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

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des 2. Fortsetzungsprojektes (UmNiGu-III) erfolgten die Untersuchungen zum tiefenabhängigen Verschleiß- und Korrosionsverhalten kombiniert behandelter Gusseisenrandschichten. Dafür wurden auf Basis der Erkenntnisse zum speziellen Nitriermechanismus geeignete Legierungszusammensetzungen und Nitrierparameter ausgewählt, um die Phasenzusammensetzung und -verteilung der Verbindungsschichten gezielt zu variieren. Folgende Zielschichten/Grenzzustände wurden generiert: I. ε-reich; II. γ'-reich; III. ε/γ' in lateraler Anordnung; IV. γ'/ε in horizontaler Anordnung. Nach eingehender Untersuchung der Eigenschaften dieser Zielschichten wurde das tribologische Beanspruchungsverhalten im Modellverschleissversuch Kugel-Platte und das korrosive mittels potentiodynamischer Polarisationsmessungen in 5%-iger NaCl-Lösung tiefenabhängig (im Abtragverfahren) untersucht. Dabei lagen vier Abtragebenen innerhalb der Verbindungsschicht und eine bei ca. der halben Diffusionsschichtdicke. Das Verschleiß- und Korrosionsverhalten der 1. Abtragebene, d. h. der oberflächennahen Verbindungsschicht wird hauptsächlich durch den Porenanteil bestimmt. Größere Porenansammlungen führen zu einer Verschlechterung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit und sollten durch Polieren der Oberfläche nach dem Nitrieren entfernt werden. Innerhalb der Verbindungsschicht wird das Beanspruchungsverhalten maßgeblich von den Anteilen und der Art der Nitride beeinflusst. Einphasige ε-Nitrid-Schichten zeigen bei korrosiver Beanspruchung die besten Eigenschaften. Zum Erzielen optimaler Reibungs- und Verschleißeigenschaften im abrasiv wirkenden Modellverschleißversuch Kugel-Platte hat sich eine homogene Härteverteilung innerhalb der Verbindungsschicht als vorteilhaft erwiesen. Diese liegt bei einer Verbindungsschicht aus ε/γ' in lateraler Anordnung vor. Im Ergebnis wurden für den jeweils vorherrschenden Beanspruchungsfall ein geeigneter Schichtaufbau identifiziert und praxisrelevante Vorgaben für das Legierungsdesign des Gusseisenwerkstoffes, den Nitrierprozess und die Nachbearbeitung abgeleitet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Potenziale und Grenzen kombinierter Randschichtbehandlungstechnologien in Verbindung mit einer Fest-/Flüssigphasen-Randschichtbehandlung mittels energiereicher Strahlverfahren für Gusseisenwerkstoffe. Habilitation. TU Bergakademie Freiberg. In: Freiberger Forschungshefte, B390 Werkstoffwissenschaft, 1. Aufl., ISBN 978-3-86012-655-4.
  Buchwalder, Anja
  
• Effect of a surface treatment consisting of electron beam remelting and gas nitriding on the corrosion resistance of cast iron. Materials and Corrosion, 75(3), 386-397.
  Holst, Anja; Biermann, Horst & Buchwalder, Anja
  
• Untersuchungen zum Schichtbildungsmechanismus beim Gasnitrieren von umgeschmolzenen ledeburitischen Randschichten auf unlegierten Gusseisenwerkstoffen. In: Festschrift 50 Jahre Institut und Studienrichtung Werkstofftechnik, S. 20-21.
  Holst, Anja; Biermann, Horst & Buchwalder, Anja