Nitrieren von Stahl – Verfahren, nitrierte Schicht, Eigenschaften und Anwendungen

Nitrieren von Stahl Es handelt sich um ein thermochemisches Behandlungsverfahren, bei dem die Oberflächenschicht eines Materials mit Stickstoff gesättigt wird. Der in geeigneter aktiver Form auf die Oberfläche aufgebrachte Stickstoff dringt durch Diffusion tief in den Stahl ein und reagiert mit Eisen und Legierungselementen, die eine hohe Affinität zu Stickstoff aufweisen.
Als Folge davon ist eine charakteristische nitrierte SchichtDeren Mikrostruktur und Eigenschaften unterscheiden sich vom Kernmaterial. Bei geeignet ausgewählten Stählen ermöglicht das Verfahren eine sehr hohe Oberflächenhärte, erhöhte Verschleißfestigkeit und eine günstige Gestaltung der tribologischen und Ermüdungseigenschaften des Bauteils.
Einer der wichtigsten Vorteile des Nitrierens ist, dass das Verfahren das Austenitisieren des Stahls und die anschließende schnelle Härtung unmittelbar nach dem Nitrieren überflüssig macht. Dadurch sind geringere Maßänderungen und Verformungen möglich als bei vielen Verfahren, die auf Oberflächenhärtung basieren.

Was ist Stahlnitrieren?

Die Nitrierung ist ein Diffusionsprozess. Dabei werden auf der Oberfläche des Bauteils Bedingungen geschaffen, die die Zufuhr von aktivem Stickstoff, dessen Adsorption an der Oberfläche und die anschließende Diffusion in das Material ermöglichen.
Der Prozess lässt sich wie folgt vereinfachen:

STICKSTOFFQUELLE → OBERFLÄCHENAKTIVIERUNG → STICKSTOFFEINDRUCK → DIFFUSION → NITRIDBILDUNG → NITRIDIERTE SCHICHT

Anders als bei der klassischen Härtung findet beim Nitrieren keine Austenitbildung mit anschließender Umwandlung in Martensit statt. Der Härtungsmechanismus beruht primär auf dem Vorhandensein von gelöstem Stickstoff und der Bildung feinster Ausscheidungen von Eisennitriden und Legierungselementen.

Stahlnitriermechanismus

Der Prozessmechanismus hängt von der verwendeten Technologie ab. Beim Gasnitrieren dient meist Ammoniak als Stickstoffquelle, während beim Plasmanitrieren die Oberfläche mit den aktiven Komponenten des stickstoffhaltigen Plasmas interagiert.
Bei der klassischen Gasnitrierung finden an der Stahloberfläche Prozesse statt, die die Ammoniakdissoziation, die Stickstoffadsorption und das Eindringen des Stickstoffs in das Material umfassen. Ein Teil des Stickstoffs kann anschließend in den Stahl diffundieren.
In vereinfachter technologischer Notation lässt sich die Zersetzung von Ammoniak wie folgt darstellen:

2NH ₃ ⇌ 2[N] + 3H ₂

Das Symbol [N] in dieser Notation bezeichnet den für Oberflächenprozesse verfügbaren Stickstoff. Der tatsächliche Mechanismus der Oberflächenreaktionen und des Stickstofftransports ist komplexer, daher sollten einfache Gleichungen wie „Fe + N → FeN“ nicht als vollständige Beschreibung des Nitrierprozesses angesehen werden.

Was geschieht mit Stickstoff, sobald er in Stahl gelangt?

Einmal in ein Material eingebunden, kann Stickstoff in Lösung vorliegen und an der Bildung geeigneter Phasen und Ausfällungen teilnehmen. Elemente mit hoher Affinität zu Stickstoff, wie zum Beispiel chrom, Vanadium aus Aluminium.
Abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Stahls und den Prozessparametern können sich sehr feine Legierungsnitrid-Ausscheidungen bilden. Deren Vorhandensein kann die Diffusionsschicht deutlich verstärken.
Daher enthalten speziell für das Nitrieren entwickelte Stähle Elemente, die die Bildung einer sehr harten und stabilen Schicht ermöglichen.

