Der Einfluss der Nitrierungstemperatur auf die Eigenschaften von austenitischem Edelstahl

Edelstahl zeichnet sich durch eine schöne Oberfläche, gute Korrosionsbeständigkeit, gute Zähigkeit, einfache plastische Verarbeitung und gute Schweißeigenschaften aus. Es wird weit verbreitet in Branchen wie Erdöl, Chemie, Lebensmittel, Medizin und Textilmaschinen eingesetzt. Allerdings aufgrund seiner geringen Härte und schlechten Verschleißbeständigkeit ist seine Anwendung in vielen Situationen begrenzt. Insbesondere unter Bedingungen, wo mehrere Faktoren wie Korrosion, Verschleiß und hohe Belastungen nebeneinander bestehen, wird die Lebensdauer von Edelstahlteilen deutlich verkürzt. Die Verbesserung der Oberflächenfestigkeit von Edelstahl durch Ionenaufkohlung und die Verbesserung seiner Verschleißbeständigkeit, um seine Lebensdauer zu verlängern, ist eine effektive Methode.

Austenitischer Edelstahl 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 deutlich, während die Oberflächenkorrosionsbeständigkeit stark verschlechtert wird und die Eigenschaften von Edelstahl verloren gehen. Durch die Verwendung einer Gleichstrom-Puls-Ionenaufkohlungsanlage wird der austenitische Edelstahl einer Niedertemperatur-Ionenaufkohlungsbehandlung unterzogen. Während die Korrosionsbeständigkeit im Wesentlichen unverändert bleibt, wird die Oberflächenhärte erhöht, wodurch seine Verschleißbeständigkeit verbessert wird. Dies wird mit den Proben der Ionenaufkohlungsbehandlung 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 ein austenitisches Edelstahl der Zusammensetzung 18Cr-12Ni-2,5Mo, dessen chemische Zusammensetzung (Masseanteil, %) wie folgt war: 0,06 C, 19,23 Cr, 11,26 Ni, 2,67 Mo, 1,86 Mn und der Rest Fe; die Größe der Probe war Φ24 mm × 10 mm. Vor dem Experiment wurde die Probe mit Wasser-Sandpapier geschliffen, um Ölverschmutzungen zu entfernen, mit Alkohol gereinigt, getrocknet und in die Mitte der Kathodenscheibe gelegt, wobei der Druck auf unter 50 Pa reduziert 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 der Verschleißwiderstand des austenitischen Edelstahls um das 4- bis 5-fache, während die Korrosionsbeständigkeit im Wesentlichen unverändert blieb. Bei konventioneller Nitriertemperatur erhöhte sich zwar auch der Verschleißwiderstand durch Ionen-Nitrieren um das 4- bis 5-fache, jedoch nahm aufgrund der Ausscheidung von Chromnitriden an der Oberfläche des austenitischen Edelstahls seine Korrosionsbeständigkeit deutlich ab.