Interaction between the microstructure and the properties of plasma nitrided austenitic stainless steels
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Um die aufgestellten Arbeitshypothesen aus dem Vorgängervorhaben zu belegen, wurden die bereits in der ersten Projektphase untersuchten Werkstoffe 1.4307 und 1.4404 um ihre titanstabilisierten Varianten 1.4541 und 1.4571 ergänzt, um den Einfluss des Titans auf die Ausbildung der S-Phase, auf das Korrosionsverhalten und auf den Verschleißwiderstand zu untersuchen. Die Proben wurden mit denselben Nitrierparametern, Oberflächenparametern und Umformgraden wie in der ersten Projektphase hergestellt. Die lichtmikroskopischen Untersuchungen ergaben, dass ein Oberflächenstrahlen generell für austenitische Werkstoffe bei den gewählten Nitrierparametern nicht zu empfehlen ist, da die Schicht auf gestrahlten Flächen sehr inhomogen mit vielen Fehlstellen aufwächst. Der größte Anteil des Titans ist bei den titanstabilisierten Varianten der Stähle in Titankarbonitriden gelöst, welche sich nicht durch den Nitrierprozess auflösen lassen. Die titanstabilisierten Varianten wiesen bei höheren Umformgraden mehr Stickstoff in der Schicht auf, was auf den atomar gelösten Anteil des Titans in der Matrix zurückzuführen sein könnte. Bei 420°C für 6h nitrierte Proben wiesen eine dickere S-Phase auf als bei 370°C für 16h nitrierte Proben, was darauf schließen lässt, dass der Einfluss der Nitriertemperatur auf die Schichtdicke stärker ausgeprägt ist als der Einfluss der Nitrierdauer. Es zeigte sich, dass der Salzsprühnebeltest für die Bewertung des Korrosionsverhaltens von Nitrierschichten ungeeignet ist, da die Korrosionsinitiierung nur an Oberflächendefekten beginnt und somit die Eigenschaften der Nitrierschichten nicht beurteilt werden können. Die potentiodynamische Polarisation eignet sich dagegen für eine Bewertung des Korrosionsverhaltens: Das freie Korrosionspotential im Potentiodynamischen Korrosionstest wird bei allen Werkstoffen durch das Plasmanitrieren signifikant erhöht. Das Durchbruchpotential ist tendenziell bei den titanstabilisierten Varianten höher, was auf eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit hindeutet. Bei 420°C für 6h nitrierte Proben wiesen ein höheres Durchbruchpotential auf als bei 370°C für 16h nitrierte Proben. Bei titanstabilisierten Stählen, die Umformmartensit bilden, wurde zusätzlich ein höheres Durchbruchpotential nachgewiesen, da das durch die Umformung aus der Matrix gelöste Titan zur Ausheilungsfähigkeit der schützenden Passivschicht beiträgt. Generell wird die Härte durch den Plasmanitrierprozess signifikant erhöht. Eine höhere Nitriertemperatur sorgt für eine höhere Härte. Bei längeren Nitrierdauern hat der Stickstoff mehr Zeit, sich energetisch günstiger im Kristallgitter einzulagern. Ein geeigneter Verschleißtest wurde entwickelt und der Zusammenhang zu den gemessenen Härten hergestellt. Eine Reproduzierbarkeit der Verschleißmessungen kann durch das Nachpolieren der Oberfläche erzielt werden. Als Gegenkörper eignet sich dafür eine Hartmetallkugel aus WCCo. Zur Optimierung des Plasmanitrierprozesses wurde empirisch ein Modell entwickelt, welches es erlaubt, die Dicke der S-Phase polierter Proben bei gegebener Behandlungstemperatur und -dauer vorherzusagen. Das Modell ist für einen Temperaturbereich von 360 °C bis 420 °C und eine Behandlungsdauer zwischen 10 und 24 Stunden gültig. Das entwickelte Modell wurde durch Kontrollversuche validiert und zeigten eine maximale Abweichung von 6 % für die untersuchten Werkstoffe.
Publications
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Combined plasma surface modification of austenitic stainless steel for bipolar plates. In: Surface and Coatings Technology 328 (2017) S. 142-151
K. Nikolov, K. Bunk, A. Jung, J.W. Gerlach, P. Kaestner, C.-P. Klages
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Nitriding behavior and corrosion properties of AISI 304L and 316L austenitic stainless steel with deformation-induced martensite. In: Surface & Coatings Technology 324 (2017) S. 121–128
J. Biehler, H. Hoche, M. Oechsner
