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)
und 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 ist nach DIN 17014 das thermochemische Behandeln zum Anreichern der Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff. (/33/, S.10) 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)
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. (/120/, S.180) Durch Kohlenstoffzugabe zum Spendermedium werden nicht nur die Prozesse beschleunigt, sondern auch die Bildung der gamma-Fe2-3(CxNx)-Carbonitridphase verstärkt. Diese führen zur Steigerung der Verschleiß- und Korrosionsschutzeigenschaften. (/35/, S.18)
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
1.1 NITRIEREN
1.2 NITROCARBURIEREN
2 RANDSCHICHTMORPHOLOGIE
2.1 VERFAHRENSABLÄUFE UND ALLGEMEINE EINFLUßFAKTOREN
2.1.1 Stickstoffdiffusion
2.1.2 Auf- und Entkohlung
2.1.3 Zustandsdiagramme und Dreistoffsysteme
2.1.4 Legierungselemente
2.1.5 Abkühl- und Auslagerungsbedingungen, Nachbehandlung
2.2 VERBINDUNGSSCHICHT
2.2.1 Umgebungsatmosphäre
2.2.2 Schichtdicke und –wachstum
2.2.2.1 Behandlungsdauer und -temperatur
2.2.2.2 Umgebungsatmosphäre
2.2.2.2.1 Lehrerdiagramm
2.2.2.2.2 Zweistufenbehandlung
2.2.2.3 Nitrierkennzahl
2.2.2.4 Legierungselemente
2.2.3 Porensaum
2.2.3.1 Porenbildung
2.2.3.2 Nitrieratmosphäre
2.2.3.3 Nitrierkennzahl
2.2.3.4 Legierungselemente
2.2.3.5 Phasenzusammensetzung
2.2.4 Abkühl- und Auslagerungsbedingungen
2.3 DIE DIFFUSIONSSCHICHT
2.3.1 Schichtdicke und –wachstum
2.3.1.1 Legierungselemente
2.3.2 Abkühl- und Auslagerungsbedingungen
3 RANDSCHICHTCHARAKTERISIER UNG
3.1 ELEMENTVERTEILUNG
3.1.1 Glimmentladungsspektroskopie (GDOS-Analyse)
3.1.1.1 Chemische Elemente
3.1.1.1.1 Einfluß der Legierungselemente
3.1.1.1.2 Einfluß des Ausgangswerkstoffzustandes
3.2 PHASENVERTEILUNG
3.2.1 Röntgenographische Phasenanalyse (Röntgenbeugungsdiagramme)
3.2.2 Phasenkonzentrationsbestimmung
3.3 EIGENSPANNUNGSVERTEILUNG
3.3.1 Makrospannungen
3.3.2 Einflußfaktoren
3.3.2.1 Behandlungsdauer und -temperatur
3.3.2.2 Abkühlbedingungen
3.3.2.3 Legierungselemente
3.3.2.4 Werkstoffausgangszustand
3.3.2.5 Nitrierkennzahl
3.3.3 Eigenspannungsverläufe
3.3.3.1 Röntgenographische Eigenspannungsanalysen
3.4 HÄRTEVERTEILUNG
3.4.1 Oberflächenhärte
3.4.1.1 Werkstoffzusammensetzung
3.4.1.2 Ausgangswerkstoffzustand
3.4.1.3 Behandlungsdauer und - temperatur
3.4.1.4 Abkühl-, Auslagerungsbedingungen und Nachbehandlung
3.4.1.5 Phasenverteilung
3.4.1.6 Mikro- und Makrospannungen
3.4.2 Nitrierhärtetiefe
3.4.2.1 Kohlenstoffgehalt
3.4.2.2 Legierungselemente
3.4.2.3 Nitrierkennzahl
3.4.3 Randschicht-Härteverlauf
3.4.3.1 Behandlungsdauer und -temperatur
3.4.3.2 Legierungselemente
3.4.3.3 Abkühlbedingungen
3.4.3.4 Ausgangswerkstoffzustand
3.4.3.5 Dynamische Umlaufbiegebeanspruchung
3.4.3.6 Globularer Grauguss – GGG
3.5 MAß- UND FORMÄNDERUNGEN
3.5.1 Oberflächenrauheit
3.5.2 Volumenveränderung
