Nitrierstähle

02Definition und grundlegende Eigenschaften der Nitrierstähle

Die Nitrierstähle sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die mit gezielt gewählten Legierungselementen wie Chrom, Aluminium, Molybdän und Vanadium ausgelegt sind, damit sie optimal auf die thermochemische Anreicherung der Randschicht mit Stickstoff ansprechen. Das kennzeichnende Merkmal dieser Werkstoffe ist ihre Fähigkeit, eine äußerst harte und verschleißbeständige Randschicht auszubilden und zugleich einen zähen, gegen mechanische Stöße widerstandsfähigen Kern zu behalten.

Die mechanischen Eigenschaften der Nitrierstähle aus diesem Verfahren verbinden eine hohe Oberflächenhärte (in der Regel 700-1100 HV, bei aluminiumreichen Sorten unter optimalen Bedingungen bis 1200 HV) mit überlegener Verschleißbeständigkeit, hervorragender Maßhaltigkeit und verbesserter Korrosionsbeständigkeit. Diese Kombination macht sie für kritische Anwendungen in der Automobilindustrie und für die Fertigung von Sonderwerkzeugen unverzichtbar.

2.1Grundlagen des Nitrierverfahrens

Das Nitrieren besteht in der gesteuerten Anreicherung der Randschicht mit Stickstoff durch atomare Diffusion bei Temperaturen zwischen 480 °C und 570 °C. Bei diesen vergleichsweise niedrigen Temperaturen dringt atomarer Stickstoff in das Kristallgitter des Stahls ein und bildet mit den vorhandenen Legierungselementen Nitride; dabei entstehen eine Verbindungsschicht (compound layer) und darunter eine Diffusionszone mit fein verteilten Nitridausscheidungen.

Die Nitrierhärtetiefe kann je nach Behandlungsdauer, Temperatur und Zusammensetzung des Grundwerkstoffs von 0,1 mm bis 0,8 mm reichen. Der Härteverlauf von der Oberfläche zum Kern sorgt für eine günstige Spannungsverteilung und verhindert eine Delamination oder ein Abplatzen der Nitrierschicht.

2.2Optimierte chemische Zusammensetzung

Die chemische Zusammensetzung der Nitrierstähle ist darauf ausgelegt, die Wirksamkeit des thermochemischen Verfahrens zu maximieren. Die wesentlichen Elemente sind:

Chrom (Cr): entscheidendes Element, je nach Sorte in Gehalten von 1 % bis 3,5 %, bei den handelsüblichen Typen zwischen 1,5 % und 2,7 %; es bildet äußerst stabile CrN-Nitride, die wesentlich zur Oberflächenhärte und zur Korrosionsbeständigkeit beitragen.

Aluminium (Al): in Gehalten von 0,80-1,20 % vorhanden; es bildet AlN-Nitride mit hoher Härte und thermischer Stabilität, die sich für Anwendungen bei hohen Temperaturen besonders bewähren.

Molybdän (Mo): Es trägt zur Bildung komplexer Nitride bei und verbessert die Härtbarkeit des Kerns, sodass auch bei großen Querschnitten gleichmäßige mechanische Eigenschaften erreicht werden.

Vanadium (V): Es bildet äußerst harte Carbonitride, die den Widerstand gegen abrasiven Verschleiß erhöhen - besonders wichtig für Schneidwerkzeuge und Gesenke.

2.3Mechanismen der Nitridbildung

Die Nitride entstehen durch interstitielle und substitutionelle Diffusion des Stickstoffs in der ferritischen Matrix. Die kleinen Stickstoffatome setzen sich zunächst auf Zwischengitterplätzen des Kristallgitters ab und reagieren anschließend mit den Legierungselementen zu Nitriden, die mit der Matrix kohärent oder teilkohärent sind.

