Plasmanitrieren von additiv gefertigtem Edelstahl
Die additive Fertigung ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien und maßgeschneiderter Bauteile aus Edelstahl, die mit konventionellen subtraktiven Methoden oft nicht herstellbar sind. Besonders der austenitische Chrom-Nickel-Molybdän-Edelstahl AISI 316L (X2CrNiMo17-12-2) wird aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit häufig für medizinische Implantate, maritime Komponenten oder den allgemeinen Maschinenbau eingesetzt. Eine wesentliche Einschränkung für den industriellen Einsatz ist jedoch die geringe Härte und die damit verbundene Verschleißanfälligkeit bei tribologischer Belastung. Das Niedertemperatur-Plasmanitrieren bietet hier einen effektiven Ansatz, um die Oberflächeneigenschaften durch die Bildung von stickstoffübersättigtem Austenit, der sogenannten S-Phase, gezielt zu verbessern, ohne die Korrosionsbeständigkeit negativ zu beeinflussen.
Forschende vom Lehrstuhl für Werkstofftechnologie (LWT) der Technischen Universität Dortmund haben in Kooperation mit GKN Powder Metallurgy GmbH & Co. KG und Oerlikon Balzers Coating Germany GmbH das Plasmanitrierverhalten von 316L-Edelstahl untersucht, der mittels laserbasiertem Pulverbettfusionieren (engl. laser powder bed fusion, kurz L-PBF) und Metal Binder Jetting (engl. metal binder jetting, kurz MBJ) gefertigt wurde. Im Fokus stand dabei der Einfluss der herstellungsspezifischen Mikrostrukturen auf die resultierenden mechanischen und tribologischen Eigenschaften.
Die Untersuchungen zeigen, dass die Dicke der gebildeten S-Phase primär von der Nitriertemperatur abhängt und weitgehend unabhängig vom gewählten Fertigungsverfahren ist. Während bei einer Temperatur von 380 °C und einer Behandlungsdauer von 10 h Schichtdicken von ca. 3 µm erzielt wurden, führte eine Steigerung auf 430 °C bei gleicher Dauer zu etwa 12 µm dicken Schichten. Mittels Nanoindentation konnte eine signifikante Steigerung der Oberflächenhärte auf Werte zwischen 1230 und 1520 HV nachgewiesen werden, was auf die interstitiell gelösten Stickstoffatome im Kristallgitter zurückzuführen ist. Bei allen 316L-Varianten konnte der Widerstand gegen abrasiven Verschleiß signifikant gesteigert werden. Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse, dass die für konventionell gefertigte Stähle etablierten Plasmanitrierprozesse erfolgreich auf additiv gefertigte 316L-Komponenten übertragen werden können, um deren Einsatzspektrum in anspruchsvollen industriellen Anwendungen nachhaltig zu erweitern.
Die vollständigen Ergebnisse dieser Untersuchung wurden unter dem Titel „Plasma nitriding of additively manufactured 316L austenitic stainless steel produced by laser powder bed fusion and metal binder jetting“ im „Journal of Materials Research and Technology“ (Band 41, 2026) veröffentlicht.
Die Open-Access-Veröffentlichung steht unter folgendem Link zur Verfügung:
Verfasst von Nelson Filipe Lopes Dias, 26.02.2026