Oberflächenhärteverfahren - Versionsgeschichte

Horsch: /* Elektronenstrahlhärten */

2025-01-25T13:45:52Z

‎Elektronenstrahlhärten

Horsch: /* Randschichthärten thermische Verfahren */

2025-01-25T13:44:09Z

‎Randschichthärten thermische Verfahren

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2021-06-24T05:33:24Z

‎Gasnitrieren

Horsch: /* Gasnitrieren */

2021-06-24T05:32:00Z

‎Gasnitrieren

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‎Gasnitrocarburiern

Horsch: /* Einzelnachweise */

2019-07-29T13:39:15Z

‎Einzelnachweise

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‎Einzelnachweise

Horsch: /* Das Aufkohlen */

2019-07-21T07:27:58Z

‎Das Aufkohlen

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 |}
 < embedvideo  service = "youtube" > https://www.youtube.com/watch?v=0JCnnUG53gg&t=701s </ embedvideo >
 ='''Oberflächenhärten thermisch chemische Verfahren'''=

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 |[[File:Elektronenstrahl-1.jpg|400px]]<ref>Elektronenstrahl-Randschichtbehandlung Innovative Technologien für höchste industrielle Ansprüche , Eigenverlag, pro-beam AG & Co. KGaA  Blaue Bücher, Band 3</ref>
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 ='''Oberflächenhärten thermisch chemische Verfahren'''=

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 Die Diffusionszone (Nitrierschicht) besteht aus zwei Schichten. An der Oberfläche bildet sich zunächst eine Eisennitridschicht, die sogenannte Verbindungsschicht (CLT). Man unterscheidet 2 Modifikationen. Beim gesteuerten Gasnitrieren und Plasmanitrieren wird die stickstoffärmere, aber relativ duktile Fe4N, auch als γ‘-Nitrid bezeichnet, gebildet. Sie hat Keramikcharakter, ist verschleißmindernd und hat mäßige Korrosionsschutzeigenschaften. Die stickstoffreichere, härtere und besser korrosionsbeständige Fe₂₋₃N-CLT, auch als ε Nitrid bezeichnet, wird beim Nitrocarburieren erzeugt.
-Verbindungsschichten (CLT) werden in einem metallographisch präparierten Querschliff kaum angeätzt und sind somit als weiße Schicht sichtbar. Daher die im englischen Sprachraum verwendete Bezeichnung „white layer“ für diese Schichten, die normkonform als compound layer bezeichnet werden. Unterhalb der VS bildet der Stickstoff mit den nitridbildenden Elementen (die wichtigsten sind Al, Cr, Mo und V) Sondernitride. Darüber hinaus lagert sich N in den Zwischengitterlücken ein. Dieser Bereich der Diffusionszone wird auch Ausscheidungsschicht genannt. Diese Kombination aus Nitridausscheidungen und gleichzeitiger Verzerrung der Atomgitter führt zu erheblichen Druckeigenspannungen und damit zur Härtesteigerung in der Nitrierschicht. Diffusionsbedingt nimmt der Stickstoffgehalt mit zunehmender Eindringtiefe ab und damit gehen auch die Druckeigenspannungen zurück. Daraus resultiert der typische Härteverlauf einer Nitrierschicht mit hoher Oberflächenhärte und stetig abfallenden Härten in den tieferen Regionen.
+Verbindungsschichten (CLT) werden in einem metallographisch präparierten Querschliff kaum angeätzt und sind somit als weiße Schicht sichtbar. Daher die im englischen Sprachraum verwendete Bezeichnung „white layer“ für diese Schichten, die normkonform als compound layer bezeichnet werden. Unterhalb der CLT bildet der Stickstoff mit den nitridbildenden Elementen (die wichtigsten sind Al, Cr, Mo und V) Sondernitride. Darüber hinaus lagert sich N in den Zwischengitterlücken ein. Dieser Bereich der Diffusionszone wird auch Ausscheidungsschicht genannt. Diese Kombination aus Nitridausscheidungen und gleichzeitiger Verzerrung der Atomgitter führt zu erheblichen Druckeigenspannungen und damit zur Härtesteigerung in der Nitrierschicht. Diffusionsbedingt nimmt der Stickstoffgehalt mit zunehmender Eindringtiefe ab und damit gehen auch die Druckeigenspannungen zurück. Daraus resultiert der typische Härteverlauf einer Nitrierschicht mit hoher Oberflächenhärte und stetig abfallenden Härten in den tieferen Regionen.
 Das Gasnitrieren kann grundsätzlich für alle unlegierten und niedriglegierten Stähle mit Cr-Gehalten bis 12% Gusseisen angewandt werden. Bei unlegierten Stählen, lamellaren und ferritischen Gusseisen sollte bevorzugt das Nitrocarburieren Verwendung finden. Aufgrund fehlender nitridbildender Elemente können in der Ausscheidungsschicht dieser Qualitäten keine nennenswerten Druckeigenspannungen aufgebaut werden. Darüber hinaus muss beachtet werden, dass der Ferrit durch das Aufsticken zur Versprödung neigt.

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 |Nitrierprozesse laufen großtechnisch typischerweise im Temperaturbereich von 500 – 530°C ab. Für den Prozess wird chemisch aktiver, also atomarer, Stickstoff benötigt. Zwei Verfahren haben sich hier verfahrenstechnisch durchgesetzt, nämlich das Gasnitrieren und das Plasmanitrieren. Der entscheidende Unterschied ist die Erzeugung des atomaren Stickstoffs. Beim Gasnitrieren dient Ammoniak (NH3) als Stickstoffspender. Während des Prozesses spaltet sich Ammoniak in seine Grundbestandteile Stickstoff (N) und Wasserstoff (H). Der dabei entstehende atomare Stickstoff hat eine hohe Affinität zum Eisen und bildet Eisennitrid. Aufgrund des Konzentrationsgefälles diffundiert er in die oberflächennahen Bereiche des Bauteils ein und bildet in der Folge die sogenannte Diffusionszone oder auch Nitrierschicht (NHD) genannt.
-Die Diffusionszone (Nitrierschicht) besteht aus zwei Schichten. An der Oberfläche bildet sich zunächst eine Eisennitridschicht, die sogenannte Verbindungsschicht (CLT). Man unterscheidet 2 Modifikationen. Beim gesteuerten Gasnitrieren und Plasmanitrieren wird die stickstoffärmere, aber relativ duktile Fe4N, auch als γ‘-Nitrid bezeichnet, gebildet. Sie hat Keramikcharakter, ist verschleißmindernd und hat mäßige Korrosionsschutzeigenschaften. Die stickstoffreichere, härtere und besser korrosionsbeständige Fe₂₋₃N-VS, auch als ε Nitrid bezeichnet, wird beim Nitrocarburieren erzeugt.
+Die Diffusionszone (Nitrierschicht) besteht aus zwei Schichten. An der Oberfläche bildet sich zunächst eine Eisennitridschicht, die sogenannte Verbindungsschicht (CLT). Man unterscheidet 2 Modifikationen. Beim gesteuerten Gasnitrieren und Plasmanitrieren wird die stickstoffärmere, aber relativ duktile Fe4N, auch als γ‘-Nitrid bezeichnet, gebildet. Sie hat Keramikcharakter, ist verschleißmindernd und hat mäßige Korrosionsschutzeigenschaften. Die stickstoffreichere, härtere und besser korrosionsbeständige Fe₂₋₃N-CLT, auch als ε Nitrid bezeichnet, wird beim Nitrocarburieren erzeugt.
 Verbindungsschichten (CLT) werden in einem metallographisch präparierten Querschliff kaum angeätzt und sind somit als weiße Schicht sichtbar. Daher die im englischen Sprachraum verwendete Bezeichnung „white layer“ für diese Schichten, die normkonform als compound layer bezeichnet werden. Unterhalb der VS bildet der Stickstoff mit den nitridbildenden Elementen (die wichtigsten sind Al, Cr, Mo und V) Sondernitride. Darüber hinaus lagert sich N in den Zwischengitterlücken ein. Dieser Bereich der Diffusionszone wird auch Ausscheidungsschicht genannt. Diese Kombination aus Nitridausscheidungen und gleichzeitiger Verzerrung der Atomgitter führt zu erheblichen Druckeigenspannungen und damit zur Härtesteigerung in der Nitrierschicht. Diffusionsbedingt nimmt der Stickstoffgehalt mit zunehmender Eindringtiefe ab und damit gehen auch die Druckeigenspannungen zurück. Daraus resultiert der typische Härteverlauf einer Nitrierschicht mit hoher Oberflächenhärte und stetig abfallenden Härten in den tieferen Regionen.

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 |'''Gasnitrocarburiern'''
-|Für das Nitrocarburieren gelten grundsätzlich die bereits für das Nitrieren gemachten Aussagen. Bei diesem Verfahren steht aber die Bildung der ε-VS (Fe₂₋₃N) mit Dicken von ca. 10 - 35 µm im Vordergrund. Da Kohlenstoff die Bildung dieser Schicht stabilisiert, wird mit kohlenstoffhaltigen Gasen oder Salzen gearbeitet. Ursprünglich stammt das Nitrocarburieren aus der Salzbadtechnik, obwohl das Verfahren bis heute fälschlicherweise oft als Salzbadnitrieren bezeichnet wird. Später haben sich dann das Gas- und das Plasmanitrocarburieren ebenfalls etabliert. Wie beschrieben, soll eine möglichst monophasige ε-VS gebildet werden. Gleichzeitig entsteht aber auch beim Nitrocarburieren eine Ausscheidungsschicht. Die Härteverlaufskurven bewegen sich aufgrund der höheren Behandlungstemperaturen (540- 580°C) aber auf niedrigerem Niveau als nach einer Nitrierbehandlung. Es werden bevorzugt unlegierte Stähle nitrocarburiert. Es kommt hierbei zu signifikanten Steigerungen von Oberflächenhärte, Korrosionsbeständigkeit und dem Widerstand gegen Abrasions- und Adhäsion. Insbesondere die gute Korrosionsbeständigkeit ist ein häufiger Grund, dieses Verfahren anzuwenden. Durch eine nachgeschaltete Oxidation kann der Widerstand gegen Korrosion nochmals verbessert werden. Auch beim Nitrocarburieren gelten die genannten Abhängigkeiten von Werkstoffzusammensetzung, Gefüge und Prozessparameter. Die Härtespanne bewegt sich auf dem Niveau der Nitrierschichten, wobei aufgrund der geringen VS-Dicken diese Schichten in unserem Hause mit HV1 gemessen werden. Da mit hohen Stickstoffpotentialen gearbeitet wird, sollte die Nht begrenzt werden, um eine Versprödung der Randschicht zu vermeiden. Da die Diffusionsgeschwindigkeit des Stickstoffs in unlegierten Stählen relativ hoch ist und gemäß DIN 50190 Bl.3 als Grenzhärte für die Nht die Kernhärte der Werkstoffe plus 50 HV gilt, werden auch beim Nitrocarburieren Nitriertiefen von über 0,5 mm erreicht, die Härtekurven bewegen sich aber auf sehr niedrigem Niveau.
+|Für das Nitrocarburieren gelten grundsätzlich die bereits für das Nitrieren gemachten Aussagen. Bei diesem Verfahren steht aber die Bildung der ε-CLT(Fe₂₋₃N) mit Dicken von ca. 10 - 35 µm im Vordergrund. Da Kohlenstoff die Bildung dieser Schicht stabilisiert, wird mit kohlenstoffhaltigen Gasen oder Salzen gearbeitet. Ursprünglich stammt das Nitrocarburieren aus der Salzbadtechnik, obwohl das Verfahren bis heute fälschlicherweise oft als Salzbadnitrieren bezeichnet wird. Später haben sich dann das Gas- und das Plasmanitrocarburieren ebenfalls etabliert. Wie beschrieben, soll eine möglichst monophasige ε-CLT gebildet werden. Gleichzeitig entsteht aber auch beim Nitrocarburieren eine Ausscheidungsschicht. Die Härteverlaufskurven bewegen sich aufgrund der höheren Behandlungstemperaturen (540- 580°C) aber auf niedrigerem Niveau als nach einer Nitrierbehandlung. Es werden bevorzugt unlegierte Stähle nitrocarburiert. Es kommt hierbei zu signifikanten Steigerungen von Oberflächenhärte, Korrosionsbeständigkeit und dem Widerstand gegen Abrasions- und Adhäsion. Insbesondere die gute Korrosionsbeständigkeit ist ein häufiger Grund, dieses Verfahren anzuwenden. Durch eine nachgeschaltete Oxidation kann der Widerstand gegen Korrosion nochmals verbessert werden. Auch beim Nitrocarburieren gelten die genannten Abhängigkeiten von Werkstoffzusammensetzung, Gefüge und Prozessparameter. Die Härtespanne bewegt sich auf dem Niveau der Nitrierschichten, wobei aufgrund der geringen CLT-Dicken diese Schichten in unserem Hause mit HV1 gemessen werden. Da mit hohen Stickstoffpotentialen gearbeitet wird, sollte die NHD begrenzt werden, um eine Versprödung der Randschicht zu vermeiden. Da die Diffusionsgeschwindigkeit des Stickstoffs in unlegierten Stählen relativ hoch ist und gemäß DIN 50190 Bl.3 als Grenzhärte für die NHD die Kernhärte der Werkstoffe plus 50 HV gilt, werden auch beim Nitrocarburieren Nitriertiefen von über 0,5 mm erreicht, die Härtekurven bewegen sich aber auf sehr niedrigem Niveau.
-Um bei unlegierten Stählen eine Versprödung des Ferrits zu vermeiden, sollten diese in normalgeglühten Zustand verwendet werden oder Feinkornbaustähle zum Einsatz kommen. Vergütungs-, Werkzeug und Nitrierstähle müssen vergütet vorliegen.
+Um bei unlegierten Stählen eine Versprödung des Ferrits zu vermeiden, sollten diese in normalgeglühten Zustand verwendet werden oder Feinkornbaustähle zum Einsatz kommen. Vergütungs-, Werkzeug und Nitrierstähle sollten vergütet vorliegen.
 Die verwendeten Anlasstemperaturen und die Behandlungstemperatur beim Nitrocarburieren sind bei einer vorgeschalteten Spannungsarmglühung zu beachten. Grundsätzlich kann im Gas wie im Plasma nitrocarburiert werden. Die Ergebnisse sind äquivalent. Aufgrund der höheren Kosten kommt eine Nitrocarburierung im Plasma üblicherweise nicht zur Anwendung. Beim Nitrocarburieren werden vergleichsweise dünne Schichten erzeugt. Somit sind die ertragbaren Flächenpressungen der Schicht deutlich geringer als nach einer Gasnitrierung.<ref name="Gommann"/>
 |[[Datei:Nitrieren-2.jpg|400px]] <ref name="Liedtke"/>

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 <ref name="Gommann">[http://www.gommann.de/verfahren/ www.gommann.de/], Härterei Carl Gommann GmbH, Dreiangelstraße 29, 42855 Remscheid </ref>
 <ref name="Liedtke">Liedtke, Dieter, Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen, II, 2007, Expertvelag, ISBN-13: 978-3-8169-2724-2</ref>
-<ref name="WBH-Grundlagen">[http://www.arnold-horsch.de/seminare '''Arnold Horsch'''], Seminar Werkstoffprüfung + Metallographie für Auszubildende und Labormitarbeiter, Kapitel Grundlagen der Wärmebehandlung, Arnold Horsch e.K., Remscheid</ref>
 <references />

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 <references>
 <ref name="Höfler">Dipl.-Ing.-Päd. Andreas Höfler, Rosenstr. 94, 76287 Rheinstetten, Maschinenbau & Physik, https://www.tec-science.com/de/werkstofftechnik/waermebehandlung-stahl/oberflaechenhaerten-randschichthaerten/#more-3068</ref>
 <ref name="Metallographie in der Praxis">[http://www.arnold-horsch.de/seminare Arnold Horsch], Seminar Metallographie in der Praxis, Teil 1, Arnold Horsch e.K., Remscheid</ref>
 <ref name="Merkblatt 452">Merkblatt 452, Einsatzhärten, Wirtschaftsvereinigung Stahl, Sohnstraße 65 · 40237 Düsseldorf</ref>

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 = '''Einzelnachweise''' =
 <references>
 <ref name="Höfler">Dipl.-Ing.-Päd. Andreas Höfler, Rosenstr. 94, 76287 Rheinstetten, Maschinenbau & Physik, https://www.tec-science.com/de/werkstofftechnik/waermebehandlung-stahl/oberflaechenhaerten-randschichthaerten/#more-3068</ref>
 <ref name="DIN ISO 15787">[https://www.beuth.de/de/norm/din-iso-15787/122364177 DIN ISO 15787], Technische Produktdokumentation - Wärmebehandelte Teile aus Eisenwerkstoffen - Darstellung und Angaben, Beuth Verlag Gmbh, Berlin</ref>

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 ** in einer flüssigen Salzschmelze als Aufkohlungsmittel
 ** in Pulver als Aufkohlungsmittel
-In diesem Zustand ist das Lösungsvermögen für Kohlenstoff besonders groß. Dabei diffundiert Kohlenstoff aus dem Aufkohlungsmittel in die Werkstückrandschicht. Die Behandlungsdauer richtet sich prinzipiell nach der erforderlichen Aufkohlungstiefe (CD(''At'')). Die Triebkraft für die Kohlenstoffaufnahme im Eisen ist die Differenz zwischen dem Potential des Kohlenstoffs im Austenit und dem chemischen Potential des reinen Kohlenstoffs. Diese Potentialdifferenz entspricht der freien Enthalpie des Kohlenstoffs und hängt daher auch von der Temperatur und der ''Kohlenstoffaktivität ac'' ab. Wichtig für das Aufkohlen in der industriellen Praxis ist die Linie S’-E im EKD. Entlang dieser Grenze befindet sich der im Austenit gelöste Kohlenstoff im Gleichgewicht, der Austenit ist maximal mit Kohlenstoff gesättigt und die Kohlenstoffaktivität ist ac = 1,0. Wird die Linie S-E überschritten, so bildet sich bei unlegierten Stählen das Eisencarbid Zementit. Anwesende Legierungselemente verschieben diese Grenze und können in das entstehende Carbid eingebaut werden, so dass Mischcarbide entstehen oder sie bilden eigene Carbide. Legierungselemente beeinflussen die Kohlenstoffaktivität, dies wirkt sich auf die Kohlenstoffkonzentration aus, die sich im Stahl einstellt-
+Im austenitischen Zustand ist das Lösungsvermögen für Kohlenstoff besonders groß. Dabei diffundiert Kohlenstoff aus dem Aufkohlungsmittel in die Werkstückrandschicht. Die Behandlungsdauer richtet sich prinzipiell nach der erforderlichen Aufkohlungstiefe (CD(''At'')). Die Triebkraft für die Kohlenstoffaufnahme im Eisen ist die Differenz zwischen dem Potential des Kohlenstoffs im Austenit und dem chemischen Potential des reinen Kohlenstoffs. Diese Potentialdifferenz entspricht der freien Enthalpie des Kohlenstoffs und hängt daher auch von der Temperatur und der ''Kohlenstoffaktivität ac'' ab. Wichtig für das Aufkohlen in der industriellen Praxis ist die Linie S’-E im EKD. Entlang dieser Grenze befindet sich der im Austenit gelöste Kohlenstoff im Gleichgewicht, der Austenit ist maximal mit Kohlenstoff gesättigt und die Kohlenstoffaktivität ist ac = 1,0. Wird die Linie S-E überschritten, so bildet sich bei unlegierten Stählen das Eisencarbid Zementit. Anwesende Legierungselemente verschieben diese Grenze und können in das entstehende Carbid eingebaut werden, so dass Mischcarbide entstehen oder sie bilden eigene Carbide. Legierungselemente beeinflussen die Kohlenstoffaktivität, dies wirkt sich auf die Kohlenstoffkonzentration aus, die sich im Stahl einstellt-
 * Silicium, Nickel, Bor und Stickstoff erhöhen die Kohlenstoffaktivität
 * Chrom, Mangan, Molybdän, Wolfram, Titan, Vanadium und Aluminium verringern die Kohlenstoffaktivität<ref name="Merkblatt 452"/>