Die Kinetik der Nitridbildung folgt den Fickschen Diffusionsgesetzen, wobei sich die Diffusionskoeffizienten nach der Arrhenius-Gleichung exponentiell mit der Temperatur ändern. Nitridbildner erleichtern die Keimbildung und das Wachstum der Ausscheidungen und optimieren damit die Effizienz des Verfahrens.

03Einteilung der Nitrierstähle nach internationalen Normen

3.1Europäische Normen EN für Nitrierstähle

Die Einteilung der Nitrierstähle ist in Europa im Wesentlichen in EN ISO 683-5:2021 (früher EN 10085) „Vergütungsstähle, legierte Stähle und Automatenstähle - Teil 5: Nitrierstähle“ geregelt, die chemische Zusammensetzungen, mechanische Eigenschaften und Qualitätsanforderungen festlegt.

Die europäische Einteilung nutzt das alphanumerische System, das die chemische Zusammensetzung nach EN 10027 abbildet, mit eigenen Bezeichnungen für Stähle mit hohem Gehalt an Nitridbildnern wie Chrom und Aluminium.

3.2ASTM- und JIS-Normen für nitrierbare Stähle

Die internationalen Normen für Nitrierstähle umfassen regionale technische Spezifikationen. Das SAE-AISI-System verwendet vierstellige Zahlenbezeichnungen, das JIS-System alphanumerische Bezeichnungen mit eigenen Präfixen. Beide zeigen weitgehende Entsprechungen zu den europäischen Normen, behalten bei den Bezeichnungssystemen und den Parametern der Qualitätssicherung aber regionale Besonderheiten bei.

3.3Internationale Bezeichnungssysteme

Die internationalen Bezeichnungssysteme für Nitrierstähle unterscheiden sich von Region zu Region, bleiben in den wesentlichen Aspekten der Zusammensetzung aber technisch konsistent:

• Europäisches System: alphanumerische Bezeichnung nach EN 10027
• SAE-AISI-System: vierstellige Nummerierung mit einem Präfix für die Kategorie
• JIS-System: alphanumerische Bezeichnung mit regionalem Präfix

04Nitrierverfahren und Verfahrensparameter

4.1Gasnitrieren (Ammoniak)

Das Gasnitrieren in Ammoniakatmosphäre ist wegen seiner Vielseitigkeit und der genauen Parametersteuerung das industriell am weitesten verbreitete Verfahren. Dabei werden die Bauteile auf 520-570 °C in einer Ammoniakatmosphäre (NH₃) erwärmt, die dissoziiert und dabei atomaren Stickstoff freisetzt, nach der Reaktion: 2NH₃ → 2[N] + 3H₂.

Der Dissoziationsgrad des Ammoniaks, der über die Nitrierkennzahl gesteuert wird, bestimmt Zusammensetzung und Dicke der Verbindungsschicht an der Oberfläche. Übliche Dissoziationswerte liegen je nach gewünschter Oberflächenbeschaffenheit zwischen 15 % und 85 %.

4.2Plasmanitrieren (Ionennitrieren)

Das Plasmanitrieren nutzt elektrische Entladungen in einer verdünnten Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre, um ein Plasma mit hochreaktiven Stickstoffionen und -atomen zu erzeugen. Bei Temperaturen von 450-550 °C geführt, erlaubt es eine genaue Steuerung der Nitrierhärtetiefe und verkürzt die Behandlungsdauer gegenüber dem konventionellen Gasnitrieren erheblich.

Zu den Vorteilen zählen eine gleichmäßigere Behandlung, das Ausbleiben von Wasserstoffversprödung und die Möglichkeit, komplexe Geometrien mit gleichmäßigem Ergebnis zu behandeln.

4.3Salzbadnitrieren

Beim Nitrieren in Salzschmelzen kommen Mischungen aus Alkalicyanaten und -carbonaten bei 550-570 °C zum Einsatz. Das Verfahren gewährleistet eine sehr gleichmäßige Temperaturführung, stößt wegen der Toxizität der verwendeten Salze aber an ökologische Grenzen und verlangt eigene Anlagen zur Abgasreinigung.

