Nitrocarburieren

Was bedeutet Nitrocarburieren?

Nitrocarburieren ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Werkstoffen. Durch thermochemische Diffusion wird die Oberflächenschicht des Werkstoffs mit Stickstoff und Kohlenstoff angereichert. Im Gegensatz dazu steht das Nitrieren, ein Verfahren, bei dem nur Stickstoff in der Randschicht abgeschieden wird. Die durch Nitrocarburieren gebildete Verbindungsschicht auf der Bauteiloberfläche hat eine gewisse Korrosionsbeständigkeit und zeigt einen hohen Widerstand gegen Verschleiß durch Abrasion, Deformation, Fressen und Kleben.

Nitrocarburieren Verfahren

Nitrocarburieren kann in verschiedenen Medien durchgeführt werden, z.B. in Gas, einem Salzbad oder Plasma. Darüber hinaus findet der Prozess bei relativ niedrigen Temperaturen statt. Das Ergebnis ist eine sehr harte Oberflächenschicht, eine dünne nur wenige µm-dicke Verbindungsschicht und der verbleibende weiche Kern des eingesetzten Materials. Die Verbindungsschicht ist besonders widerstandsfähig gegen Korrosion und Verschleiß.

Die Vorteile des Verfahrens zeigen sich in der hohen Verschleißfestigkeit des Werkstoffs und in den geringen Kosten für die Behandlung.

Nitrocarburieren und Oxidieren

Um die durch das Nitrocarburieren schon verbesserte Korrosionsbeständigkeit weiter zu verbessern, kann ein nachträgliches Oxidieren, das sogenannte Nachoxidieren, direkt im Anschluss des Nitrocarburierprozesses durchgeführt werden. Dabei wird auf die Verbindungsschicht eine ca. 2 µm dicke Oxidschicht aufgetragen. Die Oxidschicht sollte in der Regel aus Fe₃O₄-Oxiden bestehen. Dadurch erzielt man eine attraktive schwarze Oberfläche.

Gasnitrocarburieren

Das Nitrocarburieren im Gasstrom, deshalb auch Gasnitrocarburieren genannt, findet in der Industrie die größte Anwendungsbreite. Dabei wird in einer Atmosphäre, bestehend aus Ammoniak, Stickstoff und einem Kohlenstoffspender, die Behandlung durchgeführt und dauert in Regel nicht länger als 5 Stunden. Das Gasnitrocarburieren stellt daher hinsichtlich der kurzen Behandlungsdauer eine Alternative zum Salzbadnitrocarburieren dar.

Salzbadnitrocarburieren

Das Salzbadnitrocarburieren wird bereits seit 1929 erfolgreich zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken eingesetzt und findet auch heute noch Anwendung. Die zum Nitrocarburieren geeigneten Salzschmelzen enthalten giftige Cyanide und Cyanate, die bei der Behandlungstemperatur von rund 570 bis 580°C über verschiedene Reaktionsschritte Stickstoff und Kohlenstoff abgeben. Die Behandlungszeiten betragen je nach Werkstoff und erwünschter Schichtdicke etwa 1 bis 3 Stunden. Der Vorteil des Salzbadnitrocarburierens liegt in seiner Anwendbarkeit auf praktisch alle Eisenwerkstoffe, sowie auf Sinterwerkstoffe.

Plasmanitrocarburieren

Verfahrenstechnisch ist das Plasmanitrocarburieren mit dem Plasmanitrieren vergleichbar. Beim Plasmanitrocarburieren wird ein Gasgemisch aus Stickstoff und Kohlendioxid, oder einem gasförmigen Kohlenwasserstoff (meistens Methan) in einen Vakuumreaktor eingeleitet und dort unter Wirkung eines starken elektrischen Feldes ionisiert. Mehrere chemische und physikalische Vorgänge führen schließlich zu einer Stickstoff- und Kohlenstoffaufnahme der Werkstück-oberfläche und damit zur Nitridbildung.