Struktur der nitrierten Schicht

Die beim Nitrieren entstehende Schicht ist nicht über ihre gesamte Tiefe gleichmäßig. Typischerweise lassen sich folgende Unterschiede feststellen:

Bindungsschicht → Diffusionsschicht → Kern

Die Verbindungsschicht – die sogenannte weiße Schicht

Der äußerste Teil der nitrierten Schicht wird als bezeichnet Gewerkschaftsschichtund ist in der metallographischen Praxis auch als „weiße Schicht“ bekannt. Der Name leitet sich von ihrem Erscheinungsbild auf einem fachgerecht präparierten metallographischen Präparat ab.
Diese Ebene kann unter anderem Folgendes umfassen:

• γ′-Phase – Fe₄N,
• Phase ε – Fe_2-3N.

Der Anteil der einzelnen Phasen und die Dicke der Verbindungsschicht hängen vom Nitrierpotential, der Temperatur, der Prozesszeit, der atmosphärischen Zusammensetzung und dem Substratmaterial ab.
Eine Verbundschicht kann günstige tribologische Eigenschaften und Beständigkeit gegen bestimmte Verschleißarten bieten, jedoch können übermäßige Dicke oder eine mangelhafte Struktur die Anfälligkeit für Risse und Absplitterungen erhöhen. Daher ist das Ziel dieser Technologie nicht immer die Erzielung einer möglichst dicken Verbundschicht.

Diffusionsschicht

Unterhalb der Verbindungsschicht befindet sich eine Diffusionsschicht . In diesem Bereich nimmt der Stickstoffgehalt mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche allmählich ab.

In legierten Stählen kann Stickstoff feine Ausscheidungen mit Elementen bilden, die eine hohe Affinität zu Stickstoff aufweisen. Diese Ausscheidungen sind entscheidend für die hohe Härte der Diffusionsschicht.

Die Diffusionsschicht ist von besonderer Bedeutung für:

• Oberflächenhärte
• Verschleißfestigkeit
• Härteverteilung tief im Material,
• Zustand der Eigenspannungen
• Verhalten des Bauteils unter variablen Lasten.

Stickstoff- und Härteprofil in der nitrierten Schicht

Der Stickstoffgehalt ist nicht über die gesamte Tiefe der Schicht gleichmäßig verteilt. Die höchste Konzentration findet sich nahe der Oberfläche und nimmt dann zum Kern hin ab.
Das Härteprofil ist ähnlich. Abhängig von der Stahlsorte und dem Schichtaufbau tritt im Oberflächenbereich eine sehr hohe Härte auf, die dann allmählich auf einen Wert abnimmt, der dem Kernmaterial entspricht.
Daher ist bei der Beurteilung eines nitrierten Elements nicht nur ein einzelner Oberflächenhärtewert wichtig, sondern auch Mikrohärteprofil als Funktion des Abstands von der Oberfläche.

Stahlnitriertemperatur

Das Nitrieren erfolgt bei Temperaturen unterhalb des Bereichs der klassischen Austenitisierung von Stahl. Die genaue Temperatur hängt von der verwendeten Verfahrensvariante, der Werkstoffart sowie der gewünschten Struktur und Schichtdicke ab.
In der industriellen Praxis werden viele Stahlnitrierprozesse im Bereich von etwa 400-600 ° CDies ist jedoch keine universelle Grenze für alle Nitriertechnologien.
Die Temperatur hat einen signifikanten Einfluss auf die Diffusion. Eine Temperaturerhöhung beschleunigt den Stickstofftransport im Material, beeinflusst aber auch Ausfällungsprozesse, die Mikrostruktur und die Eigenschaften des Substrats.
Daher sollten die Parameter wie folgt ausgewählt werden:

TEMPERATUR + ZEIT + STICKSTOFFAKTIVITÄT + STAHLZUSAMMENSETZUNG + ERFORDERLICHE SCHICHT

Nitrierzeit

Beim Nitrieren handelt es sich um einen Diffusionsprozess, daher ist die Zeit entscheidend für die Schichtdicke. Je nach Technologie und Anforderungen kann der Prozess von relativ kurzen Zyklen bis zu vielen Stunden dauern und bei erforderlichen tiefen Schichten sogar noch deutlich länger.
Es gibt keine allgemeingültige Beziehung „Anzahl der Stunden = bestimmte Tiefe“, da die Wachstumsrate der Schicht unter anderem von der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung des Materials, der Mikrostruktur und der atmosphärischen Aktivität abhängt.
Aufgrund des Diffusionscharakters des Prozesses führt eine Verlängerung der Zeit nicht zu einer linearen Zunahme der Schichtdicke.

