Was ist Nitrieren?

Grundlage des Nitrierens

Nitrieren ist ein Wärmebehandlungsprozess, bei dem Stickstoff in die Oberfläche eines Metalls diffundiert, um eine einsatzgehärtete Oberfläche zu erzeugen. Der zugesetzte Stickstoff erhöht die Härte und Verschleißfestigkeit, ohne die metallurgischen Eigenschaften des Kerns wesentlich zu beeinträchtigen. Beim Nitrieren wird das Metall in einer stickstoffreichen Atmosphäre auf 500–550 °C erhitzt. Stickstoff diffundiert bis zu 0.5 mm tief in die Oberfläche und reagiert mit Legierungselementen wie Aluminium, Vanadium und Chrom zu harten Nitriden. Diese Nitride erhöhen die Oberflächenhärte auf bis zu 1300 HV und verbessern so die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit.

Zwecke des Nitrierens

Nitrieren wird zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Metallen für mehrere wichtige Zwecke eingesetzt:

Erhöhen Sie die Oberflächenhärte

Der Hauptzweck des Nitrierens besteht darin, die Oberflächenhärte von Metallen zu erhöhen. Der zugesetzte Stickstoff reagiert mit Legierungselementen zu harten Nitridverbindungen. Diese Diffusionsschicht erhöht die Härte auf bis zu 1300 HV, was die Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit verbessert.

Verbessern Sie die Ermüdungsfestigkeit

Die durch Nitrieren erzeugte Härtetiefe verbessert die Dauerfestigkeit von Komponenten wie Zahnrädern und Wellen. Die im nitrierten Gehäuse entstehenden Druckspannungen erhöhen den Widerstand gegen Rissbildung und -ausbreitung.

Verbessern Sie die Korrosionsbeständigkeit

Nitrieren verbessert die Korrosionsbeständigkeit auf zwei Arten. Erstens sind die Nitridverbindungen sehr stabil und inert. Zweitens sorgt die durch das Nitrieren erzeugte Schichttiefe dafür, dass das Kernmaterial unbeeinträchtigt bleibt, wenn die Oberflächenschicht abgenutzt wird.

Minimale Verzerrung

Im Gegensatz zu Abschreckhärteverfahren ist beim Nitrieren kein schnelles Abkühlen des Teils erforderlich. Dadurch verursacht das Nitrieren nur sehr geringe Verformungen oder Eigenspannungen und eignet sich daher für hochpräzise Komponenten. Die durch das Nitrieren verursachten Maßänderungen sind vernachlässigbar.

Arten des Nitrierens

Es gibt mehrere Hauptmethoden und Variationen des Nitrierprozesses, die in der Industrie eingesetzt werden:

• Gasnitrieren– Beim Gasnitrieren stammt die Stickstoffquelle aus Ammoniakgas, das in Stickstoff und Wasserstoff zerlegt wird. Das Ammoniakgas ist kostengünstiger als reines Stickstoffgas. Die Komponenten werden in einer verschlossenen Retorte mit kontrolliertem Ammoniakfluss auf 500–590 °C erhitzt.
• Plasmanitrieren- Beim Plasmanitrieren wird eine von einer Hochspannungsquelle erzeugte Plasmaentladung verwendet, um aktivierte Stickstoffionen zu erzeugen. Dies ermöglicht eine schnellere Diffusion bei niedrigeren Temperaturen von 350–590 °C. Plasmanitrieren ermöglicht eine präzise Kontrolle der Einsatztiefe.
• Salzbadnitrieren- Beim Salzbadnitrieren stammt die Stickstoffquelle aus der Dissoziation von Cyanidsalzen wie NaCN. Die Teile werden in das geschmolzene Zyanidsalzbad getaucht, das auf 580–590 °C gehalten wird. Durch Salzbadnitrieren können sehr hohe Einsatzhärten bis zu 1500 HV erreicht werden.
• Wirbelschichtnitrieren- Bei der Wirbelschichtnitrierung erfolgt die Dissoziation von Ammoniakgas in einem Bett aus Aluminiumoxidpulver, das durch einen Gasstrom verwirbelt wird. Diese Methode sorgt für eine hervorragende Temperaturgleichmäßigkeit während der Behandlung.
• Andere Variationen- Andere Variationen umfassen Nitrocarburieren, bei dem Kohlenstoff hinzugefügt wird, um Carbonitride zu bilden, Nachoxidieren, um schwarze Oxidschichten zu bilden, und Nitrieren bei niedriger Temperatur zwischen 350 und 380 °C. Auch Hybridverfahren wie das Plasmanitrocarburieren kommen zum Einsatz.

