Stickstoff im Stahl

Die Anwendung härtereitechnischer Methoden zur Realisierung von verschleißbeständigen Bauteilen ist nicht nur wirksam, sondern auch sehr wirtschaftlich:. Sie nutzen das einem Metall innewohnende Vermögen zur Härtung verfahrenstechnisch aus. Über die reine Abschreckhärtung hinaus ermöglichen zudem thermochemische Diffusionsverfahren eine gezielte Panzerung von Oberflächen gegen verschiedene Verschleiss- und Ermüdungsvorgänge – durch die Einlagerung von Kohlenstoff und Stickstoff. Die klassischen Aufkohlungs- und Nitrierverfahren (Einsatzhärten, Karbonitrieren, Nitrokarburieren, Gas- und Plasmanitrieren) haben sich für niedriglegierte Stähle bewährt. Auf hochlegierte, korrosionsbeständige Stähle sind sie aber vom Prinzip her nicht anwendbar, da das Verfahren die Korrosionsbeständigkeit der rostfreien Stähle fast gänzlich zugrunde richten würde.

Anders als beim Kohlenstoff, wurde die vielfältige Wirkung des Stickstoffs im Stahl erst in den letzten beiden Jahrzehnten umfassend untersucht. Dieser Umstand, wie auch die Tatsache, dass die hoch-stickstofflegierten Stähle in der Technik wenig verbreitet sind, liegt in der erschwerten schmelzmetallurgischen Herstellung und Weiterverarbeitung dieser Stähle begründet. Ein Durchbruch erfolgte mit der Realisierung der massiven Randaufstickung von Festkörpern bei hohen Temperaturen und unter einem kontrollierten Stickstoffpartialdruck. Auf der Basis der bekannten Auswirkungen von Stickstoff auf die Eigenschaften von Chromstählen lassen sich heute Verbesserungen hinsichtlich Verschleiss- und Korrosionsbeständigkeit von Produkten aus standardmässigen, rostfreien Stählen erzielen.

Stickstoff als Legierungselement hinterlässt hinsichtlich der Härtung von Stahl in etwa dieselbe Wirkung wie das Legierungselement Kohlenstoff. Es wirkt wie Nickel, wenn es um die Stabilisierung des austenitischen (nicht-magnetischen) Gefüges geht und es steigert wie Chrom und Molybdän die Korrosionsbeständigkeit des Stahls.

Die relative Wirkung von Stickstoff auf die Korrosionsbeständigkeit wird in der Literatur weitläufig durch einen PREN-Wert angegeben (PREN: Pitting Resistance Equivalent Number). Die PREN-Zahl ermöglicht ein auf die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere die Beständigkeit gegen Lochfrasskorrosion bezogenes Ranking von Stahllegierungen mit unterschiedlichen Gehalten an Chrom, Molybdän und Stickstoff. Stähle mit höheren PREN-Werten sind erfahrungsgemäss korrosionsbeständiger als Stähle mit niedrigeren Werten.

Die Hochtemperaturaufstickung von Halbzeugen oder Produkten aus rostfreien Stählen kann für verschiedene, leistungssteigernde Modifikationen des Randgefüges genutzt werden. Ein noch härtbarer Chromstahl vom Typ 1.4021 kann härtemässig in Richtung eines 1.4034 gesteigert werden, bietet aber dem 1.4034 gegenüber eine deutlich höhere Beständigkeit gegen Korrosion. Höherlegierte, härtbare Legierungen vom Typ 1.4057 oder 1.4122 können hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und Härte auf ein Niveau der stickstofflegierten Varianten vom Typ 1.4108 oder 1.4123 veredelt werden. Ein Vergleich der martensitischen oder ferritischen Stähle mit den austenitischen Stählen vom Typ 1.4301 und 1.4435 zeigt, dass die Korrosionsbeständigkeit von Chrom-Nickel und Chrom-Nickel-Molybdänstählen noch mit härtbaren, nickel-freien Stählen realisiert werden kann. Damit liegt der Nutzen dieser Technologie in der Steigerung der Lebensdauer und Wertbeständigkeit von rostfreien Produkten und der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens begründet.

Dr. Alkan Göcmen Härterei Gerster, Egerkingen/Schweiz