Autor: Alexander

Wasserstoff – ob Schifffahrt, Stahlproduktion, Raffinerien oder Power-to-X- Anwendungen – der Hoffnungsenergieträger der Zukunft kommt in vielen Branchen bereits zum Einsatz. Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften birgt Wasserstoff- Gas einige technische Herausforderungen für die jeweiligen Komponenten mit denen es in Kontakt kommt, sodass der Einsatz von korrosionsbeständigen Edelstahl unerlässlich ist. Dieser ist wiederum anfällig für Verschleiß und Fressen und genau hier setzt die Technologie des dänischen Pioniers für Oberflächenhärtung an.

Wasserstoff – das Element, welches an erster Stelle im Periodensystem steht und somit das kleinste und leichteste Atom unter allen Elementen ist – wird bereits seit einiger Zeit als größter Hoffnungsträger für die zukünftige Energieversorgung gehandelt. Mit einem Massenanteil von etwa 70 % ist Wasserstoff das häufigste chemische Element im Universum. Auf der Erde beträgt sein Massenanteil jedoch nur 0,87 % und ist zu einem Großteil im Wasser gebunden. Angefangen bei der Herstellung über den Transport bis hin zur Verwendung, überall wo Wasserstoff im Spiel ist werden gleichermaßen auch Edelstahlkomponenten eingesetzt, die je nach Anwendung zum Teil extremen Verschleiß und naturgemäß einem hohen Risiko zum Kaltverschweißen unterliegen. Diesem Problem wurde in der Vergangenheit mit traditionellen Verschleißschutzverfahren begegnet und die jeweiligen Bauteile mit einer auftragenden Beschichtung (z.B. Hartchrom, DLC oder Chromcarbid) oder klassischen Plasmanitrieren oder Salzbaddiffusionsschichten geschützt. Diese Prozesse sind jedoch bekannt dafür die Korrosionsbeständigkeit der Edelstahlteile negativ zu beeinträchtigen. Die Lösung für diese Dilemma – eine Oberflächenhärtung, die vor Verschleiß und Fressen schützt und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe aufrechte erhält oder sogar noch verbessert – wurde von den Gründern des dänischen Unternehmen Expanite entwickelt und kommt immer häufiger auch im Bereich Wasserstoff zur Anwendung. So werden zum Beispiel Bauteile von Armaturen und Kupplungssysteme gehärtet, die in der Wasserstoffinfrastruktur zum Einsatz kommen bis hin zu Komponenten für Brennstoffzellen.

Wasserstoffversprödung nachhaltig vorbeugen

„Oft fragen unsere Kunden, ob sich durch die Expanite-Technologie die Neigung zur gefürchteten Wasserstoffversprödung verschlechtert, was jedoch nicht der Fall ist,“ erklärt Dr. Holger Selg Applikationsexperte und Expanite Sales Director DACH und geht weiter ins Detail: „Die Ursache der Wasserstoffversprödung ist auf die Diffusion des Wasserstoffs in den Werkstoff zurückzuführen und in der Theorie fungiert die Expanite-Schicht in gewisser Weise als Diffusionsbremse. Die mit Stickstoff und Kohlenstoff aufgeladene Expanite-Oberfläche ist für den Wasserstoff schwerer zu durchdringen als eine unbehandelte Oberfläche.” Der gasbasierte Diffusionsprozess von Expanite ist dabei deutlich energieeffizienter und umweltschonender als vergleichbare Verschleißschutz-Verfahren und durch die Behandlung im Vakuum ist keine aufwändige Reinigung der Teile z.B. mit aggressiven Chemikalien nach der Härtung notwendig. Die speziell für korrosionsbeständige Werkstoffe entwickelte Expanite-Technologie bietet sowohl für austenitische, martensitisch, ferritische und Duplex- Edelstähle aber auch für kostspielige Nickel- Basislegierungen wie z.B. Inconel und Hastelloy eine Lösung. Für Titanwerkstoffe wird der neue Spezialprozess ExpaniteHard-Ti eingesetzt, den das Expanite-Experten-Team in Dänemark in den letzten Jahren zur Marktreife entwickelt hat.

 

Mit dem Hergeiz, den ultimativen Füllfederhalter zu entwicheln, der inovative Produktionsmethoden mitfortschrittlichen Materiallen kombiniert, ging Capillaris noch einen Schritt wietere und erschofft mit der Hielfe der Expanite-Oberflächenhärtung ein einzigartiges Schrebwerkzeug. Das Ergebnis ist ein vom Luft-und Raumfahrtingenieur Zsolt Pataki entworfener Füllfederhalter, der aus einem massiven Titanstab für das ultimative Gewicht, Aussehen und Gefühl besteht und durch ExpaniteHard-Ti gehärtet wird, wodurch er langlebig und praktisch unzerkratzbar ist.

