In this report, an electron beam surface treatment technology is introduced by which applies a cladding layer of defined thickness is deposited on an austenitic steel (e.g., X6CrNiMoTi17‐12‐2) and a duplex steel (e.g., X2CrNiMoN22‐5‐3). The applied cladding alters the microstructure and, thus, the properties of the material's surface layer in such a way that a considerable improvement in mechanical properties is achieved. The Co‐ and Fe‐based additives used are deposited thermally to the base material in wire form by means of an electron beam (EB). The layer produced in this manner is free of cracks and pores, and is firmly bonded metallurgically to the substrate material. The cladding layers are evaluated with respect to their modification of the microstructure of the substrate material, and with respect to their effect on hardness. As a result of the high heating and cooling rates during EB application, an extremely fine, dendritic microstructure with homogenously distributed additive elements and low substrate material contents of between 19 and 37% is produced. An increase in hardness of between 2 and 3 times the hardness of the substrate material is thereby achieved.

KurzfassungKorrosionsbeständige Stähle weisen eine stark eingeschränkte Verschleißbeständigkeit auf. Der vorliegende Beitrag stellt eine Möglichkeit vor, durch Elektronenstrahl(EB)-Auftragen von Fe- bzw. Co-Basisschichten insbesondere das abrasive Verschleißverhalten der Stähle X6CrNiMoTi17-12-2 (austenitisch) sowie X2CrNiMoN22-5-3 (austentisch-ferritisch) zu verbessern. Die Korrosionsbeständigkeit bleibt dabei erhalten. Es wird gezeigt, wie sich die chemische Zusammensetzung und das Gefüge der Randzone in einer zweiten Auftragslage im Vergleich zur ersten Auftragslage verändern und welche Auswirkungen das auf relevante Eigenschaften hat. Durch eine optimierte EB-Auftragstechnologie wurde die Härte um das 1,5- bis 2-fache erhöht und der Verschleißkoeffizient (k) mit Fe-Basisdraht um den Faktor 100 und mit Co-Basisdraht um den Faktor 10 gegenüber den Grundwerkstoffen verbessert. Mittels Stromdichte-Potenzial-Messung wurde nachgewiesen, dass sich die Korrosionsbeständigkeit der Fe-Basisschichten im Vergleich zu den Grundwerkstoffen nicht ändert. Die Co-Basisschichten weisen sogar eine um den Faktor 3 geringere Passivstromdichte auf.

Den ausgezeichneten Korrosionseigenschaften nichtrostender Stähle steht bei mechanisch beanspruchten Komponenten die ungenügende Verschleißbeständigkeit entgegen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Verschleißverhalten dieser Stähle zu verbessern, die allerdings zum Teil mit einer Verringerung der Korrosionsbeständigkeit verbunden sind. Im vorliegenden Beitrag wird eine Elektronenstrahl‐Randschichtbehandlungs‐Technologie vorgestellt, mit der das Verschleißverhalten von austenitischen Stählen (X6CrNiMoTi17‐12‐2) sowie von Duplexstählen (X2CrNiMoN22‐5‐3) deutlich verbessert wird, ohne die Korrosionseigenschaften negativ zu beeinflussen. Die verwendeten Co‐ bzw. Fe‐basierten Zusatzstoffe (Stellite® alloy 12, Mogul S3 von Mogul Metallizing GmbH) wurden unter Nutzung des Elektronenstrahls (EB) auf die Grundwerkstoffe aufgetragen. Die erzeugten Schichten sind riss‐ und porenfrei und metallurgisch sehr gut mit dem Grundwerkstoff verbunden. Die Auftragschichten werden bezüglich Gefüge, Härte, Verschleiß‐ und Korrosionsverhalten bewertet. Im Vergleich zu den Grundwerkstoffen wurde als Ergebnis des EB‐Auftragens der Verschleißkoeffizient k mit Fe‐basiertem Zusatzstoff um den Faktor 100 und mit Co‐basiertem Zusatzstoff um den Faktor 10 verbessert. Der Korrosionswiderstand blieb bei den Fe‐basierten Schichten erhalten und erhöhte sich bei den Co‐basierten Schichten um den Faktor 3.

The combined treatment of electron beam (EB) cladding and subsequent nitrocarburizing of duplex stainless steels aims at enhancing the wear behavior and simultaneously maintaining their outstanding corrosion resistance. By means of electron beam cladding using a Co-based wire surface coatings are generated that exhibit enhanced surface hardnesses up to 500 HK0.01 as well as improved corrosion properties. The nitrocarburizing of these coatings results in surface layers with hardness values above 1100 HK0.01 and a thickness of about 10 mm. For treatment temperatures of up to 420°C these layers consist of, among other phases, expanded austenite and are free of chromium precipitations. The wear coefficient is significantly reduced and the corrosion resistance is maintained. The functional effectiveness of such surface matrix compounds is based on the combination of high surface hardness and good corrosion resistance, which are maintained, even if layer defects occur within the nitrocarburized layer, due to the improved corrosion behavior of the EB coating underneath.