Im Bereich Wärmebehandlung von Metallen gehören Nitrieren und Aufkohlen zu den populärsten und effektivsten Prozessen. Während des Prozesses Plasmanitrieren oder Nitrieren wird nitrierter Stahl beziehungsweise seine Oberflächenschichten mit Stickstoff angereichert. Das soll die Abriebfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit wie auch die Korrosionsbeständigkeit deutlich erhöhen. Der Nitrierungsprozess findet im Vakuum statt. Der Prozess ist ein ständiger Wechsel zwischen Erwärmungs- und Abkühlungsphasen, die allesamt langsam ablaufen. Das wiederum reduziert entscheidend die Bildung von Verformungen und Spannungen im Werkstück. Diese Thermobehandlung trägt zu Veränderungen der Eigenschaften der Randschicht des Werkstücks bei. Beim Plasmanitrieren werden die vorher vorbereiteten Metallunterschichten mit Diffusionsstickstoff getränkt.
Je nach Sättigungsgrad erfolgt die Einteilung in:
- Nichtmetalle (Nitrieren, Aufkohlen, usw.)
- Metalle (Verchromungsprozess, Verzinkung oder Vernickelung)
- Mehrkomponenten (unter anderem Karbonisierung mithilfe von Stickstoff oder Titan)
Was genau bietet Nitrieren?
Plasmanitrieren trägt in erster Linie zur Erhöhung der Abriebfestigkeit von Bauteilen, Verbesserung der Dauerfestigkeit und im Bereich „Korrosionsschutz Nitrieren“ bekommen die behandelten Metalle einen besseren Schutz vor Korrosion. Die Vakuumbedingungen werden als Garant für die nötige Sicherheit und Wiederholbarkeit des Nitrierens eingesetzt.
Die erforderliche Nitriertemperatur liegt bei Eisenwerkstoffen zwischen 480 und 580 Grad Celsius. In Sonderfällen sind Behandlungstemperaturen zwischen 350 und 480 Grad Celsius möglich. Als Ergebnis bekommt man eine extrem haltbare Schutzschicht, die erfolgreich gegen Korrosion oder übermäßigem Abrieb schützt. Nach dem Nitrieren ist ein zusätzliche Wärmebehandlung nicht nötig, was ein großer Vorteil ist. Das Nitrieren kann selbst bei schwer härtbaren Stahlsorten eingesetzt werden.
Aufkohlen von Metallen als erfolgreicher Prozess der Wärmebehandlung
Das Aufkohlen wird oft als Carburieren oder Einsetzen bezeichnet. Im Verlauf des Prozesses wird der Kohlenstoffgehalt von Stählen erhöht. Dafür werden vor allem Stähle verwendet, die aufgrund eines zu geringen Gehalts schlecht oder gar nicht zum Härten geeignet sind. Diese Stähle werden bei der Gasaufkohlung mindestens in der Randschicht mit Kohlenstoff angereichert. So bildet sich an der Randschicht der Martensit und die Randschicht bleibt härter ist als der Kern des Werkstoffs. Das ist völlig normal, weil der Kern des Werkstücks meist weich und zäh bleiben soll.
Das Aufkohlen ist lediglich die erste Phase des Einsatzhärtens. Danach folgen das Härten, Abschrecken und Anlassen. Für diese Art von Wärmebehandlung dürfen allerdings nur Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt bis 0,25 Prozent verwendet werden. Gasaufkohlung erfolgt in einer Temperatur zwischen 850 und 900 Grad Celsius. Die Prozessdauer hängt von der Dicke der Randschicht ab, in der die aus der Aufkohlung resultierenden Veränderungen auftreten sollen. Im Schnitt sind es jedoch 3 bis 20 Stunden.
Was bewirkt das Aufkohlen?
Zu den wichtigsten Vorteilen von Gasaufkohlung gehören:
- Hohe Kontrolle der Maße und beste Wiederholgenauigkeit
- Sehr gleichmäßige und hohe Untergrundhärte im gesamten Profil
- Höhere Reinheit der Werkstoffe als bei konventionellen Verarbeitungsmethoden
- Der Produktionsablauf ist kürzer
- Eine Oxidationszone entfällt
Nitrieren und Aufkohlen – diese Unterschiede gibt es
Ähnlich wie beim Nitrieren geht es bei der Gasaufkohlung darum, einen weichen und zähen Kern bei gleichzeitig harter Oberfläche des Werkstoffs zu bekommen. Die Randschicht des Werkstücks wird beim Aufkohlen mit Kohlenstoff angereichert und danach gehärtet und angelassen. Die Aufkohlungstiefen betragen zwischen 0,1 und 4 Millimeter. Das Aufkohlen hat verfahrensbedingt einen größeren Verzug als nach dem Nitrieren. Die Unterschiede zum Plasmanitrieren gibt es:
- Für Gasaufkohlung sind spezielle Stähle notwendig
- Beim Aufkohlen ist der Verzug größer als beim Nitrieren
- Aufkohlungsprozess ermöglicht größere Einhärtetiefen
- Die Einhärtungstiefe wird nach dem Aufkohlen anders definiert als beim Nitrieren
- Beim Aufkohlen diffundiert Kohlenstoff zur Stahloberfläche und beim Nitrieren ist es anders – hier diffundiert Stickstoff zur Stahloberfläche
- Gasaufkohlung = Aufkohlen + Härten + Anlassen
- Plasmanitrieren = Vorvergüten + Nitrocarburieren oder Gasnitrieren
Aufkohlen statt Nitrieren – was muss beachtet werden?
Das Aufkohlungsverfahren unterschiedet sich von dem Prozess des Plasmanitrierens. Die Unterschiede liegen nicht nur bei der Nitriertemperatur. Bei Gasaufkohlung kann man zum Beispiel auf eine abschließende Nachbearbeitung, wie zum Beispiel Schleifen, verzichten. Um die geforderten Eigenschaften zu erreichen, muss man beim Aufkohlen gegebenenfalls auf andere Werkstoffmaterialien zurückgreifen. Wichtig zudem ist im Vorfeld die Überprüfung der Vorschrift zur Härtetiefe, da hier eine CHD nicht 1:1 in eine NHD übertragen werden kann. Das CHD oder Einhärtungstiefe ist der senkrechte Abstand von der Oberfläche eines Werkstücks bis zu einer definierten Härte (Vickershärte HV1 = 550).