Untersuchungen zum Schichtbildungsmechanismus beim Gasnitrieren von umgeschmolzenen ledeburitischen Randschichten auf unlegierten Gusseisenwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Biermann, seit 5/2023
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286878415

Im Rahmen des Gesamtprojektes (3+2 Jahre) wurde erstmals der Schichtbildungsmechanismus beim Nitrieren für graphitische und umgeschmolzene (ledeburitische) hoch C- und Si-haltige Gusseisenlegierungen erforscht und aufgeklärt. Der gewählte Ansatz, die Untersuchungen sowohl an Modell- als auch technischen Legierungen durchzuführen, gestattete eine Separierung von Ursache und Wirkung und vereinfachte die Definition von Zielfunktionen. Im Ergebnis wurde eine Modellvorstellung zur zeitabhängigen Phasen- und Ausscheidungsausbildung in den verschiedenen Bereichen der Nitrierschicht (Verbindungs-/Diffusionsschicht) in Abhängigkeit von den Gefügebestandteilen (eutektischer und eutektoider Zementit, Ferrit, Silicokarbid) der weiß erstarrten Fe-xC-ySi-Legierungen entwickelt. Nitrierexperimente bei 540 °C an Fe-Si und Fe-C-Si-Legierungen gaben Rückschlüsse auf das Phasendiagramm Fe-Si-C-N (metastabil unter Berücksichtigung der amorphen Si-Nitrid-Phase X). Es zeigte sich, dass die in den Gusseisenlegierungen zusätzlich vorhandenen Mn- und Cu-Anteile einen Einfluss auf die Phasenbildung in der Verbindungsschicht haben. Während Mn offensichtlich die Bildung von ε-Nitrid fördert, wird durch Cu die Bildung von γ‘-Nitrid unterstützt. Zusätzlich gibt es bei Anwesenheit von Mn und Cu einen gekoppelten Effekt, der die Ausscheidung des Si-haltigen Nitrids beschleunigt. Mn verhindert offensichtlich das Ausdiffundieren von Kohlenstoff aus dem oberflächennahen eutektischen Zementit. Das Verschleiß- und Korrosionsverhalten der nitrierten Gusseisen wird vor allem von den inhomogenen, nicht vollständig ausgebildeten Verbindungschichten infolge des Graphits bestimmt. Dagegen ist das Beanspruchungsverhalten der kombiniert behandelten Randschichten signifikant besser und wird vor allem von der Phasenzusammensetzung der Verbindungsschichten bestimmt.Ziel des hier beantragten Fortsetzungszeitraumes ist es, die wesentlichen Erkenntnisse zum Nitriermechanismus von kombiniert behandelten Gusseisenrandschichten hinsichtlich ihrer Wirkungen auf das tiefenabhängige (im Abtragverfahren) tribologische (Kugel-Platte-Test) und korrosive (Stromdichte-Potential-Kurve) Beanspruchungsverhalten zu untersuchen und zu analysieren (Schädigungsmechanismen). Eine zielorientierte Eingrenzung der Behandlungsvarianten für eine tiefgreifende Analyse des Beanspruchungsverhaltens anhand von Abtragsversuchen in 3 Ebenen erfolgte deshalb anhand unterschiedlicher Nitrierschichtaufbauten und umfasst die Grenzzustände (neben Si-Nitrid): I. ε-reich; II. γ‘-reich; III. ε/ γ‘ (≈ 50:50 %). Mit der so ermittelten umfangreichen Datenbasis sollen einerseits die entwickelte Modellvorstellung zum Nitriermechanismus um das phasen- und tiefenabhängige Beanspruchungsverhalten erweitert werden und andererseits praxisrelevante Vorgaben für den Nitrierprozess und die Entwicklung eines nitriergeeigneten Legierungsdesigns für Gusseisenwerkstoffe abgeleitet und besonders geeignete Schichtaufbauten identifiziert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Anja Buchwalder, bis 5/2023