Niedrigtemperatur-Härtungsbehandlung von Edelstahl, der für Automobiloberflächen verwendet wird

Obwohl austenitischer Edelstahl aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit weit verbreitet ist, sind seine tribologischen Eigenschaften schlecht, insbesondere seine geringe Abriebfestigkeit oder adhäsive Verschleißleistung, und er neigt zu Reibverschleiß, was die Notwendigkeit von Korrosionsbeständigkeit und Anwendung in der Bereich der Verschleißfestigkeit. Die Edelstahlbearbeitungslinie (S3P) von Baldick in Deutschland bietet eine Lösung, um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu erhöhen, ohne die Korrosionsbeständigkeit zu verändern. Der thermochemische Diffusionsprozess bildet eine kohlenstoffreiche oder stickstoffreiche S-Phase unter Vermeidung der Ausscheidung von Carbiden oder Nitriden. Zu den typischen Anwendungen gehören Lebensmittel, Getränke, Medikamente, medizinische Bedarfsartikel und Ausrüstungen für chemische Prozesse. In diesem Artikel wird jedoch hauptsächlich die Anwendung von Edelstahl in der Automobilindustrie vorgestellt.

Edelstahl wird seit langem als Automobilstrukturteile oder Zierteile verwendet. Ein typisches Beispiel sind die Frontabdeckung aus austenitischem Edelstahl und Edelstahleinsätze des Rolls-Royce Phantom. Unter den rostfreien Stählen wird ferritischer rostfreier Stahl hauptsächlich in Automobilen verwendet, da ferritischer rostfreier Stahl dazu führen kann, dass das Abgassystem in einer hohen Temperatur und einer korrosiven Umgebung arbeitet. Teile wie Auspuffkrümmer, Rohre und Schalldämpfer sind alle aus Edelstahl AISI 409 gefertigt. Teurere rostfreie Stähle, wie Duplex-Edelstähle, wurden weithin in Automobilen verwendet. Funktionsteile aus Duplex-Edelstählen vereinen mechanische Festigkeit und extrem hohe Korrosionsbeständigkeit. Die Automobilindustrie sieht sich strengen Anforderungen an Sicherheit und Effizienz gegenüber, was eine hervorragende Möglichkeit für den Einsatz von Edelstahlmaterialien darstellt.

Die neue Grenze des Widerstands gegen mechanische Reibung

Schauen wir uns ein konkretes Beispiel an. Ein Automobilbauunternehmen produziert Gleitlager. Nach Anwendung der S3P-Linienbearbeitung wird die Leistung der hergestellten Gleitlager verbessert, was beweist, wie S3P die mechanischen Eigenschaften von Edelstahl perfekt verbessert. Bei Magnetventil-Gleitlagern versagt das Lager bei Verwendung von ungehärtetem Edelstahl nach 240,000 Operationen, während es bei Verwendung von diamantähnlichem Kohlenstoffbeschichtungsmaterial (DLC) nach 74 Millionen Operationen versagt. Bei Verwendung von Edelstahl mit Tieftemperaturhärtung der Oberfläche übertrifft die Lagerlebensdauer bei weitem alle bisherigen Rekorde und das Lager kann noch nach 560 Millionen Schaltspielen laufen. Obwohl DLC sehr gute Gleiteigenschaften aufweist, übertrifft seine Oberflächenhärte die der S-Phase bei weitem, aber die S3P-Behandlung kann die umfassende Leistung von Edelstahlteilen wie Korrosionsbeständigkeit, Härte, Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit erheblich verbessern.

