Welche Eigenschaften haben nitrierte Randschichten ?

 

“Das Verhalten nitrierter Bauteile gegenüber tribologischen, chemischen und elektrochemischen Beanspruchungen wird vor allem durch den Aufbau der Verbindungsschicht bestimmt, ihr Verhalten gegenüber zyklischen, mechanischen und thermischen Beanspruchungen hauptsächlich durch den Aufbau der Diffusionsschicht.

Nitrierte Tandschicht

Nitrierte Randschicht

weiß angeätzter Bereich …. Verbindungsschicht

dunkel angeätzter Bereich …. Diffusionsschicht

 

Verbindungsschichten aus ε-Nitrid eignen sich als Schutzschichten gegenüber einem breiten Spektrum von Schädigungsmechanismen. Das gilt besonders für ihren Widerstand gegenüber komplexen tribologischen und chemischen Beanspruchungen. Die hohe Härte der Eisennitride gewährleistet eine Erhöhung der Beständigkeit gegenüber abrasivem Verschleiß. Die Adhäsionsneigung von ε-Nitridschichten ist auf Grund ihrer hexagonalen Struktur und ihrer Härte gering. Eisennitride sind passivierbar und zeichnen sich durch eine
erhöhte Beständigkeit gegenüber neutralen Salzlösungen und atmosphärischer Korrosion sowie Tribooxidation aus.

Nachteilig wirkt sich vor allem bei dynamischen Beanspruchungen die geringe Zähigkeit der Verbindungsschichten aus.

Die Ausscheidung von Nitriden in der inneren arteigenen Randschicht führt zu einer Steigerung der Festigkeit und zum Aufbau von Druckeigenspannungen. Diese Wirkungen bleiben auch bei höheren Temperaturen erhalten. Diffusionsschichten haben deshalb neben der hohen Härte und hohen Druckeigenspannungen eine gegenüber dem Grundwerkstoff deutlich höhere Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit.

Die bei tiefen Nitriertemperaturen erzeugten Ausscheidungszustände zeichnen sich durch eine relativ hohe Stabilität aus, die auch bei Prüftemperaturen oberhalb der Nitriertemperatur noch wirksam ist. Das rechtfertigt den Einsatz nitrierter Bauteile z. B. nitrierter Warmarbeitswerkzeuge und Ventile auch bei Temperaturen oberhalb der Nitriertemperatur.

Mit der Steigerung der Festigkeit der Randschicht ist ein Rückgang ihrer Zähigkeit verbunden. Die Bruchzähigkeit von Diffusionsschichten ordnet sich in den bekannten Zusammenhang zwischen der Härte und der Bruchzähigkeit ein. Sie erreicht bei vergleichbarer Härte die Zähigkeit einsatzgehärteter Randschichten und gehärteter Schnellarbeitsstähle. Die Diffusionsschichten der Warmarbeitsstähle mit 5%-Cr haben auf Grund ihrer deutlich höheren Härte eine geringere Zähigkeit. Die Zähigkeit wird darüber hinaus maßgeblich vom Ausgangsgefüge vor dem Nitrieren beeinflusst.

Eine Nebenwirkung des Nitrierens ist eine von den Nitrierbedingungen und der Zusammensetzung des Grundwerkstoffes abhängige Umverteilung des Kohlenstoffs. Sie kann zu Zementitausscheidungen an Korngrenzen parallel zur Oberfläche führen, die einen Rückgang der Zähigkeit der Diffusionsschicht hervorrufen.

Die Verfestigung der Diffusionsschicht führt in Verbindung mit den Druckeigenspannungen zu einer deutlichen Erhöhung der Wälzfestigkeit und der Schwingfestigkeit sowie des Werkstoffwiderstandes gegenüber thermischer Ermüdung und Warmverschleiß. Die nitrierten Stähle erreichen die Wälzfestigkeit einsatzgehärteter Stähle. Dabei sind allerdings Grenzen, die sich aus der Nitrierhärtetiefe ergeben, zu berücksichtigen. Verwiesen sei besonders auf die Möglichkeit, die Kerbempfindlichkeit durch Nitrieren wirksam zu verringern.“

H.J. Spies in [2]

 

Begriffe

Die Nitrierhärtetiefe (DIN 50190T3), abgekürzt NHD, ist definiert als der senkrechte Abstand von der Oberfläche eines nitrierten Werkstückes bis zu dem Punkt, an dem die Härte einem zweckentspre­chend festgelegten Grenzwert entspricht. Der Grenzwert ist ein Härtewert: die Grenzhärte. Sie soll üblicherweise als Vickershärte HV 0,5 nach DIN EN ISO 6508 festgelegt werden.

 

Bestimmung der Nitrierhärtetiefe

Bestimmung der Nitrierhärtetiefe

Es gilt: Grenzhärte GH = (Ist-Kernhärte + 50) HV

Es ist dabei auf 10 HV zu runden. Von HV 0,5 abweichende Prüfkräfte sind im Bereich HV 0,3 bis HV 2 möglich.

CLT – Abkürzung für Verbindungsschichtdicke. Zur Messung der CLT.

Die Härte eines Stoffes ist definiert als der Widerstand, den der Werkstoff dem Eindringen eines härteren Körpers entgegensetzt.
Nitrierschichten werden nach dem Vickers-Verfahren (DIN EN ISO 6507) charakterisiert. Die höchstzulässige Prüfkräfte zum Messen der Oberflächenhärte richten sich nach der Nitrierhärettiefe. (kleine NHD – kleine Prüflasten / große NHD – große Prüflasten)

 

Was sind die wesentlichen Vorteile des Verfahrens?

 

Die Kombination einer harten, dünnen artfremden Schicht mit einer dickeren, verfestigten arteigenen Stützschicht ist nur für Nitrierschichten charakteristisch. Daraus ergibt sich die von anderen Verfahren der Randschichttechnik unerreichte Anwendungsvielfalt des Nitrierens. Die relativ niedrigen Behandlungstemperaturen, gemessen am Einsatzhärten und thermischen Randschichthärten, gewährleisten niedrige Maß- und Formänderungen, aus ihnen ergeben sich aber auch Grenzen für die erreichbare Diffusionstiefe.“

H.J. Spies in [2]

 

Welche Literatur können Sie zum Thema empfehlen?

 

[2]  Liedtke, Dieter:
Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen, II:

Nitrieren und Nitrocarburieren
Unter Mitarbeit von 6 Ko-Autoren 6., durchges. Aufl. 2014, 346 S., 241 Abb., 28 Tab. (K&S, 686) Kt.
59,00 €, 95,00 CHF
ISBN-13: 978-3-8169-3282-6

 

Wo gibt es dazu Weiterbildungsveranstaltungen?

Die Technische Akademie Esslingen veranstaltet jährlich unter Leitung von Dr. Liedtke im Oktober ein Zweitagesseminar. Er spricht zu den Eigenschaften, Anwendungen und Messverfahren. Die Themen Gasnitrieren, Salzbadnitrocarburieren und Plasmanitrieren werden von anderen Fachkollegen vorgestellt.

Die ELTRO GmbH veranstaltet in Baesweiler mehrmals im Jahr Seminare zum Nitrieren und Nitrocarburieren im Plasma. (Kontakt)