Fachwörter-Lexikon

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Nichtrostende Stähle

In vielen Industriezweigen, insbesondere in der Nahrungsmittel-, Textil-, Zellulose- und Papierindustrie, in der chemischen Industrie, in der Medizintechnik, im Fahrzeugbau sowie in der Meeres- und Offshore Technik werden nichtrostende Stähle benötigt. Die wichtigste Eigenschaft dieser Stähle ist ihre chemische Beständigkeit. Die mechanisch technologischen Eigenschaften (z. B. Festigkeit, Zähigkeit) sind dabei zweitrangig.
Vor mehr als 80 Jahren wurde entdeckt, dass Chrom ab einer bestimmten Konzentration im Stahl dessen Korrosionsbeständigkeit erheblich verbessert. Der erste nichtrostende Stahl mit 18 % Chrom und 8 % Nickel wurde im Jahre 1912 von Maurer und Strauss bei Krupp unter dem Markennamen V2A entwickelt und patentiert. Durch Zugabe weiterer Legierungselemente wurden rasch weitere nichtrostende Stahlsorten mit optimierten Eigenschaften entwickelt. Die Stähle sind häufig unter Handels- oder Markenbezeichnungen wie beispielsweise V4A, NIROSTA oder Chromargan bekannt. Die in der Praxis übliche Verwendung des Begriffs "Edelstahl" für die nichtrostenden Stähle ist allerdings nicht korrekt, da diese Bezeichnung nach DIN EN 10020 eine Hauptgüteklasse kennzeichnet.

 

Aluminiumabscheidung

Aluminium ist eines der unbeständigsten Metalle, verhält sich im Gebrauch aber wie ein relativ beständiges Metall. Dies liegt daran, dass sich Aluminium in Kontakt mit Luftsauerstoff augenblicklich mit einer dichten und sehr beständigen Oxidschicht überzieht. Die Reaktionsfähigkeit von metallischem Aluminium ist sogar so hoch, dass die Aluminiumoxidation zum Beispiel auch in Wasser oder einer wässrigen Lösung abläuft, in dem das Metall mit dem gelösten Sauerstoff beziehungsweise auch mit dem Sauerstoff des Wassermoleküls reagieren kann. Allerdings hängt diese Reaktion vom Säuregrad (pH-Wert) einer wässrigen Lösung ab. Aluminiumsalze (z.B. Aluminiumchlorid) kann zwar in Wasser gelöst werden, allerdings erfolgt beim erzeugen einer Stromflusses zwischen einer Anode und einem zu beschichtenden Metall als Kathode keine Aluminiumabscheidung, da die in der wässrigen Lösung vorhanden Wasserstoffionen (H⁺ bzw. korrekt H₃O⁺) wesentlich leichter reduziert werden, als die vorhanden Aluminiumionen (Al³⁺). Aus wässrigen Lösungen mit Aluminiumionen wird ausschließlich Wasserstoff abgeschieden. Die Aluminiumabscheidung gelingt nur dann, wenn Aluminiumsalze in einer nichtwässrigen Lösung, also beispielsweise einem wasserfreien organischem Lösemittel oder den seit einiger Zeit verfügbaren ionischen Flüssigkeiten vorliegen. Die Abscheidung von Aluminium ist seit 60 Jahren bekannt und wurde als Sigal-Verfahren 1973 von der Siemens AG patentiert. Die hierfür eingesetzten organischen Lösemittel sind allerdings leicht entflammbar und reagieren nachteilig in Kontakt mit Wasser. Die Abscheidung muss deshalb unter Ausschluss von Luft und Wasser in vollständig abgeschlossenen Autoklaven erfolgen. Hinzu kommt, dass die Aluminiumschichten nur dann optimal auf einem Grundwerkstoff haften, wenn dieser gründlich entfettet und gebeizt ist; beides Vorgänge, die in der Regel in wässrigen Medien durchgeführt werden und dem notwendigen wasserfreien Prozess entgegen wirken. Der hohe Aufwand für einen sicheren Betrieb des Prozesses haben bisher verhindert, dass sich die Aluminiumabscheidung aus organischen Lösemittel (aprotischen Lösemitteln) rentabel anbieten lassen. Derzeit wird die Aluminiumabscheidung für spezielle Anforderungen auf kleinen Teilen im Labormaßstab durchgeführt. Die in der Regel matten, hochreinen Aluminiumschichten zeigen ein sehr gutes Korrosionsverhalten und lassen sich mit den klassischen Verfahren anodisieren und beispielsweise einfärben. Da die Schichten zudem sehr duktil sind, können auch dickere Schichten im Bereich von 50 Mikrometer und mehr hergestellt werden, die mechanisch verformbar sind. Neben Aluminium wurden auch Aluminium-Magnesium-Schichten aus aprotischen Lösemitteln hergestellt. Die Abscheidung von Aluminium aus ionischen Flüssigkeiten befindet sich derzeit noch in der Entwicklung. Da die bisher verfügbaren ionischen Flüssigkeiten nur eine geringe Konzentration an Aluminiumsalzen lösen, ist die Abscheidegeschwindigkeit gering. Der große Vorteil der ionischen Flüssigkeiten wird darin gesehen, dass sie unter normaler Atmosphäre eingesetzt werden können. Auch hiermit sollten neben Reinaluminium Legierungen abgeschieden werden können.

