Nitrieren ist ein thermochemisches Niedertemperaturverfahren zur Verbesserung der Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit von Stahlbauteilen. Dank der niedrigen Prozesstemperatur gewährleistet es eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität und ist daher unerlässlich für Präzisionsteile wie Werkzeugmaschinenspindeln, Kurbelwellen und Extrusionswerkzeuge, bei denen hohe Belastbarkeit und minimale Verformung gefordert sind.
Was ist Nitrieren?
Beim Nitrieren handelt es sich um ein chemisches Wärmebehandlungsverfahren, bei dem Stickstoffatome bei einer bestimmten Temperatur in die Oberflächenschicht eines Werkstücks eingebracht werden.
Nach dem Nitrieren bildet sich auf Stahlteilen eine Oberflächenschicht aus Nitriden, die eine sehr hohe Härte (1000–1100 HV) aufweist und diese auch bei 600–650 °C beibehält. Dadurch wird eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Warmhärte erzielt. Durch das Nitrieren des Stahls vergrößert sich das Volumen der nitrierten Schicht, wodurch Druckspannungen an der Oberfläche entstehen, die die Dauerfestigkeit deutlich erhöhen. Zudem führt die niedrige Nitriertemperatur zu minimalen Verformungen des Bauteils. Die nitrierte Oberfläche bildet eine dichte Nitridschicht mit hoher chemischer Stabilität, die eine gute Korrosionsbeständigkeit und Stabilität in Wasser, überhitztem Dampf und alkalischen Lösungen bietet.
Zu den nitrierbaren Stählen gehören 35CrAlA und 38CrMoAlA. Vor dem Nitrieren müssen die Teile abgeschreckt und angelassen werden, um das Kerngefüge zu stabilisieren und gute mechanische Eigenschaften zu erzielen. Dadurch werden minimale Maßänderungen im Betrieb gewährleistet, und eine zusätzliche Wärmebehandlung nach dem Nitrieren ist nicht erforderlich.
Das Nitrieren wird vorwiegend bei Maschinenteilen angewendet, die eine hohe Dauerfestigkeit, gute Verschleißfestigkeit und präzise Abmessungen erfordern, wie beispielsweise Spindeln und Hülsen von Bohr- und Schleifmaschinen, Schneckengetriebe und Kurbelwellen von Dieselmotoren. Aufgrund seiner hervorragenden Oberflächenpoliereigenschaften und einer gewissen Korrosionsbeständigkeit wird es auch für Kunststoffformen eingesetzt.
Zu den derzeit gebräuchlichen Nitrierverfahren zählen hauptsächlich das Gasnitrieren und das Plasmanitrieren.
Gasnitrieren
Das Gasnitrieren, auch als Gasweichnitrieren bekannt, erfolgt in einem Grubenofen, aus dem zuvor die Luft entfernt wurde. Das entfettete und gereinigte Werkstück wird in einen geschlossenen Ofen gegeben, erhitzt und mit Ammoniakgas beaufschlagt. Ammoniak zersetzt sich oberhalb von 380 °C und setzt dabei aktive Stickstoffatome gemäß folgender Reaktion frei:
2NH₃ → 3H₂ + 2[N]
Die aktiven Stickstoffatome werden von der Stahloberfläche absorbiert und bilden eine feste Lösung sowie Nitride (wie z. B. AlN). Mit zunehmender Nitrierdauer diffundieren die Stickstoffatome allmählich nach innen, wodurch eine nitrierte Schicht bestimmter Tiefe entsteht.
Gängige Nitriertemperaturen liegen bei 550–570 °C, die Nitrierzeit hängt von der gewünschten Schichtdicke ab. Im Allgemeinen beträgt die Nitrierschichtdicke 0.4–0.6 mm, was eine Nitrierzeit von 40–70 Stunden erfordert. Daher ist der Produktionszyklus für das Gasnitrieren relativ lang.
Das Gasnitrieren umfasst vier Schritte: Vorbereitung, Evakuierung und Erhitzen, Nitriervorgang und Abkühlung. Um ein gleichmäßiges Nitrieren zu gewährleisten, müssen die Werkstücke vor dem Einlegen mit Benzin oder Alkohol entfettet werden. Die gereinigte Oberfläche muss frei von Rost und Verunreinigungen sein. Für Bereiche, die nicht nitriert werden müssen, können Schutzmaßnahmen wie Verzinnung, Verkupferung oder Beschichtung eingesetzt werden. Nitrierte Teile sollten vermieden werden, da scharfe Kanten häufig tiefere und sprödere Schichten bilden. Nach dem Nitrieren müssen die Teile vorsichtig entnommen werden, um Kollisionen zu vermeiden. Schlanke und präzise Teile sollten zum Abkühlen aufgehängt werden, um Verformungen und neue Spannungen zu verhindern.
