HTM - Journal of Heat Treatment and Materials - Ausgabe 02/2011 - zahlreiche Themen zum Nitrieren und Nitrocarburieren

Verbindungsschichtbildung beim Nitrieren und Nitrocarburieren – Wissensstand und zukünftiger Forschungsbedarf

Der vorliegende Artikel beschäftigt sich mit der Verbindungsschichtbildung von Eisenwerkstoffen während des Gasnitrierens und -nitrocarburierens. Der Beginn der Nitridkeimbildung an der Werkstoffoberfläche wird bestimmt durch die

Konkurrenz zwischen Ammoniakdissoziation und dem Stickstoffabtrag von der Oberfläche durch Festkörperdiffusion und Desorption oder einer konkurrierenden Aufkohlungsreaktion. Während des Verbindungsschichtwachstums wird die Schichtwachstumskinetik durch eine Kombination aus Festkörperdiffusion von interstitiell gelösten Elementen und der Kinetik der Oberflächenreaktionen bestimmt. Beim Nitrocarburieren spielen außerdem Phasenumwandlungen innerhalb der Verbindungsschicht bei der Bestimmung der Schichtwachstumskinetik eine Rolle.
Von Marcel A. J. Somers
Erschienen in HTM - Journal of Heat Treatment and Materials 02/2011, Seite 56-67

Kontrolliertes Nitrieren und Nitrocarburieren – Stand der Technik

Der Prozess des Gasnitrierens wird als vollständig kontrollierbar über die Temperatur und das Nitrierpotenzial betrachtet. Die meisten der kommerziell verwendeten Regelsysteme basieren auf dem Lehrer-Diagramm, welches die Abhängigkeit zwischen den Stickstoff-Eisen-Phasen, der Temperatur und dem Partialdruckverhältnis zwischen Ammoniak und Wasserstoff zeigt. Dies spiegelt sich auch in der Messeinrichtung wider, die zur Bestimmung des Nitrierpotenzials verwendet wird. Lehrer entwickelte sein Phasendiagramm aus den Reaktionen zwischen festen Gasmischungen aus Ammoniak und Wasserstoff mit Eisenpulver. In industriellen Nitrierprozessen, die echte Teile aus Stählen behandeln, entsprechen die Ergebnisse oftmals nicht den Erwartungen. Der Artikel wird versuchen die Parameter zu benennen, die dazu beachtet werden müssen, und wie diese mit der heute zur Verfügung stehenden Ausrüstung gemessen, eingestellt und geregelt werden können.
Von K.-M. Winter | S. Hoja | H. Klümper-Westkamp
Erschienen in HTM - Journal of Heat Treatment and Materials 02/2011, Seite 68-75

Nitrocarburieren in Ammoniak-Kohlenwasserstoff-Gasgemischen

Im vorliegenden Bericht wird die Möglichkeit des Nitrocarburierens in Ammoniak-Acetylen-Wasserstoff sowie Ammoniak-Propen-Wasserstoff-Gemischen untersucht, wobei als Kohlenstoffquelle während der Nitrocarburierung ungesättigtes Kohlenwasserstoffgas Verwendung findet. Infolgedessen erfolgt die Nitrocarburierung in einer reduzierenden Atmosphäre und die unmittelbare Kontrolle des Aufkohlungsbzw. Nitrierpotenzials ist möglich. Die Wirkung des Nitrocarburierens auf unlegiertes Armcoeisen wurde in einer Thermowaage bei 580 °C untersucht. Die erzielten Schichten wurden im Lichtmikroskop sowie durch Röntgenbeugung analysiert. Es wird gezeigt, dass die Verwendung von ungesättigtem Kohlenwasserstoffgas eine mögliche Alternative zu den üblichen Nitrocarburierbehandlungen darstellt.
Von H. Pedersen | T. L. Christiansen | M. A. J. Somers
Erschienen in HTM - Journal of Heat Treatment and Materials 02/2011, Seite 76-81

Sensorkontrolliertes Gasoxinitrieren von Warmarbeitsstählen mit Ammoniak-Wasser-Gemischen in der industriellen Praxis

Düsenkörper in höchstbelasteten Dieseleinspritzsystemen werden stetig steigenden Applikationstemperaturen ausgesetzt, denen die bisher verwendeten einsatzgehärteten Bauteile nicht mehr gerecht wurden. Um diesen Beanspruchungen zu begegnen, wurden Düsenkörper aus nitriertem Warmarbeitsstahl entwickelt, die bei Temperaturen bis zu 450 °C belastet werden können. Wegen der starken Passivierungsneigung des Warmarbeitsstahls und wegen des Vorprozesses mit elektrochemischem Abtragen musste ein Gasoxinitrierprozess angewendet werden. Die Kontrolle des Oxidationspotenzials im verwendeten Ammoniak-Wassergemisch erfolgt dabei durch eine Sauerstoffsonde. Mittels eines Wasserstoffsensors kann das Nitrierpotenzial geregelt werden, sodass auch eingeschränkte Verbindungsschichtdicken realisiert werden können. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Erfahrungen mit dem Gasoxinitrieren von Warmarbeitsstählen sowie der Anwendung von Sensoren in der industriellen Praxis.
Von N. Lippmann | Ü. Kizil | B. Öklü
Erschienen in HTM - Journal of Heat Treatment and Materials 02/2011, Seite 82-86

