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Nitrieren

2018-07-18T20:40:20

Der Oberbegriff Nitrieren steht im Allgemeinen für eine thermochemische Behandlung, bei der der Randbereich eisenhaltiger Werkstoffe mittels Stickstoff angereichert wird. Beim Nitrieren wird ausschließlich Stickstoff in den Randbereich eines Werkstückes eingelagert.

Wird beim Diffusionsvorgang zeitgleich auch Kohlenstoff in die Behandlung mit eingebracht und dort angereichert wird, wird dies als Nitrocarburieren bzeichnet. Sowohl das eigentliche Nitrieren als auch das Nitrocarburieren werden in erster Linie als Verschleißschutzverfahren eingesetzt. Es lassen auch einige weitere Werkstoffeigenschaften (z.B. Korrosionsbeständigkeit, Dauerfestigkeit bei Biege- und Torsionsbeanspruchung, Adhäsion, Triboxidation) verbessern.

Diffundiert Stickstoff in die Werkstückrandzone ein, wird dieser zunächst in der Eisenmatrix gelöst. Ab einer Stickstoffkonzentration von ca. 2,5 Gewichtsprozent wird die Löslichkeitsgrenze überschritten und es kommt zur Ausbildung einer chemisch beständigen, harten Verbindungsschicht, die üblicherweise zwischen 2 µm bis 20 μm misst. In der Verbindungsschicht können sich dabei drei Formen des Eisennitrids und/oder Eisencarbonitrids ausbilden:

  • γ‘-Nitrid: Fe4N
  • ε-Nitrid: Fe2-3N (beim Nitrocarburieren: Fe2-3NC)
  • mischphasige Verbindungsschicht von γ‘-Nitrid oder ε-Nitrid

Unterhalb der Verbindungsschicht schließt sich die Diffusionsschicht mit einer Dicke von 0,1 mm bis 0,8 mm an, die im direkten Vergleich zäher und deutlich weniger hart ist.

Grundsätzlich gilt bei den Nitrierverfahren, dass sich mit längerer Nitrierdauer auch eine größere Nitrierhärtetiefe (Nht) erreichen lässt. Weiterhin dringt mit zunehmender Nitrierprozesstemperatur (üblich 350 °C bis 600 °C) der Stickstoff bei gleicher Behandlungsdauer vergleichsweise tiefer in das Substrat ein. Mit steigender Behandlungstemperatur sinkt allerdings auch die Eigenhärte der Nitrierschicht. Werkstoffe wie z.B. legierte Stähle, denen nitridbildende Elemente wie beispielsweise Chrom, Vanadium, Aluminium oder Molybdän beigegeben wurden, weisen im Allgemeinen durch eine Nitrierbehandlung eine erheblich höhere Randhärte auf als beim Einsatzhärten. Grund ist die Bildung von Sondernitriden durch die nitridbildenden Elemente. Nimmt der Legierungsgehalt des Werkstoffes zu, reduziert sich die mögliche Stickstoffhärte und der Härteabfall von der Randzone in das Werkstückinnere verläuft steiler. Im Vergleich zu den Aufkohlungstemperaturen liegen die Prozesstemperaturen beim Nitrieren um 300 °C bis 400 °C tiefer, sodass das zu behandelnde Werkstück weniger stark temperaturbelastet wird und die Härtesteigerung mit deutlich geringerem Verzug verbunden ist.

Die Durchführung einer Nitrier- bzw. Nitrocarburierbehandlung kann grundsätzlich mit folgenden Medien durchgeführt werden:

