BORINOX® - Härten von rostfreiem Stahl


  • Schutz vor Abrasion, Kaltverschweißen, Kavitation
  • Erhöhung der Dauerfestigkeit
  • Verbesserung des Reibkoeffizients
  • Korrosionsbeständig und maßstabil

Mit dem BORINOX® Verfahren lassen sich rostfreier Stahl und rostfreier Edelstahl härten, ohne die Korrosionseigenschaften negativ zu beeinflussen. Die in einem gasbasierenden Niederdruckverfahren erzeugte bis zu 5 mal härtere Randschicht schützt besonders vor Abrasion, Kavitation und Kaltverschweißen/Fressen.




Edelstahl und rostfreien Stahl härten

Grundsätzlich handelt es sich bei Edelstahl nicht zwangsläufig auch um einen rostfreien Stahl. Definitionsgemäß ist Edelstahl ein legierter oder unlegierter Stahl mit besonders hohem Reinheitsgrad. Der Gehalt an unerwünschten Begleitelementen wie Phosphor und Schwefel darf in Summe nicht mehr als 0,025% betragen. Im Arbeitsalltag werden die Begriffe Edelstahl und rostfreier Stahl oft synonym verwendet. Rostfreier Stahl kann ein Edelstahl sein, günstigere Qualitäten sind es häufig nicht. Mit dem Borinox® Verfahren lassen sich rostfreier Stahl und rostfreier Edelstahl gleicherweise behandeln. Die gewünschten Eigenschaften wie Korrosionsstabilität und verbesserter Verschleißschutz werden bei beiden Gruppen erreicht. Der Einfachheit halber, wird im nachfolgenden Text rostfreier Stahl und rostfreier Edelstahl synonym verwendet. 

Rostfreier Stahl – ein besonderer Werkstoff

Gehärteter Edelstahl wird unter anderem im Automotive Bereich verwendet.
Edelstahl härten

Rostfreie Stähle sind Werkstoffe mit herausragenden Eigenschaften. Sie sind korrosionsbeständig, temperaturbeständig, leitfähig, schweißbar, lassen sich gut umformen und optisch ansprechend finishen.

Alle rostfreien Stähle haben einen Mindestgehalt an gelöstem Chrom von 12%, man spricht dann auch von Chromstahl. Dank des gelösten Chroms, kann der Stahl in Verbindung mit Sauerstoff eine schützende Chromoxidschicht ausbilden. Diese nur wenige Nanometer dicke Schicht schützt den Stahl sehr effektiv vor Korrosion.

Zusätzliches Legieren des Stahls mit ausreichend Nickel führt zur Ausbildung einer austenitischen Matrix. Austenitischer Chrom-Nickel-Stahl zeichnet sich gegenüber Chromstahl durch seine erhöhte Korrosionsbeständigkeit aus. Umgangssprachliche Bezeichnungen sind zum Beispiel V2A und V4A. Austenitischer Stahl wird häufig in der häuslichen Sanitär- und Küchenausstattung verwendet. Zur weiteren Unterstützung der Korrosionsbeständigkeit wird dem Edelstahl neben Chrom, Nickel und Molybdän auch Stickstoff beigefügt und der Gehalt an Kohlenstoff möglichst minimiert. Ein Vertreter dieser Werkstoffgruppe ist der 1.4429 (X2CrNiMoN17-13-3 / AISI 316LN) mit sehr guter Korrosionsbeständigkeit und geringer Magnetisierbarkeit.

Kann man rostfreien Stahl härten?

Obwohl Edelstahl eine Menge positiver Eigenschaften mit sich bringt, reicht in vielen Anwendungsbereichen vor allem der Verschleißschutz nicht aus. Rostfreier austenitischer Stahl und Duplexstahl sind vergleichsweise weich. Klassische Verfahren wie das Nitrieren erhöhen den Verschleißschutz, zerstören aber gleichzeitig die guten Korrosionseigenschaften des Materials.

Hartstoffbeschichtungen (Chromieren, Vernickeln, PVD Beschichten) sind aufgrund des prozesstechnischen Aufwandes und des "Eierschaleneffekts" (harte Auflageschicht - weicher Kern) ungeeignet.

In Bezug auf die industrielle Fertigung ist neben der Qualität des Produktes zudem auch oft die Wirtschaftlichkeit der verwendeten Prozesse entscheidend. Die Prozeßkette der Beschichtung und Fertigung auf Endmaß ist teurer als die einer thermochemischen, konturentreuen Randschichtbehandlung.

Eigenschaften und Einsatzgebiete von gehärtetem Edelstahl

Rohre aus rostfreiem Edelstahl in einer Industrieanlage
Rohre aus rostfreiem Stahl

Gehärteter rostfreier Stahl und rostfreier Edelstahl kommen in Gebieten zum Einsatz, in denen hohe Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit und Verschleißschutz gestellt werden.

BORINOX® erzeugt eine bis zu 5 mal härtere Oberfläche und verschiebt die Einsatzgrenzen des vormals weichen Stahls. Insbesondere die Verbesserung des Abrasionswiderstands, des Kavitationswiderstands eine erhöhte Dauerfestigkeit und die Verhinderung der Kaltverschweißneigung zeichnen mit BORINOX® behandelte Komponenten aus.

Die Einsatzgebiete sind vielfältig und beinhalten den Konsumgüter- und Haushaltwarenbereich, Maschinen- und Anlagenbau, Medizintechnik, Automotive und den Armaturenbau.

