Härtung der Oberfläche von austenitischen rostfreien Stählen als Ersatz von hartverchromten Werkstücken
Projektdurchführung
GWP Gesellschaft für Werkstoffprüfung mbH
Georg-Wimmer-Ring 25
85604 Zorneding
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Die Kombination von großer Oberflächenhärte (> 1.000 Vickers), Korrosionsfestigkeit und Kosteneffizienz wird im Maschinen- und Anlagenbau heute zum überwiegenden Teil durch das galvanische Hartverchromen der entsprechenden Werkstücke erzielt. Der Prozess des Hartverchromens bringt dabei viele ökologische und arbeitsmedizinische Probleme durch den Einsatz von Chrom-VI-Verbindungen mit sich. Chrom-VI ist in beinahe all seine Verbindungen giftig, carcinogen, teratogen und mit einem hohen ökologischen Risiko behaftet.
In diesem Projekt soll daher ein Verfahren entwickelt werden, das neben den Vorteilen des Hartverchromens, Oberflächenhärte, Korrosionsfestigkeit und Kosteneffizienz, arbeitsmedizinische und ökologische Vorteile bietet.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Austenitische Stähle sollen durch einen schonenden Prozess mit Kohlenstoff/Stickstoff oberflächlich gehärtet werden, so dass die Korrosionsresistenz erhalten bleibt. Als Zugabe wird dieses Verfahren im Vergleich mit dem maßhaltigen Hartverchromen eine höhere Dimensionsstabilität aufweisen.
Das Verfahren soll bei niedrigen Temperaturen (< 300 °C in einem Metallbad durchgeführt werden, um die Bildung von Chromcarbiden im Austenit zu verhindern. Das Metallbad wird mit unterschiedlichen Kohlenstoffquellen (Ruß, Acetylen usw.) beschickt.
Die Prozessparameter (Metallbad, Kohlenstoffquelle, Temperatur, Vorbehandlung des Werkstücks) sol-len dabei optimiert werden.
Ergebnisse und Diskussion
Das neue Härteprinzip für das Aufhärten der Oberfläche von rostfreiem Stahl wurde durch das Aufkohlen bei niedriger Temperatur in einer Metallschmelze bei 300 °C wurde erfolgreich untersucht. Ziel war eine Härte über 1.000 HV, di mit 800 HV bei einer Ausgangshärte von rund 300 HV nicht ganz erreicht wurde.
Die Versuche zeigen die Aufhärtbarkeit des Werkstoffes 1.4404 in Halbzeugform und im endbearbeiteten Zustand. Eine Oberflächenhärte von ca. 800 HV wurde erreicht, allerdings nicht prozesssicher. Zudem ist die Einhärtetiefe von rund 10 µm für technische Anwendungen noch zu dünn. Die Randbedingungen Korrosionsfestigkeit und Dimensionstreue sind gemäß den Ergebnissen von ersten Handversuchen erfüllt. Die zu Grunde liegende Arbeitshypothese lautet, dass Kohlenstoff in flüssigem Kalium bei ca. 300 °C in einer besonderen Form vorliegt, die der Oberfläche des Werkstücks zur Verfügung steht. Der gelöste Kohlenstoff reagiert wegen der niedrigen Temperatur nicht mit den vorhandenen Carbidbildnern, wie z. B. Chrom, sondern verspannt das Gitter, was wiederum zu der gewünschten, erhöhten Härte führt. Durch die nicht verringerte Chromkonzentration an der Oberfläche bleibt die Korrosionsfestigkeit des ursprünglichen Materials erhalten. Die Zielkonzentration von Kohlenstoff in der Schicht beträgt einige Gew.%. Als Kohlenstoffquelle dienen gasförmige Kohlenwasserstoffe (Ethin), die durch das Metallbad perlen. Im Metallbad zersetzt sich der KW und neben Rußbildung lösen sich Kohlenstoffatome in noch unbekannter Menge im Bad.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Das Verfahren wird als neu und damit patentfähig eingestuft. Als erhebliche Gefahr für den wirtschaftlichen Erfolg wird die schlechte Überprüfbarkeit angesehen, ob das Produkt durch das neue Verfahren gehärtet wurde. Ein Patententwurf wurde bereits eingereicht.
Fazit
Das Projekt wird mit den vorliegenden, ermutigenden Resultaten ohne Förderung weiter betrieben. Dem Industriepartner war die Durchführung seines Teils (Pilotanlage) im geplanten Zeitraum nicht möglich. Dies führte zum Abbruch des Förderprojektes.