Die Jagd nach überlegener Kratzfestigkeit

Der Luft- und Raumfahrtingenieur Zsolt Pataki hatte eine verrückte Idee: er wollte einen einzigartigen Füllfederhalter schaffen, indem er seine Erfahrungen aus der Luft- und Raumfahrt in Design, Materialien und Herstellung nutzte. Er entschied sich von Beginn des Entwicklungsprozesses an für Titan Grade 23, wusste aber auch, dass er noch weiter gehen wollte. Mr. Pataki erklärt: „Bei meiner Suche nach erhöhter Verschleißfestigkeit des Titans wollte ich unbedingt die Hürden einer Beschichtung vermeiden – das Auftragen von Schichten, die die Abmessungen beeinflussen, verbunden mit der Gefahr, dass diese später abplatzen – da ich eine monolithische Konstruktion mit der ursprünglichen Titanoberfläche anstelle einer Beschichtung bevorzuge.“ Auf der Suche nach Alternativen zur Beschichtung nahm Herr Pataki an einem Webinar mit Expanite teil, in dem die einzigartige Härtungslösung für Titan vorgestellt wurde. „Ich erkannte schnell, dass das ExpaniteHard-Ti-Verfahren die einzige ausgereifte und kommerziell verfügbare interstitielle Härtungstechnologie für Titan war. Das Webinar in Kombination mit den Details der Technologie auf ihrer Website hat mir geholfen, realistische Erwartungen zu entwickeln, und ich habe mich an Expanite gewandt“, fährt Herr Pataki fort.

Die Lösung

Das ExpaniteHard-Ti-Verfahren bietet hochwirksamen Schutz vor Verschleiß und Kratzern. Das Verfahren ist kein Beschichtungsverfahren, daher werden alle Nachteile von Beschichtungen, einschließlich der Risiken des Abplatzens und von Ungleichmäßigkeiten in den Schichten, vollständig vermieden. Tatsächlich ist es die Oberfläche des Materials selbst, die gehärtet wird. Das ExpaniteHard-Ti-Verfahren bietet einen deutlich höheren Schutz vor Kratzern als die Härte des Grundmaterials und die gehärteten Teile behalten die Designfarbe oder wie Mr. Pataki es beschreibt: „Ich habe mich sehr bemüht, den Stift nach dem Prozess zu zerkratzen, aber es ist praktisch unmöglich – ich habe einen Vorher-Nachher-Vergleich gemacht und die Ergebnisse sind spektakulär: der Stift ist jetzt kratzfest“!

Professioneller Wissensaustausch

Durch den Dialog mit dem Expanite-Team wurde die optimale Lösung zur Erhöhung der Kratzfestigkeit des Füllfederhalters gefunden – Herr Pataki erklärt: „Während des gesamten Prozesses war das Expanite-Team sehr unterstützend und offen für die Diskussion von Fragen und möglichen Problemen, um dies sicherzustellen, dass ich genau die Lösung bekomme, die meinen Anforderungen an die Stifte entspricht. Die Ergebnisse in Bezug auf die Einsatztiefe der gehärteten Zone waren zudem viel besser als angekündigt!“

Über Capillaris

Capillaris wurde vom Luft- und Raumfahrtingenieur Zsolt Pataki gegründet. In seiner Werkstatt in Budapest, Ungarn, hat er jedes einzelne Stück des Füllfederhalters selbst aus massivem Titan gefertigt. Das Konzept sieht einen leichten monolithischen Konstruktionsstift mit durchgehender Außenkontur und sechseckigen Seiten vor, die an ein Überschalltragflächenprofil erinnern, wodurch der Stift stabil auf einem Schreibtisch liegen kann. www.capillaris.eu

Über Expanite

Expanite wurde 2010 von führenden Experten für Material- und Oberflächenhärtung gegründet, deren Forschung bis ins Jahr 2000 zurückreicht. Das Unternehmen hat seinen Hauptsitz in Hillerød bei Kopenhagen und verfügt über Behandlungszentren in den USA, Deutschland, Korea und China. Die Lösungen von Expanite sind flexibel und können auf die Anforderungen des Kunden zugeschnitten werden.

 

Corrosion-resistant stainless steel is widely used in industry and trade due to its outstanding properties. Despite its numerous advantages, particularly its resistance to corrosion in numerous media, stainless steel also has considerable weaknesses that sometimes severely limit its application. One of these weaknesses is its susceptibility to cold welding or galling, which can occur particularly with screw connections. Surface hardening offers a solution to this problem.

Galling on stainless steel

Galling can be favored by various aspects, such as insufficient surface hardness, excessive roughness or lack of lubricants. Nevertheless, fasteners are essential in many applications to ensure particularly frequent assembly and disassembly, or high tightening torques. It is therefore important to carefully adjust the properties of such elements.

Galling can be favored by various aspects, such as insufficient surface hardness, excessive roughness or lack of lubricants. Nevertheless, fasteners are essential in many applications to ensure particularly frequent assembly and disassembly, or high tightening torques. It is therefore important to carefully adjust the properties of such elements. When fasteners are jammed due to galling, their removal can be an enormous challenge without damaging the affected bolt or destroying the associated nut.