Ferritisches und austenitisches Nitrocarburieren

Ferritisches und austenitisches Nitrocarburieren sind zwei Varianten des Nitrocarburierens, die jeweils auf die spezifischen Werkstoffanforderungen zugeschnittene Vorteile bieten.

Ferritisches Nitrocarburieren: Beim ferritischen Nitrocarburieren werden Eisenlegierungen bei niedrigeren Temperaturen mit einem höheren Kohlenstoffpotenzial behandelt, was zur Bildung einer Diffusionsschicht führt, die überwiegend aus Eisennitriden innerhalb eines ferritischen Gefüges besteht. Dieses Verfahren erhöht die Oberflächenhärte und die Verschleißfestigkeit und eignet sich daher besonders für Anwendungen, bei denen es auf robuste Verschleißleistung ankommt.

Austenitisches Nitrocarburieren: Das austenitische Nitrocarburieren hingegen ist durch eine Diffusionsschicht aus Stickstoff und Kohlenstoff innerhalb eines austenitischen Gefüges gekennzeichnet. Diese Variante wird häufig bevorzugt, wenn Bauteile ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erfordern, was ihre Anwendbarkeit auf ein breiteres Spektrum von Werkstoffen, einschließlich nichtrostender Stähle, erweitert.

Besondere Vorteile des Nitrocarburierens

Das Nitrocarburieren besitzt gegenüber den klassischen Wärmebehandlungsverfahren eine Reihe von Vorteilen:

Die Oberflächen nitrocarburierter Bauteile weisen eine deutlich höhere Härte auf, da die Nitrierschicht härter ist als Martensit.
Nitrierschichten besitzen eine hohe Warmhärte, die bis nahe der Nitriertemperatur von etwa 500°C erhalten bleibt.
Nitrocarburierschichten besitzen eine gute Korrosionsbeständigkeit.

Geeignete Werkstoffe für das Nitrocarburieren

Für das Nitrocarburieren sind die Nitrierstähle besonders geeignet. Sie enthalten Legierungselemente wie Cr, Al, Mo, V, Ti und Nb, die besonders zur Nitridbildung neigen und Nitride mit hoher Härte bilden. Nitrierstähle sind vergütbare Stähle und gehören zu den legierten Edelstählen.

Das Nitrocarburieren in verschiedenen Branchen

Das Nitrocarburieren ist ein Wärmebehandlungsverfahren, dass in fast jeder Branche seine Anwendung findet. Am meisten wird das Verfahren in der Automobilbranche und im Maschinenbau eingesetzt.

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Häufig gestellte Fragen zum Nitrocarburieren

Welche Überlegungen sollte man bei der Auswahl des Nitrocarburierens berücksichtigen, insbesondere im Hinblick auf mögliche Nachteile?

Der äußere Teil der Nitrocarburierschicht (Verbindungsschicht) ist verhältnismäßig spröde. Daher können nitrocarburierte Bauteile bei Überbeanspruchungen (hohe Flächenpressung, schlagartige Beanspruchung) ohne nennenswerte Verformungen anreißen oder abplatzen.

Was ist der Unterschied zwischen Carbonitrieren und Nitrocarburieren?

Carbonitrieren ist eine Variante des Einsatzhärtens. Hierbei wird überwiegend Kohlenstoff mit geringen Mengen Stickstoff in die Bauteiloberfläche eingebracht. Nitrocarburieren ist eine Variante des Nitrierens. Hierbei wird überwiegend Stickstoff mit geringen Mengen Kohlenstoff in die Bauteiloberfläche eingebracht.

Welche Werkstoffe eignen sich zum Nitrocarburieren?

Für das Nitrocarburieren eignen sich alle Eisenwerkstoffe. Möchte man aber eine bestimmte hohe Oberflächenhärte erzielen, müssen Werkstoffe mit nitridbildenden Legierungselementen wie z.B. Cr, Al und Mn eingesetzt werden.