4 EIGENSCHAFTEN NITRIERTER/NITROCARBURIERTER WERKSTÜCKE
4.1 DIE ZÄHIGKEIT
4.1.1 Wechselwirkungen
4.1.1.1 Härte
4.1.1.2 Festigkeit
4.1.2 Zähigkeitskennwerte
4.1.2.1 Kerbschlagzähigkeit
4.1.2.1.1 Behandlungstemperatur und -dauer
4.1.2.1.2 Auslagerungs- und Aushärtungsbedingungen
4.1.3 Ausgangswerkstoffzustand
4.1.4 Legierungselemente
4.1.5 Abkühlbedingungen
4.1.6 Auslagerungsbedingungen
4.1.7 Kohlenstoffangebot
4.1.8 Verbindungsschichtmorphologie
4.2 DAS VERSCHLEIßVERHALTEN
4.2.1 Gleitverschleiß
4.2.1.1 Adhäsion
4.2.1.2 Tribooxidation
4.2.1.3 Abrasion
4.2.1.4 Wälzverschleiß / Oberflächenzerrüttung
4.2.2 Mischreibung
4.2.3 mechanischer Abrieb
4.2.3.1 Umgebungsatmosphäre
4.2.3.2 Phasenbestandteile
4.2.3.3 Elementgehalt
4.2.4 Temperaturabhängigkeit
4.2.5 Flächenpressung
4.2.6 Porensaum
4.2.7 Abkühlbedingungen / Nitrierkennzahl
4.3 DAS ERMÜDUNGSVERHALTEN
4.3.1 Dauerfestigkeit
4.3.1.1 Konzept der örtlichen Dauerfestigkeit
4.3.1.2 Schichtdicke und Phasenzusammensetzung
4.3.1.3 Probengeometrie
4.3.1.4 Ausgangswerkstoffzustand
4.3.1.5 Legierungselemente
4.3.1.6 Abkühl- und Nachbehandlungsbedingungen
4.3.2 Statisches Festigkeitsverhalten
4.3.2.1 Biegefestigkeit
4.3.2.2 Zugfestigkeit
4.3.2.3 Torsionsfestigkeit
4.3.3 Dynamisches Festigkeitsverhalten (Schwingfestigkeitsuntersuchungen)
4.3.3.1 Spannungsverlauf und -relaxation
4.3.3.2 Schwingfestigkeit
4.3.3.3 Dauerschwingfestigkeit
4.3.3.3.1 Ausgangswerkstoffzustand
4.3.3.3.2 Legierungselemente
4.3.3.3.3 Zwischen- und Nachbehandlung
4.3.3.3.4 Behandlungsdauer
4.3.3.3.5 Anlassbedingungen
4.3.3.3.6 Probengeometrie
4.3.3.3.7 Anwendungsfall: Zahnräder
4.3.3.4 Biegewechselfestigkeit
4.3.3.4.1 Legierungselemente
4.3.3.5 Torsionswechselfestigkeit
4.3.3.6 Umlaufbiegewechselfestigkeit
4.3.3.6.1 Behandlungstemperatur
4.3.3.6.2 Spannungsabbau
4.3.3.6.3 Auslagerungsbedingungen
4.3.3.6.4 Probengeometrie
4.3.3.6.5 Legierungselemente
4.3.4 Bruchflächen - Anrissorte
4.3.4.1 Anrissbildung
4.3.4.1.1 Erscheinungsformen
4.3.4.1.2 Ausgangswerkstoffzustand
4.3.4.2 Verbindungsschichtaufbau und -entfernung
4.3.4.3 Abkühl- und Nachbehandlungsbedingungen
4.3.4.4 Dauerfestigkeit, Lastspannung und Anrissortverlagerung
4.4 DAS FORMÄNDERUNGSVERHALTEN
4.4.1 Ausgangswerkstoffzustand
4.4.2 Auslagerung
4.5 DAS KORROSIONSVERHALTEN
4.5.1 Ebenmäßige Korrosion
4.5.1.1 Behandlungstemperaturen, -dauer
4.5.1.2 Legierungselemente
4.5.1.3 Phasenzusammensetzung
4.5.1.4 Nachbehandlung
4.5.2 Lochkorrosion
4.5.2.1 Strom-Dichte-Potentialkurven
4.5.2.2 Phasenzusammensetzung
4.5.2.2.1 Pilling-Bedworth-Regel
4.5.2.3 Nachbehandlung
4.6 DAS KORROSIONSERMÜDUNGSVERHALTEN
4.6.1 Bruchflächen – Anrissorte
4.6.2 Potentialmessungen
4.6.3 Statisches Festigkeitsverhalten
4.6.3.1 Torsionsfestigkeit
4.6.4 Dynamisches Festigkeitsverhalten
4.6.4.1 Zugschwellfestigkeit
4.6.4.2 Schwingfestigkeit
4.6.4.3 Biegewechselfestigkeit
4.6.4.4 Umlaufbiegewechselfestigkeit