4.4Verfahrensparameter und Qualitätssicherung

Zu den kritischen Parametern der Prozessführung zählen:

• Temperatur: 480-570 °C mit Toleranzen von ±5 °C
• Zeit: 10-100 Stunden je nach geforderter Tiefe
• Atmosphäre: geregelte Zusammensetzung mit kontinuierlicher Überwachung
• Nitrierkennzahl (KN): maßgebende Größe für die Bildung der Verbindungsschicht, 0,1-10 atm^(-1/2) zur Steuerung ihrer Dicke (compound layer)
• Diffusionskoeffizient des Stickstoffs bei 520 °C: ~10⁻¹¹ m²/s im Ferrit
• Wachstumsgeschwindigkeit der Schicht: 0,01-0,02 mm/h in den ersten 20 Stunden
• Optimale Dicke der Verbindungsschicht: 5-20 μm für mechanische Anwendungen

05Grenzen und Ausschlusskriterien des Nitrierens

Die wichtigsten Grenzen und Ausschlusskriterien des Nitrierens sind:

• Wasserstoffversprödung: hohes Risiko bei Stählen mit Re >1200 MPa
• Unverträgliche Elemente: S >0,035 %, Pb und Se stören das Verfahren
• Geometrische Grenzen: Schwierigkeiten bei Hohlräumen mit einem Verhältnis L/D >10:1
• Zwingendes Abdecken der nicht zu behandelnden Bereiche (Gewinde, Passflächen)
• Höchste Einsatztemperatur: 500 °C, damit die erreichten Eigenschaften erhalten bleiben
• Erneute Behandlung nicht möglich: Das Verfahren ist nicht umkehrbar

06Mechanische Eigenschaften und Leistungsmerkmale

6.1Oberflächenhärte und Nitrierhärtetiefe

Die Oberflächenhärte nitrierter Stähle erreicht in der Regel 700-1100 HV, bei hohem Aluminiumgehalt und optimalen Bedingungen bis zu 1200 HV. Chrom-Aluminium-Stähle erreichen die höheren Werte, weil sich bei ihnen besonders stabile AlN- und CrN-Nitride bilden.

Die Nitrierhärtetiefe (NHD) ist nach ISO 18203:2016 (früher DIN 50190-3) als die Tiefe definiert, in der die Härte auf den Wert der Kernhärte + 50 HV abfällt. Üblich sind 0,1 bis 0,8 mm. Die Härte nimmt von der Oberfläche zum Kern hin ab, sodass die mechanischen Eigenschaften stufenlos ineinander übergehen.

6.2Verschleißbeständigkeit und Schwingfestigkeit

Die Verschleißbeständigkeit nitrierter Stähle liegt deutlich über der unbehandelter Stähle, mit geringeren Reibwerten und ausgezeichnetem Widerstand gegen adhäsiven und abrasiven Verschleiß. Die fein verteilten Nitride in der Diffusionszone tragen zur Verschleißbeständigkeit bei, ohne die Zähigkeit zu beeinträchtigen.

Die Schwingfestigkeit steigt durch die Druckeigenspannungen, die das Nitrieren einbringt und die der Rissbildung und -ausbreitung an der Oberfläche entgegenwirken.

6.3Maßhaltigkeit und Verzug

Weil das Nitrieren bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen abläuft, bleibt der Verzug gegenüber herkömmlichen Wärmebehandlungen gering. Die Maßänderungen liegen bei regelmäßiger Geometrie in der Regel unter 0,02 %, weshalb sich das Verfahren für Präzisionsbauteile mit engen Toleranzen anbietet.

6.4Korrosionsbeständigkeit

Die Nitrierschicht verbessert die Korrosionsbeständigkeit in feuchter Umgebung und an der Atmosphäre. Vor allem die Chromnitride tragen dazu bei; bei wenig aggressiven Anwendungen erreicht die Schicht damit eine Wirkung, die mit der von Schutzschichten vergleichbar ist.

