Das Journal of Heat Treatment and Materials  ist ein Organ der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e.V. (AWT)
Datenquelle für nachstehende Zusammenfassung: http://www.hanser-elibrary.com/loi/htme

 

Nitrieren von hochfesten, bainitischen Langprodukten
M. I. Lembke, G. Olschewski, H. Roelofs und H. Klümper-Westkamp

HTM Journal of Heat Treatment and Materials August 2014, Jg. 69, Ausgabe 4. Seiten: 195–200

Moderne bainitische Langprodukte mit Zugfestigkeiten zwischen 800–1400 MPa bieten neue Eigenschaftsprofile und erlauben die Herstellung von komplexen Bauteilen ohne Schlussvergütung. Wie bei Vergütungsstählen können Verschleiß- und Dauerfestigkeit durch eine nachgelagerte Oberflächenhärtung oder -beschichtung verbessert werden. Am IWT in Bremen wurde das Verhalten der bainitischen Stahlsorten 7MnB8 und 18MnCrSiMoS641 beim Nitrieren und Nitrocarburieren systematisch untersucht und mit bekannten (ferritsch-perlitischen) Stählen 44SMn282 und 16MnCrS5Pb+HH3 verglichen. Die Ergebnisse wurden anhand von metallographischen Schliffbildern, Härtemessungen und Elementtiefenprofilen beurteilt. Bei den verwendeten Stählen konnten bei einer Nitrierkennzahl von KN = 2 bar−1/2 und einer Temperatur von 520°C nach 10 h kompakte Verbindungsschichten von ca. 8μm Dicke mit geringem Porenanteil erzeugt werden. Die erzielte Oberflächenhärte lag im Bereich, der auch bei Vergütungsstählen erzielt wird

 

Einfluss der Behandlungsbedingungen beim Nitrocarburieren auf Härte, Verschleiß- und Korrosionswiderstand der Randschicht nichtrostender Stähle.
A. Dalke, J. Gleißner, H.-J. Spies, R. Zenker, and A. Franke

HTM Journal of Heat Treatment and Materials: Vol. 69, No. 4, pp. 201-208.

 

Das Verhalten nichtrostender Stähle bei tribologischen Beanspruchungen wird durch die Anreicherung der Randschicht mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff erheblich verbessert. Zur Aufrechterhaltung der Korrosionsbeständigkeit muss dabei jedoch die Ausscheidung von Chromnitriden bzw. -carbiden unterdrückt werden. Beim Plasmanitrocarburieren wird durch die Kombination der Wirkung von Stickstoff und Kohlenstoff ein zweilagiger Schichtaufbau bestehend aus äußerem expandierten Stickstoff-Austenit und darunterliegendem expandierten Kohlenstoff-Austenit gebildet. Aufgrund der unterschiedlichen Elemente (Stickstoff/Kohlenstoff) und deren Wirkung unterscheiden sich die Eigenschaften der jeweiligen Schicht stark. In Abhängigkeit der Variation des Kohlenstoffangebots sowie Behandlungstemperatur und -dauer können die resultierenden Schichteigenschaften beanspruchungsgerecht optimiert werden. Ergebnisse von Untersuchungen an austenitischen und austenitisch-ferritischen Stählen zum Einfluss der Prozessparameter auf die Zusammensetzung und die Eigenschaften des expandierten Austenits werden vorgestellt und diskutiert.

 

Plasmanitrieren von Warmarbeitsstählen für die Massivumformung
S. Hoja, H. Klümper-Westkamp, F. Hoffmann, and H.-W. Zoch

HTM Journal of Heat Treatment and Materials: Vol. 68, No. 1, pp. 3-12.