Gasnitrieren

Gasnitrieren ist eines der klassischen industriellen Nitrierverfahren. Die Bauteile werden in einen Ofen gegeben, in dem eine kontrollierte, ammoniakhaltige Atmosphäre erzeugt wird.
An der Oberfläche finden Prozesse statt, die zur Zufuhr von Stickstoff führen, der dann in das Material diffundiert.
Durch die Kontrolle von Temperatur, Zeit, atmosphärischer Zusammensetzung und dem Dissoziationsgrad des Ammoniaks lässt sich Folgendes beeinflussen:

• Stickstoffsättigungskinetik,
• Aufbau der Gewerkschaftsschicht,
• Tiefe der Diffusionsschicht,
• Härteprofil,
• Endgültige Oberflächeneigenschaften.

Nitrierpotenzial

Bei der modernen Gasnitriersteuerung ist ein wichtiger Parameter NitrierpotenzialEs beschreibt die Fähigkeit der Atmosphäre, Stickstoff an die Oberfläche zu transportieren und ermöglicht eine gezieltere Steuerung der Bildung einzelner Phasen in der Schicht.
Durch die Kontrolle des Nitrierpotenzials können wir das unkontrollierte Wachstum der Verbindungsschicht begrenzen und ihre Struktur je nach technischen Anforderungen formen.

Vorteile des Gasnitrierens

• bekannte Industrietechnologie,
• die Fähigkeit, mehrere Elemente gleichzeitig zu verarbeiten
• die Fähigkeit, die Zusammensetzung der Atmosphäre zu kontrollieren,
• gute Wiederholbarkeit bei ordnungsgemäßer Prozesskontrolle
• Möglichkeit, relativ tiefe Diffusionsschichten zu erhalten.

Grenzen des Gasnitrierens

• Für tiefere Schichten wird eine lange Zeit benötigt.
• die Notwendigkeit, die Prozessatmosphäre zu kontrollieren
• die Möglichkeit der Bildung einer übermäßigen oder unerwünschten Gewerkschaftsschicht,
• die Notwendigkeit, eine Anlage, die Ammoniak verwendet, sicher zu betreiben.

Plasmanitrieren – Ionennitrieren

PlasmanitrierenDas auch als Ionennitrieren bekannte Verfahren nutzt eine Glimmentladung in einem Gas unter reduziertem Druck. Das Werkstück ist Teil eines elektrischen Systems, und das entstehende Plasma enthält aktive Komponenten, die mit der Oberfläche interagieren.
Zu den Prozessen, die an der Oberfläche stattfinden, gehören unter anderem Ionenbeschuss, Aktivierung und Reinigung der Oberfläche sowie die Zufuhr von Stickstoff, die die Bildung einer nitrierten Schicht ermöglicht.

Vorteile des Plasmanitrierens

• große Fähigkeit, den Charakter der Ebene zu steuern,
• die Fähigkeit, die Gewerkschaftsebene einzuschränken oder zu kontrollieren,
• die Möglichkeit des selektiven Schutzes von Oberflächen, die nicht nitriert werden sollen,
• Oberflächenaktivierung durch Plasmawechselwirkung,
• kann in vielen anspruchsvollen Werkzeug- und Maschinenanwendungen eingesetzt werden.

Grenzen des Plasmanitrierens

• komplexere technologische Ausrüstung,
• die Notwendigkeit, die Abfluss- und Atmosphärenparameter zu kontrollieren
• Prozessempfindlichkeit gegenüber Detailgeometrie und elektrischer Feldverteilung
• Möglichkeit von Randeffekten
• die Notwendigkeit einer angemessenen Vorbereitung und Anordnung der Elemente.

Flüssignitrieren

Die Nitrierung kann auch in flüssigen Salzbädern durchgeführt werden. Je nach Technologie und Badzusammensetzung kann der Prozess zur Sättigung der Oberfläche mit Stickstoff oder zu einer gleichzeitigen Reaktion von Stickstoff und Kohlenstoff führen.
Aus diesem Grund ist es notwendig, das klassische Konzept des Nitrierens von den Prozessen zu unterscheiden. Nitrocarburierung und andere Arten der thermochemischen Behandlung mit Salzbädern.