Surface hardening: the key to the solution

Surface hardening, a process in which only the surface layer of a workpiece is hardened, has the potential to significantly improve the seizure behavior of stainless steel screws. This diffusion-based process increases the hardness of the surface through solid solution hardening and reduces its susceptibility to plastic deformation. Depending on the material, the corrosion resistance is maintained or improved and neither the stiffness nor the ductility of the base material is impaired

The Process

Surface hardening is not an applied coating, but a diffusion-based thermo-chemical surface hardening process. Although classic processes for the surface hardening of corrosion-resistant stainless steels have been available to the industry for some time, their application has two main disadvantages: firstly, all classic processes such as On the other hand, the hardness values of stainless steels usually hardened with nitrogen or carbon drop very quickly, i.e. the hardening depth is only a few micrometres and the underlying base material is very soft, which can potentially lead to the egg-shell effect.

In contrast, Expanite has developed its process (SuperExpanite®), in which not only the outermost layer but also the underlying material is hardened to a greater depth which also contributes to an improvement in corrosion resistance in many cases.

In many cases, a two-stage process is used in the Expanite treatment for stainless steels, in which nitrogen is introduced deep into the edge zone in the first step (high-temperature process), whereby the material is hardened to approx. 300 HV (austenitic materials)-850 HV (martensitic materials) by up to 1 mm. In the second process step, the so-called low-temperature process, the workpiece is heated to a maximum of 470°C and the surface layer is hardened to 1100-1,300HV at a depth of 5-30µm by incorporating carbon and nitrogen (see Fig. 2).

By combining the two process steps, the so-called eggshell effect, which occurs in most surface hardening processes, can be avoided, which offers the decisive advantage for numerous applications

Wear resistance

To test wear resistance, Expanite tested some 316L samples hardened using its SuperExpanite® process to ASTM standard G 98. In this procedure (see Fig. 3), a ceramic test specimen is subjected to a contact pressure of 25N and moved back and forth on a test specimen. The wear volume is determined after a sliding distance of 100 meters. The results are shown in Fig. 2: The 316L sample with SuperExpanite is more resistant to abrasion by a factor of 125 than the untreated sample

Following ASTM G98, a cold wear test was carried out with test specimens made of 1.4404, the results of which are shown in Figure 4. In comparison to the un-hardened test specimens, which already exhibit galling at a contact pressure of 35 bar, the test specimens hardened by Expanite do not show any galling even at a contact pressure of 2,068 bar – although the first plastic deformations occur due to the yield strength being exceeded. The risk of galling is therefore completely eliminated in the case of both hardened friction partners.

Wear resistance

Although the basic intention of conventional surface hardening processes is to produce harder surfaces, this is usually at the expense of corrosion resistance.

This is where the Expanite process comes in. Tests have shown that 316L samples hardened with Expanite can spend up to 1,000 hours in a salt spray chamber without showing signs of corrosion.

In some cases, the corrosion resistance can even be significantly increased by the Expanite surface hardening process, even beyond the level of the unhardened base material. (Fig. 5). This effect is caused in particular by the nitrogen dissolved in the surface layer.

Environmentally friendly

Despite their widespread use, conventional surface layer hardening processes have various disadvantages. Harmful chemicals such as fluorides, chlorides, molten salts etc. are used. SuperExpanite® , on the other hand, which is produced using the two-stage process described above, is characterized by a resource-saving approach. No natural resources are consumed, and no polluted wastewater is produced. With a low energy consumption of just 1.9 kWh/kg of hardened stainless steel and without the use of harmful chemicals, it represents an environmentally friendly and sustainable alternative.

Summary and applications

To summarize, the nitrocarburizing process specially developed by Expanite delivers excellent results in terms of both hardness and corrosion resistance for all stainless steel materials, not just limited to individual alloys. The process is therefore recommended for all types of stainless steel screws and fittings to extend the service life of the corresponding components and thus ensure increased product safety and interchangeability.

About Expanite

Expanite offers state-of-the-art solutions for surface hardening treatment of stainless steels and titanium. With Expanite’s processes, it is possible to increase the material’s surface hardness tenfold while at the same time maintaining and even increasing its corrosion resistance. Expanite is a global organization with a combined development and production facility near Copenhagen, Denmark, and hardening capacity in both US, Germany, Korea and China. Expanite’s solutions are flexible and can be introduced directly into a customer’s own production line as part of a licensing arrangement. Learn more on www.expanite.com.

Expanite®, der dänische Spezialist für Oberflächenhärtung, unterstützte die Schweizer Uhrenmarke Rado® bei der Entwicklung eines Härtungsprozesses zur Verbesserung der Verschleiß- und Kratzfestigkeit ihrer hochwertigen Titanuhren – und das ohne Veränderung der gewünschten Farbe. Was einst als unmöglich galt, wurde Realität.

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