 

Um den hohen Beanspruchungen bei der Warmmassivumformung zu begegnen, werden die Oberflächen und Randbereiche der eingesetzten Werkzeuge nitriert. Neben dem Gasnitrieren werden die Werkzeuge alternativ durch Salzbadnitrocarburieren behandelt. Das Plasmanitrieren wird nur zum geringeren Teil angewendet. Dabei bietet die Behandlung im Plasma einige verfahrensspezifische Vorteile gegenüber dem Gasnitrieren, die auch für die Behandlung von Schmiedegesenken interessant sind. Beispielsweise lassen sich partielle Behandlungen im Plasma einfacher und sauberer durchführen und höher legierte Stähle können problemlos im Plasma nitriert werden, da immer wieder auftretende passivierende Oxidschichten durch ein Reinigungssputtern vor dem Nitrieren entfernt werden. Die Untersuchungen beschäftigen sich mit der Nitrierung der in der Warmmassivumformung häufig eingesetzten Stähle X38CrMoV5-3 und X40CrMoV5-1. Für die Nitrierbehandlung standen eine geregelte Gasnitrieranlage sowie zwei Plasmanitrieranlagen zur Verfügung, sodass nicht nur ein Vergleich der Nitriermedien Gas und Plasma, sondern auch der Plasmanitrierung in unterschiedlichen Anlagen gezogen werden konnte. Eine der Anlagen verfügt außerdem über ein aktives Gitter, daher konnte neben dem konventionellen Plasmanitrieren auch die ASPN-Technik (Active Screen Plasma Nitriding) angewendet werden. Es werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Behandlungsmethoden im Hinblick auf die Nitrierung von Schmiedegesenken diskutiert.

 

Nitrieren und Nitrocarburieren
H.-J. Spies

HTM Journal of Heat Treatment and Materials: Vol. 68, No. 2, pp. 86-96.

 

Das Nitrieren und Nitrocarburieren zeichnet sich durch eine von anderen Verfahren der Randschichttechnik unerreichte Anwendungsvielfalt aus, die sich aus der Struktur nitrierter Randschichten und der Variationsbreite nitrierbarer Werkstoffe ergibt. Die einzigartige Kombination einer dünnen Hartstoffschicht, der Verbindungsschicht, mit einer dickeren, ausscheidungsverfestigten arteigenen Stützschicht ist nur für Nitrierschichten charakteristisch. Beginnend vom Gusseisen über die unlegierten und niedriglegierten Stähle bis zu den hochlegierten nichtrostenden Stählen und hochlegierten pulvermetallurgisch erzeugten Werkzeugstählen sind alle Eisenwerkstoffe nitrierbar. Die optimale Nutzung dieses hohen Eigenschaftspotenzials erfordert die gezielte Erzeugung beanspruchungsgerechter Nitrierschichten durch ein kontrolliertes Nitrieren.

 

Kontrolliertes Plasmanitrieren von Stählen mit einem Aktivgitter
K. Börner, H.-J. Spies, I. Burlacov, and H. Biermann

HTM Journal of Heat Treatment and Materials: Vol. 68, No. 3, pp. 124-132.

 

Das Plasmanitrieren mit einem Aktivgitter ist ein innovatives Nitrierverfahren, das das konventionelle Plasmanitrieren sinnvoll ergänzt und in der Industrie im wachsenden Maße Anwendung findet. Eine Vielzahl frei wählbarer Verfahrensparameter ermöglicht es, den Aufbau nitrierter Randschichten in weiten Grenzen zu verändern und beanspruchungsspezifische Randschichten mit einem definierten Gefüge und definierten Eigenschaften zu erzeugen. Zu den relevanten Verfahrensparametern gehören besonders die Zusammensetzung des Prozessgases und die Steuerung des Flusses aktiver Species mithilfe eines Bias. Durch eine kontrollierte Plasmanitrierung/-nitrocarburierung mit dem Aktivgitter kann das gesamte Spektrum nitrierter Randschichten, beginnend von der Nitrierung ohne Verbindungsschicht über γ‘- und ∊-Nitridschichten bis zu ∊-Carbonitridschichten, gezielt erzeugt werden. Auf die Wirkung kohlenstoffhaltiger Prozessgase wird besonders eingegangen. Eine Variation des (CO2: H2)-Verhältnisses im Prozessgas gestattet einen kontrollierten Übergang von einer Plasmanitrocarburierung zu einer Plasmaoxinitrierung. Untersuchungen zu den Mechanismen der Plasmanitrierung mit einem Aktivgitter ergaben, dass in industriellen Anlagen der Mechanismus “Abstäubung und Kondensation” für den Stickstofftransfer keine Rolle spielt. Dagegen ergaben sich Hinweise auf einen Einfluss der Chemisorption auf die Schichtbildung beim ASPN. Geringe Zusätze von Methan zum Prozessgas führen zu einer Aktivierung des Nitrierprozesses auch ohne Anwendung eines Bias.

