Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Anpassung der Wärmebehandlung martensitisch-nichtrostender Messerstähle zur Entwicklung spülmaschinenbeständiger Schneidwaren

Beim Reinigen von Messerklingen im Geschirrspüler tritt immer wieder Lochkorrosion auf, weshalb Schneidwarenhersteller die Handreinigung empfehlen. Die fehlende Spülmaschinenbeständigkeit resultiert aus der gleichzeitigen Forderung nach Korrosions- und Verschleißbeständigkeit. Messerstähle werden deshalb mit Chrom und Kohlenstoff legiert und im gehärteten, niedrig angelassenen Zustand verwendet. Messerstähle besitzen eine hohe Neigung zur Bildung von Chromkarbiden, was schon beim Härten zu Chromverarmung und beschränkter Korrosionsbeständigkeit führt. Dieser Zusammenhang konnte vor kurzem mit der elektrochemisch potentiodynamischen Reaktivierung (EPR) nachgewiesen werden. Ziel des Projekts ist die Entwicklung spülmaschinenbeständiger Messerklingen, durch Identifizierung und Beseitigung von Schwachstellen beim Härten von Messerstählen. Im Rahmen der Untersuchungen werden notwendige Wärmebehandlungsparameter für eine Beseitigung der Chromverarmung an drei Messerstählen identifiziert. Anschließend werden ausgewählten Wärmebehandlungen an Messerrohlingen vorgenommen, um ihre positive Wirkung auf die praktischen Spülmaschinenbeständigkeit und die Lebensmittelverträglichkeit zu verifizieren. Über Wärmebehandlungssimulationen an konkreten Produkten mit spezifischen Geometrien soll überprüft werden, wie die experimentell bestimmten Parameter bei der Wärmebehandlung im Produktionsprozess realisiert werden können. Die Forschungsergebnisse, welche aus verbesserten Wärmebehandlungsparametern und deren Einfluss auf die Korrosionsneigung von Messerstählen bestehen, werden der Industrie in Form von Handlungsempfehlungen zur Verfügung gestellt und durch eine Wirtschaftlichkeitsanalyse abgerundet. Mit den angestrebten Forschungsergebnissen sollen Schneidwarenhersteller in der Lage versetzt werden spülmaschinebeständige Messerklingen herzustellen und somit bestehender Geschäftsfelder der mittelständig strukturierten Schneidwarenindustrie zu sichern und zu erweitern.

Ergebniszusammenfassung:

Der Einfluss der Materialtoleranzen auf die Wärmebehandlung von Messerstählen zeigt, dass sich die zur Austenitisierung sowie zur Auflösung aller Carbide notwendige Temperatur innerhalb der Toleranzgrenzen einer Legierung nicht signifikant ändert. Die kinetischen Simulationen ergaben, dass eine möglichst hohe Abkühlgeschwindigkeit zur Vermeidung von Chromverarmung realisiert werden muss. Diese Abkühlgeschwindigkeit muss mit steigender Austenitisierungstemperatur erhöht werden, da die Ausscheidungsneigung für Carbide zunimmt. Der Einfluss der Wärmebehandlung auf die elektrochemischen Korrosionsuntersuchungen zeigt, dass höhere Austenitisierungstemperaturen eine bessere Korrosionsbeständigkeit ermöglichen, aber gleichzeitig die notwendige Abkühlgeschwindigkeit stark erhöht werden muss, um die Entstehung von Chromverarmung zu verhindern. Aus den drei Messerstählen wurden gebrauchsfertige Messerklingen und Messer hergestellt. Mit allen erprobten Wärmebehandlungen konnten Messer mit guter Biegefestigkeit und gutem Aufprallverhalten hergestellt werden. Ein bedeutender Einfluss der Wärmebehandlung auf die Metallmigration der wärmebehandelten Messerklingen konnte nicht festgestellt werden. Bei der Wechseltauchbeständigkeit schneiden die Klingen mit langsamer Luftabschreckung durchgehend am schlechtesten ab. Ansonsten haben die erprobten Wärmebehandlungen nur einen marginalen Einfluss auf die Wechseltauchbeständigkeit vom X20Cr13 und X50CrMoV15. Beim empfindlichen X46Cr13 dagegen ist der Einfluss der Wärmebehandlungen insbesondere auf dem rauen Schneide und den rauen Messerrücken stark. Die FEM-Simulationen der Erwärmung und Abkühlung von verschiedenen Messergeometrien zeigen, dass der Kropf länger für die Erwärmung benötigt und immer die geringste Abkühlgeschwindigkeit aufweist. Der Kropf ist damit aus Sicht der Korrosionsbeständigkeit der kritischste Bereich von geschmiedeten Kochmessern.