Vorteile von Badeverfahren

• intensive Umwelteinflüsse an der Oberfläche,
• relativ schnelle Layer-Erstellung in bestimmten Technologien
• Gleichmäßige Wirkung des Bades auf die zugänglichen Oberflächen des Bauteils.

Einschränkungen der Badeprozesse

• Anforderungen an die Chemikaliensicherheit
• die Notwendigkeit, die Zusammensetzung des Bades zu kontrollieren,
• Anforderungen an die Abfallwirtschaft
• Die Umweltauflagen hängen von der verwendeten Technologie und der Salzzusammensetzung ab.

Nitrieren und Nitrocarburieren

Nitrieren i Nitrocarburierung Es handelt sich nicht um identische Konzepte. Beim Nitrieren ist Stickstoff das Basiselement, das in die Schicht eingebracht wird. Beim Nitrocarburieren wird die Oberfläche primär mit Stickstoff gesättigt, wobei gleichzeitig Kohlenstoff hinzugefügt wird.
Unterschiede in der Zusammensetzung der Atmosphäre oder des Bades beeinflussen die Struktur der Verbindungsschicht, die Prozesskinetik und die Oberflächeneigenschaften. Daher sollten diese Technologien nicht als austauschbar betrachtet werden.

Parameter, die das Nitrieren beeinflussen

Der Einfluss der chemischen Zusammensetzung von Stahl auf das Nitrieren

Nicht alle Stähle reagieren gleich auf das Nitrieren. Besonders wichtig sind die Elemente, die stabile Nitride bilden.

Chrom – Cr

Chrom besitzt eine Affinität zu Stickstoff und kann an der Bildung von Ausscheidungen beteiligt sein, die zur Festigkeitssteigerung der Schicht beitragen. Es ist ein wichtiger Bestandteil vieler Bau- und Werkzeugstähle, die nitriert werden.

Aluminium – Al

Aluminium besitzt eine sehr hohe Affinität zu Stickstoff. Daher ist es ein charakteristischer Zusatzstoff für klassische Stähle, die speziell für das Nitrieren entwickelt wurden. Die Bildung feiner, mit Aluminium assoziierter Ausscheidungen ermöglicht eine sehr hohe Härte der Schicht.

Molybdän – Mo

Molybdän ist ein wichtiger Bestandteil vieler wärmebehandelbarer und nitrierbarer Stähle. Es beeinflusst die Härtbarkeit, die Anlassbeständigkeit und das Verhalten des Werkstoffs bei erhöhten Temperaturen.

Vanadium – V

Vanadium bildet stabile Verbindungen mit Stickstoff und kann zur starken Verstärkung der Diffusionsschicht beitragen.

Titan – Ti

Titan besitzt eine sehr hohe Affinität zu Stickstoff und bildet das hochstabile TiN-Nitrid. Seine Wirkung auf den Prozess hängt jedoch von der spezifischen Legierungszusammensetzung und dem mikrostrukturellen Zustand ab.

Nitrierstähle

Das Nitrieren wird an speziell für dieses Verfahren entwickelten Stählen sowie an ausgewählten Bau-, Werkzeug- und Edelstählen durchgeführt. Die endgültige Härte und die Eigenschaften der Schicht hängen jedoch stark von der chemischen Zusammensetzung ab.
Zu besonders wichtigen Gruppen gehören:

• Cr-Al-Mo-Stähle, die zum Nitrieren vorgesehen sind,
• Cr-Mo- und Cr-Mo-V-Stähle,
• Stähle zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
• Warmarbeitsstähle,
• ausgewählte Edelstähle unter Verwendung geeigneter Oberflächenaktivierungstechnologie.

38HMJ – klassischer Nitrierstahl

Nr. 38HMJ Es handelt sich um einen der charakteristischsten Baustähle im Zusammenhang mit dem Nitrieren. Das Vorhandensein von Chrom, Molybdän und Aluminium ermöglicht eine harte Nitrierschicht.
Das Material wird für kritische Maschinenteile verwendet, die eine Kombination aus einem robusten Kern und einer harten und verschleißfesten Oberfläche erfordern.
In der Praxis sollte das Element vor dem Nitrieren einen entsprechend vorbereiteten Kern aufweisen, der in der Regel durch eine vorherige Wärmebehandlung erreicht wird.

