Eigenschaften nitrierter/nitrocarburierter Bauteile und deren Beeinflussung durch Prozessführung

Studienarbeit von Detlef Armin Kube

Einleitung:

Es gibt verschiedene Verfahren zum Härten oberflächennaher Schichten. Eingeteilt werden können die Verfahren in die zwei Hauptgruppen:

Randschichthärten:

Verfahren ohne Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Randschicht.

Thermochemische Diffusions-Behandlungsverfahren mit Änderung der chemischen Zusammensetzung der Randschicht.

Die Verfahren Nitrieren und Nitrocarburieren werden der zweiten Hauptgruppe, d.h. mit Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der Randschicht, zugeordnet. An beide Verfahren schließt sich normalerweise keine weitere Wärmebehandlung an.

Nitrieren:

Nitrieren ist nach DIN 17014 das thermochemische Behandeln zum Anreichern der Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff.

Merkel definiert das Nitrieren als chemisch-thermische Behandlung zur Diffusionssättigung der Oberflächenschicht des Stahls mit Stickstoff beim Erwärmen im entsprechenden Medium.

Eine Definition der Nitrierbarkeit formuliert Spies: „Nitrierbarkeit ist das Ansprechen eines Eisenwerkstoffes auf das Nitrieren, gekennzeichnet durch die Veränderung des stofflichen und strukturellen Aufbaus der Randschicht in Abhängigkeit von den Nitrierbedingungen“.

Eine alleinige Anreicherung mit Stickstoff während des Nitriervorgangs kann nur im Plasma oder Gas erfolgen. Im Salzbad oder Pulver findet immer auch eine Kohlenstoffanreicherung statt. Es wird demnach ein Nitrocarburiervorgang durchgeführt.

Man unterscheidet grundsätzlich zwei Temperaturbereiche beim Nitrieren/Nitrocarburieren, nämlich ober- und unterhalb der Umwandlungstemperatur AC1. Oberhalb der Temperatur AC1 findet in der Randschicht eine Ferrit-Austenit-Umwandlung statt. Dieser Vorgang wird austenitisches Nitrieren/Nitrocarburieren genannt. Unterhalb AC1 findet dementsprechend ferritisches Nitrieren/Nitrocarburieren statt.

Für den Ablauf der Diffusion während der Behandlungsdauer muss die Konzentration im Spendermittel (Gas, Salzschmelzen oder Pulver) höher sein als im Bauteil und ein bestimmter Temperatur-Zeit-Verlauf eingehalten werden.

Die Diffusion ist ein temperaturabhängiger Vorgang ist. Niedrige Nitriertemperaturen führen zu längeren Behandlungsdauern, wenn die gleiche Nitriertiefe erreicht werden soll.

Katalysatoren beschleunigen die Nitrierdauer. Es kann beim Salzbadnitrieren z.B. ein über dem Glühgut platziertes aus Kupfer bestehendes Netz eingesetzt werden.

Gaszusätze wie z.B. Stickoxyd oder organische, stickstoffhaltige Dämpfe haben eine verkürzte Behandlungsdauer beim Gasnitriervorgang zur Folge.

Die Nitrierdauern beim Salzbadnitrieren sind kürzer als beim Gasnitrieren, weil das Aufheizen im Salzbad wesentlich schneller erfolgt als das Erwärmen in der Gasatmosphäre. Ein weiterer Vorteil des Salzbadnitrierens ist das relativ einfache Wechseln der Werkstücke.

Während Lüpfert noch davon ausgeht, dass nur legierte Stähle nitriert werden können, werden heute neben Nitrierstählen nach DIN 17211 auch Einsatz-, Vergütungs- und Werkzeugstähle, unlegierte Stähle sowie Eisen-Gusswerkstoffe nitriert.

Bei Warmarbeitsstählen ist Nitrieren das am häufigsten eingesetzte Oberflächenbehandlungsverfahren. Eine mehrmalige Nachnitrierung ist möglich.