Nitrieren von pulvermetallurgisch hergestellten hochlegierten Kunststoffformenstählen

Das Nitrieren von hochlegierten Werkzeugstählen ist eine Sonderwärmebehandlung, die zu komplexen metallurgischen Reaktionen führt. Dabei können unerwünschte Gefügeausprägungen auftreten, die zu spröden Nitrierschichten führen und im Einsatz relativ leicht versagen. Ein Grund für die Sprödigkeit der Nitrierschichten ist der hohe Gehalt an Kohlenstoff in diesen Stählen. Dieser wird während des Nitrierens durch den eindiffundierenden Stickstoff verdrängt und verursacht Ausscheidungen an den Korngrenzen. Die in diesem Artikel dargestellten Untersuchungen wurden an den beiden hochlegierten Kunststoffformenstählen Böhler M390 (“X190CrVMo26-4”) [1] und Bodycote MV11K (“X260CrVMo26-4”) [2] durchgeführt. Beide Stähle werden über die pulvermetallurgische Route hergestellt. Beim Plasmanitrieren mit 25 % N2 in der Nitrieratmosphäre bildet sich an den Korngrenzen ein Netzwerk einer Hartphase aus. Charakteristisch für diesen Bereich der Nitrierschicht sind hohe Kohlenstoffgehalte an den ehemaligen Korngrenzen und hohe Stickstoffgehalte in den Primärkarbiden. Unterschiedliche Möglichkeiten können angewendet werden, um die netzwerkartige Phase zu beeinflussen bzw. zu unterdrücken. Dies sind zum Beispiel eine Erhöhung der Nitriertemperatur, eine Reduktion der Nitrierzeit oder ein Absenken des Stickstoffgehaltes in der Nitrieratmosphäre.
Von T. Fuchs | G. Pöckl | J. Mittmannsgruber | R. Schneider
Erschienen in HTM - Journal of Heat Treatment and Materials 02/2011, Seite 87-93


Entwicklung der Mikrostruktur und Oberflächen-Eigenspannungen während des Niedertemperatur-Gasnitrierens von Fe-3,07at.%Mo-Legierungen

3,07at.%Mo-Legierungen wurden nitriert bei 480 °C in einer NH3/H2-Gasmischung mit einem Nitrierpotenzial von 0,25 atm-1/2. Elektronenmikroskopische Feinbereichsbeugungsbilder der Nitrierzone zeigten kontinuierliche “Streaks” in <100>α-Fe-Richtungen, ein Zeichen für sehr feine, nanoskalige Ausscheidungen, mit einer kohärenten Grenzfläche parallel zu den {100}-Ebenen der ferritischen (α) Matrix. Röntgenbeugungsdiagramme, die von der Probenoberfläche aufgenommen wurden, zeigten eine asymmetrische Linienverbreiterung der Ferritmatrix, welche insbesondere bei der (200)-Linie sehr ausgeprägt war. Dies ist ein Hinweis auf eine tetragonale Verzerrung der Ferritmatrix in der Umgebung der Ausscheidungen durch Mikrospannungen. Diese nano-skaligen Ausscheidungen verursachen neben einer relativ hohen Härte von 900 HV 0,05 auch eine makroskopische Druckeigenspannung von 1100 MPa parallel zur Oberfläche im oberflächennahen Bereich der Nitrierzone.
Von H. Selg | E. Bischoff | R. Schacherl | J. Schwarzer | E. J. Mittemeijer
Erschienen in HTM - Journal of Heat Treatment and Materials 02/2011, Seite 94-99

Kopplung von Diffusion und Thermodynamik – am Beispiel des Gasnitrierens

Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften nitrierter Stähle ist der Einsatz dieser Technik von großem Interesse für verschiedenste industrielle Anwendungen. Große Erfolge konnten während der letzten Jahrzehnte auf dem Gebiet der Nitrierhärtung erzielt werden und neben mannigfaltigen Prozessausführungen zählt das Gasnitrieren heute zu den am häufigsten eingesetzten Verfahren für eine breite Palette an Stahlsorten. Es wurden numerische Simulationen durchgeführt, in denen Stofftransport mittels Diffusion mit thermochemischen Gleichgewichtsreaktionen gekoppelt wurde, was am Beispiel der Legierung 10Cr4 (Fe, 1 Gew.-% Cr, 0,1 Gew.-% C) erläutert wird. Die Ergebnisse werden in einer zweidimensionalen Mikrostruktur berechnet, welche ähnlich einem Querschliff der Probe Aufschluss über die Bildung oder das Nicht-Vorhanden-Sein einer entsprechenden Phase liefert. Dies dient als wertvolle Grundlage zum Verständnis des Prozesses und zur Steuerung von wichtigen Zielgrößen, wie etwa die Verteilung der mechanischen Härte im gesamten Werkstück.
Von M. Auinger | M. Rohwerder
Erschienen in HTM - Journal of Heat Treatment and Materials 02/2011, Seite 100-102