31CrMoV9 und andere Cr-Mo-V-Stähle

Stähle, die Chrom, Molybdän und Vanadium enthalten, können aufgrund des Vorhandenseins nitridbildender Elemente und der guten Stabilität der Substrateigenschaften sehr gut auf das Nitrieren reagieren.
Sie werden unter anderem in Maschinenelementen, Wellen, Getriebeteilen, Werkzeugen und anderen Bauteilen eingesetzt, die Verschleiß und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

Nitrieren von Werkzeugstählen

Nitrieren wird auch für ausgewählte Werkzeugstähleinsbesondere legierte Werkzeugstähle, die Chrom, Molybdän und Vanadium enthalten.
Durch dieses Verfahren kann die Widerstandsfähigkeit von Werkzeugoberflächen gegen Verschleiß und Abrieb erhöht und, bei geeigneten Anwendungen, deren Lebensdauer verlängert werden.
Typische Anwendungsgebiete sind:

• Matrizen,
• Formulare,
• Heißarbeitswerkzeuge,
• Stecknadeln,
• bildende Elemente
• Teile von Kunststoffverarbeitungsanlagen.

Nitrieren von Edelstählen

Das Nitrieren von Edelstählen erfordert aufgrund des Vorhandenseins einer passiven Schicht, die reich an … ist, ein spezielles Verfahren. chromwas die klassische Sättigung von Oberflächen mit Stickstoff erschwert.
Plasmatechnologien ermöglichen die Oberflächenaktivierung, weshalb sie auch zur Bearbeitung ausgewählter Edelstähle eingesetzt werden.
Die Wahl der Temperatur ist insbesondere bei Edelstählen von Bedeutung. Unter bestimmten Bedingungen kann die Ausscheidung von Chromnitrid die Menge an Chrom in fester Lösung nahe der Oberfläche verringern und dadurch die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen.
Deshalb werden in Anwendungen, bei denen gleichzeitig hohe Härte und hohe Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind, speziell kontrollierte Niedertemperaturverfahren eingesetzt.

Vorbereitung des Elements zum Nitrieren

Das Nitrieren ist üblicherweise einer der letzten Arbeitsschritte im Produktionszyklus eines Bauteils. Daher sollten die Kerneigenschaften vor Beginn des Prozesses festgelegt werden.
Eine typische Prozesslinie kann Folgendes umfassen:

VORBEHANDLUNG → ANHÄRTEN → MECHANISCHE BEHANDLUNG → STRESSENTLASTUNG (FALLS ERFORDERLICH) → ENDBEARBEITUNG → NITRIERUNG

Die genaue Abfolge hängt natürlich vom Material, den Abmessungen des Bauteils und der geforderten Genauigkeit ab.

Warum wird der Kern oft zuerst wärmebehandelt?

Durch das Nitrieren werden in erster Linie die Eigenschaften der Oberflächenschicht verbessert. Es ersetzt nicht die Wärmebehandlung, die für die Erzielung der erforderlichen Festigkeit des gesamten Querschnitts verantwortlich ist.
Daher werden Baustähle häufig vor dem Nitrieren einer Nitrierung unterzogen. thermische VerbesserungDies ermöglicht Ihnen Folgendes:

• robuster Kern
• angemessene Plastizität
• stabile Mikrostruktur des Substrats,
• und anschließend eine sehr harte Oberflächenschicht im Nitrierprozess.

Frühe Anlasstemperatur

Wenn das Element zuvor wärmebehandelt wurde, die Temperatur Härten Die Auswahl sollte unter Berücksichtigung der nachfolgenden Nitriertemperatur erfolgen.
Ziel ist es, unerwünschte Veränderungen der Kerneigenschaften während der vielen Stunden, in denen das Element der Nitrierprozesstemperatur ausgesetzt ist, zu begrenzen.

Härte der nitrierten Schicht

Durch Nitrieren lässt sich eine sehr hohe Oberflächenhärte erzielen. Es gibt jedoch keinen einheitlichen Wert, der für alle nitrierten Stähle gilt.
Die Härte hängt ab von:

• chemische Zusammensetzung von Stahl,
• Art und Menge der Elemente, die Nitride bilden,
• Prozesstemperatur und -zeit,
• Stickstoffaktivität
• Aufbau der Gewerkschaftsebene
• Mikrostruktur der Diffusionsschicht,
• Messmethoden und Messtiefe.