Eine Vorbehandlung der zu nitrierenden Teile besteht i.a. aus Vergüten (zur Erzeugung einer Stützwirkung für die einzelnen Schichten) und das Spannungsarmglühen für Verzugsfreiheit und Reinigung.

Ein besonderes Badnitrierverfahren ist das Tenifer-Verfahren. Dabei wird unter Belüftung im Salzbad nitriert. Es bedingt 580 °C in Alkalicyanat- sowie Alkalicarbonat-Salzschmelzen.

Durch Sauerstoffzufuhr wird die Stickstoffaufnahme des Werkstücks verbessert, d.h. die Oberflächenaktivität steigt. Die Nitrierdauern reduzieren sich erheblich.

Die Abkühlung von der Nitriertemperatur kann in Wasser, in Öl, im Salzbad, an Luft oder temperaturgesteuert im Ofen erfolgen.

Bei legierten Stählen reicht Luftabkühlung für die maximale Härte. Ein Abkühlsalzbad ist einzuordnen zwischen Wasser- und Luftabkühlung. Es bewirkt eine Oxidation der Werkstückoberfläche. Dadurch wird der Korrosionswiderstand verbessert.

Während des Abkühlens im Salzbad werden restliche am Werkstück haftende Cyanide und Cyanate in Carbonat umgesetzt.

Die Umsetzung in Carbonat ist stark zeit- und temperaturabhängig. Betriebstemperaturen um 300°C sind üblich.

Durch eine oxidierende Nachbehandlung lassen sich die Korrosionsbeständigkeit, die Verschleißfestigkeit und die Zeitfestigkeit zusätzlich verbessern.

Die Entgiftungsproblematik bei Abwässern und Salzrückständen ist stets zu berücksichtigen.

Nitrocarburieren:

Nitrocarburieren bezeichnet das Verfahren, bei dem eine Anreicherung der Randschicht mit Stickstoff und Kohlenstoff erfolgt. Es entstehen zusätzlich zu den Nitriden auch Carbonitride durch den in der Randschicht aufgenommenen Kohlenstoff.

Durch Kohlenstoffzugabe zum Spendermedium werden nicht nur die Prozesse beschleunigt, sondern auch die Bildung der Epsilon-Fe2-3(CxNx)-Carbonitridphase verstärkt. Diese führen zur Steigerung der Verschleiß- und Korrosionsschutzeigenschaften.

