Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Carbonitrieren im Temperaturbereich unter 800 °C zur Einstellung fein verteilter Ausscheidungen in einer martensitischen Randschicht und einem ferritischen Kern

Das thermochemische Wärmebehandlungsverfahren Carbonitrieren wird bei Stählen eingesetzt, um vor allem Festigkeits- und Verschleißeigenschaften der belasteten Randschichten von Bauteilen und Komponenten gegenüber dem Aufkohlen nochmals signifikant zu steigern. Die eingestellten Randschichtzustände mit einer martensitischen Matrix, angemessenen Anteilen an Restaustenit und fein verteilten Carbonitridausscheidungen stellen für viele Anwendungen einen optimalen Zustand dar. Bei vielen dünnwandigen Bauteilen ohne besondere Anforderungen an die Kernfestigkeit wie verschleißbeständige Bleche und Stanzteile aus niedrig legierten Bau- und Vergütungsstählen sowie sonstigen Feinwerkteilen führt eine durchgreifende Wärmebehandlung zu erhöhter Verzugsanfälligkeit. Erkenntnisse aus vorangegangen Forschungsvorhaben zum Legierungseinfluss beim Carbonitrieren können als Grundlage dienen, Verfahren zu entwickeln, die nur den Randbereich solcher Bauteile beeinflussen. Im Temperaturbereich von 650 - 800 °C liegt in Abhängigkeit der Legierung ein ferritisch-austenitisches Gefüge vor, welches sich beim Carbonitrieren durch das Anheben der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte zu höheren Anteilen an Austenit verschiebt und so martensitisch gehärtet werden kann. Das Niedertemperaturcarbonitrieren erschließt das im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm bislang weitgehend unerforschtes Zweiphasengebiet. Als Nutzen für KMU können neben der Verzugsreduktion Vorteile in Bezug auf Behandlungskosten und Dauer erreicht werden, da reduzierte Temperaturen geringere Energiekosten und Komponentenverschleiß in den Wärmebehandlungsanlagen verursachen. Mit aktuellen Methoden der Simulation und thermodynamischen Datenbanken kann das Spektrum der thermochemischen Wärmebehandlungen durch ein vielversprechendes Verfahren mit neuen Ofenkonzepten erweitert werden. Dadurch können innovative Bauteile, für welche bereits entsprechende Anwendungsszenarien in der Industrie existieren, von KMU am Markt platziert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Carbonitrierter Bauteile in hochbeanspruchten Anwendungen bewirken signifikante Dauerfestigkeitssteigerungen, kostengünstigere Fertigung sowie leichtere und umweltfreundlichere Konstruktionen. Durch das große Leichtbaupotential kann so ein Beitrag zur Reduktion der CO2-Emissionen geleistet werden. Das Carbonitrieren bei niedrigen Temperaturen eröffnet ein neues Prozessfenster, es weist Potential zu einem internationalen Alleinstellungsmerkmal für die Anwender und Anlagenbauer auf. Der größte Vorteile für KMU ist eine schnellere und günstigere Wärmebehandlung bei geringerem Energie- und Ressourcenverbrauch und längeren Standzeiten von Ofenkomponenten sowie geringerer Verzug und niedrigere Kosten für die Hartnachbearbeitung. Dies wird mit den bekannten Vorteilen carbonitrierter Randschichten verbunden. Die aus dem Carbonitrieren bei niedrigen Temperaturen resultierenden Randschichten ergeben veränderte Eigenschaften in Bezug auf Härte, Verschleiß und Dauerfestigkeit, die zu innovativen Bauteilen führen und den herkömmlich wärmebehandelten Bauteilen erheblich überlegen sind. Daraus ergeben sich einerseits Wettbewerbsvorteile für Lohnhärtereien und Unternehmen, die Produkte aus carbonitrierten Bauteilen herstellen. Ofenbauer und Unternehmen der Prozesssteuerungsindustrie profitieren durch innovative Produkte. Als konkrete Anwendungsfälle sind insbesondere dünnwandige Bauteile, verschleißbeständige Bleche und Stanzteile aus niedrig legierten Bau- und Vergütungsstählen für Schaltmuffen, Sitzverstellungen, Gurtschnallen, Ventilschaftdichtungen sowie Feinwerkteile ohne besondere Anforderungen an die Kernfestigkeit zu nennen, bei denen der Kern der Bauteile nicht gehärtet werden muss. Darüber hinaus kann das Verfahren für Zahnräder und Wellen aus Einsatzstahl für kleine Getriebe (Elektromobilität) angewendet werden. Feine Nitridausscheidungen verbessern die elektrischen Widerständen und magnetischen Momenten und damit die Effizienz von Antriebssystemen.