Zum Nitrieren geeignete Materialien

Nitrieren kann auf eine Reihe von Eisen- und Nichteisenlegierungen angewendet werden:

Kohlenstoffarme Stähle

Niedriglegierte Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0.25 % werden üblicherweise nitriert, um die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Der niedrige Kohlenstoffgehalt reduziert die Bildung instabiler Eisennitride. Beliebte Beispiele sind die Stähle 1018, 4140 und 4340.

Werkzeugstähle

Werkzeugstähle wie H13, P20 und D2 eignen sich aufgrund ihrer hohen Härtbarkeit und ihres Legierungsgehalts ideal zum Nitrieren. Nitrieren erhöht die Härte, Festigkeit und Lebensdauer von Werkzeugen für Warm- oder Kaltbearbeitungsanwendungen.

Rostfreier Stahl

Martensitische und ausscheidungshärtende Edelstähle wie 410, 416, 420 und 17-4PH können effektiv nitriert werden, um die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Es kann eine Oberflächenhärte von 1000-1400 HV erreicht werden.

Aluminiumlegierungen

Bestimmte Aluminiumlegierungen, die Silizium und Magnesium enthalten, können durch einen Prozess namens Nitrocarburieren nitriert werden. Dadurch diffundieren Stickstoff und Kohlenstoff gleichzeitig in die Legierung.

Titanlegierungen

Titanlegierungen einschließlich Ti-6Al-4V können durch Plasmaverfahren nitriert werden. Dadurch entsteht eine schützende Oberflächenschicht mit hoher Härte, ohne die Duktilität und Bruchzähigkeit des Kerns zu beeinträchtigen.

Andere Legierungen

Andere Materialien wie Superlegierungen auf Nickelbasis, Werkzeugstähle und Kobaltlegierungen können ebenfalls nitriert werden. Sowohl Eisen- als auch Nichteisenlegierungen mit ausreichenden Legierungszusätzen zur Stabilisierung von Nitriden können davon profitieren.

Ausrüstung und Verbrauchsmaterialien zum Nitrieren

Nitrierprozesse nutzen spezielle Öfen, Gasversorgungen und Temperaturüberwachungsgeräte:

• Nitrieröfen
  • Kasten- oder Schranköfen mit gasdichten Retorten und Isolierung für Gas- und Plasmanitrieren bis 1000 °F (590 °C).
  • Salzschmelzbadöfen zum Salzbadnitrieren bei etwa 1100 °F (590 °C).
  • Wirbelschichtöfen mit porösen Keramikmedien für die Wirbelschichtnitrierung.
• Stickstoffgas
  • Hochreines Stickstoffgas als Quelle für die Gasnitrierung.
  • Ammoniakgas, das zum Gasnitrieren in Stickstoff und Wasserstoff zerfällt.
• Stromversorgungen
  • Gleichstromversorgungen bis 1000 V und Nennströme über 10,000 Ampere für das Plasmanitrieren.
• Temperaturüberwachung
  • Thermoelemente zur Überwachung der Gleichmäßigkeit der Ofentemperatur.
  • Pyrometer zur Messung der Oberflächentemperatur von Bauteilen.
• Verbrauchsmaterial
  • Cyanidsalze zum Salzbadnitrieren.
  • Aluminiumoxidpulver für die Wirbelschichtnitrierung.
  • Abschrecköl, Reinigungslösungen, Werkzeuge, Vorrichtungen usw.

