Grundlagen des Nitrierens: Gas- und Plasmanitrieren ohne Abschrecken

Ein anderes Härteprinzip

Anders als das Aufkohlen beruht das Nitrieren nicht auf einer Phasenumwandlung. Bauteile werden auf etwa 500–580 °C erwärmt — unterhalb der Anlass- und Umwandlungstemperaturen des Stahls — in einer stickstoffliefernden Umgebung (Ammoniakgas oder ein Stickstoffplasma). Stickstoff diffundiert ein und bildet mit den Legierungselementen im Stahl feine, harte Nitride. Da anschließend nichts abgeschreckt wird, ist der Verzug minimal und fertig bearbeitete Teile können behandelt werden.

Die beiden Zonen

Eine nitrierte Oberfläche weist zwei unterschiedliche Bereiche auf:

• Verbindungsschicht ("white layer") — ein dünner Oberflächenfilm aus Eisennitriden, typischerweise wenige Mikrometer bis wenige zehn Mikrometer dick. Sie ist sehr hart, widersteht Fressen und Korrosion, kann aber spröde sein; bei Präzisions- oder ermüdungsbeanspruchten Teilen wird sie oft begrenzt oder durch Läppen entfernt.
• Diffusionsschicht — darunter erhöhen gelöster Stickstoff und Ausscheidungen von Legierungsnitriden die Härte allmählich zurück auf das Kernniveau. Die gesamten Nitriertiefen betragen typischerweise etwa 0.2–0.7 mm, also deutlich weniger als bei aufgekohlten Randschichten, weil die niedrigere Temperatur die Diffusion verlangsamt und die Zyklen bereits mehrere zehn Stunden dauern.

Die Oberflächenhärte hängt stark vom Stahl ab: Aluminium- und chromhaltige Sorten können etwa 1000 HV überschreiten, während unlegierte Kohlenstoffstähle kaum mehr als einen Oberflächenschutz gewinnen — ihnen fehlen die nitridbildenden Elemente.

Stähle, die sich gut nitrieren lassen

Nitrierstähle sind gezielt mit Aluminium, Chrom, Molybdän und Vanadin legiert:

• 1.8550 (31CrMoV9) — der klassische dedizierte Nitrierstahl, vorgehärtet geliefert.
• 4140 / 42CrMo4 — weit verbreitet nitriert für Wellen und Zahnräder, wo eine moderate Randschichthärte ausreicht.
• H13 (1.2344) — Warmarbeitsformen werden routinemäßig nitriert (oder nitrocarburiert), um im Druckgusseinsatz dem Anhaften und der Brandrissbildung zu widerstehen.
• Rostfreie und martensitaushärtende Sorten haben ihre eigenen Niedertemperaturvarianten, um die Korrosionsbeständigkeit oder das ausgehärtete Gefüge nicht zu beeinträchtigen.

Prozessregeln, die entscheidend sind

1. Zuerst vorhärten. Der Kern wird vor dem Nitrieren vergütet, und die letzte Anlasstemperatur muss sicher oberhalb der Nitriertemperatur liegen — andernfalls überanlässt der Zyklus selbst den Kern.
2. Nach der Grobbearbeitung spannungsarm glühen, damit der Nitrierzyklus nicht zwei Aufgaben gleichzeitig erfüllen muss.
3. Gas gegenüber Plasma. Das Gasnitrieren ist der wirtschaftliche Chargenstandard. Das Plasma- (Ionen-) Nitrieren bietet eine bessere Kontrolle der Verbindungsschicht, funktioniert bei rostfreien Sorten leichter und kann Bereiche mechanisch abdecken, bei höheren Anlagenkosten.
4. Kein Abschrecken bedeutet keine Rettung. Oberflächenfehler, Entkohlung oder ein weicher Kern beim Einbringen sind auch beim Herausnehmen noch vorhanden — die Vorbereitungsqualität entscheidet über das Ergebnis.

Nitrieren gegenüber Aufkohlen

Die beiden Einsatzhärteverfahren ergänzen sich, sie konkurrieren nicht. Das Aufkohlen ergibt tiefere Randschichten (üblich in der Klasse 0.5–2 mm), eine höhere Tragfähigkeit und niedrigere Stückkosten bei Zahnrädern in großen Stückzahlen, benötigt aber ein Abschrecken mit dem daraus folgenden Verzug und Fertigschleifen. Das Nitrieren ergibt flachere Randschichten und niedrigere Grenzen für die Flächenpressung, aber das Bauteil kann vor der Behandlung fertig bearbeitet werden und bleibt maßstabil, mit besserer Korrosionsbeständigkeit und besserem Fressverhalten. Die entscheidenden Faktoren sind in der Regel die geforderte Einsatzhärtetiefe, die Verzugstoleranz und ob der betreffende Stahl die nitridbildenden Elemente enthält, von denen das Nitrieren abhängt.