Härten von korrosionsbeständigem Stahl

rostfreier Stahl

Mit der Industrialisierung entstand durch den technischen Fortschritt der Bedarf an rostfreiem Stahl. Dass eine Legierung von Stahl und Chrom die Korrosionsbeständigkeit ermöglichte fand Pierre Berthier bereits im Jahr 1821 heraus - der damalige Stand der Metallurgie ließ die technische Umsetzung allerdings noch nicht zu. Es sollte noch ein knappes Jahrhundert dauern bis diese technische Umsetzung gelang. Im Jahr 1912 meldete Krupp zwei Patente auf rostfreie Stahl an. Zeitgleich entwickelte der Unternehmer Max Mauermann den ersten rostbeständigen Stahl. Eine kostengünstige und im großen Maßstab umsetzbare Industrieproduktion begann in den frühen 1920er Jahren.

Die hauptsächlichen Eigenschaften von rostfreien Stählen ist die hohe Beständigkeit gegen Rostbildung und Säuren. Um dies zu erreichen wird der Stahl mit mehr als 10,5 Prozent Chrom legiert, woraus allerdings eine geringere Wärme- und Stromleitfähigkeit resultiert. Neben Chrom werden auch Nickel, Molybdän, Niob oder Mangan in rostfreien Stählen verarbeitet. Diese Legierungselemente erhöhen die Korrisionsbeständigkeit noch mal und verleihen dem Stahl zusätzliche mechanische Eigenschaften.

Die häufigste heutzutage verwendete Stahlsorte ist der V2A Stahl, der weniger Kohlenstoff, dafür aber mehr Nickel enthält als normale Stahlsorten. V2A Stahl lässt sich sehr gut weiterverarbeiten (z.B. Polieren) und findet in vielen Haushaltsgegenständen, der chemischen Industrie, Anlagen für die Getränkeherstellung, Komponenten für KFZ und an Orten mit hohem Salzgehalt (heerestechnische Anlagen) Verwendung. Weitere Vorteile des V2A Stahles sind, dass er sich gut kalt verformen und stanzen lässt.

Die positiven Eigenschaften des V2A Stahls haben allerdings eine Kehrseite. Das austenitisches Gefüge macht den V2A Stahl weich wodurch er sich schwer härten lässt, was wiederum dazu führte das er für technische Anforderungen lange Zeit nicht geeignet war. V2A Stahl galt als nicht Verschleiß-, Kratz- und Fressbeständig.

Oberflächenhärten bei rostfreien Stählen

Bis in die frühen 1980er Jahre war es nicht möglich rostfreie Stähle mit genormten Wärmebehandlungsverfahren zu härten, als sich eher zufällig herausstellte das rostfreie V2A und V4A Stähle bei relativ niedrigen Wärmebehandlungstemperaturen positiv auf das Nitrieren bzw, das Nitrocarburieren ansprachen. Die Randschichten der rostfreien Stahlsorten bilden dabei eine Diffusionszone mit hohem Härtegrad aus, die aus der Aufnahme von Stickstoff und/oder Kohlenstoff resultiert. Die Diffusionszone werden als S-Phase oder ausgedehnte Austenit-Zone bezeichnet und bilden keine für die rostfreie Eigenschaften des Stahls hinderlichen Ausscheidungen aus.

Werden martensitische nichtrostende Stähle nitrocarburiert, bildet sich bei einer Behandlungsdauer von 75 Minuten im Temperaturbereich zwischen 400 und 500 Grad Celsius eine 20µm Randschicht mit einem Härtegrad von 1.800 HV aus. Je nach Justierung von Verfahrensparametern lassen sich so maßgeschneiderte Härtebereiche erzeugen. Neben der Korrosionsbeständigkeit können durch das Nitrocarburieren extrem kratzfeste Oberflächen hergestellt werden. Zusätzlich lassen sich mit dem Nitrocarburieren auch kleinste Bohrlöcher und Spalten in rostfreien Werkstücken härten, was das Härten filigraner Objekte mit aufwendiger Geometrie ermöglicht.

Das Nitrieren von rostfreien austenitischen Stahlsorten gilt als sehr schwierig, obwohl sie durchaus zu nitrieren sind. Die Werkstücke müssen hierbei allerdings in glühendem Zustand nitriert werden, da es ansonsten zu unerwünschter Blasenbildung kommt. Am Besten lassen sich stabilisierte oder niedrigkohlenstoffhaltige Stahlsorten nitrieren, da die Nitriertemperatur hier bei ca. 540 °C im sensibilisierenden Temperaturbereich liegt. Die Nitrierschicht von rostfreien austenitischen Stahlsorten ist allerdings mit 0.125 mm sehr dünn. Die Gefahr dass die Korrosionsbeständigkeit beim Nitrieren leidet ist zudem recht hoch, weshalb das Nitrieren von rostfreien austenitischen Stahlsorten nur in Ausnahmefällen erfolgt, bspw. zur Erzeugung von nichtmagnetischen und gleichzeitiger verschleißbeständigen Werkstücken.

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