Die Wärmebehandlung besteht darin, die Temperatur zur Modifikation der Eigenschaften eines bestimmten Materials zu nutzen, insbesondere in der Metallurgie. Dieser Prozess erfolgt durch Erhitzen und Abkühlen. Es dient zur Änderung einer oder mehrerer mechanischer, chemischer oder physikalischer Eigenschaften eines bestimmten Materials, um gewünschte Eigenschaften wie erhöhte Festigkeit, Härte, Schlagfestigkeit, Weichheit oder erhöhte Dehnbarkeit zu erzielen. Das Aufkohlen und das Nitrieren sind zwei Techniken, die im Prozess der differenziellen Härtung von Metallstrukturen verwendet werden. Wir untersuchen, was sie verbindet und trennt, und weisen auf die wichtigsten Anwendungen dieser Art der Wärmebehandlung hin.
Was ist Plasmanitrieren?
Nitrieren ist ein Prozess der Wärmebehandlung, der auf der Diffusion von Stickstoff in die Metalloberfläche abzielt, um die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit des Materials sowie seine Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen. Dieser Prozess nutzt Stickstoff und Temperatur. Der Nitrierzyklus beginnt mit der Platzierung des Produkts in einer Vakuumkammer. Nach Erreichen des geeigneten Zustands innerhalb der Kammer wird sie mit Prozessgas gefüllt, um den Vorheizzyklus zu beginnen.
Im Standarderwärmungszyklus umfasst die Nitriertemperatur einen Bereich von 450 bis 550 °C. Nach einer bestimmten Aufheizzeit wird das Prozessgas ionisiert, wodurch Verunreinigungen von der Oberfläche des bearbeiteten Materials entfernt werden. Nach ausreichender Reinigung der Oberfläche eines bestimmten Elements beginnt der Nitrierzyklus. Die korrosionsbeständige Nitrierung kann von einigen bis zu mehreren Dutzend Stunden dauern. Diese Technik wird aufgrund der fast vollständigen Abwesenheit von Verformungen und Spannungen im bearbeiteten Material geschätzt. Nitrierte Stahl hat eine hervorragende Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit. Auch ihre Ermüdungsfestigkeit wird verbessert.
Gasnitrieren - was zeichnet es aus?
Aufkohlen ist ein Wärmebehandlungsprozess, bei dem die Oberflächenschichten des Stahls mit Kohlenstoff gesättigt werden. Dieser Prozess führt zur Härtung des Materials, was die Verwendung des betreffenden Elements in einem breiteren Anwendungsbereich ermöglicht. Längere Zeiten der Gasaufkohlung und höhere Temperaturen dieses Prozesses erhöhen in der Regel die Diffusionstiefe des Kohlenstoffs. Dieser Prozess basiert auf Kohlenmonoxid oder Methan. Danach erfolgt in der Regel das Härten des Materials. Gasaufkohlung wird oft bei der Oberflächenhärtung von niedriglegiertem und kohlenstoffarmem Stahl verwendet. Neben der Gasaufkohlung können wir auch ionische (plasmatische) und Vakuum-Aufkohlung erwähnen.
Nitrieren und Aufkohlen – was sind die Unterschiede zwischen diesen Prozessen?
Nitrieren und Aufkohlen sind die zwei beliebtesten Wärmebehandlungspraktiken für funktionale Elemente zur Oberflächenhärtung. Der grundlegende Unterschied zwischen ihnen ist natürlich das sättigende Element. Wie die Namen schon andeuten, wird beim Nitrieren Stickstoff verwendet, beim Aufkohlen Kohlenstoff. Auch die Temperatur, auf die das Material während der einzelnen Prozesse erhitzt wird, ist wichtig. Die Nitriertemperatur beträgt ca. 450–550 °C, während die Aufkohlungstemperatur bei ca. 850–900 °C liegt.
Es ist erwähnenswert, dass nitrierte Stahl etwas härter (900–1200 HV) sein wird als ähnliches Material, das einer Karburierung (700 HV) unterzogen wurde. Dieser Unterschied ergibt sich auch aus der Tatsache, dass im Rahmen des ersten der genannten Prozesse in der Regel hochwertige legierte Stähle bearbeitet werden. Der zweite Prozess hingegen ist eher für niedrigwertige unlegierte Materialien vorgesehen. Wichtig ist, dass das nitrierte Material korrosionsbeständige Eigenschaften aufweist, während karburierter Stahl dies nicht tut.
Auch die Reihenfolge ist wichtig. Bei der Plasmanitrierung wird der Stahl zunächst einer Wärmebehandlung unterzogen, und erst danach erfolgt die Nitrierung. Im Falle der Gascarburierung ist die Situation umgekehrt - zuerst die Carburierung des Materials, und danach die Wärmebehandlung.
Schließlich muss man feststellen, dass in beiden Prozessen das Thema des Anlassens wichtig ist. Nitrierter Stahl erfordert ein hohes Anlassen, um den Effekt der sekundären Härte zu erzielen. Bei karbonisierten Materialien sollte jedoch kein hohes Anlassen (d.h. bei Temperaturen über 500 °C) angewendet werden, um ihre Oberfläche nicht zu erweichen.
Nitrieren und Karbonisieren - wo finden sie Anwendung?
Die korrosionsbeständige Nitrierung ist eine sehr beliebte Lösung, wenn es darum geht, alle Arten von beweglichen Stahlteilen von Mechanismen, wie z.B. Kurbelwellen, Zahnräder, Ventilelemente, Kupplungen oder Motoren, effektiv zu schützen. Dieser Prozess kann erfolgreich zur Bearbeitung von Komponenten eingesetzt werden, die in Maschinen platziert werden, die in feuchter Umgebung arbeiten. Nitrierung wird auch weit verbreitet bei der Formung von Kaltwerkzeugen und Schmiedematrizen eingesetzt.
Ähnlich wie das Nitrieren kann auch das Gasnitrieren zur Wärmebehandlung vieler Stahlsorten verwendet werden. Die daraus hergestellten Teile finden beispielsweise in Maschinen Verwendung, in denen eine hohe Oberflächenhärte in Kombination mit guter Kernzähigkeit sowie hoher Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit des Materials erforderlich ist. Hierbei handelt es sich um Komponenten wie z.B. Zahnräder, Windturbinenbauteile, Pumpenteile oder Getriebegehäuse.