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Durchbruch: Nanoteilchen stärken Stahl

Härter, fester, langlebiger: Händeringend suchen Materialforscher nach immer besseren Stählen und variieren Rezepturen und Herstellungsprozesse. Eingelagerte Nanoteilchen aus metallischen Carbonnitriden können nun diesen Schlüsselwerkstoff der Industrie um das Tausendfache im Vergleich zu herkömmlichen Stählen stärken. Japanische Wissenschaftler berichten über ihren Weg zum härteren Stahl in der Fachzeitschrift „Nature“ (vol. 424, S.294).

Besonders bei möglichst langlebigen Bauten wie Wolkenkratzern oder Hängebrücken und Reaktionsanlagen in der chemischen Industrie soll das verwendete Material über die Jahre nicht ermüden. Während sich Metalle unter sanftem Druck oder hohen Temperaturen langsam verformen, widersteht der neue Nanostahl diesen Ermüdungserscheinungen.

Metalle und Legierungen könnten nur unter hohen Temperaturen so hergestellt werden, dass sie der plastischen Verformung standhalten, berichten Masaki Taneike und Kollegen vom Steel Research Center am Nationalen Institut für Materialwissenschaften in Tsukuba. Dabei werden feine Partikel gleichmäßig über die gesamte Matrix verteilt. Dieser Prozess der Dispersions-Härtung ist für die Produktion großer Stahlmengen jedoch nicht wirtschaftlich.

Genau das könnte sich mit Nanoteilchen aus metallischen Carbonnitriden ändern. Taneike und Kollegen gingen für ihre Versuche von einem Stahl mit neun Prozent Chromanteil aus und variierten zusätzliche Anteile an Kohlenstoff, Stickstoff und weiteren härtenden Elementen. Bei 650 Grad Celsius, einer kritischen Temperatur für die dauerhafte Stabilität des Stahls, analysierten sie die Änderungen in Festigkeit in Abhängigkeit von der Belastungszeit.

Bei Dauerbelastungen von bis zu 10.000 Stunden erkannten sie, dass nur 0,002 Prozent Anteile an Kohlenstoff, fein verteilt über den chromhaltigen Stahl, die Stabilität des Stahls deutlich steigern können. Die Ursache sehen die Forscher in der geringen Größe der nur fünf bis zehn Nanometer messenden Carbonnitrid-Teilchen, die sich unter der Hitze mit den Metallatomen verbinden. Größere Beimengungen an Kohlenstoff dagegen führen zu Körnchen von 100 bis 300 Nanometern. Diese Stähle zeigen sich unter den Testmessungen deutlich weniger ermüdungsresistent.

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Da dieses um ein Vielfaches stabilere Material im Vergleich zu bisher verfügbaren extrem harten Stählen auch in ganz konventionellen Herstellungsprozessen produziert werden kann, sehen Taneike und Kollegen ein großes Anwendungspotenzial für ihren Nanostahl. Über die mögliche, günstigere Produktion könnten solchen Materialien nun auch verstärkt in großen Reaktoren mit hohen Betriebstemperaturen wie beispielsweise in Kraftwerken eingesetzt werden.

Jan Oliver Löfken
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