Gasnitrieren und Gasnitrocarburieren klingen nach zwei Spielarten desselben Verfahrens, und thermochemisch sind sie das auch. Am fertigen Bauteil führen sie aber zu unterschiedlich aufgebauten Randschichten und damit zu unterschiedlichen Stärken. Wer eine Zeichnung freigibt, sollte deshalb wissen, ob das Teil vor allem Dauerfestigkeit unter Wechsellast braucht oder vor allem gute Gleit- und Reibeigenschaften. Dieser Beitrag hilft Ihnen, zwischen Gasnitrieren, Gasnitrocarburieren und Plasmanitrieren die passende Wahl zu treffen, und zeigt, was Sie bei Werkstoff, Vorbehandlung und Maßänderung von Anfang an einplanen sollten.
Gasnitrieren und Gasnitrocarburieren: worin sich die Verfahren unterscheiden
Beide Verfahren sind thermochemische Oberflächenhärteverfahren. Beim Gasnitrieren diffundiert Stickstoff aus einer ammoniakhaltigen Ofenatmosphäre in die Randschicht des Werkstücks. Beim Gasnitrocarburieren kommt ein kohlenstoffabgebendes Gas dazu, sodass Stickstoff und Kohlenstoff gemeinsam eindiffundieren. In beiden Fällen entsteht eine Randschicht aus zwei Zonen: außen die Verbindungsschicht, darunter die Diffusionsschicht.
Die Verbindungsschicht ist dünn und sehr hart. Sie besteht aus Eisennitriden beziehungsweise Carbonitriden und bestimmt, wie sich die Oberfläche bei Reibung, Gleiten und Fressneigung verhält. Die Diffusionsschicht reicht tiefer in den Werkstoff, sie trägt die Last und steigert die Dauerfestigkeit. Vereinfacht gesagt legt das Gasnitrocarburieren den Schwerpunkt auf eine leistungsfähige Verbindungsschicht bei vergleichsweise kurzer Behandlungsdauer, das Gasnitrieren auf eine tiefer reichende Diffusionsschicht.
Gemeinsam ist beiden Verfahren, dass die Behandlungstemperatur unter der Härtetemperatur liegt. Das Bauteil wird nicht abgeschreckt, im Kern findet keine Gefügeumwandlung statt. Deshalb ändern sich Form und Maß deutlich weniger als beim Einsatzhärten oder Vakuumhärten. Zusätzlich entstehen in der Randschicht Druckeigenspannungen, die sich günstig auf die Dauerfestigkeit auswirken.
Wann Gasnitrieren die bessere Wahl ist
Gasnitrieren spielt seine Stärken bei Bauteilen aus, die unter wechselnder Last stehen und eine tragfähige Randschicht brauchen. Typisch sind:
- Wellen, Kurbel- und Nockenwellen mit hoher Biege- und Torsionswechselbeanspruchung
- Zahnräder, bei denen Zahnflanke und Zahnfuß gleichermaßen belastet werden
- Spindeln, Führungen und Hydraulikkomponenten mit engen Maßtoleranzen
- Formeinsätze und Werkzeugteile aus Warmarbeits- oder Kunststoffformenstahl
Ein praktischer Vorteil des Gasverfahrens: Das Behandlungsgas erreicht Bohrungen, Nuten und Innenkonturen ebenso wie die Außenflächen. Bauteile mit komplexer Geometrie werden dadurch gleichmäßig behandelt, und viele Teile lassen sich in einer Charge gemeinsam nitrieren. Die Kehrseite: Je tiefer die geforderte Nitrierhärtetiefe, desto länger dauert die Behandlung. Es lohnt sich daher, die Tiefe nicht großzügig nach oben aufzurunden, sondern gemeinsam mit unserer Fachberatung an der tatsächlichen Belastung festzumachen.
Wann Gasnitrocarburieren seine Stärken ausspielt
Das Gasnitrocarburieren dient in erster Linie dazu, die Reibeigenschaften des Werkstoffs zu verbessern. Es wird deshalb besonders häufig bei Antriebskomponenten und Funktionsteilen eingesetzt, die hohem Reibverschleiß ausgesetzt sind. Die Verbindungsschicht verbessert die Beständigkeit gegen Verschleiß, Kratzer und Fressen, die Druckeigenspannungen in der Oberfläche erhöhen zusätzlich den Ermüdungswiderstand.
- Bolzen, Buchsen, Gelenk- und Hebelteile
- Kupplungs- und Schaltelemente
- Gleitende Teile, die ohne oder mit wenig Schmierung laufen
- Großserien aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl
Gerade beim unlegierten Stahl ist das Nitrocarburieren oft die naheliegende Wahl. Mangels nitridbildender Legierungselemente bringt die Diffusionsschicht dort nur einen begrenzten Härtezuwachs, die Hauptarbeit leistet die Verbindungsschicht. Ein weiterer Pluspunkt: Nitrocarburierte Teile lassen sich anschließend oxidieren, dazu mehr weiter unten.
