expandierte Austenit“ konnte eindeutig mittels Röntgenfeinstrukturanalyse (XRD) nachgewiesen werden. Anhand der tiefenabhängigen Analyse der chemischen Zusammensetzung sowie der durchgeführten instrumentierten Härtemessungen (Martenshärte) an den nitrocarburierten Randschichten wurde der Einfluss des Stickstoff- und Kohlenstoffgehaltes auf die Härte des expandierten Austenits untersucht. Die Härte nahm ausgehend vom Rand (> 7 GPa) zum Probeninneren (≈ 6 GPa) gemäß dem fallenden Stickstoffprofil ab. In den EBA-Schichten konnten auch nach dem Nitrocarburieren mittels XRD Chromkarbide nachgewiesen werden. Der Einfluss des Nitrocarburierens auf die Chromcarbide hinsichtlich Morphologie, Gitterstruktur sowie Anbindung an den expandierten Austenit, muss in weiteren Analysen, z. B. mittels Transelektronenmikroskopie tiefgründiger untersucht werden. Anhand der durchgeführten Verschleißuntersuchungen wurde eine signifikante Verbesserung des Verschleißwiderstandes nach der Kombinationsbehandlung, speziell bei adhäsiv-abrasiven Beanspruchungsbedingungen unter hoher Last, erzielt. Das Auftragen als Einzelverfahren führt ebenfalls zu einer deutlichen Verbesserung der Verschleißbeständigkeit im Vergleich zum unbehandelten Grundwerkstoff. Der Einfluss der verwendeten Strahloszillationsfigur im Hinblick auf die Verschleißbeständigkeit der Co-Auftragschicht wurde mittels Ritztest ermittelt. Interessanterweise wurden die höchsten Werte der Ritzenergiedichte bei einer EBA-Schicht (Strahloszillation: Ellipse) ermittelt, welche nicht die höchste Oberflächenhärte aufwies. Die Untersuchung der Korrosionsbeständigkeit zeigte, dass nach der Kombinationsbehandlung einerseits die kritische Lochfraßkorrosion nahezu vollständig unterdrückt wird und andererseits eine Passivierung ähnlich wie beim Grundwerkstoff auftritt. Anhand der Stromdichte-Potential-Kurven konnte ein Passivierungsverhalten sowohl in sauren (H2SO4) als auch in chloridhaltigem Medium (NaCl) nachgewiesen werden. Das abgeschlossene Forschungsvorhaben leistet einen wichtigen Beitrag zur lokalen Verbesserung die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von rost- und säurebeständigen Stählen durch eine Kombination von EB-Auftragen eine Co-Basis-Schicht und nachfolgendem Nitrocarburieren. Das Anwendungsspektrum von austenitischen Stählen kann somit auch auf verschleißbeanspruchte Bereiche in korrosiven Medien ausgeweitet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Improvement of wear resistance of austenitic steel by combined treatment using electron beam cladding and subsequent plasma nitrocarburizing. In: Proc. of Vacuum Heat Treatment and Heat Treatment of Tools. Púchov, Slovak Republic November 20-21, 2018
Hegelmann, E. et al.
- Improvement of Wear and Corrosion Resistance of Austenitic Stainless Steel by Combined Treatment using Electron Beam Cladding and Subsequent Gas Nitrocarburizing. In: Advanced Eng. Mat. (2019), 1900365; S. 1-9
Hegelmann, E. et al.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201900365) - Influence of electron beam deflection techniques used during the cladding process on the wear and corrosion behaviour of cobalt-based protective coatings on austenitic stainless steel. In: Material Science and Engineering Technology
Hegelmann, E. et al.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mawe.201900051)
