Universität Bremen
 - Produktionstechnik
Fachgebiet Werkstoffwissenschaften
Theoretische Studienarbeit
- Literaturrecherche -

"Eigenschaften nitrierter/nitrocarburierter Bauteile und
deren Beeinflussung durch Prozessführung"

Detlef Armin Kube
Dezember 2001

Inhaltsverzeichnis I

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 Umgebungsatmosphär17
2.2.2 Schichtdicke und -wachstum  18
2.2.2.1 Behandlungsdauer und -temperatur 19
2.2.2.2 Umgebungsatmosphäre  22
2.2.2.2.1 Lehrerdiagram 24
2.2.2.2.2 Zweistufe 25
2.2.2.3 Nitrierkennzahl  25
2.2.2.4 Legierungselement  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 Legierungselement  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 Legierungselement  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
3.1.1.1.1 Einfluß der Legierungselemente  37
3.1.1.1.2 Einfluß des Ausgangswerkstoffzustandes  38
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 Legierungselement 45
3.3.2.4 Werkstoffausgangszustand   46
3.3.2.5 Nitrierkennzahl  46
3.3.3 Eigenspannungsverläu47
3.3.3.1 Röntgenographische Eigenspannungsanalysen  48
3.4 HÄRTEVERTEILUNG  50
3.4.1 Oberflächenhärte  50
3.4.1.1 Werkstoff  51
3.4.1.2 Ausgangswerk  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 Legierungselement  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 Legierungselement  63
3.4.3.3 Abkühlbedingungen  64
3.4.3.4 Ausgangswerk  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
4.1.2.1.1 Behandlungstemperatur und -dauer  70
4.1.2.1.2 Auslagerungs- und Aushärtungsbedingungen  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 VERSCHLEIßVERHHALTEN  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 Ausgangswerk  86
4.3.1.5 Legierungselement  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
4.3.3.3.1 Ausgangswerkstoffzustand   95
4.3.3.3.2 Legierungselemente  95
4.3.3.3.3 Zwischen- und Nachbehandlung  96
4.3.3.3.4 Behandlungsdauer  96
4.3.3.3.5 Anlassbedingungen  97
4.3.3.3.6 Probengeometrie  97
4.3.3.3.7 Anwendungsfall: Zahnräder  98
4.3.3.4 Biegewechselfestigkeit  99
4.3.3.4.1 Legierung  100
4.3.3.5 Torsionswechselfestigkeit  101
4.3.3.6 Umlaufbiegewechselfestigkeit  101
4.3.3.6.1 Behandlungstemperatur  101
4.3.3.6.2 Spannungsabbau  102
4.3.3.6.3 Auslagerungsbedingungen  103
4.3.3.6.4 Probengeometrie  104
4.3.3.6.5 Legierung  105
4.3.4 Bruchflächen - Anrisssorte  105
4.3.4.1 Anrissbildung  106
4.3.4.1.1 Erscheinungsformen   106
4.3.4.1.2 Ausgangwerkstoffzustand 107
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 Legierungseleme 112
4.5.1.3 Phasenzus 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 ZWISCHENSCHICHTENBILDUNG  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

1 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. (/120/, S.177)

1.1 Nitrieren

Nitrieren ist nach DIN 17014 das thermochemische Behandeln zum Anreichern der Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff. (/33/, S.10) Merkel definiert das Nitrieren als chemisch-thermische Behandlung zur Diffusionssättigung der Oberflächenschicht des Stahls mit Stickstoff beim Erwärmen im entsprechenden Medium. (/8/, S.233) 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". (/107/, S.2)

Die Einordnung des Gasnitrierens in allgemeine Wärmebehandlungstemperaturen und weitere Wärmebehandlungsverfahren verdeutlicht die folgende Abbildung:

[Abb. 1 in Downloaddatei enthalten]
Abbildung 1: Temperaturbereiche für die Wärmebehandlung unlegierter Stähle

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. (/33/, S.13)

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. (/23/, S.27)

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. (/31/, S.143) Die Diffusion ist ein temperaturabhängiger Vorgang ist. Niedrige Nitriertemperaturen führen zu längeren Behandlungsdauern, wenn die gleiche Nitriertiefe erreicht werden soll. (/25/, S.192)

[Abb. 2 in Downloaddatei enthalten]
Abbildung 2: Abhängigkeit zwischen Nitrierdauer und Nitriertiefe bei 500°C Nitriertemperatur

Eine erste Übersicht zur Abhängigkeit zwischen Nitriertiefe und –dauer bei verschiedenen Werkstoffen zeigt Abbildung 3.

[Abb. 3 in Downloaddatei enthalten]
Abbildung 3: Richtwerte zur Erzielung bestimmter Nitriertiefen

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. (/25/, S.193) 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. (/25/, S.195)

Während Lüpfert (/26/) noch davon ausgeht, dass nur legierte Stähle nitriert werden können, (/26/, S.168), werden heute neben Nitrierstählen nach DIN 17211 auch Einsatz-, Vergütungs- und Werkzeugstähle, unlegierte Stähle sowie Eisen- Gusswerkstoffe nitriert. (/33/, S.9) (/8/, S.236)

Bei Warmarbeitsstählen ist Nitrieren das am häufigsten eingesetzte Oberflächenbehandlungsverfahren. Eine mehrmalige Nachnitrierung ist möglich. (/30/, S.140) 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. (/31/, S.150)

Ein besonderes Badnitrierverfahren ist das Tenifer-Verfahren. Dabei wird unter Belüftung im Salzbad nitriert. Es bedingt 580 °C in Alkalicyanat- sowie Alkalicarbonat-Salzschmelzen. (/24/, S.25)
Durch Sauerstoffzufuhr wird die Stickstoffaufnahme des Werkstücks verbessert, d.h. die Oberflächenaktivität steigt. Die Nitrierdauern reduzieren sich erheblich. (/31/, S.152)

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. (/23/,S.18)

Während des Abkühlens im Salzbad werden restliche am Werkstück haftende Cyanide und Cyanate in Carbonat umgesetzt. (/24/, S.26)
Die Umsetzung in Carbonat ist stark zeit- und temperaturabhängig. Betriebstemperaturen um 300°C sind üblich. (/33/, S.14)

Durch eine oxidierende Nachbehandlung lassen sich die Korrosionsbeständigkeit, die Verschleißfestigkeit und die Zeitfestigkeit zusätzlich verbessern. (/24/, S.26) Die Entgiftungsproblematik bei Abwässern und Salzrückständen ist stets zu berücksichtigen. (/30/, S.126)

1.2 Nitrocarburieren

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