Bei Stählen, die speziell für das Nitrieren vorgesehen sind, kann die Oberflächenmikrohärte 1000 HV überschreiten, Werte dieser Größenordnung sollten jedoch nicht als universelles Ergebnis des Nitrierens von Stahlsorten jeglicher Güte angesehen werden.

Tiefe der nitrierten Schicht

Die Schichtdicke ist das Ergebnis von Diffusion und hängt daher stark von der Prozesszeit und der Temperatur ab. Auch die Stahlzusammensetzung und die erforderliche Definition der effektiven Schichtdicke sind von Bedeutung.

In der Praxis werden sowohl relativ flache Schichten als auch Diffusionsschichten mit deutlich größeren Tiefen eingesetzt. Ein einzelner Bereich, z. B. 0,1–0,6 mm, sollte jedoch nicht als technologische Grenze des gesamten Nitrierprozesses betrachtet werden.

Eigenschaften der nitrierten Schicht

Eine fachgerechte Nitrierung kann zu einer Reihe günstiger Oberflächeneigenschaften führen:

• sehr hohe Oberflächenhärte,
• erhöhte Verschleißfestigkeit
• erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Kratzen unter geeigneten tribologischen Bedingungen,
• günstige Verteilung der Eigenspannungen
• Verbesserung des Ermüdungsverhaltens in vielen Anwendungen
• hohe Dimensionsstabilität im Vergleich zu Verfahren, die eine anschließende schnelle Aushärtung erfordern.

Nitrieren und Korrosionsbeständigkeit

Die Wirkung des Nitrierens auf die Korrosionsbeständigkeit ist nicht für alle Werkstoffe und Technologien gleich.
Eine ordnungsgemäß ausgebildete Verbindungsschicht, insbesondere bei Nitrocarburierungsverfahren und Verfahren mit zusätzlicher Oxidation, kann die Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche in bestimmten Umgebungen verbessern.
Es kann jedoch nicht allgemein angenommen werden, dass jede Nitrierung die Korrosionsbeständigkeit aller Stähle erhöht. Bei Edelstählen kann eine ungeeignete Temperaturwahl zur Freisetzung von Chromnitriden und damit zu einer Verringerung der Korrosionsbeständigkeit führen.

Nitrieren und Verschleißfestigkeit

Die hohe Härte und die Beschaffenheit der Mikrostruktur der Schicht führen dazu, dass das Nitrieren bei Bauteilen, die Reibung und Verschleiß ausgesetzt sind, weit verbreitet ist.
Die tatsächliche Haltbarkeit hängt jedoch nicht nur von der Härte ab. Folgende Faktoren spielen ebenfalls eine Rolle:

• Aufbau der Gewerkschaftsschicht,
• Tiefe der Diffusionsschicht,
• Härte und Festigkeit des Substrats,
• Oberflächenrauheit
• Kontaktdrücke
• Art der Bewegung interagierender Oberflächen,
• Schmierung,
• Betriebstemperatur.

Nitrieren und Ermüdungslebensdauer

Durch das Verfahren kann die Dauerfestigkeit positiv beeinflusst werden, indem die Oberflächenschicht verstärkt und günstige Druckspannungen erzeugt werden.
Der Effekt hängt jedoch von der Geometrie des Bauteils, der Oberflächenqualität, der Schichtdicke, den Kerneigenschaften und dem Vorhandensein von Kerben und anderen Spannungskonzentratoren ab.

Verformungen beim Nitrieren

Ein wesentlicher Vorteil des Nitrierens besteht darin, dass es keine unmittelbare, schnelle Abkühlung von der Austenitisierungstemperatur nach dem Prozess erfordert. Dadurch wird das Risiko großer Verformungen im Vergleich zu anderen Verfahren verringert. Härten, Induktionshärtung oder Flammhärtung.
Dies bedeutet jedoch nicht, dass Dimensionsänderungen gänzlich ausgeschlossen sind. Stickstoffdiffusion, die Bildung neuer Phasen, Eigenspannungen und längeres Erhitzen können geringfügige Dimensionsänderungen verursachen, die bei hochpräzisen Bauteilen berücksichtigt werden müssen.