4.6.5 Zusammenfassung der Übergangs- und Zeitfestigkeitsgebiete
4.6.6 Nachoxidation
5 AUSTENITISCHES NITRIEREN/NITROCARBURIEREN
5.1 ZWISCHENSCHICHTBILDUNG
5.1.1 Behandlungsdauer, -temperatur
5.1.2 Nitrierkennzahl
5.2 ELEMENTVERTEILUNG
5.3 NACHBEHANDLUNG
5.3.1 Abkühlbedingungen
5.3.2 Auslagerungsbedingungen
5.3.3 Oxidationsbehandlung
5.4 EIGENSCHAFTEN AUSTENITISCH NITRIERTER/NITROCARBURIERTER WERKSTOFFE
5.4.1 Härte
5.4.2 Porensaum
5.5 VERSCHLEIßVERHALTEN
5.5.1 Behandlungstemperatur, -dauer
5.6 DAS ERMÜDUNGSVERHALTEN
5.6.1 Dauerfestigkeit
5.6.2 Zeitfestigkeit
5.6.3 Umlaufbiegefestigkeit
5.6.4 Abkühl- und Nachbehandlungsbedingungen
5.7 DAS KORROSIONSVERHALTEN
5.7.1 Phasenverteilung
5.7.2 Porensaum
5.7.3 Nachbehandlung
5.8 KERBSCHLAGZÄHIGKEIT
6 VERFAHRENSKOMBINATIO N AUSTENITISCHES UND FERRITISCHES NITRIEREN/NITROCARBURIEREN – ZWEISTUFIGE BEHANDLUNG
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die vorliegende Arbeit untersucht die physikalischen und metallurgischen Eigenschaften von nitrierten bzw. nitrocarburierten Bauteilen unter Berücksichtigung verschiedener Prozessparameter. Das primäre Ziel ist die Analyse des Einflusses der Prozessführung auf die Randschichtmorphologie sowie auf das daraus resultierende Zähigkeits-, Verschleiß-, Ermüdungs- und Korrosionsverhalten technischer Werkstücke.
- Morphologische Grundlagen und Phasenzusammensetzung der Randschicht.
- Einfluss von Legierungselementen und Prozessparametern wie Nitriertemperatur und -dauer.
- Mechanische Eigenschaften einschließlich Härteverteilung, Zähigkeit und Eigenspannungen.
- Tribologisches Verhalten und Verschleißmechanismen in korrosiven und mechanisch belasteten Umgebungen.
- Verfahrenskombinationen wie zweistufige Behandlungen zur Optimierung der Werkstückeigenschaften.
Auszug aus dem Buch
2. Randschichtmorphologie
Als Resultat des Nitrierens bilden sich in der Randschicht des Werkstücks zwei Zonen aus: 1. die Verbindungszone und 2. die Diffusionszone.
Die Verbindungszone – auch Verbindungsschicht (VS) genannt – ist die äußere Zone mit meist 5-15 µm Schichtdicke, die aus den intermediären Phasen Fe2N, Fe4N und Fe3C besteht.
Die Diffusionszone – auch als Diffusionsschicht (DS) bezeichnet – hat eine Dicke von 0,5-1 mm. Sie enthält mit Stickstoff angereicherte α-MK (N-Gehalt der α-MK < 0,1%) und Nitridausscheidungen.
Grundsätzlich steigert die Verbindungszone die Verschleißfestigkeit und die Diffusionszone die Dauerfestigkeit des nitrierten/nitrocarburierten Werkstücks.
Beim Nitrocarburieren kann die Verbindungsschichtdicke bis zu 30 µm betragen, sie besteht überwiegend aus ε-FexN. Daran anschließend befindet sich eine γ’-Fe4N Schicht. Ins Werkstückinnere schließt sich die Diffusionsschicht an.
Eine Eigenschaft der ε-FexN-Schicht ist die Widerstandserhöhung gegen adhäsiven Verschleiß. Nach Gräfen wird sie deshalb nicht abgeschliffen.
