Innovative Wärmebehandlungen mindern Verschleiß und Korrosion motorennaher Bauteile

Hoch lebe die Beständigkeit

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Innovative Wärmebehandlungsverfahren steigern das Leistungsvermögen und die Lebensdauer motornaher Bauteile. Im Fokus der Entwicklungen stehen sowohl Verfahren, welche die Korrosionsbeständigkeit härtbarer Stähle steigern, als auch solche, welche ultraharte Schichten auf korrosionsbeständigen, nicht-härtbaren Stählen erzeugen. Die Wahl der optimalen Stahllegierung und der dazugehörigen Wärmebehandlung erfolgt nach einer kritischen Beurteilung der mechanischen, konstruktiv-fertigungstechnischen und magnetischen Rahmenbedingungen.

Der Autor Dr. Alkan Göcmen ist Mitarbeiter der Härterei Gerster AG, CH-Egerkingen

An die Werkstoffe neuer und kommender Motorengenerationen werden immer mehr und teils schwer zu vereinende Anforderungen gestellt. Schon die Kombination von hoher Verschleiß- und hoher Korrosionsbeständigkeit stellt Werkstoffingenieure vor Herausforderungen. Mitunter wird die Wahl des optimalen Werkstoffs noch durch konstruktiv-fertigungstechnische oder magnetische Rahmenbedingungen stark eingeschränkt.
Für hochbeanspruchte Bauteile fällt die Wahl schnell auf martensitisch-härtbare Stähle. Ihre Härtbarkeit und die daraus entwickelten Wärmebehandlungsverfahren ermöglichen eine flexible Ausgestaltung von Bauteileigenschaften hinsichtlich Oberflächenhärte, Festigkeit und Zähigkeit. Einschränkend wirkt allerdings die Forderung nach hoher Korrosionsbeständigkeit, weil die Legierungsgehalte der martensitischen Härtbarkeit entgegenwirken oder weil bewährte Randhärtungsverfahren – wie das klassische Gas- oder Plasmanitrieren – die Korrosionsbeständigkeit hochlegierter Stähle senken. Ebenso einschränkend kann die Forderung nach minimaler Maß- und Formtoleranz sein, da mit der martensitischen Härtung eine zusätzliche, nicht-vermeidbare Verzugskomponente gegeben ist. Und steht die Forderung nach antimagnetischen Bauteileigenschaften im Vordergrund, muss von der martensitischen Härtung ganz abgesehen werden. Der Wunsch nach maximaler Beständigkeit gegen Verschleiß und Korrosion hat deshalb zu folgenden Wärmebehandlungsverfahren geführt:
Maximale Korrosionsbeständigkeit martensitischer Chromstähle
Martensitische Chromstähle ermöglichen eine durchgreifende Härtung des Bauteils. Die Härtung ist zwar mit einem unvermeidbaren Verzug verknüpft, was sich aber durch eine Nachbearbeitung korrigieren lässt. Die erzielbare Korrosionsbeständigkeit wird durch die Legierungsgehalte an Chrom, Molybdän und Stickstoff bestimmt, wobei sich für eine Bewertung der Korrosionsbeständigkeit einer Legierung folgende Wirksumme – welche auch unter der Bezeichnung Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) bekannt ist – bewährt hat:
PREN = Gew.-%Cr + 3,3 x Gew.-%Mo + 16 x Gew.-%N
Die Gehalte an Chrom und Molybdän sind durch die Legierung gegeben und können härtereitechnisch nicht weiter beeinflusst werden. Im Gegensatz zum Stickstoffgehalt, der sich zumindest in oberflächennahen Bereichen durch die Einstellung eines geeigneten Stickstoffpartialdrucks während der Härtung gezielt beeinflussen lässt. Erfolgsentscheidend zur Steigerung der Korrosionsbeständigkeit ist der Gehalt an Stickstoff, der bei praktikablen Härtetemperaturen noch in Lösung gebracht werden kann. Allgemein lässt sich sagen, dass die mit einer Aufstickung realisierbare Steigerung der Korrosionsbeständigkeit umso größer ist, je geringer die Gehalte an Kohlenstoff, Chrom und Molybdän in der Stahllegierung sind. Eine große Steigerung wird mit Stählen vom Typ 1.4021, 1.4016, 1.4104 und 1.4113 erreicht; eine mäßig große Steigerung wird mit den höherlegierten Stählen Typ 1.4057 und 1.4122 realisiert. Ferritische Stähle vom Typ 1.4016, 1.4104 und 1.4113 stellen hinsichtlich der erreichbaren Korrosionsbeständigkeit eine ausgezeichnete Alternative zu austenitischen Chrom-Nickel- und Chrom-Nickel-Molybdänstählen vom Typ 1.4301, 1.4305 und 1.4404 dar.
Maximale Verschleißbeständigkeit austenitischer Chrom-Nickel- und Chrom-Nickel-Molybdänstähle
Steht die Forderung nach einem nicht-magnetischen Werkstoff im Vordergrund, muss der Konstrukteur auf einen austenitischen Stahl zurückgreifen, welcher nicht mehr durch eine martensitische Umwandlung gehärtet werden kann. Grundsätzlich lassen sich auch bei diesen Stählen die Oberflächeneigenschaften härtereitechnisch durch Nitrier- und Aufkohlprozesse beeinflussen. Eine wirksame Härtesteigerung unter Beibehaltung der in diesen Stählen inherent hohen Korrosionsbeständigkeit lässt sich hingegen nur bei einer ausreichend tiefen Prozesstemperatur realisieren, bei welcher die Bildung der für eine Degradation der Korrosionsbeständigkeit verursachenden, chromreichen Karbide und Nitride unterdrückt ist. Derartige Prozesstemperaturen liegen typischerweise unter 450 °C. Eine wirtschaftlich vertretbare Einhärtetiefe liegt bei rund 10 bis 30 µm. Die in der Randschicht erzeugte karbid- und nitridfreie Härteschicht, die sogenannte S-Phase, bietet indessen mit einer Härte von 1000 bis 1200 HV einen sehr wirksamen Schutz gegen Gleit- und Fressverschleiß. Natürlich birgt die geringe Schichtdicke kein weiteres Nachbearbeitungspotenzial mehr. Dafür bietet der bei diesen tiefen Temperaturen geführte Wärmebehandlungsprozess eine äußerst hohe Maß- und Formstabilität.
Gerster; Telefon: 0041 62 3887039; E-Mail: goecmena@gerster.ch

Das Hard-Inox-Programm
Hard-Inox-P (Aufstickbehandlungen bei Prozesstemperaturen oberhalb 1000 °C):
  • Oberflächenhärte: bis 750 HV10
  • Einhärtetiefe: 0,3 bis 0,7 mm
  • bevorzugt bei hohen und abrasiven Beanspruchungen
  • für Anwendungen, bei denen Ferromagnetismus und/oder wärmebehandlungsbedingter Verzug infolge möglicher Nachbearbeitung toleriert werden können
Hard-Inox-S (Aufstick- und Aufkohlbehandlungen bei Prozesstemperaturen unterhalb 450 °C):
  • Oberflächenhärte: 1000 bis 1200 HV
  • Einhärtetiefe: 10 bis 30 µm
  • bevorzugt bei dominierendem Gleit- und Fressverschleiß
  • für Anwendungen, bei denen Ferromagnetismus und/oder wärmebehandlungsbedingter Verzug nicht toleriert werden können
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