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Steigerung von Oberflächenhärte und Schutz gegen Verschleiß durch das Plasmanitrieren

Unsere Kapazitäten für das Plasmanitrieren erlauben uns die schnelle und effiziente Bearbeitung aller Aufträge. Täglich starten mehrere Prozesse, sodass eine kurzfristige und schnelle Auftragsbearbeitung jederzeit umsetzbar ist. Vom Einzelteil bis hin zur Serie bieten wir passende Kapazitäten und kurze Durchlaufzeiten.

Das Plasmanitrieren (auch bekannt als Ionitrieren, Puls-Plasmanitrieren, sowie Kaltnitrieren oder Plasma-Härten) ist ein thermochemisches Wärmebehandlungsverfahren zur Steigerung der Zuverlässigkeit und Verschleißfestigkeit mechanisch beanspruchter Metallbauteile. Dauerfestigkeit sowie Korrosionsschutz von Werkstoffen werden auf besonders schonende Art und Weise verbessert. Unter Einwirkung von Wärme erfolgt beim Plasmanitrieren eine chemische Randschichtumwandlung durch Eindiffusion von Stickstoff, der zusammen mit dem Werkstoff des Behandlungsgutes Nitride ausbildet. Dies führt zu einer erhöhten Oberflächenhärte und einer deutlich verbesserten Beständigkeit gegen Verschleiß. Die Behandlung der Werkstücke erfolgt im Vergleich zu konventionellen Härteverfahren bei deutlich niedrigeren Temperaturen, wodurch eine hohe Maßhaltigkeit bei dieser Art von Wärmebehandlung gewährleistet wird.

Da somit die aufwendige Nachbearbeitung der Teile im randschichtgehärteten Zustand entfällt oder auf ein Mindestmaß reduziert wird, sind mit dem Plasmanitrieren zusätzliche Kosteneinsparungen innerhalb der Prozesskette realisierbar. Das Behandlungsgut kann im weichen Zustand häufig auf Endmaß gefertigt und nach der Wärmebehandlung im Plasma ohne oder mit nur geringer Nacharbeit fertiggestellt werden. Weiterhin sind sehr niedrig angelassene, vergütete Stähle ohne Verlust der Kernfestigkeit behandelbar.
Nitrieren kann prinzipiell mit verschiedenen Verfahren erfolgen. Bekannt sind neben dem Plasmanitrieren das Badnitrieren und das Gasnitrieren. Unter den Härterei-Verfahren hat das Plasmanitrieren einen besonderen Standpunkt aufgrund seiner Reproduzierbarkeit, Umweltverträglichkeit und Energieeffizienz.

 

Plasmanitrieren – die Vorteile:
  • Endreinigung der Bauteile im Plasma
  • gute Behandelbarkeit hochlegierter Stähle und Edelstahl
  • niedrige Prozesstemperaturen
  • verzugsarm
  • Schichtaufbau kann an die Beanspruchung angepasst werden
  • Schichten sind weniger spröde und porös als beim Gas- und Badnitrieren
  • kürzere Behandlungszeiten als beim Gasnitrieren
  • Minimierung der Nacharbeit
  • keine Nachreinigung notwendig

Durch eine gezielte Steuerung des Schichtaufbaus kann das Behandlungsergebnis durch das Plasmanitrieren an die Beanspruchung vorteilhaft angepasst werden.
Die Wärmebehandlung im Plasma erfolgt im Vergleich zu konventionellen Härterei-Verfahren bei deutlich niedrigeren Temperaturen. Eine mechanische Nachbearbeitung ist aufgrund des damit minimierten Verzuges häufig nicht mehr erforderlich.

 

Die Nitrierschicht

Die Nitrierschicht besteht aus der äußeren Verbindungsschicht (VS) und der darunter liegenden Diffusionsschicht (DS). Die Verbindungsschicht besteht aus Eisennitriden – dem stickstoffreicheren ε-Nitrid Fe23N und dem eisenreicheren γ`-Nitrid Fe4N. Im Vergleich zum Gasnitrieren ist die durch das Plasmanitrieren erzeugte Verbindungsschicht kompakter, porenärmer und verfügt dadurch über bessere Schichteigenschaften. Unterhalb der VS liegt die Diffusionszone (DS), die aus dem Grundwerkstoff mit ausgeschiedenen Nitriden besteht. Die erreichbare Härte an der Oberfläche ist umso höher, je mehr nitridbildende Elemente sich im Stahl befinden. Darin liegt die Ursache, dass unlegierte Stähle nur Oberflächenhärten von 250 – 300 HV, niedriglegierte Stähle 600 – 700 HV und Nitrier- und hochlegierte Stähle 800 – 1200 HV erreichen.

