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Was ist Nitrierstahl? Der ABRAMS Stahlberater® klärt auf!

Nitrierstähle sind zum Nitrieren geeignet, wenn eine sehr hohe Randschichthärte erreicht werden soll. Nitrierstahl wird viel in der Maschinenbauindustrie wegen seiner überlegenen Eigenschaften, insbesondere wegen seiner Härte und Verschleißfestigkeit, bevorzugt. Das Nitrieren von Stählen wird immer dort angewendet, wo Bauteile eine gute Verschleißfestigkeit bei hoher Oberflächenbeanspruchung kombiniert mit einem zähen Kern haben müssen.

Im Gegensatz zum Einsatzhärten, wo Kohlenstoff in die Oberfläche eindiffundiert wird, wird beim Nitrieren Stickstoff in die Oberfläche eindiffundiert.

Nitrierstähle sind Vergütungsstähle (EN 10085, früher DIN 17 211), die mit stickstoffaufnahmefördernden Legierungselementen wie Chrom, Vanadium, Molybdän, Titan oder Aluminium legiert sind. Diese Elemente fördern die Bildung feiner, sehr harter Nitride und verbessern dadurch die mechanischen Eigenschaften des Stahls.
Neben den genormten Nitrierstählen sind auch Warmarbeits- und Schnellarbeitsstähle (z.B. 1.2343 – X37CrMoV5-1 und 1.3343 – HS6-5-2C) sowie Einsatz- und Vergütungsstähle (z.B. 1.2162 – 21MnCr5 und 1.6582 – 34CrNiMo6) nitrierfähig.

Die relevanten Bauteile sollten in der Anwendung keinen zu hohen Flächenpressungen ausgesetzt sein, da sonst die Nitrierschicht abplatzen kann, oder der Grundwerkstoff wegen geringerer innerer Festigkeit eingedrückt wird. An dieser Stelle sollte bemerkt werden, dass mit zunehmendem Legierungsgehalt die mögliche Stickstoffeindringtiefe reduziert wird. Im Umkehrschluss neigen unlegierte Stähle dazu, eine spröde Nitrierschicht zu bilden, die leicht abplatzen kann.

Was ist Nitrieren?

Beim Nitrieren wird der Stahl in einer stickstoffhaltigen Umgebung erhitzt, was dazu führt, dass Stickstoffatome in die Oberfläche des Stahls eindringen und in Verbindung mit diesem eine besonders harte Schicht bilden (bis 1.200 HV). Stähle, die für dieses Verfahren, das sogenannte Aufsticken, geeignet sind, werden als Nitrierstähle bezeichnet. Nitrieren ist somit eine thermochemische Oberflächenhärtungstechnik.

Der Prozess der Stahlnitrierung ist ein Wärmebehandlungsverfahren, das zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Stahl, insbesondere seiner Verschleißfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, entwickelt wurde. Bei allen Nitrierverfahren gilt dabei, je länger die Nitrierdauer, umso tiefer ist die Nitrierhärtetiefe (bis 0,8 mm bei un- und niedrig legierten Stählen, bis 0,15 mm bei hochlegierten Stählen und Edelstahl).

Die Nitrierung kann in verschiedenen Medien durchgeführt werden, dazu zählen die Gasnitrierung, Salzbadnitrierung und Plasmanitrierung. Bei der Gasnitrierung wird Ammoniak als Stickstoffquelle verwendet, während bei der Salzbadnitrierung cyanidhaltige Härtesalze genutzt werden. Bei der Plasmanitrierung wird der Stickstoff durch eine elektrische Entladung ionisiert, was eine effiziente Stickstoffeinlagerung ermöglicht. Alle diese Methoden haben ihre eigenen Vor- und Nachteile in Bezug auf Kosten, Kontrolle und Umweltverträglichkeit.

Es gibt viele verschiedene Arten von Nitrierstahl, die je nach spezifischen Anforderungen der Anwendung ausgewählt werden können. Dazu gehören z.B. Gasnitrieren, Vakuumnitrieren, Plasmanitrieren oder Salzbadnitrieren. Nitrierstähle haben unterschiedliche Mengen an Kohlenstoff, Chrom, Molybdän und anderen Elementen, die ihre mechanischen Eigenschaften beeinflussen. Die Wahl des richtigen Nitrierstahls erfordert eine sorgfältige Abwägung der spezifischen Anforderungen der Anwendung, einschließlich Härte, Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Kosten.

Nitrierstahl hat eine Reihe von wertvollen Eigenschaften. Erstens hat er eine hohe Oberflächenhärte, was ihn sehr verschleißfest macht. Dies macht Nitrierstahl ideal für Anwendungen, in denen ein hoher Grad an Verschleißfestigkeit erforderlich ist, wie z.B. Getriebeteile, Lager und Werkzeuge.

Zweitens führt die Nitrierung nicht zu Verformungen oder Verzug des Bauteils, da sie bei Temperaturen durchgeführt wird (meist 500 – 520°C), die unterhalb der Umwandlungstemperatur des Stahls liegen. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber anderen Härtungstechniken, die zu erheblichen Verformungen führen können. Es kann also vor dem Härten fertiggearbeitet werden

Drittens verbessert die Nitrierung die Ermüdungsfestigkeit des Stahls, was ihn zu einer guten Wahl für Bauteile macht, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Des Weiteren ist Nitrierstahl durch die thermische Stabilität der Nitride bis zu 500°C anlassbeständig.

Trotz seiner Vorteile hat Nitrierstahl auch einige Nachteile. Die Nitrierung kann nur auf bestimmten Stählen durchgeführt werden, die geeignete Elemente für die Bildung von Nitridphasen enthalten. Nicht alle Stahlsorten können erfolgreich nitriert werden, und die Wahl des geeigneten Stahls kann ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung sein, ob die Nitrierung angewendet wird oder nicht.

Der Anwendungsumfang wird in der Praxis genauestens geprüft, da die Herstellung der Nitrierstähle wegen der vielen Bearbeitungsstufen sehr teuer ist.

Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Eindringtiefe der Nitrierung. Die Nitrierung findet hauptsächlich an der Oberfläche des Stahls statt und die Eindringtiefe ist typischerweise auf einige Zehntel von Millimetern begrenzt. Dies bedeutet, dass Nitrierstahl nicht für Anwendungen geeignet ist, bei denen eine tiefere Härte erforderlich ist. Darüber hinaus kann die Nitrierung die Korrosionsbeständigkeit des Stahls beeinträchtigen, insbesondere in feuchten oder korrosiven Umgebungen.

Trotz dieser Nachteile ist Nitrierstahl ein äußerst wertvoller Werkstoff in der Maschinenbauindustrie. Die hohe Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit, die durch die Nitrierung erzielt werden, sind oft entscheidend für die Leistungsfähigkeit von Maschinenbauteilen. Durch die richtige Auswahl und Verarbeitung des Stahls können die Vorteile der Nitrierung maximiert, und die Nachteile minimiert werden.

Nitrierstähle werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, in denen eine hohe Verschleißfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit erforderlich sind. Beispiele hierfür sind Zahnräder, Kurbelwellen, Nockenwellen und Ventile in der Automobilindustrie, sowie Werkzeuge und Formen in der Kunststoffverarbeitung und in der Metallbearbeitung.

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