Nitrierstähle

Als Nitrierstahl bezeichnet solche Stähle, die sich besonders gut für eine Nitrierung eignen. Gemäß der DIN EN 10027-2 sind dies alle Stähle, deren Werkstoffnummer mit 1.85 beginnt. Klassische Nitrierstähle sind der 31CrMoV9 / 1.8519 und der 34CrAlNi7-10 / 1.8550.

Nitrieren als Verfahren zu Oberflächenhärtung

Nitrieren ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stahl. Hierzu wird die Randschicht eines bearbeiteten Werkstücks mit Stickstoff angereichert, weshalb man an auch vom Aufsticken spricht. Der eindiffundierte Stickstoff bildet zusammen mit dem Eisen und den nitridbildenden Elementen Chrom, Aluminium und Vanadin sehr harte Nitride. So können je nach Werkstoff Oberflächenhärten von über 1.000 HV erzielt werden. Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit steigen entsprechend, bei weiterhin zähem Kern. Die gängigsten Nitrierverfahren sind Gasnitrieren und Plasmanitrieren.

Vor- und Nachteile des Nitrierens

Vorteile des Nitrierens sind eine hohe Oberflächenhärte von über 1.000 HV, Verschleißfestigkeit bei Betriebstemperaturen bis 550°C und Korrosionsbeständigkeit, bei weiterhin hoher Zähigkeit im Kern. Beim Nitrieren erfolgt keine Gefügeumwandlung, ebenso wenig muss das Material abgeschreckt werden, weshalb die Gefahr von Rissen oder Verzügen gering ist. Zudem sind Maßänderungen minimal, so dass Nachbearbeitungen wie Schleifen in der Regel nur geringfügig erforderlich sind. Anzumerken ist, dass das das Bauteil beim Nitrieren „wächst“. Diese geringfügige, gleichmäßige Volumenzunahme muss entsprechend berücksichtigt werden. Beim Plasmatieren fällt sie besonders gering aus. Da die Nitrierschicht vergleichsweise spröde ist, kann sie bei schlagartiger Krafteinwirkung einreißen.

Unterschiede zwischen Gasnitrieren und Plasmanitrieren

Beim Gasnitrieren wird Ammoniak verwendet, dessen freiwerdender Stickstoff in das Bauteil diffundiert und es so aufstickt. Die Temperatur ist mit ca. 520°C vergleichsweise gering, weshalb lange Haltezeiten von 50 bis über 100 Stunden erforderlich sind. Um Kosten zu reduzieren und einen Festigkeitsabfall durch eine Anlasswirkung zu vermeiden, wird Bauteile heutzutage oftmals nitrocarburiert. Hierbei wird die Randschicht des Bauteils zusätzlich mit Kohlenstoff angereichert, wodurch die Behandlungszeit stark reduziert wird. Beim Plasmanitrieren ist die Stickstoffquelle ein ionisiertes Gas. Hierbei wird ein Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff in einem Vakuumofen unter Druck gesetzt. Hierdurch wird das Gasgemisch ionisiert, trifft mit hoher Geschwindigkeit auf das Bauteil und reichert dessen Oberfläche mit Stickstoff an.

Welche chemischen Elemente steigern die Nitrierhärte und Nitrierhärtetiefe?

Nitrierstähle haben spezielle chemische Zusammensetzungen, die nach der mechanischen Bearbeitung eine optimale Nitrierbehandlung gewährleisten. Hier sind insbesondere die chemischen Elemente Molybdän, Chrom, Aluminium und Vanadium zu nennen. Ihr Verhältnis untereinander bestimmen die Ausprägungen der Nitrierhärte und der Nitrierhärtetiefe.

Wo sind Nitrierstähle genormt?

Nitrierstähle sind in der DIN EN ISO 683-5 genormt, wobei die mechanischen Eigenschaften im vergüteten Zustand dort bis maximal rd. 250 mm definiert werden. Vorgängernormen sind die DIN EN 10085 sowie die DIN 17211. In der DIN EN 10250 und der SEW 550 finden sich keine Angaben zu Nitrierstählen, so dass Abmessungen größer rd. 250 mm nicht genormt sind.

Nitrierstahl Verwendung: Diese Einsatzgebiete gibt es

Nitrierstähle werden für Bauteile mit hoher Oberflächenbeanspruchung und ggf. gleichzeitiger Temperaturbeanspruchung eingesetzt. Im allgemeinen Maschinenbau und im Fahrzeugbau sind dies typischerweise Zahnräder, Kurbelwellen, Richtwalzen, Hydraulikkolben, Kolbenstangen, Ritzelwellen und Exzenter. Des Weiteren werden Nitrierstähle in der Kunststoffindustrie eingesetzt, beispielsweise für Zylinder, Plastifizierungswerkzeuge wie Schnecken und Extruder sowie Führungssäulen für Kunststoffspritzgießmaschinen. Bei der Wahl des Nitrierstahls ist insbesondere das werkstoffspezifische Verhalten bei hohen sowie ggf. niedrigen Temperaturen zu beachten.

Was sind Nitrierhärte und Nitrierhärtetiefe?

Die Nitrierhärte beschreibt die Oberflächenhärte eines Bauteils, also die absolute der Härte der Randschicht. Sie kann Werte von über 1.000 HV erreichen. Die Nitrierhärtetiefe gibt Auskunft über die Dicke der Nitrierschicht. Gemäß der DIN 50190-3 ist sie definiert als der Abstand von der Oberfläche des Bauteils, dessen Härte 50 HV oberhalb der Kernhärte liegt. Für die Bestimmung muss also neben der Kernhärte auch der Härteverlauf von der Oberfläche Richtung Kern gemessen werden. Die Nitrierhärtetiefe beträgt in der Regel nur wenige Zehntelmillimeter, kann bei langen Behandlungsdauer aber auch bis zu 0,9 mm betragen.

Warum sollten Nitrierstähle nach dem Vergüten spannungsarmgeglüht werden?

Nitrierstähle sollten nach dem Vergüten spannungsarmgeglüht werden, damit zum einen bei der mechanischen Bearbeitung keine Richtspannungen freiwerden, die zu Verzügen führen. Dies ist besondere bei langen Bauteilen wichtig, für deren Fertigung oftmals Nitrierstähle eingesetzt werden. Zum anderen minimiert die Spannungsarmglühung die Verzugsgefahr der Bauteile beim Nitrieren. Verzüge beim Nitrieren sind besonders problematisch, da ein Schleifen zur Nachbearbeitung nicht nur hohe Kosten verursacht, sondern auch die aufgebrachte dünne Nitrierschicht wieder (partiell) zerstört.