Der Kennwert Nitrierhärtetiefe NHT ist definiert als der Randabstand, bei dem Kernhärte + 50 HV vorliegen (gemäß DIN50190 Teil 3). Übliche Nht sind bis 0,8 mm bei un- und niedriglegierten Stählen und bis 0,15 mm bei hochlegierten Stählen und Edelstahl. Die erreichbare Tiefe und die Zeit, in der diese erreicht werden kann, wird maßgeblich durch den verwendeten Werkstoff, die Behandlungstemperatur und die Behandlungszeit bestimmt.

Plasmanitrieren: der Schichtaufbau

Werden besonders dicke Verbindungsschichten benötigt, empfiehlt sich das Plasmanitrocarburieren anstatt dem Plasmanitrieren. Zur Steigerung der Korroionsbeständigkeit niedrig und mittelmäßig legierter Werkstoffe gibt es die Möglichkeit eine Nachoxidation durchzuführen. Mit Hilfe dieses zusätzlichen Schrittes lässt sich der Korrosionsschutz im Anschluss an das Plasmanitrieren nochmals steigern.

 

Die physikalischen Grundlagen des Plasmanitrierens

Die physikalischen Grundlagen des Plasmanitrierens führen zu den charakterstischen Merkmalen von Prozess und der notwendigen Anlagentechnik. Das Plasmanitrieren ist ein vakuumgestützter Prozess. Die zu behandelnden Teile bilden als Charge die Kathode, die Ofenwandung ist die Anode. Nach Evakuierung des bestückten Rezipienten wird zwischen der Charge und der Ofenwand ein elektrisches Feld angelegt. Das zugeführte Behandlungsgas spaltet sich im elektrischen Feld auf und wird ionisiert. Es bildet sich ein leitfähiges Gas, das Plasma. Die darin enthaltenen Stickstoffionen werden aufgrund des Stromflusses in Richtung der Kathode beschleunigt und treffen mit hoher Energie auf die Werkstückoberflächen auf.

 

Dies führt zu:
  • Feinreinigung der Oberflächen durch Absputtern von Fremdatomen
  • Auflösen von Passivschichten (z.B. auf nichtrostenden Stählen bzw. Edelstahl und Titan)
  • Aktivierung der Oberfläche
  • Erwärmung der Teile
  • Diffusion des Stickstoffs in die Werkstücke bei Prozesstemperatur

Ist die Behandlungstemperatur erreicht, beginnt die Haltezeit. Diese richtet sich nach der Werkstoffart und der gewünschten Nitrierhärtetiefe. Übliche Haltezeiten beim Plasmanitrieren betragen 12 – 50 Stunden. Gegenüber dem Gasnitrieren ist etwa die halbe Haltezeit erforderlich.
Nach der entsprechenden Behandlungszeit wird durch Fluten mit einem Gas ein Druckausgleich herbeigeführt. Danach kühlt die Charge kontrolliert ab und die fertigen Werkstücke können bei niedriger Temperatur entnommen werden.

 

Auswahl an nitrierbaren Stählen und Behandlungsergebnisse nach dem Plasmanitrieren

 

Werkstoff

Werkstoff-Nr.

