Das Gasnitrieren

Das Gasnitrieren ist ein thermochemisches Randschichthärteverfahren, bei dem Stickstoff in die Oberfläche eines Werkstücks eindiffundiert. Im Gegensatz zum Einsatzhärten findet dieser Prozess bei deutlich niedrigeren Temperaturen – typischerweise zwischen 500 °C und 550 °C – und somit im ferritischen Bereich des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms statt. Da das Gefüge während des gesamten Prozesses im Alpha-Mischkristall-Zustand verbleibt, entfällt die Notwendigkeit einer abschließenden Abschreckung zur Härtesteigerung. Dies macht das Gasnitrieren zu einem der maßstabilsten und verzugsärmsten Wärmebehandlungsverfahren für hochpräzise mechanische Komponenten.

Der Prozess wird zumeist in geschlossenen Schacht- oder Retortenöfen durchgeführt. Als Stickstoffspender dient gasförmiges Ammoniak (NH3). Bei den Prozesstemperaturen und katalysiert durch die Stahloberfläche spaltet sich das Ammoniak teilweise in atomaren Stickstoff und Wasserstoff auf. Der reaktionsfähige atomare Stickstoff diffundiert in den Werkstoff ein, während der molekulare Wasserstoff und das restliche, unverbrauchte Ammoniakgas als Abgas aus der Kammer geleitet werden. Der Diffusionsprozess ist zeitintensiv. Um technisch relevante Nitrierhärtetiefen (Nht) von 0,1 mm bis 0,6 mm zu erreichen, sind, abhängig von der Legierung und der Zielvorgabe, Haltezeiten von 10 bis über 100 Stunden üblich.

Der eindiffundierende Stickstoff verändert die Randzone des Stahls grundlegend und erzeugt eine charakteristische, zweigeteilte Schichtstruktur. Direkt an der Werkstückoberfläche bildet sich die Verbindungsschicht. Sie ist in der Regel nur wenige Mikrometer (ca. 5 bis 30 µm) dick und besteht aus kompakten, nichtmetallischen Eisennitriden (Epsilon- und Gamma-Strich-Nitride). Unterhalb dieser Verbindungsschicht erstreckt sich die deutlich tiefere Diffusionszone. In diesem Bereich ist der Stickstoff interstitiell im Ferritgitter gelöst und bildet mit vorhandenen Legierungselementen submikroskopisch feine Sondernitride.

Die immense Härtesteigerung beim Gasnitrieren basiert auf einem Ausscheidungshärtungsmechanismus in der Diffusionszone und nicht – wie beim Härten – auf der Bildung von Martensit. Die höchsten Oberflächenhärten (oft weit über 1000 HV) werden daher bei sogenannten Nitrierstählen erzielt, die starke Nitridbildner wie Chrom, Aluminium, Molybdän oder Vanadium enthalten. Die äußere Verbindungsschicht verleiht dem Bauteil exzellente tribologische Eigenschaften, einen hohen Widerstand gegen Adhäsionsverschleiß (Kaltverschweißen) und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit. Durch das Einlagern der Nitride entstehen in der Randzone zudem ausgeprägte Druckeigenspannungen, welche die Dauer- und Biegewechselfestigkeit dynamisch belasteter Bauteile signifikant erhöhen.

Das Gasnitrieren ist das präferierte Verfahren, wenn maximale Verschleißfestigkeit, eine Steigerung der Ermüdungsfestigkeit und gleichzeitig minimale Maßänderungen gefordert sind. Da das Bauteil nach dem Prozess langsam abgekühlt wird, bleibt das Kerngefüge exakt in dem Zustand erhalten, der vor dem Nitrieren durch einen vorgeschalteten Vergütungsprozess eingestellt wurde. Typische Anwendungsbereiche umfassen Präzisionszahnräder, Kurbelwellen, Extruderschnecken sowie Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung und Umformtechnik.