Der Einfluss der Nitrierungstemperatur auf die Eigenschaften von austenitischem Edelstahl

Stahl hat die Eigenschaften einer schönen Oberfläche, guter Korrosionsbeständigkeit, guter Zähigkeit, einfacher plastischer Verarbeitung und guter Schweißbarkeit. Es wird weit verbreitet in Branchen wie Öl, Chemie, Lebensmittel, medizinische Versorgung und Textilmaschinen eingesetzt. Allerdings ist seine Anwendung in vielen Situationen aufgrund seiner geringen Härte und schlechten Verschleißbeständigkeit begrenzt. Insbesondere unter Bedingungen, in denen mehrere Faktoren wie Korrosion, Verschleiß und hohe Belastungen zusammenwirken, wird die Lebensdauer von Stahlteilen deutlich verkürzt. Das Verstärken der Oberflächenfestigkeit von Stahl durch Ionenaufkohlung und das Verbessern seiner Verschleißbeständigkeit, um seine Lebensdauer zu verlängern, ist eine effektive Methode. 

Austenitischer Stahl kann nicht durch Phasenumwandlung verstärkt werden. Darüber hinaus führt die herkömmliche Ionenaufkohlung aufgrund der hohen Aufkohlungstemperatur (über 500℃) zur Bildung von Cr-Nitriden in der aufgekohlten Schicht, was zu einem Chrommangel im Grundmaterial führt. Gleichzeitig erhöht sich die Oberflächenhärte erheblich, während die Oberflächenkorrosionsbeständigkeit stark verschlechtert wird, wodurch die Eigenschaften von Stahl verloren gehen. Durch die Verwendung einer Gleichstrom-Puls-Ionenaufkohlungsanlage wird austenitischer Stahl einer Niedertemperatur-Ionenaufkohlungsbehandlung unterzogen. Während die Korrosionsbeständigkeit im Wesentlichen unverändert bleibt, wird die Oberflächenhärte erhöht, wodurch seine Verschleißbeständigkeit verbessert wird. Dies wird mit den Ionenaufkohlungsbehandlungsproben unter der herkömmlichen Aufkohlungstemperatur verglichen. 

Das Experiment wurde in einem 30-kW-Gleichstrom-Puls-Ionen-Nitrierofen durchgeführt. Die Parameter der Gleichstrom-Pulsstromversorgung waren wie folgt: Spannung einstellbar von 0 bis 1000 V, Tastverhältnis einstellbar von 15 % bis 85 % und Frequenz 1 kHz. Das Temperaturmesssystem wurde mit einem Infrarot-Thermometer IT-8 gemessen. Das Material der Probe war 18Cr-12Ni-2,5Mo austenitischer Edelstahl, dessen chemische Zusammensetzung (Massenanteil, %) wie folgt war: 0,06 C, 19,23 Cr, 11,26 Ni, 2,67 Mo, 1,86 Mn und der Rest Fe; die Probengröße war Φ24 mm × 10 mm. Vor dem Experiment wurde die Probe mit Wasser-Sandpapier geschliffen, um Ölflecken zu entfernen, mit Alkohol gereinigt, getrocknet und in die Mitte der Kathodenscheibe gelegt, wobei auf unter 50 Pa evakuiert wurde. 

Das Ionen-Nitrieren von austenitischem Edelstahl wurde sowohl bei niedriger Temperatur als auch bei konventioneller Nitriertemperatur durchgeführt. Die Mikrohärte der nitrierten Schicht erreichte in beiden Fällen über 1150 HV0,05. Die durch Niedertemperatur-Ionen-Nitrieren erhaltene nitrierte Schicht war dünner und hatte einen größeren Härtegradienten. Nach dem Ionen-Nitrieren bei niedriger Temperatur erhöhte sich die Verschleißbeständigkeit des austenitischen Edelstahls um das 4- bis 5-fache, während die Korrosionsbeständigkeit im Wesentlichen unverändert blieb. Bei konventioneller Nitriertemperatur erhöhte sich zwar ebenfalls die Verschleißbeständigkeit um das 4- bis 5-fache durch Ionen-Nitrieren, jedoch nahm die Korrosionsbeständigkeit aufgrund der Ausscheidung von Chromnitriden auf der Oberfläche des austenitischen Edelstahls erheblich ab.