Härte HV 1

NHT in mm

VS in µm

Nitrierstähle
32 CrMoV 12-10

1.7765

750 – 1000

0,2 – 0,6

4 – 15

34 CrAl 6

1.8504

900 – 1200

0,2 – 0,5

4 – 10

34 CrAl S 5

1.8506

900 – 1200

0,2 – 0,6

4 – 10

34 CrAlMo 5

1.8507

900 – 1200

0,2 – 0,5

4 – 10

41 CrAlMo 7

1.8509

800 – 1000

0,2 – 0,5

4 – 10

31 CrMo 12

1.8515

800 – 1100

0,2 – 0,5

4 – 15

31 CrMoV 9

1.8519

750 – 1000

0,2 – 0,5

4 – 15

31 CrAlV 79/td>

1.8523

900 – 1250

0,2 – 0,6

4 – 10

34 CrAlNi 7

1.8550

900 – 1250

0,2 – 0,6

4 – 15

Einsatzstähle
C 15

1.0401

300 – 450

0,2 – 0,6

4 – 15

C15 E / Ck 15

1.1141

250 – 350

0,2 – 0,6

4 – 15

21 MnCr 5

1.2162

600 – 750

0,3 – 0,6

4 – 15

14 NiCr 15

1.5752

500 – 650

0,2 – 0,6

4 – 8

15 CrNi 6

1.5919

500 – 750

0,2 – 0,8

4 – 8

20 NiCrMo 2-2

1.6523

650 – 700

0,2 – 0,6

4 – 8

18 CrNiMo 7-6

1.6587

600 – 700

0,2 – 0,6

4 – 8

16 MnCr 5

1.7131

600 – 750

0,2 – 0,8

4 – 15

16 MnCrS 5

1.7139

600 – 750

0,2 – 0,8

4 – 15

20 MnCr 5

1.7147

600 – 800

0,2 – 0,8

4 – 15

20 CrMo 5

1.7264

850 – 950

0,2 – 0,8

4 – 15

Vergütungsstähle
C 30 E

1.1178

300 – 450

0,2 – 0,6

4 – 15

C 35 E

1.1181

300 – 500

0,2 – 0,6

4 – 15

C 45 E / Ck 45

1.1191

300 – 550

0,2 – 0,6

4 – 15

C 60 E / Ck 60

1.1221

300 – 550

0,2 – 0,6

4 – 15

40 CrMnMo 7

1.2311

700 – 850

0,2 – 0,6

4 – 15

40 CrMnMoS 8-6

1.2312

700 – 850

0,2 – 0,6

4 – 15

45 NiCr 6

1.2710

600 -800

0,2 – 0,5

4 – 8

55 NiCrMoV 61.2713

600 – 700

0,2 – 0,6

4 – 8

30 CrNiMo 8

1.6580

600 – 800

0,2 – 0,5

3 – 10

34 CrNiMo 6

1.6582

600 – 800

0,2 – 0,5

3 – 10

34 Cr 4

1.7033

500 – 600

0,2 – 0,5

4 – 15

25 CrMo 4

1.7218

600 – 700

0,2 – 0,5

4 – 15

34 CrMo 4

1.7220

500 – 600

0,2 – 0,5

4 – 15

42 CrMo 4

1.7225

600 – 750

0,2 – 0,5

4 – 15

30 CrMoV 9

1.7707

850 – 950

0,2 – 0,6

4 – 15

39 CrMoV 13-9

1.8523

800 – 950

0,2 – 0,5

4 – 8

Toolox33, SP 300

siehe 1.2312

Toolox 44

800 – 1000

0,2 – 0,6

4 – 8

ETG® 100

1.8523

400 – 650

0,2 – 0,6

4 – 8

Werkstoff

Werkstoff-Nr.

