Verfahrenskombination Nitrieren und Wärmebehandlung Zweifache Härtebehandlung bringt Zeitersparnis

Nitrieren und anschließendes Induktionshärten in Kombination ermöglichen es, Eigenschaftsprofile einzustellen, die mit den Einzelverfahren nicht erzielbar sind. Langzeit-Nitrierbehandlungen könnten daher durch ein kurzes Nitrieren beziehungsweise Nitrocarburieren mit einer anschließenden Induktionswärmebehandlung ersetzt werden.

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Leibniz-Insittut für Werkstofforientierte Technologien IWT

Randschicht-Wärmebehandlungsverfahren wie das Induktionshärten und das Nitrieren werden eingesetzt, um die Gebrauchseigenschaften von Bauteilen zu verbessern. Beide haben aber verfahrensspezifische Grenzen. Beim Nitrieren entstehen deutlich höhere Randhärten als beim Induktionshärten, da die Härtesteigerung durch die Eindiffusion von Stickstoff und die daraus resultierende Bildung von Nitridausscheidungen erfolgt. Zum Erreichen hoher Härtetiefen allein durch das Nitrieren sind jedoch lange Behandlungsdauern notwendig. Ebenso ist beim Induktionshärten die maximal erreichbare Randhärte durch den Werkstoff begrenzt. Forscher am IWT Bremen haben untersucht, welche Möglichkeiten eine Kombination aus Nitrieren und Induktionshärten im Hinblick auf die Gestaltung des Härteverlaufs und des Gefüges eröffnet.

Nitrieren und Induktionshärten am Stahl 31CrMoV9 (1.8519) untersucht

Für die Untersuchungen wurden aus dem Nitrier- und Vergütungsstahl 31CrMoV9 (1.8519) im vergüteten Zustand (850 MPa) ringförmige Proben (Ø_außen = 46 mm, Ø_innen = 20 mm, Wanddicke = 8 mm) hergestellt. Das Nitrieren erfolgte bei 520 °C für 24 h in einer Gasnitrieranlage. Die Nitrierkennzahl wurde auf K_N=3 geregelt. Das Induktionshärten wurde auf einer Universalhärteanlage VL1000 Sinac 200/300 S MFC durchgeführt. Die Mantelflächen der Scheibenproben wurden mit einem Ringinduktor (Ø_innen = 50 mm) mit Hochfrequenz (~200 kHz) und einer Generatorleistung von circa 50 kW für 1 s erwärmt. Im Anschluss wurden die Proben mit einer Polymerlösung (12 % Aquatensid in Wasser) im Brauseverfahren abgeschreckt. Die Härteschicht wurde anhand von Härteverläufen und metallografischen Schliffen charakterisiert. Als Grenzhärte für die Bestimmung der Einhärtungstiefe wurden 400 HV festgelegt.

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Alle Proben weisen in der Randschicht einen Härteanstieg auf, dessen Betrag und Tiefenwirkung signifikant von der Prozesswahl beeinflusst wird. Die Nitrierhärtetiefe nach dem Nitrieren beträgt 0,29 mm. Eine Verdopplung der Nitrierhärtetiefe wäre bei gleicher Temperatur nur durch eine Vervierfachung der Prozessdauer möglich, da die Nitrierhärtetiefe durch die Diffusionsgeschwindigkeit des Stickstoffs im Werkstoff bestimmt wird. Beim untersuchten Werkstoff wurde durch diese Behandlung eine Randhärte von circa 800 HV0,5 erreicht.

Induktion führt zu niedrigerem Härtegrad als Nitrieren

Nach dem reinen Induktionshärten ist die Härte der Einhärtungszone mit circa 450 HV1 deutlich niedriger als nach dem Nitrieren und könnte auch durch andere Prozessparameter nicht wesentlich gesteigert werden. Im Gegensatz zum Nitrieren wird beim Induktionshärten die chemische Zusammensetzung in der Randschicht nicht gezielt verändert. Da die Martensithärte direkt vom Kohlenstoffgehalt abhängig ist, sind die maximal erreichbaren Härten primär durch den Werkstoff und dessen Kohlenstoffgehalt limitiert. Allerdings können beim Induktionshärten durch die Variation der Parameter Frequenz und Haltedauer Einhärtungstiefen von mehreren Millimetern eingestellt werden. Die in kurzer Zeit erzeugte Einhärtungstiefe von 0,83 mm ist mehr als doppelt so hoch wie nach dem Nitrieren.

Durch die Kombination entsteht ein Härteprofil, das die Stärken der beiden Einzelverfahren vereint: Die Randhärte liegt im Bereich der beim reinen Nitrieren erzielten Härte, während die Einhärtungstiefe mit 0,77 mm im Bereich des Induktionshärtens liegt. Zusätzlich ist der Übergang von der harten Nitrierschicht zum vergüteten Grundwerkstoff flacher als beim reinen Nitrieren.

Nach dem Nitrieren liegt ein klassischer Nitrierschichtaufbau vor, bestehend aus einer 12 bis 13 µm dicken Verbindungsschicht an der Oberfläche und einer Diffusionsschicht darunter. Beim Induktionshärten ist ein martensitisches Gefüge in der Randschicht entstanden.

Kombination von Induktion und Nitrieren wandelt Diffusionsschicht um

In der Verfahrenskombination wandelt die mit Stickstoff angereicherte Diffusionsschicht beim Abschrecken nach der Induktionswärmebehandlung martensitisch um. Der im Bereich der Diffusionsschicht gebildete Martensit ist feiner als der durch Induktionshärten ohne vorheriges Nitrieren erzeugte Martensit, da die Nitride während der Induktionswärmebehandlung nicht gelöst werden und kornfeinend wirken. Die Steigerung der Härte gegenüber den Einzelverfahren kommt durch eine Überlagerung von Erhöhung der Martensithärte durch Stickstoffatome, Teilchenverfestigung durch Ausscheidung von (Carbo-)Nitriden und Feinkörnigkeit zustande.

Die beim Nitrieren entstandene Verbindungsschicht wird durch die Temperatureinwirkung während der Austenitisierung abgebaut. Durch eine niedrige Austenitisierungstemperatur und eine kurze Austenitisierungsdauer kann der Verbindungsschichtabbau vermieden werden. Allerdings ist hierbei zu berücksichtigen, dass die Verbindungsschicht trotz milder Austenitisierungsbedingungen einer hohen thermischen Belastung während des Induktionshärtens unterliegt und ihre Eigenschaften sich gegenüber dem Zustand nach dem Nitrieren ändern können.

Die Untersuchungen zeigen das Potenzial einer Kombinationsbehandlung, mit der in kurzer Prozessdauer Eigenschaftsprofile eingestellt werden, die mit den Einzelverfahren nicht erzielt werden können. Während mit dem Nitrieren eine hohe Randhärte bei niedriger Härtetiefe und mit dem Induktionshärten eine hohe Härtetiefe bei niedriger Randhärte realisiert werden kann, weist das Härteprofil nach der Kombinationswärmebehandlung gleichzeitig eine hohe Randhärte und eine hohe Härtetiefe auf.

* Stefanie Hoja und Dawid Nadolksi sind wissenschaftliche Mitarbeiter in der Abteilung Wärmebehandlung bei der Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen (IWT) in 28359 Bremen, Dr. Matthias Steinbacher ist dort Abteilungsleiter

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