Welche Werkstoffe sich zum Nitrieren eignen
Grundsätzlich lassen sich nahezu alle Eisenwerkstoffe nitrieren. Wie hart und wie tief die Randschicht wird, hängt aber stark von den Legierungselementen ab. Chrom, Aluminium, Molybdän und Vanadium bilden mit dem Stickstoff feine Nitride und sorgen so für hohe Randhärte. Für die Auswahl hilft folgende Einteilung:
- Nitrierstähle: eigens für das Nitrieren legiert, sie erreichen die höchste Randhärte.
- Vergütungsstähle mit Chrom und Molybdän: verbinden einen zähen Kern mit einer tragfähigen Randschicht, der klassische Werkstoff für Wellen und Zahnräder.
- Warmarbeits- und Kunststoffformenstähle: im Werkzeug- und Formenbau verbreitet, gut nitrierbar.
- Unlegierte Stähle und Automatenstähle: eher ein Fall für das Gasnitrocarburieren.
- Gusseisen: nitrierbar, der Grafit beeinflusst den Schichtaufbau.
Bei nichtrostenden Stählen verhindert die Passivschicht ohne gesonderte Aktivierung die Stickstoffaufnahme, außerdem kann die Korrosionsbeständigkeit nach dem Nitrieren sinken. Sinterstähle mit hoher Porosität sind ein Fall für das Plasmanitrieren. Weil die richtige Wahl immer vom konkreten Bauteil abhängt, stimmen Sie den Werkstoff am besten schon in der Konstruktionsphase mit unserer Fachberatung ab.
Vorbehandlung und Maßänderung: was Sie vor dem Gasnitrieren einplanen sollten
Ein großer Teil des Ergebnisses entscheidet sich vor dem eigentlichen Nitrieren. Drei Punkte sind dabei besonders wichtig.
Vergütungszustand: Soll das Bauteil einen festen Kern haben, wird es vor dem Nitrieren vergütet. Die Anlasstemperatur muss dabei über der späteren Nitriertemperatur liegen, sonst fällt die Kernhärte während der Behandlung ab.
Spannungsarmglühen: Nach grober Zerspanung stecken Eigenspannungen im Werkstück. Werden sie erst im Nitrierofen frei, zeigen sie sich als Verzug. Ein Spannungsarmglühen vor der Fertigbearbeitung nimmt diese Spannungen heraus, sodass beim Nitrieren nur noch die geringe verfahrensbedingte Maßänderung bleibt.
Maßänderung und Fertigmaß: Durch die Stickstoffaufnahme wächst die Oberfläche geringfügig. Bei Passungen und engen Toleranzen sollte dieses Wachstum in der Fertigbearbeitung berücksichtigt werden. Nach dem Nitrieren wird in der Regel nicht mehr geschliffen, denn jeder Schliff trägt genau die Verbindungsschicht ab, für die das Verfahren gewählt wurde.
Dazu kommt die Sauberkeit: Die Oberfläche muss frei von Öl, Kühlschmierstoff, Rost und Zunder sein, damit der Stickstoff gleichmäßig eindiffundieren kann. Bereiche, die weich bleiben sollen, etwa Gewinde zum Nachschneiden oder spätere Schweißzonen, werden abgedeckt. Welche Abdeckung beim jeweiligen Bauteil möglich ist, klären Sie am besten vorab mit uns.
Gasnitrieren oder Plasmanitrieren?
Neben dem Gasverfahren bietet die Härterei Michael Welser GmbH auch das Plasmanitrieren an. Dabei wird ein ionisiertes Gas genutzt, die Prozesstemperatur liegt bei etwa 500 °C. Bei bereits gehärtetem Stahl fällt die Grundhärte dadurch nicht ab. Außerdem lassen sich Sinterstähle mit hoher Porosität, Gusseisen und hochlegierte Werkzeugstähle behandeln.
Eine Besonderheit ist die Vorbereitung für Beschichtungen: Beim Plasmanitrieren kann eine Diffusionsschicht ohne Verbindungsschicht erzeugt werden. Deshalb kommt das Verfahren sehr oft vor einer PVD- oder CVD-Beschichtung zum Einsatz, etwa bei der Werkzeugaufbereitung mit Wiederbeschichtung. Als Faustregeln für die Entscheidung:
- Gasnitrieren: Bauteile mit Bohrungen und Innenkonturen, größere Chargen, wenn eine gleichmäßige Randschicht rundum gefragt ist.
- Plasmanitrieren: gehärtete Werkzeugstähle, Sinterteile, Werkzeuge vor einer Hartstoffbeschichtung, Bauteile mit gezielt nicht zu behandelnden Bereichen.
