Carbonitrieren

Was ist Carbonitrieren?

Das Carbonitrieren ist ein thermochemischer Prozess, der zur Oberflächenbehandlung von Metallen verwendet wird, insbesondere von Stählen. Bei der Wärmebehandlung wird Kohlenstoff und Stickstoff in die Bauteiloberfläche eindiffundiert und verändert nach einer ausreichend schnellen Abschreckung dessen Eigenschaften. Insgesamt ist das Carbonitrieren ein wichtiger Prozess in der Metallverarbeitung, der die mechanischen Eigenschaften von Stählen verbessert und ihre Lebensdauer in anspruchsvollen Anwendungen verlängert.

Das Verfahren: Carbonitrieren

Carbonitrieren besteht in der Regel aus drei Arbeitsschritten und ähnelt die dem des Einsatzhärtens. Im ersten Schritt werden die Werkstücke einer kohlenstoff- und stickstoffreichen Umgebung bei einer Temperatur von 750 bis 900 °C ausgesetzt. Im zweiten Schritt erfolgt das Abschrecken, nachdem das Werkstück eine gewisse Zeit der Zieltemperatur ausgesetzt war. Der dritte Schritt, die Anlassbehandlung, dient im Wesentlichen dazu, höchste Spannungen im Werkstoffgefüge abzubauen und die Empfindlichkeit, z.B. gegenüber Schleifrissen, zu verringern.

1. Verfahren: Carbonitrieren

Nach der Vorbehandlung (Bauteilreinigung) der Werkstücke werden diese in eine Wärmebehandlungsanlage gebracht, die eine klar definierte Gasatmosphäre, unter anderem aus Kohlenstoff und Stickstoff, enthält. Durch Erhitzen der Werkstücke auf Temperaturen von 750 °C bis 900 °C wird die Diffusion von Kohlenstoff- und Stickstoffatomen in die Werkstückoberfläche ermöglicht. Die genaue Festlegung der Temperatur erfolgt aufgrund verschiedener Faktoren wie dem eingesetzten Werkstoff, der gewünschten Schichtdicke und weitere einzustellende mechanische Eigenschaften.

2. Verfahren: Abschrecken

Nachdem das Werkstück eine ausreichende Zeit der Behandlungstemperatur ausgesetzt war, wird es abgeschreckt. Das Abschrecken erfolgt in der Regel durch schnelles Abkühlen des Werkstücks, entweder durch Eintauchen in ein geeignetes Kühlmedium wie Wasser, Öl, oder Luft, oder durch Verwendung spezifischer Abkühlmethoden, die eine ausreichende Abschreckgeschwindigkeit gewährleisten.

3. Verfahren: Anlassen

Nach dem Carbonitrieren und Abschrecken kommt es zu inneren Spannungen im Werkstück, die das Material spröde machen und die Bruchgefahr erhöhen. Um diese Spannungen zu reduzieren und die mechanischen Eigenschaften einzustellen, wird eine Anlassbehandlung durchgeführt. Das Werkstück wird auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und dann langsam abgekühlt. Dieser Prozess zielt darauf ab, die Spannungen zu verringern, die Härte zu optimieren und die Bruchfestigkeit zu verbessern. Die genauen Anlassparameter werden basierend auf den spezifischen Werkstoff- und Anforderungen festgelegt.

Carbonitrieren: Weitere Methoden

Gas-Carbonitrieren:

Das Gas-Carbonitrieren ist eine Methode, bei der das Werkstück in eine gasförmige Umgebung mit einer Mischung aus Kohlenstoff und Stickstoff gebracht wird. Üblicherweise wird ein Gemisch aus Ammoniak (NH₃) und Kohlenwasserstoffgasen wie Methan (CH₄) oder Propan (C₃H₈) verwendet. Das Werkstück wird in einem Ofen platziert, in dem die gewünschten Temperaturen und Gaszusammensetzungen kontrolliert werden. Durch die Erhitzung diffundieren Kohlenstoff- und Stickstoffatome in die Oberfläche des Werkstücks ein und bilden nach einer ausreichend schnellen Abkühlung eine harte und verschleißfeste Schicht.

Salz-Carbonitrieren:

Das Flüssig-Carbonitrieren basiert auf dem Eintauchen des Werkstücks in eine flüssige Mischung aus Salzen. Das Werkstück wird in einen Behälter mit einer Wärmequelle und dem Salz platziert. Durch die Erhitzung wird das Kohlenstoff- und Stickstoffpotential der Flüssigkeit erhöht und die Kohlenstoff- und Stickstoffatome diffundieren in die Oberfläche des Werkstücks. Dieses Verfahren wird oft für hochlegierte Stähle verwendet, bei denen eine Gas-Carbonitrieren nicht funktioniert.

Carbonitrieren Vorteile

Verbesserte Härte: Durch das Einlagern von Kohlenstoff und Stickstoff in die Werkstückoberfläche entsteht eine harte Schicht. Dies erhöht die Verschleißfestigkeit und verlängert die Lebensdauer des Werkstücks.
Erhöhte Verschleißfestigkeit: Die carbonitrierte Schicht bildet eine widerstandsfähige Barriere gegen Abrieb, Reibung und Verschleiß.
Gute Ermüdungsfestigkeit: Durch die Verfestigung der Werkstückoberfläche können Spannungen und Risse reduziert werden, was zu einer verbesserten Ermüdungsfestigkeit führt.

Carbonitrieren: Werkstoffe, die für das Verfahren geeignet sind

Einige der am häufigsten verwendeten Werkstoffe für das Carbonitrieren sind:

Unlegierte Kohlenstoffstähle (z. B. C10, St2, C22): Diese Stähle enthalten einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,10 % bis 0,25 % und sind gut für das Carbonitrieren geeignet, um eine erhöhte Härte und Verschleißfestigkeit zu erzielen.
Legierte Stähle (z. B. 16MnCr5, 20CrMo4): Diese Stähle enthalten zusätzliche Legierungselemente wie Chrom, Molybdän und Nickel. Sie werden oft für Anwendungen verwendet, die eine hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern, und können durch Carbonitrieren verbesserte Oberflächeneigenschaften erhalten.

Vorteile des Carbonitrierens für verschiedene Branchen

Das Carbonitrieren findet in verschiedenen Branchen Anwendung und bietet dort zahlreiche Vorteile.

Mit diesen Vorteilen hat sich das Carbonitrieren als bewährte Methode etabliert, um die Leistung und Lebensdauer von Werkstücken, überwiegend unlegierte Werkstoffe, aus verschiedenen Branchen zu verbessern.