Einen weiteren Aspekt der Kohlenstoffaufnahme nennt Burger. Danach findet eine Aufkohlung der Verbindungsschicht häufig durch den Kohlenstoffgehalt der Diffusionsschicht bzw. des Grundwerkstoffes statt, weniger durch Kohlenstoffaufnahme aus dem Spendermedium.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
1.1	Nitrieren	1
1.2	Nitrocarburieren	5
2.	Randschichtmorphologie	6
2.1	Verfahrensabläufe und allgemeine Einflußfaktoren	8
2.1.1	Stickstoffdiffusion	8
2.1.2	Auf- und Entkohlung	9
2.1.3	Zustandsdiagramme und Dreistoffsysteme	12
2.1.4	Legierungselemente	15
2.1.5	Abkühl- und Auslagerungsbedingungen, Nachbehandlung	16
2.2	Verbindungsschicht	17
2.2.1	Umgebungsatmosphäre	17
2.2.2	Schichtdicke und -wachstum	18
2.2.2.1	Behandlungsdauer und -temperatur	19
2.2.2.2	Umgebungsatmosphäre	22
2.2.2.3	Nitrierkennzahl	25
2.2.2.4	Legierungselemente	27
2.2.3	Porensaum	27
2.2.3.1	Porenbildung	27
2.2.3.2	Nitrieratmosphäre	28
2.2.3.3	Nitrierkennzahl	29
2.2.3.4	Legierungselemente	29
2.2.3.5	Phasenzusammensetzung	30
2.2.4	Abkühl- und Auslagerungsbedingungen	30
2.3	Die Diffusionsschicht	31
2.3.1	Schichtdicke und -wachstum	31
2.3.1.1	Legierungselemente	31
2.3.2	Abkühl- und Auslagerungsbedingungen	31
3.	Randschichtcharakterisierung	35
3.1	Elementverteilung	35
3.1.1	Glimmentladungsspektroskopie (GDOS-Analyse)	35
3.1.1.1	Chemische Elemente	35
3.2	Phasenverteilung	39
3.2.1	Röntgenographische Phasenanalyse (Röntgenbeugungsdiagramme)	39
3.2.2	Phasenkonzentrationsbestimmung	41
3.3	Eigenspannungsverteilung	42
3.3.1	Makrospannungen	42
3.3.2	Einflußfaktoren	44
3.3.2.1	Behandlungsdauer und -temperatur	44
3.3.2.2	Abkühlbedingungen	44
3.3.2.3	Legierungselemente	45
3.3.2.4	Werkstoffausgangszustand	46
3.3.2.5	Nitrierkennzahl	46
3.3.3	Eigenspannungsverläufe	47
3.3.3.1	Röntgenographische Eigenspannungsanalysen	48
3.4	Härteverteilung	50
3.4.1	Oberflächenhärte	50
3.4.1.1	Werkstoffzusammensetzung	51
3.4.1.2	Ausgangswerkstoffzustand	53
3.4.1.3	Behandlungsdauer und - temperatur	54
3.4.1.4	Abkühl-, Auslagerungsbedingungen und Nachbehandlung	56
3.4.1.5	Phasenverteilung	58
3.4.1.6	Mikro- und Makrospannungen	58
3.4.2	Nitrierhärtetiefe	59
3.4.2.1	Kohlenstoffgehalt	60
3.4.2.2	Legierungselemente	60
3.4.2.3	Nitrierkennzahl	62
3.4.3	Randschicht-Härteverlauf	62
3.4.3.1	Behandlungsdauer und -temperatur	62
3.4.3.2	Legierungselemente	63
3.4.3.3	Abkühlbedingungen	64
3.4.3.4	Ausgangswerkstoffzustand	65
3.4.3.5	Dynamische Umlaufbiegebeanspruchung	65
3.4.3.6	Globularer Grauguss - GGG	66
3.5	Maß- und Formänderungen	67
3.5.1	Oberflächenrauheit	67
3.5.2	Volumenveränderung	67
4.	Eigenschaften nitrierter/nitrocarburierter Werkstücke	69
4.1	Die Zähigkeit	69
4.1.1	Wechselwirkungen	69
4.1.1.1	Härte	69
4.1.1.2	Festigkeit	70
4.1.2	Zähigkeitskennwerte	70
4.1.2.1	Kerbschlagzähigkeit	70
4.1.3	Ausgangswerkstoffzustand	72
4.1.4	Legierungselemente	72
4.1.5	Abkühlbedingungen	72
4.1.6	Auslagerungsbedingungen	73
4.1.7	Kohlenstoffangebot	73
4.1.8	Verbindungsschichtmorphologie	74
4.2	Das Verschleißverhalten	75
4.2.1	Gleitverschleiß	76
4.2.1.1	Adhäsion	76
4.2.1.2	Tribooxidation	78
4.2.1.3	Abrasion	78