Die Temperaturabhängigkeit des Schichtwachstums verläuft parallel zur Vergrößerung des Diffusionskoeffizienten.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Definiert die Grundlagen der thermochemischen Diffusions-Behandlungsverfahren und grenzt das Nitrieren sowie das Nitrocarburieren als Verfahren zur Modifikation der chemischen Zusammensetzung der Randschicht ein.
2 RANDSCHICHTMORPHOLOGIE: Beschreibt den strukturellen Aufbau der Randschicht in Verbindungs- und Diffusionszone sowie die entscheidenden Einflussparameter wie Temperatur, Zusammensetzung der Atmosphäre und Diffusionsvorgänge.
3 RANDSCHICHTCHARAKTERISIER UNG: Detailliert die wissenschaftliche Untersuchung der Element- und Phasenverteilung, der Eigenspannungen sowie der Härteverläufe zur Bestimmung der Werkstoffqualität.
4 EIGENSCHAFTEN NITRIERTER/NITROCARBURIERTER WERKSTÜCKE: Analysiert das technische Verhalten der behandelten Bauteile hinsichtlich Zähigkeit, Verschleißwiderstand, Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit unter verschiedenen Belastungsszenarien.
5 AUSTENITISCHES NITRIEREN/NITROCARBURIEREN: Behandelt die spezifischen Prozesse und Gefügebildungen bei Wärmebehandlungen oberhalb der A_C1-Temperatur und deren Auswirkungen auf das Schichteigenschaftsprofil.
6 VERFAHRENSKOMBINATIO N AUSTENITISCHES UND FERRITISCHES NITRIEREN/NITROCARBURIEREN – ZWEISTUFIGE BEHANDLUNG: Erörtert das Optimierungspotenzial durch eine Kombination beider Nitrierverfahren zur Verbesserung von Eigenschaftskombinationen wie Verschleiß- und Korrosionsschutz.
Schlüsselwörter
Nitrieren, Nitrocarburieren, Randschichtmorphologie, Verbindungsschicht, Diffusionsschicht, Nitriertemperatur, Gasnitrieren, Salzbadnitrieren, Plasmanitrieren, Verschleißfestigkeit, Dauerschwingfestigkeit, Korrosionsverhalten, Eigenspannungen, Phasenverteilung, Stickstoffdiffusion.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit den theoretischen Grundlagen und den physikalisch-metallurgischen Eigenschaften von nitrierten und nitrocarburierten Stählen sowie deren Optimierung durch verschiedene Prozessführungen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zu den Schwerpunkten gehören der strukturelle Aufbau der Randschichten, die Analyse der mechanischen Eigenschaften (Härte, Eigenspannungen) sowie das Verhalten der Bauteile unter tribologischer und korrosiver Beanspruchung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die umfassende Literaturrecherche und wissenschaftliche Aufarbeitung, wie sich durch gezielte Variation der Prozessparameter (Temperatur, Zeit, Atmosphäre, Nachbehandlung) spezifische Materialeigenschaften für industrielle Anwendungen einstellen lassen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um eine theoretische Studienarbeit in Form einer Literaturrecherche, die auf dem Studium und der Zusammenführung zahlreicher Fachpublikationen und technischer Daten beruht.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die detaillierte Beschreibung der Schichtmorphologie, die experimentelle Charakterisierung der Randschichten und die systematische Untersuchung der mechanischen sowie korrosiven Bauteileigenschaften.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Kernbegriffe sind Nitrieren, Nitrocarburieren, Verbindungsschicht, Diffusionsschicht, Eigenspannungen, Verschleißfestigkeit und Korrosionsermüdung.
Welchen Einfluss hat die Nachoxidation auf das Korrosionsverhalten?
Eine gezielte Nachoxidation führt zur Bildung einer stabilen Oxidschicht, welche die Korrosionsbeständigkeit in neutralen Medien deutlich erhöht und die Poren in der Verbindungsschicht abdichtet.
Warum ist die Wahl der Nitriertemperatur für die Zähigkeit kritisch?
Höhere Temperaturen führen zu einer dickeren Verbindungsschicht, können aber durch Kornvergröberung oder unerwünschte Ausscheidungen die Zähigkeit und das Ermüdungsverhalten verschlechtern, weshalb ein Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit gewählt werden muss.
- Arbeit zitieren
- Detlef Armin Kube (Autor:in), 2001, Eigenschaften nitrierter/nitrocarburierter Bauteile und deren Beeinflussung durch Prozessführung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/19197
