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1.2 Zweck des Nitrierens und Nitrocarburierens Das Nitrieren und Nitrocarburieren von Werkstücken und Werkzeugen aus Eisenwerkstoffen wird industriell angewendet, um das - Verschleißverhalten - Festigkeitsverhalten - Korrosionsverhalten zu verbessern. In Tabelle 1.2-1 sind die am häufigsten auftretenden Verschleißmechanismen, die Schwingfestigkeit und die Korrosion den jeweils erforderlichen Zielgrößen, nämlich Verbindungsschicht oder Nitrierhärtetiefe Nht 2 sowie den hierfür zweckmäßigerweise zu verwendenden Werkstoffen und Verfahren gegenübergestellt. Daraus ist zu entnehmen, dass im Fall von Verschleiß und Korrosion eine Verbindungsschicht prinzipiell für nahezu alle Eisenwerkstoffe zweckmäßig ist und dann vorzugsweise das Nitrocarburieren angewendet werden sollte. Erfordert die Beanspruchung eine hohe Härte an der Oberfläche, im Rand, bzw. auch noch in bestimmtem Abstand von der Oberfläche, sollten bevorzugt speziell legierte Stähle, die Nitrierstähle 3 , benutzt und nitriert werden. Die Nitrierstähle sind legierte Stähle mit Kohlenstoffgehalten zwischen rd. 0,30 und 0,40 Masse-%, analog zu den Vergütungsstählen, aber im Hinblick auf die angestrebten spezifischen Eigenschaften speziell mit metallischen Elementen wie Aluminium, Chrom, Molybdän, Vanadium und Titan, den so bezeichneten Nitridbildnern, legiert. Mit diesen lassen sich ähnliche Härteprofile wie nach dem Einsatzhärten erreichen, vgl. Kapitel 2.1. Tabelle 1.2-1: Gegenüberstellung von Beanspruchungsart, Zielgröße, Werkstoff und Verfahren Beanspruchungsart Zielgröße Werkstoff Verfahren Adhäsions-Verschleiß Fressen) VS Stähle, Gusseisen, Sinterstähle Nitrocarburieren (Nitrieren) Abrasions-Verschleiß (Furchungsverschleiß) VS Nht Stähle, Gusseisen, Sinterstähle Nitrierstähle Nitrocarburieren Nitrieren Wälzverschleiß Nitrierstähle Nitrieren Nht legierte Vergütungsstähle Nitrieren (Nitrocarburieren) Tribooxidation Passungsrost) Korrosion Dauerschwingfestigkeit VS Nht Stähle, Gusseisen, Sinterstähle Nitrierstähle Stähle, Gusseisen, Sinterstähle Nitrocarburieren Nitrieren Nitrocarburieren 2 Kriterium für die wirksame Nitriertiefe, vgl. DIN 50 190-3 und Kapitel 2 3 Gütevorschrift siehe DIN EN 10 085 10
Beim Nitrocarburieren steht demgegenüber die Erzeugung der sehr harten, stickstoffreichen und kohlenstoffhaltigen Verbindungsschicht im Vordergrund. Mit dieser lassen sich der Reibungskoeffizient und die Adhäsionsneigung verringern, so dass der Widerstand gegenüber Adhäsion oder Abrasion höher ist. Das günstigere Verhalten gegenüber Korrosionsangriffen ergibt sich aus dem strukturellen Aufbau und dem hohen Stickstoffgehalt der Verbindungsschicht. 1.3 Die Wechselwirkung zwischen Eisen und Stickstoff bzw. zwischen Eisen, Stickstoff und Kohlenstoff Die Stickstoffatome sind etwa halb so groß wie die Eisenatome. Das ermöglicht ein Einlagern auf Zwischenplätzen des Eisengitters. Aus energetischen Gründen kommen hierfür hauptsächlich die Oktaederlücken in Frage. Die Menge des interstitiell lösbaren Stickstoffs ist nicht beliebig, sondern ergibt sich aus dem Lösungsvermögen der jeweils vorliegenden Gefügebestandteile und der Temperatur. Im Ferrit sind beispielsweise bei 590°C höchstens 0,115 und im Austenit bei 650°C höchstens 2,8 Massenanteile Stickstoff in % löslich 4 . Auch die Carbide können Stickstoff aufnehmen. Die Löslichkeit ändert sich mit der Temperatur: bei Raumtemperatur beträgt sie im Ferrit nur noch 0,001 Masse-%. Anwesende Legierungselemente beeinflussen das Lösungsvermögen. Außerdem ist Stickstoff aber auch dazu fähig, mit dem Eisen und einer ganzen Reihe seiner Legierungselemente wie z.B. Aluminium, Chrom, Titan, Vanadin, Molybdän u.a. Verbindungskristalle zu bilden, die Nitride. Bei den Eisennitriden ist zwischen den stabilen g- und e-Nitriden und dem metastabilen a-Nitrid zu unterscheiden. In der Zweistofflegierung Eisen-Stickstoff besitzt das g'-Nitrid bei ca. 680°C einen stöchiometrischen Stickstoffgehalt von 5,88 Masse-%, entsprechend Fe 4 N. Es weist Bild 1.3-1: Gitterstrukturen des g-Nitrids (links) und des e-Nitrids (rechts) (schwarz: Stickstoffatom) [1] 4 Im Vergleich dazu sind im Ferrit bei 723°C nur 0,02 und im Austenit bei 1146°C nur 2,08 Massenanteile Kohlenstoff in % löslich 11
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