Für die Kontrolle der Nitrieratmosphäre, -temperatur und -dauer ist die richtige Ausrüstung unerlässlich, um wiederholbare Härtetiefen und -eigenschaften zu erreichen.

Nitrierprozess

Die wichtigsten Schritte in einem typischen Nitrierprozess sind:

1. Reinigung
   1. Entfernen Sie Schmutz, Öl, Fett, Oxide und andere Verunreinigungen von der Bauteiloberfläche durch Entfetten, alkalische Reinigung oder saures Beizen.
2. Laden
   1. Laden Sie die Komponenten vorsichtig in Vorrichtungen oder Körbe, um eine Kontamination zu vermeiden und eine ordnungsgemäße Exposition sicherzustellen.
3. Erhitzen und Warmhalten
   1. Mit einer Geschwindigkeit von 400–800 °C/h (220–440 °F/h) erhitzen, um die Nitriertemperatur zu erreichen.
   2. Halten Sie die Nitriertemperatur, damit die Werkstücke ein thermisches Gleichgewicht erreichen.
4. Nitrieren
   1. Setzen Sie Werkstücke für die erforderliche Zeit einer stickstoffreichen Umgebung bei Nitriertemperatur aus, um die Härtetiefe zu erreichen.
   2. Ammoniakgas wird in Stickstoff und Wasserstoff gespalten. Plasma erzeugt Stickstoffionen. Cyanidsalze setzen Stickstoff frei.
5. Abschrecken
   1. Schnelles Abkühlen, beispielsweise in Öl, um die nitrierte Struktur zu erhalten. Für einige Prozesse nicht erforderlich.
6. Entladen und Reinigen
   1. Werkstücke entladen und eventuelle Rückstände von Abschrecköl oder Salzen durch Waschen entfernen.
   2. Führen Sie eine Nachbehandlung wie Schleifen oder Polieren durch.

Eine sorgfältige Prozesskontrolle ist erforderlich, um die gewünschte Härtetiefe zu erreichen, Verzerrungen zu minimieren und die Bildung der Nitridphase sicherzustellen.

Industrielle Anwendungen des Nitrierens

Zu den gebräuchlichen industriellen Anwendungen des Nitrierens in mechanischen Bauteilen gehören:

Getriebe

Zahnräder aus nitriertem legiertem Stahl weisen eine höhere Oberflächenhärte und Dauerfestigkeit auf. Wird in Getrieben, Nockengetrieben, Zahnkränzen usw. verwendet.

Lager

Das Nitrieren von Lagerlaufbahnen, Wälzkörpern und Lageroberflächen verbessert die Verschleißfestigkeit und Haltbarkeit unter zyklischer Belastung.

Kurbelwellen

Nitrieren erhöht die Dauerfestigkeit von Kurbelwellenkehlen und -zapfen. Wird in Automobil- und Schiffsmotoren verwendet.

Pistons

Nitrierte Aluminiumgusskolben erhöhen die Abriebfestigkeit und die Haftverschleißfestigkeit an den Zylinderwänden.

Röhren

Verbesserter Verschleiß an Einlass- und Auslassventilen von Verbrennungsmotoren mit nitrierten Ventilflächen und -schäften.

Schneidewerkzeuge

Beschichtete Schnellarbeitsstahl- und Hartmetall-Schneidwerkzeuge, die mit Nitrierung behandelt wurden, haben eine bessere Zerspanungsleistung und Standzeit.

Dies und Formen

Formen und Matrizen aus nitriertem Werkzeugstahl zum Gießen, Schmieden und Stanzen weisen eine verbesserte Haltbarkeit und Leistung auf.

andere Verwendungen

Häufig in Druckbehältern, Wellen, Zylindern, Nocken, Befestigungselementen, Aktuatoren und Fluidtechnikkomponenten.

