Low-temperature plasma nitriding of martensitic and austenitic steels to increase tribocorrosion resistance

Tribocorrosion is the simultaneous occurrence of wear and corrosion in a tribosystem and their interaction. In many applications, such as media-lubricated rolling bearings and (cutting-)tools in the food industry or medicine, tribocorrosion occurs and leads to a high material loss and damage to materials. The tribocorrosion resistance of mechanically and chemically stressed steel surfaces can be significantly increased by low-temperature plasma nitriding at T < 400 °C. In this process, nitrogen is forcibly dissolved in the surface area (up to approx. 20 μm) in high contents of 15 wt.-% without precipitation. This results in an extreme expansion and distortion of the metal lattice (“expanded martensite”, “expanded austenite”), which leads to an increase in hardness of up to 1000 HV with the same or even increased pitting corrosion resistance. Due to the formation of expanded martensite/austenite, the tribocorrosion resistance of the martensitic steels X40Cr14 and X54CrMnN13-2 and that of an austenitic CrMn steel can be significantly improved compared to the initial state, which is expressed in a 40-70 % lower material loss under tribocorrosive attack. It was found that the tribocorrosion resistance depends on the process parameters of the surface treatment and on the chemical composition of the steels and their crystal lattice.

Tribokorrosion ist das gleichzeitige Auftreten von Verschleiß und Korrosion in einem Tribosystem und deren Interaktion. In vielen Anwendungen, wie z. B. bei mediengeschmierten Wälzlagern und (Schneid-) Werkzeugen in der Lebensmittelindustrie oder Medizin, tritt Tribokorrosion auf und führt zu erheblichen Materialverlusten und Schädigungen an Werkstoffen. Die Tribokorrosionsbeständigkeit von mechanisch und chemisch belasteten Stahloberflächen kann durch das Niedertemperaturplasmanitrieren bei T < 400 °C deutlich erhöht werden. Hierbei wird Stickstoff im oberflächennahen Bereich (bis ca. 20 μm) in hohen Gehalten von 15 Ma.-% ausscheidungsfrei zwangsgelöst. Hieraus resultiert eine extreme Aufweitung und Verzerrung des Metallgitters („expandierter Martensit“ bzw. „expandierter Austenit“), was zu einer Härtesteigerung im Randbereich von bis zu 1000 HV bei gleichbleibender oder sogar erhöhter Lochkorrosionsbeständigkeit führt. Durch die Erzeugung von expandiertem Martensit/Austenit kann die Tribokorrosionsbeständigkeit der martensitischen Stähle X40Cr14 und X54CrMnN13-2 und die eines austenitischen CrMn-Stahls im Vergleich zum Ausgangszustand deutlich verbessert werden, was sich in einem um 40-70 % geringeren Materialabtrag unter tribokorrosivem Einfluss äußert. Es konnte festgestellt werden, dass die Tribokorrosionsbeständigkeit zum einen von den Prozessparametern der Randschichtbehandlung und zum anderen von der chemischen Zusammensetzung der Stähle und deren Kristallgitter abhängt.