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nitrieren

Hinter dem Begriff Nitrieren – auch Nitridieren genannt – verbirgt sich ein chemisches Verfahren zur Härtung von Stahl mittels Stickstoff. Eine Sonderform stellt das Nitrocarburieren dar, bei dem sowohl Stickstoff als auch Kohlenstoff zum Härten verwendet wird.

Um diese Wärmebehandlung fachgerecht durchführen zu können, werden entsprechende Anlagen benötigt. Bei Padelttherm haben Sie die Wahl zwischen verschiedenen Schacht- und Retortenöfen sowie weiteren Industrieöfen zur Anwendung von thermischen Verfahren wie Auslagern, Schmieden, Brennen, Entbindern oder Sintern.

Wofür wird das Nitrieren genutzt?

Das Hauptaugenmerk beim Nitrieren liegt auf der Verbesserung des Verschleißverhaltens von Eisenwerkstoffen, sodass Werkzeuge und Werkstücke robuster und langlebiger werden. Außerdem spielen das Korrosions- und Festigkeitsverhalten eine wichtige Rolle. Denn im Gegensatz zu anderen Härtungsverfahren behält der Kern des Werkstücks beim Nitrieren seine ursprüngliche Zähigkeit und die Dauerschwingfestigkeit wird erhöht.

Welche Werkstoffe eignen sich zum Nitrieren?

Grundsätzlich lassen sich fast alle Stahlsorten und auch Guss-Elemente mit gewissen Einschränkungen nitrieren. Das klassische Nitrieren mit Stickstoff ist jedoch vorrangig für legierte Stähle – sogenannte Nitrierstähle – geeignet. Diese verfügen über einen Kohlenstoffanteil zwischen 0,3 % und 0,4 %. Bei unlegierten Stählen besteht hingegen die Gefahr, dass eine spröde, zum Abplatzen neigende Nitrierschicht entsteht. Für diese Stoffe ist das Nitrocarburieren besser geeignet.

Wie funktioniert das Nitrier-Verfahren?

Das Nitrieren ist in der DIN EN 10052 definiert und dient als thermochemisches Verfahren dem Härten von Stahl. Dazu wird Stickstoff in ein Werkstück eindiffundiert, sodass eine verschleißbeständige, sehr harte Randschicht entsteht. Die Härte wird durch Eisennitride und Sondernitride wie Aluminium, Molybdän, Chrom, Titan und Vanadium erreicht, die sich im Metallgitter einlagern. Sollen nicht alle Bereiche des Bauteils nitriert werden, können diese vor der Wärmebehandlung abgedeckt werden. Diese Maßnahme bietet sich vor allem bei Gewinden, Wuchtbohrungen und anderen Segmenten an, die im Nachhinein mechanisch bearbeitet werden sollen.

Durchgeführt wird das Nitrieren bei Temperaturen zwischen 500 °C und 580 °C, wobei die Behandlungszeit zwischen wenigen Minuten bis zu 100 Stunden betragen kann. Anschließend findet bei legierten Stählen eine langsame, bei unlegierten hingegen eine schnelle Abkühlung statt. Je nach Ausgangsmaterial und gewünschten Eigenschaften können drei verschiedene Verfahren Anwendung finden. Für die ausschließliche Zufuhr von Stickstoff – das sogenannte Aufsticken – eignen sich das Gas- und Plasmanitrieren. Sollen sowohl Stickstoff als auch Kohlenstoff in das Material eingebracht werden, ist zusätzlich das Badnitrieren in Salzbädern möglich.

Randhärte, Nitrierhärtetiefe und Schichtaufbau

Die Randhärte nach dem Nitrieren ist immer werkstoffabhängig und lässt sich nur durch eine spezifische Vorbehandlung verbessern. Eine Möglichkeit ist das Vergüten mit Anlasstemperaturen über 570 °C. Doch auch diese Methode lässt lediglich geringfügige Verbesserungen zu.

Hingegen ist die Nitrierhärtetiefe (Nht) nicht nur von der Zusammensetzung des Werkstoffs, sondern auch von der Nitriertemperatur und der Behandlungsdauer abhängig. Grundsätzlich wird unter der Nht die Tiefe verstanden, in der die Randschicht eine Härte von 50 HV (Vickershärte) über der Kernhärte des Bauteils aufweist.

Infolge des Nitrierens verfügt die Randschicht des wärmebehandelten Werkstücks über einen zweiteiligen Schichtaufbau. Der äußere Bereich ist eine 5 µm bis 20 µm starke Verbindungsschicht (VS), die fast ausschließlich aus Eisennitriden besteht. Die darunter befindliche Ausscheidungsschicht stützt die VS ab und bewirkt die Härtesteigerung des Werkstoffes, da in diesem Bereich Sondernitride vorliegen.

Vorteile des Nitrierens

Das Nitrieren vereint zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Verfahren der Umwandlungshärtung. Zu den wichtigsten zählen:

  • Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit
  • Verbesserung des Verschleiß- und Korrosionsverhaltens
  • höhere Wärmebeständigkeit bis 600 °C
  • Behandlung von Schüttgut möglich
  • lokales nitrieren durch Abdeckmittel

 

Außerdem ist das Nitrieren ein äußerst verzugsarmes, thermisches Härteverfahren. So kann das Bauteil bereits vor der Wärmebehandlung fertiggearbeitet werden – einzige Voraussetzung: Der Werkstoff muss thermisch stabil und frei von Eigenspannungen sein.

Der Kern des behandelten Werkstückes bleibt beim Nitrieren unverändert und behält sowohl seine Festigkeit als auch Zähigkeit. Anders ausgedrückt: harte Oberfläche, weicher Kern. Um die Korrosionsbeständigkeit von unlegierten Stählen weiter zu verbessern, lässt sich im Anschluss an das Nitrocarburieren eine Nachoxidation durchführen.

Nachteile beim Nitrieren

Trotz zahlreicher Vorteile ergeben sich auch beim Nitrieren einige Nachteile, die die Anwendung nicht in jedem Fall sinnvoll erscheinen lassen. Dazu gehören unter anderem:

  • lange Glühzeiten beim Abkühlen
  • teilweise Giftigkeit der benötigten Materialien
  • geringe Dicke der Nitrierschicht mit maximal 1 mm

 

Wichtig bei der Anwendung des Nitrierens ist die Tatsache, dass die Eigenhärte der Nitrierschicht in der Regel mit zunehmender Behandlungstemperatur sinkt. Daher sollte bereits in der Planungsphase des Industrieofens darauf geachtet werden, für welche Temperaturen er verwendet werden soll.

Für niedrig legierte Stähle lässt sich mithilfe des Nitrierens lediglich eine geringe Härtesteigerung erreichen – trotz eines gewissen Korrosionsschutzes und vermindertem Adhäsionsverschleiß.

Wenn Sie sich für das Nitrieren als Härtungsverfahren entscheiden, lassen Sie sich im Vorfeld ausführlich von unseren ausgebildeten Mitarbeitern bei Padelttherm beraten. Gemeinsam finden wir die passende Anlage für Ihre Anwendungen.