Nitrieren vs. Carbonitrieren: Was ist besser?

Der Zweck des Vergleichs von Nitrieren und Karbonitrieren besteht darin, zu klären, was jedes thermochemische Verfahren zur Veränderung von Stahloberflächen bewirkt. Obwohl beide Stickstoff einbringen, unterscheiden sie sich in den erreichbaren Randschichteigenschaften, den Verbindungsschichten und dem Diffusionsverhalten.

In diesem Blog erhalten Sie einen klaren Überblick darüber, wann Nitrieren oder Karbonitrieren die geeignetere Wahl für anspruchsvolle Anwendungen ist.

Was ist Nitrieren?

Beim Nitrieren werden Oberflächen gehärtet, indem Stickstoff bei relativ niedrigen Temperaturen in die äußere Schicht des Stahls eindiffundiert. Dadurch bilden sich harte Nitride in der Oberfläche, die die Verschleißfestigkeit und Festigkeit verbessern, ohne den Stahl zu verziehen oder seine Struktur zu verändern.

Die Maßhaltigkeit bleibt erhalten und die Verformung ist minimal, da das Verfahren unterhalb der Umwandlungstemperatur des Stahls abläuft. Wir setzen das Nitrieren typischerweise bei Legierungen mit Elementen wie Molybdän, Chrom oder Aluminium ein, die bereitwillig stabile Nitride bilden.

Gängige Nitrierverfahren

Gasnitrieren

Bei diesem Verfahren wird Ammoniakgas in einer abgedichteten Kammer eingesetzt, um Stickstoff an die Stahloberfläche zu bringen. Durch die allmähliche Reaktion des Stickstoffs mit dem Stahl entsteht eine harte Randschicht. Durch Anpassung der Stickstoffkonzentration und der Ofentemperatur können wir steuern, wie tief und hart die Schicht wird.

Plasmanitrieren

Beim Plasmanitrieren wird ionisierter Stickstoff in einer Niederdruckkammer durch elektrische Entladung erzeugt und eingebracht. Stickstoffionen dringen effizienter in die Stahloberflächen ein. Dadurch lässt sich die Oberflächenhärte besser steuern, die Behandlung ist schneller und die Randeffekte an komplexen Bauteilen werden reduziert.

Salzbadnitrieren

Bei diesem Verfahren wird der Stahl in eine stickstoffreiche Salzschmelze getaucht. Wenn der Stickstoff in die Oberfläche eindiffundiert, bildet sich eine harte Schicht mit zuverlässiger Ermüdungs- und Spannungsbeständigkeit. Dieses Verfahren wird für Bauteile bevorzugt, die über das gesamte Teil hinweg gleichbleibende Oberflächeneigenschaften erfordern.

Was ist Karbonitrieren?

Dies ist eine thermochemische Oberflächenbehandlung, bei der sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff bei erhöhten Temperaturen in den Stahl eindiffundiert werden. Das Vorhandensein beider Elemente härtet die Oberfläche stärker und erhöht die Verschleißfestigkeit, während ein duktiler und zäher Kern erhalten bleibt.

Das Verfahren wird bei niedrig legierten und kohlenstoffarmen Stählen eingesetzt, um die Ermüdungsleistung und die Tragfähigkeit zu erhöhen. Im Vergleich zum Nitrieren erzeugt das Karbonitrieren eine flachere Randschicht, verkürzt jedoch die Zykluszeit, was es kosteneffizienter und geeignet für die Serienfertigung von Bauteilen macht.

Warum Stickstoff zusetzen?

Stickstoff wird zugesetzt, um die Härte und Verschleißfestigkeit zu erhöhen, ohne die Kerneigenschaften zu beeinträchtigen. Wenn er sich mit Legierungselementen verbindet, entstehen Nitride, die die Oberflächenverformung verringern und die Ermüdungslebensdauer verbessern.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Stickstoff bei einigen Stählen die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit verbessern kann. Er kann auch dazu beitragen, die Maßstabilität zu erhalten. Um spezifische Leistungsanforderungen für industrielle Teile zu erfüllen, können wir die Randschicht durch Steuerung des Stickstoffgehalts und der Diffusionsschichttiefe anpassen.

Wesentliche Unterschiede zwischen Nitrieren und Karbonitrieren

Temperatur und Verformung: Nitrieren vs. Karbonitrieren

Das Nitrieren erfolgt bei niedrigeren Temperaturen, um die Verformung zu minimieren und die Maßhaltigkeit zu erhalten. Die Temperatur liegt typischerweise bei etwa 500–550 °C. Das Karbonitrieren hingegen erfordert höhere Temperaturen für eine schnellere Diffusion, kann jedoch auch ein größeres Verformungsrisiko an Bauteilen verursachen. Die Temperatur reicht von 780 bis 900 °C.

Randschichttiefe und Härteverlauf: Nitrieren vs. Karbonitrieren

Beim Nitrieren erhalten wir flache und gleichmäßige harte Randschichten mit einem allmählichen Härtegradienten. Das Karbonitrieren erzeugt etwas tiefere Randschichten. Die Ergebnisse des Karbonitrierens zeigen eine höhere Oberflächenhärte, jedoch fällt die Härte zum Kern hin steiler ab.

Verschleiß und Reibung: Nitrieren vs. Karbonitrieren

Beide Verfahren bieten eine hervorragende Verschleißfestigkeit, doch die stickstoffreiche Oberfläche aus dem Nitrieren sorgt für ein reibungsärmeres Verhalten, selbst bei wiederholtem Gleitkontakt. Das Karbonitrieren erzeugt eine härtere Schicht, die gegen stark abrasive Beanspruchungen wirksam ist.

Ermüdung und Stoßbeanspruchung: Nitrieren vs. Karbonitrieren

Karbonitrieren kann die Oberflächenhärte erhöhen, jedoch die Schlagzähigkeit beeinträchtigen, wenn der Prozess nicht kontrolliert wird. Nitrieren verbessert die Ermüdungslebensdauer, ohne den duktilen Kern zu beeinträchtigen, und eignet sich daher ideal für Bauteile, die einer gleichmäßigen zyklischen Belastung ausgesetzt sind.

Anwendungen von Nitrieren vs. Karbonitrieren

Nitrieren hat seine Zuverlässigkeit bei Bauteilen bewiesen, die eine hohe Ermüdungsfestigkeit und präzise Maßhaltigkeit erfordern. Es wird bei Bauteilen wie Ventilkomponenten, Nockenwellen, Kurbelwellen und Zahnräderneingesetzt. Karbonitrieren ist die ideale Wahl für Bauteile, die eine härtere Oberfläche und eine schnellere Fertigung erfordern, wie z. B. niedriglegierte Wellen, Stifte und Befestigungselemente.

Fazit

Der Vergleich der Eigenschaften und Vorteile von Nitrieren und Karbonitrieren hilft Ihnen, die geeignete Behandlung für Ihre Bauteile auszuwählen. Nitrieren steht für präzises und verzerrungsarmes Härten von legierten Stählen. Karbonitrieren hingegen bietet schnelle Ergebnisse und hohe Oberflächenhärte für niedriglegierte Bauteile.

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