- Gasnitrocarburieren: Funktionsteile mit Reibbeanspruchung, häufig in Serie, gegebenenfalls mit anschließendem Oxidieren.
Nitrocarburieren und Oxidieren kombinieren
Wenn zur Reibung noch Feuchtigkeit dazukommt, ist die Kombination aus Nitrocarburieren und anschließendem Oxidieren oft die stärkere Lösung. Auf der Verbindungsschicht entsteht eine dünne Oxidschicht, die das Bauteil gegenüber einer rein nitrocarburierten Oberfläche besser vor Korrosion schützt und ihm eine gleichmäßig dunkle Optik gibt. Wie weit dieser Schutz im Einsatz reicht, hängt von Umgebung, Medium und Beanspruchung ab, deshalb gehört diese Frage in die Abstimmung vor dem Auftrag. Wann Oxidieren allein genügt und wann nicht, lesen Sie in unserem Beitrag zum Schwarzoxidieren von Stahl.
So geben Sie Nitrierteile richtig in Auftrag
Je vollständiger die Angaben auf Zeichnung und Auftrag sind, desto weniger Rückfragen entstehen und desto sicherer passt das Ergebnis. Bewährt haben sich folgende Angaben:
- gewünschtes Verfahren oder die Anforderung, aus der es sich ableitet
- Werkstoff und Vorbehandlungszustand, etwa vergütet oder spannungsarmgeglüht
- geforderte Oberflächenhärte und Nitrierhärtetiefe, jeweils mit Prüfstelle
- Bereiche, die nicht nitriert werden dürfen
- Maße und Toleranzen, die nach der Behandlung eingehalten werden müssen
- gewünschte Nachbehandlung, zum Beispiel Oxidieren
Aufträge können Sie bei der Härterei Michael Welser GmbH digital über HMW.connect anlegen und den Fortschritt über den Auftragsstatus live verfolgen. Soll der Schichtaufbau nachgewiesen werden, zeigen metallographische Untersuchungen im Schliffbild Verbindungsschicht, Diffusionsschicht und Gefüge.
Häufige Fragen zum Gasnitrieren
Kann man ein nitriertes Bauteil nachschleifen?
Möglich ist es, sinnvoll meist nicht. Ein Schliff trägt die Verbindungsschicht ganz oder teilweise ab und damit die Eigenschaft, für die nitriert wurde. Besser ist es, das Fertigmaß vor dem Nitrieren herzustellen und die geringe Maßänderung einzuplanen.
Was bedeutet Nitrocarburizing?
Nitrocarburizing ist die englische Bezeichnung für das Nitrocarburieren. Gemeint ist dasselbe Prinzip: Stickstoff und Kohlenstoff diffundieren gemeinsam in die Randschicht. Beim Gasnitrocarburieren geschieht das in einer Gasatmosphäre.
Wird ein Bauteil durch Gasnitrieren rostfrei?
Nein. Die Verbindungsschicht verbessert das Korrosionsverhalten gegenüber unbehandeltem Stahl, ersetzt aber keinen nichtrostenden Werkstoff. Wer mehr Korrosionsschutz braucht, kombiniert Nitrocarburieren mit Oxidieren oder klärt die Anforderung mit unserer Fachberatung.
Kann man nur Teilbereiche nitrieren?
Ja. Bereiche, die weich bleiben sollen, werden vor der Behandlung abgedeckt. Beim Plasmanitrieren lässt sich das oft einfacher umsetzen als beim Gasnitrieren. Geben Sie die Bereiche auf der Zeichnung eindeutig an.
Muss ein Bauteil vor dem Gasnitrieren gehärtet sein?
Nicht zwingend. Für eine tragfähige Randschicht unter hoher Last ist ein vergüteter Grundwerkstoff aber meist die Voraussetzung, denn eine harte Randschicht auf weichem Kern kann eindrücken. Wichtig ist, dass die Anlasstemperatur über der Nitriertemperatur liegt.
Fazit: das passende Nitrierverfahren nach Bauteil wählen
Gasnitrieren ist die richtige Wahl, wenn ein Bauteil unter Wechsellast eine tief reichende, tragfähige Randschicht braucht und Bohrungen oder Innenkonturen gleichmäßig mitbehandelt werden sollen. Gasnitrocarburieren passt, wenn Reibung, Gleiten und Fressneigung im Vordergrund stehen, gerade bei Serienteilen aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl und in Kombination mit Oxidieren. Plasmanitrieren ergänzt beide bei gehärteten Werkzeugstählen, Sinterteilen und vor einer Beschichtung. Wer Werkstoff, Vorbehandlung und Maßänderung früh klärt, bekommt nitrierte Bauteile ohne Nacharbeit. Sprechen Sie mit der Fachberatung der Härterei Michael Welser GmbH, bevor die Zeichnung freigegeben wird.