  • Gas – Beim Gasnitrieren bzw. Gasnitrocarburieren diffundiert üblicherweise Stickstoff (und zusätzlich Kohlenstoff beim Gasnitrocarburieren) in einer aufgespaltenen Ammoniakatmosphäre bei Prozesstemperaturen von 500 °C bis 530 °C in die Randzone des Werkstückes. Abhängig von der Behandlungsdauer und dem verwendeten Werkstoff lassen sich Nitrierhärtetiefen von etwa 0,1 mm bis 0,9 mm erzielen. Eine partielle Behandlung mittels gasdichter Pasten, die zur Abdeckung der Oberfläche eingesetzt werden, ist möglich. Typische Behandlungszeiten bei den Gasverfahren liegen bei etwa 5 h bis 90 h.
  • Salzbad – Beim Salzbadnitrieren bzw. Salzbadnitrocarburieren (auch Teniferierung genannt) wird das zu behandelnde Werkstück zunächst an Luft auf etwa 350 °C gleichmäßig vorgewärmt. Anschließend wird in einer Salzschmelze, die im Wesentlichen aus Alkalicyanat beim Nitrieren bzw. Alkalcyanat und Alkalicarbonat beim Nitrocarburieren besteht, getaucht. Die Prozesstemperaturen können hierbei zwischen 480 °C und 630 °C liegen (in der Praxis häufig 580 °C). Die Behandlungszeit beträgt üblicherweise 60 min bis 120 min; die anschließende Abkühlung erfolgt werkstoffabhängig im Wasser- oder Salzwarmbad. Die Nitrierhärtetiefe beträgt bei diesem Verfahren etwa ca. 0,1 mm bis 0,25 mm (je nach Werkstoff). Ein partielles Nitrocarburieren ist mit dem Salzschmelzbad nicht möglich.
  • Plasma - Beim Plasmanitrieren (auch Ionennitrieren oder Glimmnitrieren) wird in einer Stickstoffatmosphäre durch Glimmentladung ein niederenergetisches Plasma erzeugt. Zusätzlich kommt beim Plasmanitrocarburieren ein kohlenstoffhaltiges Zusatzgas (Methan, Kohlenstoffdioxid) zur Anwendung. Innerhalb der Glimmentladung wird das Prozessgas ionisiert und diffundiert in die Werkstückoberfläche. Die plasmagestützten Diffusionsverfahren eignen sich besonders für hochlegierte Werkstoffe (> 13 % Cr), da durch die Bildung von Sondernitriden mit den Legierungselementen starke Aufhärtungen (1400 HV und mehr) der Randzone erzielt werden können. Allerdings muss  bei diesen Stählen berücksichtigt werden, dass sich durch eine Nitrierbehandlung gegebenenfalls ihre Korrosionsbeständigkeit verschlechtern kann.
    Die Behandlungstemperaturen bei den Plasmabehandlungen liegen typischerweise zwischen 350 °C und 600 °C, die Behandlungsdauer zwischen 0,5 h und 60 h. Prozessbedingt können aufgrund der Glimmsaumausprägung am Werkstück z.B. enge Spalten oder kleine Bohrungen nicht gleichmäßig bzw. nicht nitriert werden. Deshalb scheidet für Schüttgut die Plasmadiffusionsbehandlung aus. Weiterhin ist bei bestimmten Geometrien des Werkstückes darauf zu achten, dass sich keine Hohlkathoden bilden, da in diesen Bereichen das Werkstück deutlich aufgeheizt wird und es lokal zu einem merklich anderen Nitrierverhalten kommt. Eine partielle Behandlung ist durch die Anwendung von gasdichten, elektrisch leitfähigen Pasten möglich, die auch zur Vermeidung von Hohlkathoden zum Einsatz kommen.
    Plasmanitrieren kommt häufig als Vorbehandlung für Beschichtungsprozesse (z.B. PVD) zum Einsatz, da
    dadurch Schichteigenschaften gezielt eingestellt und verbindungsschichtfreie Nitrierzonen, d.h. ausschließlich Diffusionsschichten, erzeugt werden können. Diese Diffusionsschichten haben durch ihren Härtegradienten den Vorteil, Hartstoffschichten bei Punkt- oder Linienbelastung besser zu schützen. Weiterhin verhelfen die geänderten Druckeigenspannungen einer verbindungsschichtfreien Oberfläche zu einer wesentlichen Verbesserung der Schwingfestigkeit. Auf diese Weise lassen sich mechanische Verdichtungsverfahren wie das Kugelstrahlen oder Festwalzen kombinieren. Die erreichbaren Nitrierhärtetiefen liegen in der Regel bis 0,8 mm bei un- und niedriglegierten Stählen und bis etwa 0,15 mm bei hochlegierten Stählen.
    Wird Sauerstoff während des Prozesses oder als Kombinationsbehandlung nach einem Nitrierprozess bzw. Nitrocarburierprozess zugegeben, wird vom Oxinitrieren gesprochen. Dabei kann die Zugabe von Sauerstoff während des Nitrierprozesses eine gezielte Entkohlung bewirken, sodass eine Verringerung der Carbidausscheidungen in der Diffusionsschicht vor allem bei chromlegierten Vergütungs- und Werkzeugstählen erreicht wird. Durch eine zusätzliche Oxidationsbehandlung von nitrierten bzw. nitrocarburierten Werkstücken können Schichtsysteme mit sehr guter Korrosionsbeständigkeit erzeugt werden, die zudem auch ein gutes Reib-, Gleit-, Verschleiß- oder Einlaufverhalten aufweisen.