07Die gebräuchlichsten Nitrierstähle

7.1CrMoV- und CrAl-Nitrierstähle (31CrMoV9, 41CrAlMo7-10)

Die mit Chrom und Aluminium legierten Nitrierstähle bilden die leistungsfähigste Gruppe für kritische Anwendungen. Der 31CrMoV9 wird häufig für Aluminium-Druckgussformen eingesetzt und bietet eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen thermischen und mechanischen Verschleiß.

Der 41CrAlMo7-10 (1.8509) ist mit Aluminium auf Anwendungen im Automobilbau abgestimmt, bei denen hohe Oberflächenhärte und Kernzähigkeit zugleich gefordert sind. Das Aluminium begünstigt die Bildung von AlN-Nitriden, die bis 500 °C stabil bleiben. Daneben steht der 34CrAlNi7-10 (1.8550) - in den Katalogen, auch in unserem, in der Kurzform 34CrAlNi7 geführt -, der mit Nickel die Kernzähigkeit anhebt und immer dann die Wahl ist, wenn der Querschnitt groß ist oder das Bauteil schwingend beansprucht wird.

7.2Nitrierbare Werkzeugstähle (X38CrMoV5-1)

Der X38CrMoV5-1 (W.Nr. 1.2343, entspricht AISI H11) ist der meistverwendete Warmarbeitsstahl für das Nitrieren. Mit rund 5 % Chrom, 1,2 % Molybdän und 0,4 % Vanadium bildet er stabile Nitride und hält der Temperaturwechselbeanspruchung stand, wie sie beim Schmieden und im Druckguss auftritt.

7.3Spezialstähle für kritische Anwendungen

Zu den Spezialstählen zählen Sorten, die mit Elementen wie Wolfram und Cobalt abgewandelt sind, für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Kerntechnik, wo unter extremen Temperaturen und unter Strahlung außergewöhnliche Eigenschaften gefordert sind.

7.4Formenstähle für das Nitrieren

Zu den Formenstählen für das Nitrieren gehören die Reihen CrMoV und CrAlMo, die eigens für die Umformung und den Druckguss ausgelegt sind. Das Nitrieren dieser Stähle verlängert die Standzeit der Formen deutlich und senkt zugleich die Instandhaltungskosten.

08Industrielle Anwendungen nitrierter Stähle

8.1Automobilindustrie (Wellen, Zahnräder, Zylinder)

Zu den industriellen Anwendungen nitrierter Stähle im Automobilbau gehören Nockenwellen, Zahnräder des Steuertriebs, Hydraulikzylinder und Bauteile des Einspritzsystems. Das Nitrieren sichert dort Verschleißbeständigkeit und eine außergewöhnliche Lebensdauer unter harten Betriebsbedingungen.

Nitrierte Nockenwellen sind um 300-500 % verschleißbeständiger als unbehandelte Bauteile. Der Verschleiß der Ventilstößel geht dadurch deutlich zurück, und der Wirkungsgrad des Motors steigt.

8.2Werkzeuge und Formen für die Fertigung

Schneid- und Umformwerkzeuge sind klassische Anwendungen nitrierter Stähle. Das Nitrieren von Warmarbeitswerkzeugen sichert Beständigkeit gegen Temperaturwechsel und erosiven Verschleiß und verlängert die Standzeit um bis zu 200-400 %.

8.3Bauteile für Motoren und Verdichter

Bauteile für Verbrennungsmotoren und Hubkolbenverdichter profitieren deutlich vom Nitrieren. Nitrierte Zylinder, Kolben, Ventile und Ventilsitze sind verschleiß- und korrosionsbeständiger, was Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad erhöht.

8.4Aktoren und hoch beanspruchte Bauteile

Nitrierte Stähle kommen für Aktoren, Wellen und Antriebselemente zum Einsatz, bei denen unter hoher Temperatur und hoher Beanspruchung außergewöhnliche Eigenschaften gefordert sind.