Verfahren zur Härtung von rostfreiem Stahl

Grundsätzlich können vier verschiedenen Verfahren zur Härtung von rostfreiem Stahl betrachtet werden: 

  1. Thermische Verfahren: Definiertes Aufheizen, Halten und Abschrecken führt bei härtbaren martensitischen oder ausscheidungshärtbaren rostfreien Stählen zur Bildung von Martensit. Bei dieser Methode werden dem Stahl keine weiteren Elemente hinzugefügt. In der Praxis kennt man diese Verfahren z.B. vom Härten von Messerklingen.
  2. Thermochemische Diffusionsverfahren: Durch Eindiffusion von Elementen wie Stickstoff, Chrom, Kohlenstoff und Bor in der Oberfläche eines Werkstoffs werden im Randbereich intermetallische Verbindungen und neue Phasen gebildet. Die entstandenen Verbindungen und Phasen sind druckspannungsbehaftet und führen zum gewünschten Härtungseffekt.
  3. Beschichtungen: Beim Beschichten wird eine Verschleißschutzschicht auf den Stahl aufgetragen. Hierzu zählen z.B. Verchromen, Vernickeln, Thermisches Spritzen und PVD Beschichtungen.
  4. Kaltverfestigung: Härtesteigerung durch massive Verformung des Grundgefüges wie dies zum Beispiel durch Stanzvorgänge und Kugelstrahlen verursacht wird.

Nachteile klassischer Verfahren zur Härtung von rostfreiem Stahl

Klassisch verwendete Lösungen zur Härtung von rostfreiem Stahl haben verschiedene Nachteile. So hilft etwa das thermochemische Nitrierverfahren gegen mechanischen Verschleiß, gleichzeitig wird die Korrosionsbeständigkeit des Stahles durch Ausscheidung von Chromnitriden zerstört. Der Erhalt der Korrosionsbeständigkeit ist allerdings in sehr vielen Anwendungsbereichen von elementarer Bedeutung.

Martensitisches Härten ist nur bei Stählen mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt und ferritischer/martensitischer Matrix möglich. Austenitische Stähle und Duplexstähle kommen für die thermischen Verfahren nicht in Frage. Sie stellen jedoch den größten Anteil an den verwendeten rostfreien Stählen dar.

Beschichtungen sind besonders anfällig gegen punktuelle Belastungen und lösen sich bei Beschädigung schnell ab. Der Nacharbeitsaufwand an komplizierten Geometrien ist sehr kostenintensiv.

Kaltverfestigungsvorgänge führen immer zu einer Verschlechterung der Korrosionseigenschaften, da die Härtesteigerung auf die Erzeugung von Gitterbaufehlern zurückzuführen ist. Gitterbaufehler im Randbereich fördern einen Korrosionsangriff.

Das BORINOX® Verfahren

Die BORINOX® Behandlung erzeugt eine sehr harte und verschleißbeständige Randzone in der Oberfläche von rostfreiem Stahl und Sonderlegierungen. BORINOX® schützt vor Abrasion, Kavitation und Ermüdung, ohne die Korrosionseigenschaften des Stahls zu verschlechtern. Weiterhin trägt BORINOX® zur Verbesserung des Reibkoeffizienten bei und verhindert wirksam Kaltverschweißen metallischer Werkstoffpaarungen.

Beim BORINOX@ Verfahren handelt es sich um ein umweltfreundliches gasbasierendes Diffusionsverfahren im Niederdruckbereich. Ein innovativer Prozess übersättigt den Randbereich der Stähle mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff. Die Zwangslösung im Metallgitter führt zu einer bis zu 5mal höheren Oberflächenhärte, ohne unerwünschte Ausscheidungen von Chromverbindungen. Das BORINOX® Verfahren ist extrem maßstabil und auch für kritische Stanzzteile (Schneidkanten, Restbruchbereiche) besonders geeignet.

Ein Alleinstellungsmerkmal ist auch die Möglichkeit der partiellen Behandlung von Oberflächen. 

Werkstoffe für das BORINOX® Verfahren

Das Borinox Verfahren bietet sich für die meisten rostfreien Stähle und rostfreie Edelstähle an. Zu diesen gehören austenitischer Stähl (AISI 304, 1.4301, AISI 316, 1.4401, AISI 316(L), 1.4404, 1.4571...), Duplexstahl (1.4462, AISI 318LN,...), ausscheidungshärtbarer Stähl (1.4542, PH 17-4, 1.4545, PH 15-5…), Martensit (1.4057, 1.4122…) und Ferrit (1.4005, 1.4105...). 

Bei Duplex Stählen, die aus austenitischen und ferritischen Gefügebestandteilen bestehen, zeichnet sich das Behandlungsergebnis mit BORINOX® vor allem durch die gleichmäßige Ausbildung der Diffusionszone aus. 

Sonderlegierungen wie Nickelbasis (Inconel, Haynes, Hastelloy...) und Cobalt-Chrom sind ebenfalls für eine Behandlung mit BORINOX® geeignet.

Als Spezialität von BORINOX® ist das gleichmäßige Behandlungsergebnis in Verbindung exzellenter Korrosionsbeständigkeit bei stark verformten Stanzteilen zu erwähnen.

Bild "Edelstahl härten" © WilliamJu / Fotolia.com.

Bild "Rohre aus rostfreiem Stahl" © countrypixel / Fotolia.com.