4.2.1.4	Wälzverschleiß / Oberflächenzerrüttung	79
4.2.2	Mischreibung	79
4.2.3	mechanischer Abrieb	79
4.2.3.1	Umgebungsatmosphäre	80
4.2.3.2	Phasenbestandteile	81
4.2.3.3	Elementgehalt	82
4.2.4	Temperaturabhängigkeit	83
4.2.5	Flächenpressung	83
4.2.6	Porensaum	84
4.2.7	Abkühlbedingungen / Nitrierkennzahl	84
4.3	Das Ermüdungsverhalten	84
4.3.1	Dauerfestigkeit	85
4.3.1.1	Konzept der örtlichen Dauerfestigkeit	85
4.3.1.2	Schichtdicke und Phasenzusammensetzung	86
4.3.1.3	Probengeometrie	86
4.3.1.4	Ausgangswerkstoffzustand	86
4.3.1.5	Legierungselemente	87
4.3.1.6	Abkühl- und Nachbehandlungsbedingungen	87
4.3.2	Statisches Festigkeitsverhalten	89
4.3.2.1	Biegefestigkeit	89
4.3.2.2	Zugfestigkeit	89
4.3.2.3	Torsionsfestigkeit	92
4.3.3	Dynamisches Festigkeitsverhalten (Schwingfestigkeitsuntersuchungen)	92
4.3.3.1	Spannungsverlauf und -relaxation	92
4.3.3.2	Schwingfestigkeit	94
4.3.3.3	Dauerschwingfestigkeit	95
4.3.3.4	Biegewechselfestigkeit	99
4.3.3.5	Torsionswechselfestigkeit	101
4.3.3.6	Umlaufbiegewechselfestigkeit	101
4.3.4	Bruchflächen - Anrissorte	105
4.3.4.1	Anrissbildung	106
4.3.4.2	Verbindungsschichtaufbau und -entfernung	108
4.3.4.3	Abkühl- und Nachbehandlungsbedingungen	108
4.3.4.4	Dauerfestigkeit, Lastspannung und Anrissortverlagerung	109
4.4	Das Formänderungsverhalten	111
4.4.1	Ausgangswerkstoffzustand	111
4.4.2	Auslagerung	111
4.5	Das Korrosionsverhalten	112
4.5.1	Ebenmäßige Korrosion	112
4.5.1.1	Behandlungstemperaturen, -dauer	112
4.5.1.2	Legierungselemente	112
4.5.1.3	Phasenzusammensetzung	113
4.5.1.4	Nachbehandlung	114
4.5.2	Lochkorrosion	114
4.5.2.1	Strom-Dichte-Potentialkurven	115
4.5.2.2	Phasenzusammensetzung	116
4.5.2.2.1	Pilling-Bedworth-Regel	118
4.5.2.3	Nachbehandlung	119
4.6	Das Korrosionsermüdungsverhalten	120
4.6.1	Bruchflächen - Anrissorte	120
4.6.2	Potentialmessungen	122
4.6.3	Statisches Festigkeitsverhalten	122
4.6.3.1	Torsionsfestigkeit	122
4.6.4	Dynamisches Festigkeitsverhalten	123
4.6.4.1	Zugschwellfestigkeit	123
4.6.4.2	Schwingfestigkeit	123
4.6.4.3	Biegewechselfestigkeit	126
4.6.4.4	Umlaufbiegewechselfestigkeit	126
4.6.5	Zusammenfassung der Übergangs- und Zeitfestigkeitsgebiete	127
4.6.6	Nachoxidation	128
5.	Austenitisches Nitrieren/Nitrocarburieren	129
5.1	Zwischenschichtbildung	130
5.1.1	Behandlungsdauer, -temperatur	133
5.1.2	Nitrierkennzahl	134
5.2	Elementverteilung	134
5.3	Nachbehandlung	135
5.3.1	Abkühlbedingungen	135
5.3.2	Auslagerungsbedingungen	136
5.3.3	Oxidationsbehandlung	136
5.4	Eigenschaften austenitisch nitrierter/nitrocarburierter Werkstoffe	137
5.4.1	Härte	137
5.4.2	Porensaum	141
5.5	Verschleißverhalten	141
5.5.1	Behandlungstemperatur, -dauer	141
5.6	Das Ermüdungsverhalten	142
5.6.1	Dauerfestigkeit	142
5.6.2	Zeitfestigkeit	142
5.6.3	Umlaufbiegefestigkeit	143
5.6.4	Abkühl- und Nachbehandlungsbedingungen	144
5.7	Das Korrosionsverhalten	144
5.7.1	Phasenverteilung	145
5.7.2	Porensaum	145
5.7.3	Nachbehandlung	145
5.8	Kerbschlagzähigkeit	146
6.	Verfahrenskombination austenitisches und ferritisches Nitrieren/Nitrocarburieren - zweistufige Behandlung	147
7.	Literaturverzeichnis	148
8.	Abbildungsverzeichnis	164