 

Neues kennzahlbasiertes Regelungskonzept für das kontrollierte Plasmanitrieren und -nitrocarburieren
H. Klümper-Westkamp, J.-H. Gaus, S. Bischoff, J. Rohde, and K.-M. Winter

HTM Journal of Heat Treatment and Materials: Vol. 68, No. 5, pp. 208-213.

 

Das Plasmanitrieren und -nitrocarburieren ist ein seit Langem in der industriellen Produktion etabliertes Verfahren. Dieses plasmaunterstützte thermochemische Randschichtverfahren wird auf verschiedenste Stahl-Bauteile angewandt, um den Verschleißwiderstand, die Korrosionsbeständigkeit sowie die Schwingfestigkeit zu steigern. Nach dem Stand der Technik wird der Prozess heute im Bereich der anomalen Glimmentladung als gepulstes Plasma in einem elektrisch beheizten Warmwandofen durchgeführt. Durch die Einstellung der Begasungszusammensetzung sowie der Plasmaparameter ist es möglich, verschieden dicke Verbindungsschichten mit unterschiedlicher Phasenzusammensetzung, Härte und Morphologie einzustellen. Die hierfür notwendigen konstanten Gas- und Plasmaparameter werden in der Regel vorab experimentell ermittelt. Das Einstellen der optimalen Parameter, um die angestrebte Randschichtspezifikation reproduzierbar und prozesssicher zu erreichen, erfordert eine Menge Expertenwissen und Experimente. Weitere Einflussfaktoren auf die Verbindungsschichtausbildung, wie die Chargengröße, die Chargenzusammensetzung, der Reinigungszustand der Charge, der Chargenaufbau, die Temperaturverteilung in der Charge, die Sauberkeit des Ofens sowie die Leckrate der Vakuumanlage sind schwierig zu berücksichtigen und können große Abweichungen im Randschichtaufbau verursachen. Um diesen Missstand zu überwinden, wurde ein neues Regelungskonzept entwickelt. Untersuchungen zur Gaszusammensetzung des Plasmanitrier- und -nitrocarburierprozesses zeigen unter anderem einen signifikanten Ammoniakanteil, obwohl kein Ammoniak zum Prozess zugegeben wird. Die neue Regelung des Plasmaprozesses zur definierten Einstellung definierter Verbindungsschichten und Randschichten basiert auf der Gasanalyse des Prozessgases, zusammen mit den Plasmaparametern und daraus abgeleiteten Kenngrößen.

 

Erfahrungen beim Gasoxinitrieren von Werkzeugen für die Warmumformung
H.-J. Spies, H. Zimdars, and C. Müller

HTM Journal of Heat Treatment and Materials: Vol. 68, No. 6, pp. 283-289.

 

Charakteristisch für Warmarbeitswerkzeuge ist eine individuelle werkzeugspezifische Beanspruchung und ein daraus resultierendes breites Spektrum an spezifischen lebensdauerbegrenzenden Schädigungen. Da die Schädigung vor allem auf die oberflächennahen Randbereiche beschränkt ist, eröffnet eine Randschichtbehandlung zahlreiche Möglichkeiten der Verbesserung ihres Gebrauchsverhaltens. Besonders bewährt hat sich eine Nitrierung der Werkzeuge. Für einen Einsatz auf Warmarbeitswerkzeugen sind Nitrierschichten durch ihre hohe Anlassbeständigkeit und Warmfestigkeit hervorragend geeignet. Beispiele veranschaulichen das hohe Potenzial der Nitrierung für die Erhöhung der Standmenge von Werkzeugen für die Warmumformung. Sie dienen der Erläuterung wesentlicher Zusammenhänge zwischen dem Aufbau von Nitrierschichten und dem Gebrauchsverhalten der Werkzeuge.