Aufgrund der geringen Ammoniakzersetzungseffizienz eignet sich das Gasnitrieren im Allgemeinen zum Nitrieren von Stählen, die Elemente wie Al, Cr und Mo enthalten. Es wird hauptsächlich für Präzisionsteile mit hohen Anforderungen an Verschleißfestigkeit und Maßgenauigkeit, wichtige Teile unter wechselnden Belastungen sowie hitze- und verschleißfeste Komponenten wie Bohrmaschinenspindeln, Hochgeschwindigkeits-Präzisionszahnräder, Hochgeschwindigkeits-Dieselmotorkurbelwellen, Ventile und Druckgussformen eingesetzt.
Plasmanitrieren
Beim Plasmanitrieren wird das Phänomen der Glimmentladung zwischen Werkstück (Kathode) und Anode unter einem bestimmten Vakuumniveau genutzt; daher wird es auch als Glimmentladungs-Plasmanitrieren bezeichnet.
Bild-Kredit: Science
Das Metallwerkstück dient als Kathode in einem Unterdruckbehälter mit stickstoffhaltigem Medium. Nach der Aktivierung werden die Stickstoffatome im Medium ionisiert und bilden ein Plasmagebiet zwischen Kathode und Anode. Im starken elektrischen Feld des Plasmagebiets bombardieren positive Stickstoff- und Wasserstoffionen die Werkstückoberfläche mit hoher Geschwindigkeit. Dieser Ionenbeschuss führt zu atomarem Sputtern und damit zur Reinigung der Oberfläche, während Stickstoff durch Adsorption und Diffusion in die Oberfläche eindringt.
Im Vergleich zum herkömmlichen Gasnitrieren bietet das Plasmanitrieren folgende Vorteile:
- Angemessen verkürzter Nitrierzyklus.
- Verringerte Sprödigkeit in der nitrierten Schicht.
- Einsparungen beim Energie- und Ammoniakverbrauch.
- Fähigkeit, Bereiche, die nicht nitriert werden müssen, für eine lokale Behandlung abzuschirmen.
- Durch Oberflächenreinigung mittels Ionenbeschuss werden Passivschichten entfernt, wodurch das direkte Nitrieren von Edelstahl und hitzebeständigen Stählen ermöglicht wird.
- Kontrollierbare Dicke und Mikrostruktur der nitrierten Schicht.
Zu den Nachteilen zählen hohe Investitionskosten für die Ausrüstung, ungleichmäßige Temperaturverteilung und strenge betriebliche Anforderungen.
Das Plasmanitrieren eignet sich für gering belastete, schnelllaufende Teile, die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erfordern, sowie für hochpräzise, schlanke stabförmige Bauteile wie Bohrmaschinenspindeln, Präzisionswerkzeugmaschinen-Gewindespindeln, Ventilschäfte und Ventile.
Stähle zum Nitrieren
Um eine hochharte und verschleißfeste Nitrierschicht auf der Stahloberfläche zu erzielen, müssen legierte Stähle mit spezifischen Legierungselementen zum Nitrieren verwendet werden. Dies liegt daran, dass die mit bestimmten Legierungselementen gebildeten Nitride deutlich stabiler sind als Eisennitride und sich hochdispers in der Nitrierschicht verteilen, was zu einer sehr hohen Härte führt.
Gängige Legierungselemente sind Aluminium, Chrom, Vanadium, Molybdän, Mangan und Wolfram. Die am häufigsten verwendeten Nitrierstähle sind 38CrMoAl und 35CrAl, die nach dem Nitrieren eine sehr hohe Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit aufweisen. Stähle zur Verbesserung der Dauerfestigkeit sind beispielsweise 38CrA, 40CrNiMoA und 18Cr2Ni4WA; zu den Edelstählen gehören 45Cr14Ni14W2Mo und Cr10Si2Mn; Werkzeugstähle sind beispielsweise 3Cr2W8V; Federstähle sind beispielsweise 50CrVA.
Vorbereitende Wärmebehandlung für das Nitrieren
Der typische Bearbeitungsablauf für nitrierte Werkstücke ist: Schmieden → Glühen (oder Normalisieren + Hochtemperaturvergüten) → Schruppen → Härten und Anlassen → Vorschlichten → Spannungsarmglühen → Fertigen → Nitrieren → Endschleifen oder Polieren.