Vertiefung der Anwendungsbereiche

Der entscheidende Vorteil der 10-40 μm großen Diffusionsschicht, die unter der Bedingung der Oberflächenhärtung bei niedriger Temperatur gebildet wird, besteht darin, jedes mögliche Delaminationsrisiko zu eliminieren, was auch in Bezug auf die Druck- und Thermoschockbeständigkeit von Vorteil ist. Obwohl die Härte der kohlenstoffreichen S-Phase in Edelstahl 1000HV0.05 überschreitet, behält sie die Plastizität während des schnellen Ofenbeschickungsprozesses bei. Aufgrund dieser Eigenschaften wird es in der ertragsstarken Hightech-Automobilindustrie an vielen Stellen eingesetzt. Zu den aktuellen Anwendungsgebieten gehören Verbrennungsmotoren, Kraftübertragung, Getriebe und Abgassysteme. S3P kann selbst kleinste Teile härten, was zu einer Kostenoptimierung führt. Die unten aufgeführten Beispiele veranschaulichen, dass diese gehärteten rostfreien Stähle mehr Bereiche abdecken und die Gesamtkosten senken können.

Kratzer an Stromanschlüssen beseitigen

Die im Zubehör von Verbrennungsmotoren verbauten mechanischen beweglichen Teile leiden unter relativ hoher Korrosion. Salz auf der Straße oder das Fahren in Küstennähe erhöht das Risiko von Korrosionsschäden an verschiedenen mechanischen Teilen. Die hohe Temperatur im Motorraum verstärkt die Korrosionswirkung zusätzlich. Bei der Betrachtung des Einsatzes korrosiver Biokraftstoffe im Motor unterliegen mechanische Teile auch anderen Korrosionsformen.

Bei Stromsteckverbindern ist die Kratzfestigkeit besonders wichtig. Im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen haben tieftemperaturaufgekohlte Oberflächen offensichtliche Vorteile. Die Testergebnisse von Edelstahl AISI 316L gemäß der Norm ASTM G98 zeigen, dass im Vergleich zur unbehandelten Oberfläche die Kratzschwelle nach der Behandlung stark erhöht ist. Der unbehandelte Edelstahl wurde bei 45.5 MPa zerkratzt, während die aufgekohlte Oberfläche bei 842.5 MPa nicht zerkratzt wurde. Dieser Wert überschreitet die Streckgrenze des Materials, so dass eine plastische Verformung auftritt.

Alternative Beschichtung

Aufgrund der Altfahrzeugrichtlinie der Europäischen Union oder der Beschränkung gefährlicher Stoffe (RoHS) hat die europäische Automobilindustrie damit begonnen, Hartchrombeschichtungen zu ersetzen. Die Anforderungen an korrosionsbeständige und verschleißfeste Teile haben zur Entwicklung dieser Substitution in zwei Richtungen geführt. Eine besteht darin, andere Arten von Beschichtungen zu verwenden, wie beispielsweise stromloses Vernickeln, und die andere besteht darin, das Matrixmaterial durch einen Diffusionsprozess zu verfeinern. Aus Sicht des Verschleißes ist die Beschichtung bei Edelstahl vorteilhafter als das Diffusionsverfahren. Die Dicke der gehärteten Schicht der Beschichtung kann dicker sein, aber das S3P-Verfahren kann die Korrosionsbeständigkeit verbessern, ohne dass die Gefahr einer unvollständigen Beschichtung besteht.

