Oberflächenentmischungseffekte in nichtrostendem Duplexstahl bei Plasmadiffusionsbehandlungen unter Nutzung eines festen Kohlenstoff Präkursors

• Antragstellerinnen: Dr.-Ing. Anke Dalke; Dr. Darina Manova
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 557879687

Im Projekt werden die Effekte eines festen Kohlenstoffmaterials auf die Oberflächenmodifikation von Duplexstahl für das Plasmanitrocarburieren untersucht. Die Verwendung eines Kohlenstoff-Feststoffes bietet eine alternative Methode für das Nitrocarburieren von Duplexstählen, da es die Möglichkeit zur deutlichen Reduzierung der thermischen Belastung an der Oberfläche eröffnet. Das Nitrocarburieren und die veränderten Oberflächeneigenschaften von Duplexstahl sind im Allgemeinen weniger gut untersucht im Vergleich zu austenitischen nichtrostenden Stählen. Ziel des Vorhabens ist die ganzheitliche Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen dem festen Kohlenstoff Präkursor und der resultierenden Prozessgaszusammensetzung sowie der Oberflächenmodifikation des Duplexstahls und der daraus resultierenden Eigenschaften insbesondere dem Korrosionsverhalten. Dem Vorhaben liegen drei Arbeitshypothesen zugrunde: (i) Unterschiedliche Kohlenstoffmaterialien bewirken unterschiedliche Reaktionsgaszusammensetzungen. (ii) Das Nitrocarburieren bei Afterglow-Bedingungen (ohne Plasma am Stahlsubstrat) führt manchmal zur Bildung einer geschlossenen kohlenstoffreichen Schicht und einer oberflächennahen Entmischung von Legierungselementen innerhalb der Stahlsubstrate, was die Diffusionsprozesse und folglich die Bildung der expandierten Randschicht beeinflussen kann. (iii) Die Bildung einer kohlenstoffreichen Schicht beeinflusst die Oberflächeneigenschaften insbesondere die Korrosionsmechanismen. Das Projekt ist eine Kooperation zwischen dem Institut für Werkstofftechnik (IWT) der TU Bergakademie Freiberg und dem Leibniz-Institut für Oberflächenmodifikation (IOM) Leipzig. Ihre Kompetenzen werden Synergieeffekte für die Klärung der Arbeitshypothesen liefern. Für verschiedene Kohlenstoffmaterialien wird das resultierende Prozessgas bei variierenden Plasmabedingungen mittels Laserabsorptionsspektroskopie (LAS) analysiert. Die Analytik umfasst Lichtmikroskopie und REM-Untersuchungen, optische Glimmentladungsspektroskopie (GDOS) und phasenspezifische Härtemessung. In-situ-XRD-Messungen werden durchgeführt, um die Dynamik während der Diffusionsprozesse und die daraus resultierenden Schichtstrukturen, wie sie bei der Sputter-Tiefenprofilierung beobachtet werden, zu untersuchen. Isotopen-Marker sollen mikroskopische Mobilitäts- und Transportprozesse mit Hilfe von ToF-SIMS-Messungen identifizieren. Unter Berücksichtigung der für Duplex-Stähle typischen Versprödung bei 475 °C wird die Temperaturabhängigkeit der Schichtbildung anhand von Zugversuchen untersucht. Mechanismenbasierte Korrosionsuntersuchungen werden durchgeführt, um den Einfluss einer kohlenstoffreichen Schicht und einer veränderten Stickstoff-Kohlenstoff-Verteilung in der expandierten Randschicht zu bewerten. Die Klärung der Prozessparameter-Struktur-Eigenschafts-Korrelation mit Hilfe der komplementären Methoden beider Forschungsgruppen soll grundlegende Erkenntnisse zum Nitrocarburieren von Duplexstahl geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen