Gefüge
Aufbau und Gefüge in einer Nitrierzone
Aufbau der Nitrierzone :
Die Nitrierzone setzt sich aus mehreren Schichten zusammen.
Schematisch
Mikroskopisch
Verbindungsschicht :
Ganz außen befindet sich eine Verbindungsschicht
(kurz VS genannt) die aus Eisennitriden besteht. Sie ist aus epsilon-Nitrid und aus
gamma'-Nitrid zusammengesetzt. Die Verbindungsschicht hat eine sehr hohe Härte
und verbessert die Verschleißeigenschaften des Werkstücks. Die Dicke der
Schicht nimmt mit der Nitrierdauer und -temperatur zu und die chemische Zusammensetzung
wird durch das Angebot an Stickstoff bestimmt. Im geätzten Schliff ist die Verbindungsschicht
an einem dünnen weißen Saum, der sich direkt an der Oberfläche befindet,
zu erkennen. In Kombination mit der VS treten Poren im Oberflächenbereich auf.
Sie bilden sich aufgrund des hohen Stickstoffanteils in dieser Zone. Durch die Vereinigung
von Stickstoffatomen zu Stickstoffmolekülen entsteht lokal ein so hoher Druck
im Gefüge, dass es zu mikroskopisch kleinen Hohlräumen, die mit der Zeit
größer werden, kommen kann. Meistens treten diese Poren in Form eines Saums
(sogenannter Porensaum) direkt an der Oberfläche auf, können aber auch perlschnurartig
entlang von Korngrenzen oder parallel zur Oberfläche (möglicherweise entlang
von Phasengrenzen) ausgerichtet sein. Die Dicke der mit Poren durchsetzten Schicht
nimmt schneller zu als die Dicke der Verbindungsschicht insgesamt. Bei einer geringen
Tiefe der VS ist daraus resultierend auch der Porensaum schwächer ausgeprägt.
Allgemein ist die Bildung der Poren nicht zu vermeiden. Legierte Stähle neigen
weniger stark zur Bildung eines Porensaums als unlegierte Güten.
Diffusionszone (Ausscheidungsschicht) :
Der Aufbau der Diffusionszone / Ausscheidungsschicht
wird durch den Grundwerkstoff des Bauteils sowie durch die Nitrierdauer und -temperatur
bestimmt. Je höher der Gehalt an nitridbildenden Elementen ist, desto höher
ist die erreichte Randhärte und Verfestigung. Gleichzeitig nimmt die Tiefe der
Nitrierschicht ab. Als nitridbildende Elemente sind vorrangig Aluminium, Chrom, Molybdän
und Vanadin zu nennen. Stähle die zur Gruppe der Nitrierstähle gehören
sind mit diesen Elementen legiert (z.B. 34CrAlMo5 , 31CrMoV9 , 39CrMoV13-9 , 14CrMoV6-9).
Der nitrierte Bereich ist aufgrund submikroskopischer Nitridausscheidungen schneller
anätzbar und ist deshalb an einem dunklen Saum zu erkennen. Die Diffusionszone
ist ebenfalls hart und bildet die zähere und stützende Unterschicht für
die Verbindungsschicht. Die durch Stickstoffaufnahme ausgelösten submikroskopischen
Ausscheidungen von Nitriden und der dadurch bedingten Volumenzunahme sind der Grund
für eine starke Erhöhung der Druckeigenspannungen. Dies führt zu einer
hohen Härtesteigerung in einer Nitrierschicht. Stähle die mit Aluminium legiert
sind erreichen gegenüber chromlegierten Stählen eine wesentlich höhere
Härtesteigerung. Der Grund dafür liegt in der größeren Volumenänderung
bei der Bildung von Aluminiumnitriden im Vergleich zu Chromnitriden. Mit dem Nitrieren
ist teilweise eine Umverteilung des Kohlenstoffs im Randgefüge verbunden. Sind
Stähle mit Elementen legiert die sowohl Nitridbildner als auch Karbidbildner sind,
wird der Kohlenstoff aus diesen Verbindungen vom Stickstoff verdrängt. Dies betrifft
sowohl den legierten Zementit, z.B. (Fe, Cr)3C, als auch vorhandene Sonderkarbide. Durch den Stickstoff werden diese Verbindungen
quasi aufgespalten. Der frei gewordene Kohlenstoff scheidet sich als Karbid (sekundärer
Zementit) an den Korngrenzen, bevorzugt an den parallel zur Oberfläche liegenden,
und unmittelbar vor der Diffusionsfront (ebenfalls parallel zur Oberfläche) aus.
Triebkraft dieses Ausscheidungsvorgangs ist die hohe Druckeigenspannung im Gefüge.
Die spröden Ausscheidungen von Karbid verringern die Zähigkeit der Ausscheidungsschicht
und können Teile der Nitrierschicht zum Abplatzen bringen. Gleichzeitig versucht
ein Teil des Kohlenstoffs aus der Probe herauszudiffundieren (Entkohlungswirkung).
Dadurch kann es zu einem Kohlenstoffstau im Grenzbereich von Verbindungsschicht zur
Ausscheidungsschicht kommen.
Diffusionszone mit Karbidausscheidungen
Grundgefüge des nitrierten Bauteils :
Das Grundgefüge dient als tragende Unterschicht
für die gesamte Nitrierzone. Das Grundgefüge eines nitriergehärteten
Stahls ist deshalb meistens ein Vergütungsgefüge. Die Härte ist um einiges
niedriger als die der Nitrierzone und so ausgelegt, dass eine genügende Zähigkeit
des Werkstücks gewährleistet ist. Bei vergüteten Stählen ist darauf
zu achten, dass die Anlasstemperatur bei der Wärmebehandlung des Bauteils möglichst
um ca. 50°C höher liegt als die Nitriertemperatur. Ansonsten besteht die Gefahr,
dass das Kerngefüge durch die Anlasswirkung an Festigkeit verliert. Die erforderliche
Stützung der Verbindungsschicht ist abhängig von der auftretenden Flächenpressung
an der Oberfläche. Ist die Flächenpressung nur niedrig kann unter Umständen
auch ein unlegierter, nicht vergüteter Stahl als Grundwerkstoff eingesetzt werden.
Karbidausscheidungen (Zementit) durch verdrängten
Kohlenstoff :
Der Nachweis von Karbidausscheidungen bzw. Zementit
auf den Korngrenzen und im Gefüge, sowie die Unterscheidung zu Eisennitrid, kann
durch eine Ätzung mit alkalischer Natriumpikratlösung geführt werden.
Zementit wird bereits nach 5 Minuten angeätzt. Zu diesem Zeitpunkt ist Eisennitrid
nur sehr schemenhaft auszumachen. Nach einer Ätzdauer von 45 Minuten ist Eisennitrid
dann ebenfalls stark angeätzt. Ebenfalls kann so eine mögliche Ansammlung
von Kohlenstoff sichtbar gemacht werden.
Verbindungsschicht und anschließende Diffusionszone
Kohlenstoffstau im Grenzbereich zur Verbindungsschicht
Allgemeines :
Die Nitrierhärtetiefe ist der Abstand von der
Oberfläche bis zu dem Punkt an dem noch eine vorgegebene Härte vorhanden
ist. Vor dem Nitrieren ist darauf zu achten das die Oberfläche entkohlungsfrei
bearbeitet ist. Ebenfalls müssen die zu nitrierenden Teile sorgfältig gereinigt
und entfettet sein. Werkstücke weisen nach dem Nitrieren einen etwas größeren
Außendurchmesser auf. Bohrungen fallen im Durchmesser etwas kleiner aus. Je nach
Verwendungszweck verbleibt die VS auf der Oberfläche oder wird abgeschliffen.
Eine VS bietet einen leichten Korrosionsschutz. Die Härte der Nitrierschicht wird
mit Kleinlasthärteprüfung nach Vickers ermittelt. Je nach Werkstoff können
Verbindungsschichten eine Härte bis zu 1200 HV und Ausscheidungsschichten bis
1100 HV erreichen.
Nachweis einer Verbindungsschicht :
Das Vorhandensein einer Verbindungsschicht kann durch
eine Tüpfelprobe nachgewiesen werden. Dabei werden einzelne Tropfen einer wässrigen
10 %igen Kupferammoniumchlorid-Lösung auf das Werkstück getröpfelt.
Die Oberfläche des Prüflings muß fettfrei sein. Bei ausreichender Dicke
der Verbindungsschicht (ca. 10 - 15 µm) bleibt die ursprüngliche blaue Farbe
des Reagenzmittels mindestens 2 Minuten erhalten. Bei sehr dünnen bzw. porösen
Schichten oder wenn keine VS vorhanden ist, wird nach kurzer Einwirkzeit ein Farbwechsel
zu rot sichtbar. Die Rotfärbung beruht auf einer chemischen Reaktion. Kupfer wird
durch Eisen aus seiner Verbindung - (NH4)2[CuCl4] * 2 H2O - gedrängt. Dabei wird
das freie Kupfer auf der Stahloberfläche ausgefällt. Bei dem Tüpfeltest
handelt es sich um ein zerstörungsfreies Prüfverfahren.