Nitrat

Nitrieren – fortschrittliches Verfahren zur Oberflächenhärtung bei der CNC-Bearbeitung

Beim Nitrieren werden die chemische Zusammensetzung und das Mikrogefüge der Materialoberfläche durch kontrollierte Diffusion von Stickstoff bei hohen Temperaturen verändert. Das Nitrieren findet normalerweise zwischen 500°C und 600°C statt, wobei der Stickstoff mit Legierungselementen wie Chrom, Aluminium und Molybdän im Stahl reagiert und harte Nitride wie Chromnitrid (CrN) oder Aluminiumnitrid (AlN) bildet.

Durch diese Veränderung der Oberflächenzusammensetzung entsteht eine harte, verschleißfeste Schicht, während der Kern des Metalls weich und zäh bleibt. Der Prozess betrifft vor allem die oberen paar Millimeter des Materials, wodurch eine harte, dünne Schicht entsteht, die als „Nitrierschicht“ bekannt ist.

Die Geschwindigkeit, mit der Stickstoff in das Metall diffundiert, hängt von der Temperatur und der Zusammensetzung des Materials ab. Kühlmethoden spielen eine geringere Rolle, da kein Abschrecken erforderlich ist. Die Verwendung von kontrollierten Umgebungen, wie Ammoniak oder Plasma, stellt sicher, dass die Stickstoffkonzentration während der Behandlung konstant bleibt. Das Ergebnis ist eine gleichmäßig gehärtete Oberfläche, die die Verschleiß- und Ermüdungsbeständigkeit des Teils verbessert.

Arten und Varianten des Nitrierprozesses

Es gibt mehrere Varianten des Nitrierverfahrens, die je nach Material und Anwendung spezifische Vorteile aufweisen:

• Gasnitrieren: Die häufigste Methode, bei der die Teile in einem Ofen in einer ammoniakreichen Umgebung erhitzt werden. Das Ammoniak zersetzt sich und die Stickstoffatome diffundieren in die Metalloberfläche.
• Plasmanitrieren (Ionennitrieren): Bei dieser fortschrittlichen Technik werden die Teile in eine Vakuumkammer gelegt und über ein Plasmafeld mit Stickstoffionen beschossen. Das Plasmanitrieren bietet eine bessere Kontrolle über die Tiefe und Gleichmäßigkeit der Nitrierschicht und ist daher ideal für Präzisionsbauteile.
• Salzbad-Nitrieren: Eine weniger verbreitete Methode, bei der die Teile in ein geschmolzenes Salzbad mit stickstoffhaltigen Verbindungen getaucht werden. Das Salzbadnitrieren erzeugt eine dünnere Nitrierschicht als das Gasnitrieren, bietet aber eine gute Prozesskontrolle.

Jedes Verfahren liefert unterschiedliche Härtegrade und Schichtdicken, wobei das Gasnitrieren für großflächige Anwendungen am vielseitigsten ist und das Plasmanitrieren die beste Kontrolle für fein abgestimmte, präzise Behandlungen bietet.

Materialeignung & Vorbereitung

Das Nitrieren ist besonders effektiv bei legierten Stählen, die Elemente wie Aluminium, Chrom und Molybdän enthalten, die während des Prozesses stabile Nitride bilden. Gängige Materialien, die nitriert werden, sind:

• Nitrierstahl (z.B. 41xx, Nitralloy-Serie)
• Werkzeugstahl (z.B. H11, H13)
• Rostfreier Stahl
• Gusseisen
• Titanlegierungen für hochspezialisierte Anwendungen

Vor dem Nitrieren sollten die Teile gründlich gereinigt werden, um alle Verunreinigungen zu entfernen, die die Stickstoffaufnahme behindern könnten. Vorbehandlungsprozesse wie Entfetten, Strahlen oder Beizen können erforderlich sein, um die Oberfläche von Oxiden, Öl oder Zunder zu befreien. Darüber hinaus müssen die Teile auf die endgültigen Abmessungen bearbeitet werden, da die Nachbearbeitung nach dem Nitrieren aufgrund der Oberflächenhärte schwierig ist.

Leistungsverbesserungen & Vorteile

Die wichtigsten Vorteile des Nitrierens sind:

• Erhöhte Oberflächenhärte: Durch Nitrieren können Oberflächenhärten zwischen 800 und 1200 HV (Vickershärte) erreicht werden, die eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit bieten.
• Verbesserte Ermüdungsfestigkeit: Durch die Härtung der Oberfläche erhöht das Nitrieren die Ermüdungslebensdauer von Teilen, was besonders wichtig für Teile ist, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind, wie Kurbelwellen und Zahnräder.
• Erhöhte Korrosionsbeständigkeit: Die nitrierte Schicht auf der Oberfläche erhöht die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in stickstoffreichen Umgebungen.
• Geringere Reibung: Die harte Oberfläche reduziert den Verschleiß und die Reibung zwischen beweglichen Teilen und erhöht so die Effizienz von Anwendungen wie z. B. Motorkomponenten.
• Minimale Verformung: Da das Nitrieren bei relativ niedrigen Temperaturen stattfindet und kein Abschrecken erforderlich ist, wird das Risiko von Verformungen oder Rissen minimiert, was es ideal für Präzisionskomponenten macht.

Anwendungen & Relevanz in der Industrie

Das Nitrieren ist in Sektoren von entscheidender Bedeutung, in denen hohe Verschleißfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind. Zu den Schlüsselsektoren gehören:

• Luft- und Raumfahrt: Angewandt bei Turbinenschaufeln, Fahrwerken und Antriebskomponenten, um extremen Belastungen und hoher zyklischer Ermüdung standzuhalten.
• Automobilindustrie: Kurbelwellen, Nockenwellen, Zahnräder und Ventile profitieren vom Nitrieren durch eine erhöhte Dauerfestigkeit und Verschleißbeständigkeit.
• Werkzeug- und Matrizenbau: Präzisionswerkzeuge und -matrizen erfordern eine extreme Oberflächenhärte, um dem Verschleiß standzuhalten und die Genauigkeit im Langzeiteinsatz zu erhalten.
• Medizinische Geräte: Nitridierte Oberflächen werden in chirurgischen Instrumenten und Implantaten verwendet, um die Biokompatibilität und Langlebigkeit zu verbessern.

Das Nitrieren erfüllt strenge Industriestandards wie AMS 2759 für Wärmebehandlungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie und stellt sicher, dass die Teile die kritischen Anforderungen an Leistung und Haltbarkeit erfüllen.

Personalisierung & Prozessoptimierung

Bei uns können Sie auf vollständig maßgeschneiderte Nitrierverfahren zählen, die auf die spezifischen Bedürfnisse jedes Kunden zugeschnitten sind. Durch die Anpassung von Temperaturprofilen, Gasmischungen und Behandlungszeiten optimieren wir die Tiefe und die Eigenschaften der Nitrierschicht auf der Grundlage der vorgesehenen Anwendung. So können wir die Stickstoffkonzentration verfeinern, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Oberflächenhärte und Zähigkeit zu erreichen und eine optimale Leistung in hochbelasteten Umgebungen zu gewährleisten.

Unsere Plasmanitrierkapazitäten bieten eine außergewöhnliche Präzision bei der Oberflächenbehandlung, die es uns ermöglicht, Teile mit komplexen Geometrien und engen Toleranzen mit minimaler Verformung zu behandeln.