Einsatzhärten

Kohlenstoffarme Stähle (C < 0,30 %) sind zäh, gut zerspanbar und gut schweißbar, jedoch nicht (martensitisch) härtbar. Häufig wird aber von diesen Stählen zusätzlich eine harte und verschleißbeständige Oberfläche gefordert. Um diese eigentlich einander widersprechenden Forderungen zu erfüllen, eignet sich das Einsatzhärten. Der zu geringe Kohlenstoffgehalt fordert vor dem Härten das sogenannte Aufkohlen.Das Werkstück wird in kohlenstoffabgebender Umgebung längere Zeit (einige Stunden bis max. 200 h) bei Temperaturen im Austenitbereich geglüht, da bei diesen Temperaturen der Stahl aufgrund seines austenitischen Gefüges erheblich mehr Kohlenstoffatome lösen kann. Der Kohlenstoff diffundiert aus dem umgebenden Medium in das Innere des Stahls. Der Kohlenstoffgehalt steigt dabei, zumindest in der Randschicht, von 0,1 % bis 0,25 % (Kohlenstoffgehalt der zum Einsatzhärten geeigneten Stähle) auf 0,7 % bis 0,9 % (optimaler Kohlenstoffgehalt der aufgekohlten Randschicht) kontinuierlich an. Durch das Aufkohlen wird die Randschicht gut härtbar, während der Kern aufgrund seines nach wie vor niedrigen Kohlenstoffgehalts zäh und verformungsfähig bleibt.

Feste Aufkohlungsmittel sind in der Regel eine Mischung aus einem Kohlenstoffträger z.B. Holzkohle und einem Aktivierungsmittel zur Beschleunigung der Kohlenstoffaufnahme sowie einem Bindemittel. Die Aufkohlzeit liegt dabei bei mehreren Stunden (7-9 h).
Die Aufkohlen in flüssigen Aufkohlungsmitteln erfolgt in Salzschmelzen. Als Kohlenstofflieferant dienen in der Regel Alkalicyanide, wie z.B. Natriumcyanid (NaCN) oder seltener auch Kaliumcyanid (KCN) bei Aufkohlungszeiten von ca. 3 h.
Gasförmige Aufkohlungsmittel bestehen im Wesentlichen aus Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO₂), Wasserstoff (H₂), Wasserdampf (H₂O), Sauerstoff (O₂) und gegebenenfalls Methan (CH₄) in sehr unterschiedlichen Konzentrationen. Die Vorteile des Gasaufkohlens liegen in einem hohen Mechanisierungs- bzw. Automatisierungsgrad, einer schnellen Schichtbildung sowie günstigen Arbeitsbedingungen. Außerdem lässt sich der Aufkohlungsprozess (Kohlenstoffpegel) besser kontrollieren und regeln. Nachteilig sind allerdings die hohen Anlagenkosten.

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