Die Erhöhung der Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit macht das Nitrieren ideal für kritische mechanische Teile.

Nitrieren in Schmuck und Accessoires

Nitrieren ist zwar weniger verbreitet als industrielle Anwendungen, hat aber einige Nischenanwendungen bei Schmuck und Modeaccessoires:

Verbesserte Oberflächengüte

Durch Nitrieren kann eine glatte, gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit auf Schmuckmetallkomponenten wie Ringen, Armbändern und Uhrengehäusen erzielt werden. Dadurch wird die Notwendigkeit eines Nachpolierens reduziert.

Verbesserte Korrosionsbeständigkeit

Die nitrierte Schicht verbessert die Korrosionsbeständigkeit von Schmuckstücken, die Feuchtigkeit ausgesetzt sind, wie Ringe, Armbänder, Ketten und Uhrenarmbänder aus Metall.

Dekorative schwarze Beschichtungen

Durch selektives Schwärzen geätzter Oberflächen durch Nitrieren von Edelstahl oder Titan können dekorative Muster und Akzente auf Schmuckstücken erzielt werden.

Gehärtete Oberflächen

Verbesserte Verschleißfestigkeit für stark beanspruchte Schmuckstücke wie Herrenringe und Uhrenarmbänder aus Metall durch Oberflächenhärtung.

Verbesserte Transparenz und Nachvollziehbarkeit von Compliance-Prozessen

Bei bestimmten Metallen kann das Nitrieren bei geringeren Kosten Leistungsvorteile gegenüber Plattieren oder PVD-Beschichtungen bieten.

Kundenwahrnehmung

Einige Luxusmarken nutzen Nitrieren wegen der vermeintlichen Vorteile der Technologie und der Oberflächenbeschaffenheit.

Obwohl das Nitrieren nicht so weit verbreitet ist wie in der Fertigungsindustrie, kann es bei ausgewählten Schmuckanwendungen funktionelle und ästhetische Vorteile bieten. Um das Aussehen von Schmuckmetallen zu erhalten, ist eine ordnungsgemäße Kontrolle erforderlich.

Vergleich mit anderen Oberflächenhärtungsverfahren

Das Nitrieren unterscheidet sich in mehreren Punkten von anderen gängigen Oberflächenhärtungsverfahren:

Aufkohlen

Beim Aufkohlen diffundiert Kohlenstoff statt Stickstoff in die Stahloberfläche. Es entsteht eine härtere, aber weniger stabile martensitische Hülle. Nitrieren sorgt für eine bessere Korrosionsbeständigkeit.

Nitrocarburieren

Beim Nitrocarburieren werden Stickstoff und Kohlenstoff gleichzeitig hinzugefügt. Das kombinierte Carbonitrid-Gehäuse kann Vorteile gegenüber jedem einzelnen bieten.

Induktionshärten

Beim Induktionshärten wird die Oberfläche durch elektromagnetische Induktion schnell erhitzt und abgeschreckt. Nitrieren sorgt für eine größere Einsatztiefe und weniger Verzug.

Flammhärten

Beim Flammhärten erhitzen Autogenbrenner die Oberfläche vor dem Abschrecken schnell. Durch Nitrieren können komplexe Geometrien effektiver gehärtet werden.

Hartfilmabscheidung

Hartfilmabscheidungstechniken wie PVD, CVD und thermisch gespritzte Beschichtungen tragen eine dünne Keramikbeschichtung auf der Oberfläche auf. Beim Nitrieren diffundiert Stickstoff in das Substratmetall selbst und sorgt so für eine bessere Haftung und Ermüdungsbeständigkeit. Beschichtungen können jedoch zusätzliche Vorteile wie Isolierung oder hohe Temperaturbeständigkeit bieten.