Härte HV 1

NHT in mm

VS in µm

Baustahl
S 235 JR

1.0037

250 – 400

0,2 – 0,6

4 – 10

S 235

1.0038

200 – 350

0,2 – 0,6

4 – 10

E 335

1.0060

300 – 550

0,2 – 0,6

4 – 10

S 235 J2G3

1.0116

350 – 400

0,2 – 0,6

4 – 10

S 355 J2+N

1.0570

300 – 550

0,2 – 0,6

4 – 10

S 355 J2H

1.0576

300 – 550

0,2 – 0,6

4 – 10

Werkzeugstahl, unlegiert
C 105 W 1

1.1545

550 – 650

0,2 – 0,8

4 – 8

C 80 W 2

1.1625

550 – 650

0,2 – 0,8

4 – 8

Warmarbeitsstähle
X 38 CrMoV 5 1

1.2343

900 – 1250

0,2 – 0,4

4 – 8

X 40 CrMoV 5 1

1.2344

900 – 1250

0,2 – 0,4

4 – 8

X 32 CrMoV 3 3

1.2365

800 – 1000

0,2 – 0,4

4 – 8

X 3 NiCoMoTi 18-9-5

1.2709

800 – 1200

0,15 – 0,3

2 – 4

X 15 CrCoMoV 10-10-5

1.2886

1000 – 1200

0,15 – 0,3

2 – 4

Kaltarbeitsstähle
X 210 Cr 12

1.2080

900 – 1200

0,1 – 0,15

2 – 4

62 SiMNCr 5

1.2101

500 – 600

0,3 – 0,6

4 – 8

X 165 CrV 12

1.2201

1000 – 1200

0,1 – 0,4

2 – 4

115 CrV 3

1.2210

350 – 500

0,3 – 0,4

4 – 8

26 CrMoV 9

1.2307

850 – 950

0,1 – 0,4

4 – 8

X 100 CrMoV 5

1.2363

800 – 1200

0,1 – 0,4

4 – 8

85 CrMoV 12-6-5

1.2364

950 – 1200

0,1 – 0,4

4 – 8

X 155 CrVMo 12-1

1.2327

900 – 1200

0,1 – 0,4

4 – 8

X 210 CrW 12

1.2436

700 – 900

0,15 – 0,3

2 – 4

X 165 CrMoV 12

1.2601

900 – 1200

0,15 – 0,2

2 – 4

X 60 WCrMoV 9-5

1.2622

800 – 900

0,1 – 0,4

2 – 4

X 45 NiCrMo 4

1.2767

650 – 900

0,15 – 0,5

2 – 4

90 MnCrV 8

1.2842

450 – 650

0,2 – 0,6

4 – 8

Schnellarbeitsstähle
S 10-4-3-10

1.3207

1000 – 1400

0,05 – 0,25

≤ 3

S 12-1-1

1.3302

1200 – 1400

0,05 – 0,2

≤ 3

S 6-5-2

1.3343

1000 – 1400

0,05 – 0,25

≤ 3

S 18-0-1

1.3355

1000 – 1200

0,05 – 0,2

≤ 3

Wälzlagerstähle
100 MnCrW 4

1.2510

500 – 700

0,2 – 0,3

≤ 5

100 Cr 6

1.3505

350 – 600

0,2 – 0,3

≤ 5

X 102 CrMo 17

1.3543

1000 – 1200

0,1 – 0,2

≤ 3

Federstähle
C 75 S / Ck 75

1.1248

350 – 550

0,2 – 0,6

4 – 8

60 SiMn 5

1.5142

400 – 600

0,2 – 0,6

4 – 8

67 SiCr 5

1.7103

500 – 650

0,2 – 0,6

4 – 8

50 CrV 4

1.8159

450 – 600

0,2 – 0,6

4 – 8

58 CrV 4

1.8161

450 – 600

0,2- 0,6

4 – 8

 

 

Werkstoff

Werkstoff-Nr.

Härte HV 1

NHT in mm

VS in µm

Rost- und Säurebeständige Stähle
X 40 Cr 14

1.2083

1000 – 1200

0,15 – 0,3

X 38 CrMo 16

1.2316

900 – 1200

0,15 – 0,3

X 20 Cr 13

1.4021

1000 – 1200

0,15

X 30 Cr 13

1.4028

1000 – 1200

0,15

X 46 Cr 13

1.4034

1000 – 1200

0,15

X 46 Cr 13

1.4104

1000 – 1200

0,15

X 90 CrMoV 18

1.4112

900 – 1100

0,15

X 90 CrMoV 18

1.4117

950 – 1200

0,15

X 35 CrMo 17

1.4122

1000 – 1400

0,15

X 12 CrNi 18 8

1.4300

800 – 1200

0,15

X 5 CrNi 18 10

1.4301

800 – 1200

0,15

X 10 CrNiS 18 9

1.4305

800 – 1000

0,15

X 5 CrNiMo 17 12 2

1.4401

800 – 1200

0,15

X 2 CrNiMo 18 14 3

1.4435

800 – 1200

0,15

X 5 CrNiMo 17 13

1.4449

800 – 1200

0,15

X 5 CrNiMo 17 13

1.4535

1000 – 1200

0,15

X 6 CrNiMoTi 17 12 2

1.4571

800 – 1200

0,15

Martensitaushärtbare Stähle
X 2 NiCrMo 18 8 5

1.6359

1000 – 1200

0,15 – 0,3

1 – 2

Hitzebeständige Stähle
X 15 CrNiSi 25 20

1.4841

800 – 1100

0,1

X 12 CrNi 25 21

1.4845

800 – 1100

0,1

Grauguss
EN-GJL-150 / GG 15

300 – 450

0,2 – 0,4

4 – 10

EN-GJL-250 / GG 25

350 – 500

0,2 – 0,5

4 – 10

EN-GJS-400-15 / GGG 40EN-JS 1040

400 – 600

0,2 – 0,5

4 – 10

GGG 42

400 – 600

0,2 – 0,5

4 – 10

EN-GJS-600-3 / GGG 60EN-JS 1060

500 – 700

0,2 – 0,6

4 – 10

EN-GJS-700-2 / GGG 70EN-JS 1070

500 – 700

0,2 – 0,6

4 – 10

Automatenstähle
9 S 20

1.0711

200 – 300

0,2 – 0,6

4 – 8

9 SMnPb 28

1.0718

200 – 350

0,2 – 0,6

4 – 8

10 S 20

1.0721

350 – 400

0,2 – 0,6

4 – 8

45 S 20 / 46 S 20

1.0727

350 – 450

0,2 – 0,6

4 – 8

44 SMn 28

1.0762

300 – 600

0,2 – 0,6

4 – 8

Sintermetalle
Astaloy Mo

400 – 500

0,1 – 0,5

Sint D30

350 – 500

0,1 – 0,5

5 – 20

Sint D35

150 – 300

0,1 – 0,3

5 – 20

 

Die hier dargestellten Behandlungsergebnisse des Plasmanitrierens beziehen sich auf Standard- und Langzeit-behandlungen und häufig genutzte Werkstoffe. Eine höhere oder niedrigere Nitrierhärtetiefe (NHT) und Verbindungsschichtdicke (VS) können im Rahmen von Sonderbehandlungen erreicht werden. Prinzipiell ist jeder Stahl nitrierbar. Wir beraten Sie gern zu den Möglichkeiten und individuellen Vorteilen.