Structure and corrosion behaviour of stainless steels after thermo-chemical treatment at low temperatures
Final Report Abstract
Die Verschleißbeständigkeit der nichtrostenden austenitischen Stähle 1.4301 und 1.4404 sowie des austenitisch-ferritischen Duplexstahles 1.4462 kann ohne Verlust ihrer Korrosionsbeständigkeit durch eine Anreicherung der Randschicht mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff oberhalb der Löslichkeitsgrenze, d.h. die Bildung von expandiertem Austenit, auch S-Phase genannt, erheblich verbessert werden. Die Behandlungstemperatur und -dauer muss dabei so niedrig sein, dass eine Ausscheidung des die Korrosionsbeständigkeit bestimmenden, im Mischkristall gelösten Chroms als Chromnitrid bzw. Chromkarbid unterdrückt wird. Die Stickstoff-S-Phase des Stahles 1.4404 ist etwas stabiler als die Stickstoff-S-Phasen der anderen beiden Stähle. Es konnte nachgewiesen werden, dass der expandierte Austenit, im Gegensatz zu der im Schrifttum immer wieder vertretenen Auffassung, nicht eine tetragonale sondern eine kubische Struktur besitzt. Seine Gitteraufweitung wird durch die Konzentration an Interstitiellen bestimmt. Charakteristisch für die Stickstoff-S-Phase ist eine hohe Übersättigung (30 at % N) und ein hoher Konzentrationsgradient. Daraus resultieren eine hohe Härte und hohe Eigenspannungen sowie hohe Eigenschaftsgradienten. Die Übersättigung der Kohlenstoff-S-Phase ist mit Kohlenstoffkonzentrationen von 8-10 at % deutlich geringer, gleiches gilt für die Konzentrationsgradienten. Auch ihre Härte ist deshalb geringer als die der Stickstoff-S-Phase. Durch die im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgeführten Untersuchungen wird erstmalig der Zusammenhang zwischen der Stabilität der Stickstoff-S-Phase und ihrem Lochkorrosions- und Passivierungsverhalten beschrieben. Der maßgebliche Einfluss der Höhe der Stickstoffkonzentration auf die Stabilität und das Korrosionsverhalten konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die vorgelegten Ergebnisse gestatten eine differenzierte Einordnung des Korrosionsverhaltens der Kohlenstoff-S-Phase. Der Aufbau und das Korrosionsverhalten von durch Tieftemperatumitrocarburieren erzeugten Randschichten wurden umfassend untersucht. Sie zeichnen sich, gegenüber den N- und CSchichten bei gleichen Behandlungsbedingungen, durch eine größere Schichtdicke aus. Ihre Eigenschaften ergeben sich aus ihrem spezifischen Schichtaufbau. Eine äußere aus Stickstoff- S-Phase bestehende Schicht geht mit wachsendem Abstand von der Oberfläche in die Kohlenstoff- S-Phase über. Die Eigenschaften der Nitrocarburierschichten können deshalb aus dem Aufbau und den Eigenschaften der Stickstoff- und der Kohlenstoff-S-Phase erklärt werden. Die Kohlenstoff-S-Phase gewährleistet dabei einen kontinuierlichen Übergang von der harten, verschleißbeständigen, aber auch spröden äußeren Schicht in den weichen Grundwerkstoff. Kohlenstoffkonzentrationen bis zu 1,5 at % in der äußeren Stickstoff-S-Phase fuhren nicht zu einer Änderung ihres Ausscheidungs- und Korrosionsverhaltens gegenüber der kohlenstofffreien Phase. Es wird erwartet, dass auch das tribologische Verhalten der kohlenstoffhaltigen Stickstoff-S-Phase dem Verhalten der reinen Phase entspricht. Die durch das Nitrocarburieren erzeugte exzellente Kombination der Eigenschaften der Stickstoff- und Kohlenstoff-S-Phase besitzt ein hohes Anwendungspotential. Es ist vorgesehen, gemeinsam mit Herrn Prof. Schmauder, Universität Stuttgart, im Rahmen eines neuen Forschungsvorhabens Untersuchungen zur Modellierung der Stickstoff- und Kohlenstoffverteilung in der S-Phase durchzufuhren. Im Rahmen dieses Vorhabens sind aus gegenwärtiger Sicht in Freiberg Untersuchungen zur gezielten Einstellung der Rand-N- und Rand-C-Konzentrationen der S-Phase bei thermochemischen Behandlungen austenitischer Stähle im Gas bzw. im Plasma in einer neu aufgebauten Anlage zum Nitrieren im aktiven Gitter (Active Screen Plasma Nitriding) vorgesehen. Im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsvorhabens, in dem grundlegende Untersuchungen zur S-Phase durchgeführt wurden, waren Untersuchungen zu Anwendungen nicht geplant. Allerdings begünstigen die gewonnenen Erkenntnisse insbesondere zum Nitrocarburierten die Überfuhrung dieser exzellenten Schichten in die Anwendung.