09Qualitätssicherung und Charakterisierung

9.1Härte- und Mikrohärteprüfung

Zur Qualitätssicherung nitrierter Stähle gehören die Messung der Oberflächenhärte nach ISO 6507-1 (Vickers) und Mikrohärteverläufe, die den Härteabfall von der Oberfläche bis zum Kern abbilden. Gemessen wird mit Prüfkräften von 10-100 gf, damit die Verbindungsschicht das Ergebnis möglichst wenig verfälscht.

9.2Metallographische Untersuchungen und Zusammensetzung

Die metallographischen Untersuchungen umfassen die Prüfung des Gefüges auf korrekte Nitridbildung und auf Fehler wie Poren oder Risse. Die chemische Analyse der Nitrierschicht lässt sich mit der Elektronenstrahl-Mikroanalyse (EPMA) durchführen, um die Verteilung der Elemente zu prüfen.

9.3Verschleißprüfung und Schwingfestigkeitsversuche

Verschleißversuche nach ASTM G99 und Umlaufbiegeversuche kennzeichnen das Betriebsverhalten nitrierter Stähle. Gegenüber unbehandelten Stählen zeigen die Ergebnisse in der Regel eine um 200-500 % höhere Verschleißbeständigkeit und eine um 50-100 % höhere Schwingfestigkeit.

9.4Zerstörungsfreie Prüfung

Die zerstörungsfreie Prüfung umfasst die Magnetpulverprüfung zum Auffinden von Oberflächenrissen und die Wirbelstromprüfung zur Kontrolle der Dicke der Nitrierschicht. Bei kritischen Bauteilen, deren Sicherheit von der Unversehrtheit der Randschicht abhängt, sind diese Prüfungen besonders wichtig.

10Vergleich mit anderen thermochemischen Behandlungen

10.1Nitrieren im Vergleich zum Einsatzhärten

Das Nitrieren unterscheidet sich vom Einsatzhärten durch die niedrigeren Verfahrenstemperaturen (520 °C gegenüber 920 °C) und den entsprechend geringeren Verzug. Beim Härtevergleich kommt es darauf an, wie gemessen wird: Die Nitrierschicht erreicht mit über 1000 HV den härteren Rand, allerdings auf dünner Schicht, während das Einsatzhärten bei rund 800 HV bleibt, dafür auf einer deutlich dickeren, tragenden Schicht. Auf einer dünnen Nitrierschicht ist die HRC-Skala nicht anwendbar, weshalb die beiden Behandlungen in HV verglichen werden. In der Praxis heißt das: Einsatzhärten, wenn Tragfähigkeit in der Tiefe gefragt ist, Nitrieren, wenn es um Randhärte, Maßhaltigkeit und Korrosionsbeständigkeit geht.

10.2Nitrieren im Vergleich zum Carbonitrieren

Das Carbonitrieren reichert die Randschicht mit Kohlenstoff und Stickstoff zugleich an und ergibt Härten, die zwischen Einsatzhärten und Nitrieren liegen. Das reine Nitrieren bietet die bessere Korrosionsbeständigkeit und bleibt bis 500 °C thermisch stabil.

11Vor- und Nachteile im Vergleich

Vorteile des Nitrierens:

• Minimaler Verzug
• Verbesserte Korrosionsbeständigkeit
• Ausgezeichnete Maßhaltigkeit
• Überlegene Verschleißbeständigkeit

Nachteile:

• Begrenzte Behandlungstiefe
• Höhere Verfahrenskosten bei großen Chargen
• Lange Behandlungsdauern

12Konstruktion und Optimierung

12.1Auswahlkriterien für den Grundwerkstoff

Bei der Wahl des Grundwerkstoffs für das Nitrieren sind zu berücksichtigen:

• Chromgehalt je nach Sorte von 1 % bis 3,5 %, 1,5-2,7 % bei den gängigen Typen, für die Bildung stabiler Nitride
• Aluminiumgehalt für hohe Härtewerte
• Härtbarkeit des Kerns für gleichmäßige Eigenschaften
• Zerspanbarkeit für komplexe Geometrien

12.2Geometrische Optimierung für das Nitrieren

Bei der Konstruktion von Bauteilen für das Nitrieren sind eine gleichmäßige Erwärmung, die Zugänglichkeit der Nitrieratmosphäre und ein möglichst geringer Verzug zu berücksichtigen; großzügige Übergangsradien und symmetrische Geometrien begünstigen gleichmäßige Ergebnisse.

12.3Wirtschaftliche und verfahrenstechnische Aspekte

Die Kosten-Nutzen-Betrachtung des Nitrierens muss Folgendes berücksichtigen:

• Behandlungskosten gegenüber dem Leistungsgewinn
• Geringere Instandhaltungskosten
• Möglichkeiten zur konstruktiven Gewichtseinsparung
• Auswirkung auf die Produktivität

13Häufige Fragen zu Nitrierstählen

Worin unterscheiden sich Nitrieren und Einsatzhärten in der Anwendung vor allem?

Das Nitrieren wird für Präzisionsbauteile bevorzugt, die minimalen Verzug und Korrosionsbeständigkeit verlangen, das Einsatzhärten für Bauteile, die höchste Oberflächenhärte brauchen und hohe Lasten tragen müssen. Das Nitrieren arbeitet bei 520 °C, das Einsatzhärten bei 920 °C.

Welche chemischen Elemente sind in Nitrierstählen unverzichtbar?

Chrom (je nach Sorte von 1 % bis 3,5 %, bei den gängigen Typen 1,5-2,7 %) ist für die Bildung stabiler Nitride entscheidend, während Aluminium (0,80-1,20 %) die Oberflächenhärte deutlich anhebt. Weitere Elemente wie Molybdän und Vanadium bilden Nitride, die auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind.

Wie wird die Nitrierhärtetiefe gesteuert?

Gesteuert wird die Tiefe vor allem über Behandlungsdauer und Temperatur: 20-80 Stunden bei 520-570 °C ergeben Tiefen von 0,1 bis 0,8 mm. Die Zusammensetzung des Stahls beeinflusst dabei die Kinetik der Stickstoffdiffusion.

Warum bleibt der Verzug beim Nitrieren so gering?

Die vergleichsweise niedrigen Temperaturen (520 °C) halten Phasenumwandlungen und Temperaturgradienten klein und begrenzen damit Spannungen und Formänderungen. Die Maßänderungen liegen bei regelmäßiger Geometrie in der Regel bei <0,02 %.

Welche Fehler treten beim Nitrieren vor allem auf und wie lassen sie sich vermeiden?

Zu den Fehlern zählen eine versprödete Randschicht, ungleichmäßige Schichtdicken und Risse. Vermeiden lassen sie sich durch eine strenge Kontrolle der Verfahrensparameter, die richtige Zusammensetzung des Grundwerkstoffs und eine Gestaltung, die Spannungsspitzen von vornherein klein hält.

Ist das Nitrieren nach herkömmlichen Wärmebehandlungen möglich?

Ja, nitriert wird üblicherweise nach dem Härten und Anlassen des Grundwerkstoffs. Das Anlassen muss dabei oberhalb der Nitriertemperatur erfolgen, damit der Kern während der thermochemischen Behandlung nicht erweicht.

Die Nitrierstähle sind eine ausgereifte und zuverlässige Technologie für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Randschicht und bieten der modernen Fertigungsindustrie einzigartige Vorteile bei Verschleißbeständigkeit, Maßhaltigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Das Nitrieren ist eine grundlegende thermochemische Behandlung für den modernen Maschinenbau, mit Verfahrenstemperaturen von 480-570 °C und Oberflächenhärten bis 1200 HV bei optimierten Chrom-Aluminium-Stählen.