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Nitrieren von Stahl

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Unter Nitrieren versteht man ein spezielles Verfahren zum Härten von Stahl. Aus chemischer Sicht müsste das Verfahren eigentlich als Nitiridieren bezeichnet werden. In der Fachsprache wird das Nitrieren auch als Aufsticken bezeichnet. Dies stellt einen Analogismus zum Aufkohlen dar, nur wird beim Nitrieren anstatt Kohlenstoff Stickstoff zugeführt.

Im Bereich der Fertigungsverfahren wird das Nitrieren als eines der Verfahren angesehen, welche die Stoffeigenschaften von Stahl ändern. Bei Aufsticken entstehen im zu härtenden Stahl Nitridverbindungen. Dies steht im Gegensatz zur Namensgebung Nitrierung, bei der laut chemischem Fachjargon Nitrate oder Nitroverbindungen entstehen. Die Bezeichnung als Nitridierung wäre daher fachlich korrekt.

Ablauf - Härtungsverfahren Nitrieren

Das Nitrieren zielt auf die Oberflächenhärtung von Stählen unter Verwendung von Stickstoff ab. Die gehärtete Oberflächenschicht des betreffenden Stahls wird dadurch bis etwa 500°C hitzebeständig. Das Nitrieren erfolgt normalerweise bei Fertigungstemperaturen von rund 500 bis 520°C. Der Kern des behandelten Stahls bleibt bei diesem Verfahren ferritisch. Die Behandlungszeit kann von 1 bis 100 Stunden reichen.

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Durch die Eindiffusion von Stickstoff während des Nitrierens wird die Bildung von Austenit an der Oberfläche des Stahl unterbunden. Indem während des Vorgangs Stickstoff eindiffundiert wird, entsteht an der Werkstückoberfläche eine sehr harte Verbindungsschicht mit einer von der Behandlungszeit abhängigen Stärke von 10 bis 30 Mikrometer. In dieser Schicht entstehen Gamma- und Epsilon-Eisennitride. Diese Schicht kann mehr oder weniger stark ausgeprägte Porensäume an der Oberfläche aufweisen. Diese können in der späteren Verwendung des Werkstücks zum Beispiel als Träger von Gleitmitteln genutzt werden. Es ist aber auch möglich zu nitrieren, ohne dass dabei eine Verbindungsschicht entsteht. Dies ist für eine spätere galvanische oder chemische Beschichtung des nitrierten Stahls nötig.

Aufbau und Funktionsweise Nitrieren
Aufbau und Funktionsweise Nitrieren

Unter der Verbindungsschicht liegt nach dem Nitrieren im behandelten Werkstück die sogenannte Diffusionszone. In dieser wurde während des Verfahrens Stickstoff bis zu einer gewissen Tiefe innerhalb der ferritischen Metallmatrix eingelagert. Dieser Stickstoff befindet sich in fester Lösung und trägt dazu bei, dass die Dauerschwingfestigkeit des Stahls erhöht wird. Hierbei spricht man über die Nitrierhärtetiefe (Nht) oder auch Nitriding Hardness Depth (NHD), die über die Grenzhärte definiert wird. Die Grenzhärte liegt 50 HV über der Kernhärte des nitrierten Werkstücks. Mit sogenannten Nitrierstählen sind extrem hohe Härten in der Diffusionszone erreichbar.

Geeignete Stähle für das Nitrieren

Es sind grundsätzlich nahezu alle Stahlsorten und auch Guss nitrierbar. Wie bereits beschrieben entsteht die Härte durch im Metallgitter eingelagerte Nitride. Besonders harte Nitride entstehen mit den Elementen Aluminium, Chrom, Molybdän, Titan und Vanadium.

Zumeist wird das Oberflächenhärte-Verfahren Nitrieren (Gasnitrieren) hauptsächlich für legierte Stähle (Nitrierstähle) angewandt, da unlegierte Stähle dazu neigen eine spröde, Nitrierschicht bilden, die leicht abplatzt.
Die Härtesteigerung ist bei den niedrig legierten Stählen zudem meist sehr gering, es wird jedoch ein gewisser Korrosionsschutz erreicht, während der Adhäsionsverschleiß vermindert wird.

Beispiele für Nitrierstähle sind 1.8519 (31CrMoV9) und 1.8515 (31CrMo12).

Korrosionsschutz durch Nitrieren

Die Korrosionsbeständigkeit der Verbindungsschicht und der Diffusionsschicht kann durch Oxidieren der Verbindungsschicht erhöht werden. Hierzu erfolgt eine Dampfbeaufschlagung, durch welche die Eisenanteile korrodieren und eine schützende Oxidschicht bilden.

Verfahrens-Arten des Nitrierens

In der Praxis sind unterschiedliche des Nitrierens gängig. Hierzu gehören das Plasmanitrieren, das Salzbadnitrieren und das Gasnitrieren. Partielles Härten ist sowohl bei Salzbadnitrieren als auch beim Plasmanitrieren möglich. Bei ersterem erfolgt es durch teilweises Eintauchen des Werkstücks, bei letzterem zum Beispiel durch teilweises mechanisches Abdecken mit der Klemmvorrichtung.

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