Nitrieren und Oberflächenhärten

Nitrieren und Aufkohlen

Aufkohlen und Nitrieren sind thermochemische Behandlungsverfahren, verwenden aber unterschiedliche Elemente und unterschiedliche Mechanismen zur endgültigen Härtung der Schicht.

Qualitätskontrolle der nitrierten Schicht

Die Beurteilung der Qualität einer Nitrierbehandlung sollte mehr umfassen als die Messung der Härte an der Oberfläche selbst.
Je nach Anwendung werden unter anderem folgende Punkte getestet:

• Oberflächenmikrohärte,
• Mikrohärteprofil tief im Material,
• effektive Schichtdicke
• Dicke und Struktur der Verbindungsschicht,
• Mikrostruktur der Diffusionsschicht,
• Schichtgleichmäßigkeit
• Oberflächenbeschaffenheit
• Dimensionsänderungen,
• in anspruchsvollen Anwendungen auch Beständigkeit gegen Verschleiß, Ermüdung oder Korrosion.

Die häufigsten Probleme beim Nitrieren

• übermäßig dicke Verbindungsschicht – kann die Anfälligkeit der Oberfläche für Sprödigkeit und Absplitterungen erhöhen.
• Zu geringe Tiefe der Diffusionsschicht – unzureichende Zeit oder ungeeignete Prozessparameter.
• Ungleichmäßiges Nitrieren – kann auf den Oberflächenzustand, die Geometrie des Elements oder inhomogene Prozessbedingungen zurückzuführen sein.
• Falsche Kernhärte – Durch Nitrieren lässt sich eine fehlerhaft präparierte Substratmikrostruktur nicht reparieren.
• Dimensionsänderungen – klein, aber wichtig in Teilen mit sehr engen Toleranzen.
• Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl – möglich bei falscher Wahl von Temperatur und Technologie.

Anwendung des Nitrierens

Das Nitrieren wird bei Bauteilen eingesetzt, die eine harte, verschleißfeste Oberfläche erfordern, während gleichzeitig ein fester Kern und relativ geringe Dimensionsänderungen erhalten bleiben müssen.

Maschinenindustrie

• Dämme,
• Achsen,
• Stecknadeln,
• Buchsen,
• Getriebe,
• Getriebekomponenten
• Leitfäden,
• Teile von Hydrauliksystemen.

Automobilindustrie

• Wellen und Antriebssystemkomponenten,
• Getriebe,
• Stecknadeln,
• Elemente von Mechanismen, die Verschleiß und Materialermüdung ausgesetzt sind.

Werkzeugindustrie

• Formen für Kunststoffe,
• Matrizen,
• Stecknadeln,
• Heißarbeitswerkzeuge,
• Formende und lenkende Elemente.

Konstruktion von Sondermaschinen

• Bauteile, die eine hohe Verschleißfestigkeit erfordern,
• Präzisionsmaschinenteile,
• Elemente, die unter hohem Oberflächendruck arbeiten,
• Teile, die eine Kombination aus harter Oberfläche und einem festen Kern erfordern.

Die wichtigsten Vorteile des Nitrierens

• Bei geeigneter Stahlauswahl lässt sich eine sehr hohe Härte erzielen.
• hohe Oberflächenverschleißfestigkeit,
• Möglichkeit der Verbesserung des Ermüdungsverhaltens
• Das Element muss nicht unmittelbar nach dem Nitrieren gehärtet werden.
• relativ kleine Dimensionsänderungen,
• Möglichkeit der Bearbeitung von fertigen oder fast fertigen Teilen
• Die Möglichkeit, die Schichtstruktur durch die Auswahl von Technologie und Parametern zu steuern.

Grenzen des Nitrierens

• Für tiefe Schichten wird eine lange Zeit benötigt.
• starke Abhängigkeit der Endhärte von der chemischen Zusammensetzung des Stahls,
• die Notwendigkeit, den Kern vor dem Prozess ordnungsgemäß vorzubereiten,
• die Möglichkeit der Bildung einer unerwünschten Verbindungsschicht,
• die Notwendigkeit einer gründlichen Oberflächenvorbereitung,
• Technologische Beschränkungen hängen von der Geometrie des Bauteils und der angewandten Methode ab.