Ein Vorteil des S3P-Verfahrens ist, dass nach der Bearbeitung keine Bearbeitung erforderlich ist, wodurch die Gesamtkosten gesenkt werden und die Möglichkeit der Bearbeitung komplexer Geometrien, scharfer Kanten und innerer Strukturen realisiert wird, was bei Beschichtungen normalerweise nicht möglich ist. Aufgrund der Eigenschaften des Diffusionsprozesses ist es tatsächlich möglich, große Materialmengen mit S3P-Oberflächenhärtung bei niedriger Temperatur zu behandeln. Bei der schnellen Ofeninstallation verformt sich die gehärtete Zone ohne Risse oder Delamination. Diese Fehlertoleranz ist ein großer Vorteil gegenüber Beschichtungen oder anderen diffusionsbasierten Verfahren. Selbst kleinste Teile können gleichmäßig gehärtet werden, ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens, der mit anderen Technologien nicht möglich ist. Das Oberflächenhärten von Löchern mit einem Durchmesser von 60μm ist die einzigartige Fähigkeit dieses Verfahrens. Besonders bei hoher Biegewechselbelastung stellen Hartchrom und andere Beschichtungen ein hohes Ausfallrisiko dar. Obwohl Studien belegen, dass die Beschichtung eine hohe mechanische Festigkeit hat und die Ermüdungsbeständigkeit verbessern kann, ist die Übergangszone von der weichen Schicht zur harten Beschichtung bei Überschreiten des spezifischen Spannungsniveaus, das zur Rissinitiierung und -ausbreitung neigt, die Schwachstelle. Dies kann zur Delamination der Beschichtung oder zur Ausbreitung von Rissen in die weiche Schicht führen, wodurch die Ermüdungslebensdauer beeinträchtigt wird.

Gleitlager ohne andere Dichtungen

Ein weiteres Anwendungsgebiet von oberflächenhärtendem Edelstahl sind Gleitlager, die keine anderen Dichtungen benötigen, die in Hochdruck-Injektionssystemen oder Pharmapumpen eingesetzt werden können. Auch Linearantriebe profitieren von dieser Technologie. Durch die extrem geringe Verschleißrate des Metall-Metall-Kontaktes und die gleichzeitige Beseitigung von Kratzern kann ein einfacher konstruktiver Aufbau ohne Polymerdichtung realisiert werden, wie in Bild 3 dargestellt.

Verbesserte Federermüdungsleistung

Aufgrund der kohlenstoffreichen S-Phase hat Edelstahl eine höhere Ermüdungsgrenze, die Lebensdauer der Feder kann verlängert und die Ausfallwahrscheinlichkeit verringert werden. Je nach Federgröße kann sich auch die Federkonstante ändern. Je kleiner die Federgröße ist, desto größer ist der Einfluss der Oberflächenhärtungsbehandlung auf die Federleistung. Die Untersuchung der kohlenstoffreichen S-Phase in einer Folie aus Edelstahl AISI 304 ergab, dass die Zugfestigkeit von 600 MPa ohne Behandlung auf über 1500 MPa erhöht werden kann.

Wiederholbar und kostengünstig

Die Oberflächenhärtung bei niedrigen Temperaturen ermöglicht es dem Edelstahl, seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern und gleichzeitig eine gute Korrosionsbeständigkeit beizubehalten. Bessere Verschleiß-, Abrieb-, Ermüdungs- und Kavitationseigenschaften machen den oberflächenbehandelten Edelstahl in der Automobilindustrie weit verbreitet. Um den Anforderungen an zuverlässige Teile und effizientere Automobile gerecht zu werden, ist oberflächengehärteter Edelstahl ein wichtiger Werkstoff. Die oben genannten spezifischen Beispiele, wie Stromanschlüsse mit höherer Reibleistung, nicht blockierendes Kraftstoffzubehör aus Edelstahl, Federn mit höherer Ermüdungsleistung und Teile für Hochdruckventile, erklären vollständig, dass die Oberflächenhärtung bei niedriger Temperatur verbessern Verschiedene Eigenschaften von Edelstahl. Darüber hinaus ist es wichtig, dass mit diesem Verfahren einheitliche, wiederholbare Ergebnisse erzielt werden. Eine Panne oder eine Fehlfunktion eines Autos während der Fahrt ist für einen Markenautomobilhersteller ein schwerer Unfall, der durch die Niedertemperatur-Oberflächenhärtungstechnologie behoben werden kann. Neben der Verbesserung der Prozessleistung von gehärteten Teilen ist auch die Wirtschaftlichkeit wichtig. Die S3P-Oberflächenhärtung bei niedriger Temperatur kann auch eine große Anzahl kleiner Teile auf einmal verarbeiten, um dieses Ziel zu erreichen.

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