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Improving the tribological properties of Stainless Steels by low-temperature surface hardening
(2022)
Die Beständigkeit von hochlegierten korrosions- und säurebeständigen Stählen wird primär durch den Chromgehalt bestimmt. Allerdings gibt es entlang der Wertschöpfungskette von der Stahlerschmelzung bis zum fertigen Produkt eine Vielzahl weiterer Einflussfaktoren. Dem Schleifen kommt hier eine besondere Bedeutung zu, da es je nach Wahl der Prozessparameter sowohl zu einer signifikanten Verschlechterung als auch zu einer Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit führen kann. Im vorliegenden Beitrag wird aufgezeigt, dass die erzeugte Rauheit nur eine begrenzte Aussagekraft bietet. Vielmehr erhöhen lokale Mikrodefekte die Anfälligkeit gegen Lochfraß – je nach Ausprägung und Anzahl. Die Automatisierung für die Innenbearbeitung von Behältern im pharmazeutischen Apparatebau kann dabei zu einer signifikanten Verbesserung der Oberfläche und einem homogeneren Erscheinungsbild führen.
Durch eine Aufweitung des Kristallgitters mittels Niedertemperatur-Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoffatomen können in der Randzone von nichtrostenden Stählen eine hohe Härte und eine hohe Verschleißbeständigkeit erzeugt werden, ohne dass zusätzliche Legierungselemente verwendet werden müssen. Die metallkundlichen Hintergründe für die Härtung, die Wirkung auf Verschleißvorgänge und mögliche Anwendungsbereiche werden geschildert. Anhand von Reibwerten wird gezeigt, in welcher Weise das Reibungsverhalten bei Schraubverbindungen durch die Behandlung verändert wird. Über Migrationsversuche wird nachgewiesen, dass die Ionenabgabe durch die Oberflächenhärtung nicht erhöht, sondern sogar abgesenkt wird. Neben dem besseren Verschleißschutz und einer höheren Dauerfestigkeit sichert diese Oberflächenbehandlung am nichtrostenden Stahl den Schutz gegen die Kontamination von Pharmaprodukten durch Metallabrieb/-ionen. Tests an oberflächengehärteten Edelstahlproben ergaben weiterhin, dass durch die Oberflächenhärtung die Biokompatibilität des nichtrostenden Edelstahls nicht beeinträchtigt wird.
Ferromagnetism is of increasing importance in the growing field of electromobility and data storage. In stable austenitic steels, the occurrence of ferromagnetism is not expected and would also interfere with many applications. However, ferromagnetism in austenitic stainless steels after low-temperature nitriding has already been shown in the past. Herein, the presence of ferromagnetism in austenitic steels is discovered after low-temperature carburization (Kolsterizing), which represents a novel and unique finding. A zone of expanded austenite is established on various austenitic stainless steels by low-temperature carburization and the respective ferromagnetism is investigated in relation to the alloy composition. The ferromagnetism occurring is determined by means of a commercial magnetoinductive sensor (Feritscope). Ferromagnetic domains are visualized by magnetic force microscopy and a ferrofluid. X-ray diffraction measurements indicate a clear difference in the lattice expansion of the different alloys. Furthermore, a different appearance of the magnetizable microstructure regions (magnetic domain structure) is detected depending on the grain orientation determined by electron backscatter diffraction (EBSD). Strongly pronounced magnetic domains show no linear lattice defects, whereas in small magnetizable areas linear lattice defects are detected by electron channeling contrast imaging and EBSD.
This paper presents the current state of development and selected technological challenges in the application of ecologically and economically sustainable nets for aquaculture based on ongoing development projects. These aim at the development of a new material system of high-strength stainless steel wires as net material with environmentally compatible antifouling properties for nearshore and offshore aquacultures. Current plastic netting materials will be replaced with high-strength stainless steel to provide a more environmentally friendly system that can withstand more severe mechanical stresses (waves, storms, tides and predators). A new antifouling strategy is expected to solve current challenges, such as ecological damage (e.g., due to pollution from copper-containing antifouling substances or microplastics), high maintenance costs (e.g., cleaning and repairs), and shorter service life. Approaches for the next development steps are presented based on previous experience as well as calculation models based on this experience.
Low temperature carburizing of a series of austenitic stainless with various combinations of chromium and nickel equivalents was performed. The investigation of the response towards low temperature carburized for three stainless steels with various Cr- and Ni-equivalents showed that the carbon uptake depends significantly on the chemical composition of the base material. The higher carbon content in the expanded austenite layer of specimen 6 (1.4565) and specimen 4 (1.4539/AISI 904L) compared to specimen 2 (1.4404/AISI 316L) is assumed to be mainly related to the difference in the specimens’ chromium content. More chromium leads to more lattice expansion. Along with the higher carbon content, higher hardness values and higher compressive residual stresses in the expanded austenite zone are introduced than for low temperature carburized AISI 316L. The residual stresses obtained from X-ray diffraction lattice strain investigation depend strongly on the chosen X-ray elastic constants. Presently, no values are known for carbon (or nitrogen) stabilized expanded austenite. Nevertheless, first principle elastic constants for γ′&minus Fe4C appear to provide realistic residual stress values. Magnetic force microscopy and measurement with an eddy current probe indicate that austenitic stainless steels can become ferromagnetic upon carburizing, similar for low temperature nitriding. The apparent transition from para- to ferromagnetism cannot be attributed entirely to the interstitially dissolved carbon content in the formed expanded austenite layer but appears to depend also on the metallic composition of the alloy, in particular the Ni content.