Nitrierstahl – die wichtigsten Informationen

Nitrieren von Stahl Es handelt sich um ein thermochemisches Behandlungsverfahren, das eine sehr harte und verschleißfeste Oberflächenschicht erzeugt, ohne dass eine Austenitisierung und anschließende Schnellhärtung des Bauteils erforderlich ist. Das Verfahren basiert auf der Zufuhr von aktivem Stickstoff an die Oberfläche und dessen Diffusion in das Material. Die entstehende Schicht kann aus einer äußeren Verbindungsschicht bestehen, die hauptsächlich γ′-Fe-Phasen enthält.₄N und ε-Fe_2-3N und der darunterliegenden Diffusionsschicht. Besonders gute Ergebnisse werden mit Stählen erzielt, die Elemente mit hoher Stickstoffaffinität enthalten, darunter Chrom, Aluminium und Vanadium. Aus diesem Grund wurden spezielle Stähle zum Nitrieren entwickelt, ein klassisches Beispiel dafür ist Nr. 38HMJ.
Die Eigenschaften der Schicht werden nicht durch einen einheitlichen Temperatur-, Härte- oder Tiefenbereich bestimmt. Das Ergebnis hängt vielmehr von der Stahlsorte, dem Ausgangsgefüge, der Temperatur, der Zeit, der Stickstoffaktivität und dem verwendeten Nitrierverfahren ab.
Dank der Kombination aus hoher Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit und relativ geringen Dimensionsänderungen ist das Nitrieren eine der wichtigsten Oberflächenbehandlungstechnologien, die bei der Herstellung von kritischen Maschinenelementen, Werkzeugen, Formen, Wellen, Zahnrädern und Präzisionsteilen eingesetzt wird.

Verfahren zur Wärme- und thermochemischen Behandlung von Stahl

Lösungsglühen ist nur eines der Verfahren zur Modifizierung des Mikrogefüges und der Eigenschaften von Stahl. Je nach gewünschtem Effekt werden auch Normalglühen, Spannungsarmglühen, Härten, Anlassen usw. sowie thermochemische Verfahren wie Aufkohlen, Nitrieren und andere eingesetzt.

Methoden zur Wärmebehandlung von Stahl

• Normalisierender Stahl – Kornverfeinerung und Mikrostrukturvereinheitlichung.
• Spannungsarmglühen – Reduzierung der Eigenspannungen.
• Erweichung von Stahl – Verringerung der Härte und Verbesserung der Eignung für die Weiterverarbeitung.
• Vollständiges Glühen – Austenitisierung und langsame Abkühlung.
• Isothermes Glühen – Die Umwandlung erfolgt bei einer geeignet gewählten Temperatur.
• Kugelglühen – Sphäroidisierung – Veränderung der Morphologie von Zementit oder anderen Carbiden.
• Rekristallisationsglühen – Beseitigung der Auswirkungen von Quetschungen und Wiederherstellung der Plastizität.
• Homogenisierendes Glühen – Verringerung der Entmischung und Homogenisierung der Materialzusammensetzung.
• Härten und Wärmebehandlung – die Mikrostruktur und die Eigenschaften durch Härten und Anlassen zu formen.
• Härtestahl – kontrollierte Modifizierung der Stahleigenschaften nach dem Härten.
• Induktionshärten – Oberflächeninduktionserwärmung und schnelle Abkühlung.
• Flammhärten – Oberflächenhärtung nach lokaler Erwärmung mit einer Flamme.
• Übersättigung – Gewinnung einer übersättigten festen Lösung durch einen geeigneten thermischen Zyklus.
• Altern – kontrollierte Phasentrennung, die zu einer Materialverfestigung führt.

Verfahren zur thermochemischen Behandlung von Stahl

• Nitrieren von Stahl – Diffusionsanreicherung der Oberflächenschicht mit Stickstoff.
• Einsatzstahl – Diffusionsanreicherung der Oberfläche mit Kohlenstoff.
• Carbonitriding – gleichzeitige Anreicherung der Oberflächenschicht mit Kohlenstoff und Stickstoff.
• Nitrocarburierung / Nitrocarburierung – Anreicherung der Schicht vorwiegend mit Stickstoff und Kohlenstoff.
• Bohren – Diffusionssättigung der Oberfläche mit Bor.
• Diffusionsverchromung – Diffusionsanreicherung der Schicht mit Chrom.
• Diffusionsaluminieren – Diffusionsanreicherung der Schicht mit Aluminium.