Ideal schwache Nitrierkinetik beim Gasnitrieren einer Fe-2at.%Si-Legierung

Eine Fe-2.03at.%Si-Legierung wurde in einer NH3/H2-Gasmischung bei 580 °C nitriert unter Anwendung eines Nitrierpotenzials (rN) von 0,104 atm-1/2. Die nitrierten Proben wurden vornehmlich mit Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Härtemessungen charakterisiert. Überraschenderweise und zum ersten Mal wurde eine ideal schwache Wechselwirkung beim Nitrieren von dicken (1 mm) rekristallisierten Fe-2.03at.% Si-Proben beobachtet. Solch schwache Wechselwirkung wird sonst nur bei Legierungselementen, deren Nitride schwierig auszuscheiden sind, in dünnen (cirka 0,1-0,3 mm dicken) Fe-Me-Legierungen festgestellt. Dieses Phänomen kann einer sehr langen Inkubationszeit und einer sehr langsamen Kinetik für die Ausscheidung von (amorphem) Siliziumnitrid zugeschrieben werden. Zusätzlich wurde ein ungewöhnlicher Härteverlauf mit zunehmender Nitrierzeit und eine ansteigende Stickstoffaufnahme mit zunehmender Nitrierzeit beobachtet. Die Härte der nitrierten Proben nahm zuerst mit zunehmender Nitrierzeit bis zu 30 h zu, dann wurde sie geringer bis zu 165 h, um anschließend wieder anzusteigen. Das Auftreten des ersten Härtemaximums bei einer Nitrierzeit von 30 h wird der Bildung einer metastabilen Vorstufe des Siliziumnitrids zugeschrieben.
Von S. Meka | R. Schacherl | E. Bischoff | E. J. Mittemeijer
Erschienen in HTM - Journal of Heat Treatment and Materials 02/2011, Seite 103-108

Niedertemperatur-Randschichtbehandlung von rostfreiem Stahl im Gas

Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über einige technologische Aspekte der thermochemischen Niedertemperaturbehandlung von rostfreiem Stahl. Beispiele des Nitrierens, Aufkohlens und Nitrocarburierens von rostfreiem Stahl mit Gas bei Niedertemperatur werden vorgestellt und diskutiert. Es wird speziell auf Morphologie, Mikrostruktur und Charakteristik der sogenannten “expanded Austenit-Schichten” bei rostfreiem Stahl eingegangen.
Von T. L. Christiansen, | M. A. J. Somers
Erschienen in HTM - Journal of Heat Treatment and Materials 02/2011, Seite 109-115

Plasmanitrieren von Aluminiumlegierungen

Das Nitrieren von Aluminium-Werkstoffen führt zur Bildung einer harten Aluminiumnitrid(AlN)-Schicht. Jedoch ist die Tragfähigkeit der Nitridschicht aufgrund der Eigenschaftsunterschiede zwischen der sehr harten AlN-Schicht und dem weichen Al-Substrat stark begrenzt. Um nitrierte Al-Legierungen auch für Beanspruchungen mit hohen Flächenlasten nutzbar zu machen, sind zusätzliche Maßnahmen zur Abstützung notwendig. Elektronenstrahl-Flüssigphasenprozesse ohne oder mit Zusatzstoff ermöglichen insbesondere für Al-Werkstoffe durch die Modifizierung der chemischen Zusammensetzung des randschichtnahen Gefüges die Erzeugung verschleiß- und ermüdungsbeständiger Randschichten für größere Flächenlasten. Eine Kombinationsbehandlung, bestehend aus Elektronenstrahl( EB)-Umschmelzlegieren mit Eisen-Basis-Zusatzstoff und Plasmanitrieren, wurde am Beispiel der Al-Legierungen AlSi10Mg und AlMg4,5Mn0,7 durchgeführt. Durch das EB-Umschmelzlegieren konnte die Randschichthärte der Al-Substratwerkstoffe bis um das 3-fache gesteigert werden. Mittels Plasmanitrieren wurden in Abhängigkeit der Nitrierdauer AlN-Schichten mit Dicken im Bereich von 1-7 µm erzeugt. Verschleißversuche zeigen die deutliche Erhöhung der Tragfähigkeit der AlN-Schicht durch EB-randschichtlegierte Stützschichten und belegen das Potenzial einer Duplex-Randschichtbehandlung für Al-Werkstoffe im Hinblick auf die Verbesserung der tribologischen Beanspruchbarkeit.
Von A. Dalke | H.-J. Spies | H. Biermann
Erschienen in HTM - Journal of Heat Treatment and Materials 02/2011, Seite 116-123