Wie aus dem Ablauf ersichtlich, umfassen die vorbereitenden Wärmebehandlungen vor dem Nitrieren das Glühen (oder Normalisieren + Hochtemperaturanlassen), das Abschrecken und Anlassen sowie das Spannungsarmglühen.
Diese Schritte bereiten das Nitrieren vor, da die Werkstücke nach dem Nitrieren in der Regel keiner weiteren Bearbeitung unterzogen werden.
Durch Glühen und Normalisieren wird das Mikrogefüge verfeinert, die Bearbeitbarkeit verbessert, innere Spannungen beseitigt und das Material für das Abschrecken und Anlassen vorbereitet.
Abschrecken und Anlassen
Das Härten und Anlassen ist eine entscheidende vorbereitende Wärmebehandlung zur Erzielung eines gleichmäßigen und feinen Sorbitgefüges. Dies gewährleistet nicht nur gute, umfassende mechanische Eigenschaften im Kern, sondern schafft auch die notwendige Gefügevorbereitung für das Nitrieren.
Die Parameter des Abschreckens und Anlassens beeinflussen die Nitrierqualität maßgeblich. Bei 38CrMoAlA-Stahl liegen die kritischen Punkte höher: Ac1 = 790 °C, Ac3 = 900 °C, Ar1 = 740 °C. Aluminium stabilisiert zudem das Ferrit und verringert dessen Löslichkeit im Austenit während des Erhitzens. Daher sollten die Normalisierungs- und Abschrecktemperaturen erhöht und die Haltezeiten etwa 1.5-mal länger als bei üblichen legierten Baustählen sein.
Ist die Abschrecktemperatur zu niedrig oder die Haltezeit zu kurz, was zu einer unvollständigen Auflösung des Ferrits im Austenit führt, erhöht freies Ferrit an der Oberfläche während des Nitrierens die Sprödigkeit der Schicht erheblich. Umgekehrt bewirkt eine zu hohe Abschrecktemperatur eine Vergröberung der Austenitkörner, wodurch sich die Nitride bevorzugt entlang der Korngrenzen ausbreiten und ausgeprägte wellenförmige oder netzartige Strukturen in der nitrierten Schicht entstehen.
Anlassen Die Temperatur beeinflusst die Qualität der Nitrierung maßgeblich. Sie bestimmt die Härte nach dem Härten und Anlassen: Höhere Anlasstemperaturen verringern die Härte, reduzieren die Karbidverteilung in der Matrix, erleichtern das Eindringen von Stickstoff während des Nitrierens, erhöhen die Eindringgeschwindigkeit und vertiefen die Schicht. Mit steigender Anlasstemperatur nimmt die Härte der nitrierten Schicht ab, während die Härte des Kerns nur geringfügig sinkt.
Bei Werkstücken mit komplexen Formen ist ein Spannungsarmglühen erforderlich, um bearbeitungsbedingte Spannungen abzubauen und Verformungen beim Nitrieren zu reduzieren. Um die Härte nach dem Anlassen nicht zu beeinträchtigen, sollte die Spannungsarmglühtemperatur 40–70 °C unterhalb der Anlasstemperatur liegen, mit entsprechend verlängerter Haltezeit und langsamer Abkühlung unter 150 °C vor der Entnahme.
Tabelle 1: Vorläufige Wärmebehandlungsprozesse für das Gasnitrieren
| Material | Vorläufiges Wärmebehandlungsverfahren |
| Allgemeine Stahlbauteile / Teile mit geringen Anforderungen an die Schlagzähigkeit | Härten und Anlassen (Q&T). Die Hochtemperatur-Anlasstemperatur sollte 20 bis 40 °C höher sein als die Nitriertemperatur; die Haltezeit sollte nicht zu lang sein. |
| 38CrMoAl-Stahl | Normalisieren ist möglich, erfordert jedoch eine hohe Abkühlgeschwindigkeit. Bei Werkstücken mit großen Querschnitten ist Normalisieren nicht zulässig. Nach dem Nitrieren ist eine Vergütung erforderlich; andernfalls bilden sich in der nitrierten Schicht möglicherweise keine nadelförmigen Nitride. Bei Werkzeugstählen wird üblicherweise vor dem Nitrieren gehärtet und angelassen; Glühen ist nicht zulässig. |
| Schlanke, dünnwandige, komplexe und präzise Teile | Vor dem Nitrieren sind ein oder mehrere Spannungsarmglühverfahren erforderlich. Die Spannungsarmglühtemperatur liegt im Allgemeinen unter der Anlasstemperatur, aber über der Nitriertemperatur. |
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