Oberflächenbehandlungen im Plasma
Plasmanitrieren

Ein Verfahren, das die Oberflächenhärte steigert und effektiv vor Verschleiß schützt: Mit dem Plasmanitrieren bieten wir eine leistungsstarke Behandlung für mechanisch beanspruchte Metallbauteile.

Unsere umfangreichen Kapazitäten und kurzen Durchlaufzeiten erlauben uns die schnelle und effiziente Bearbeitung aller Aufträge. Jeden Tag starten mehrere Prozesse – so können wir auch kurzfristige Anfragen jederzeit schnell umsetzen. 

Einzelteil, Serie oder besonders große Teile plasmanitrieren? Kein Problem, wir setzen Ihren Auftrag schnell, zuverlässig und in höchster Qualität um.

 

Plasmanitrieren: Das Verfahren und seine Vorteile

Das Plasmanitrieren (auch bekannt als Ionitrieren, Puls-Plasmanitrieren, sowie Kaltnitrieren oder Plasma-Härten) ist ein thermochemisches Wärmebehandlungsverfahren, das der Steigerung von Zuverlässigkeit und Verschleißfestigkeit mechanisch beanspruchter Metallbauteile dient. Eigenschaften wie Dauerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit werden durch das Nitrieren im Plasma auf besonders schonende Art und Weise verbessert. Unter Einwirkung von Wärme erfolgt beim Plasmanitrieren eine chemische Randschichtumwandlung. Dies geschieht durch die Eindiffusion von Stickstoff, der zusammen mit dem Werkstoff des Behandlungsgutes Nitride ausbildet. Das Resultat ist eine hohe Oberflächenhärte und deutlich verbesserte Beständigkeit gegen Verschleiß – Eigenschaften, die für viele Anwendungsfälle von essenzieller Bedeutung sind.

Die Behandlung der Werkstücke erfolgt im Vergleich zu konventionellen Härteverfahren bei deutlich niedrigeren Temperaturen. Folglich kann eine hohe Maßhaltigkeit bei dieser Art von Wärmebehandlung gewährleistet werden kann. Eine aufwendige Nachbearbeitung der Teile im randschichtgehärteten Zustand entfällt oder kann auf ein Mindestmaß reduziert werden. Das Ergebnis sind zusätzliche Kosteneinsparungen innerhalb der Prozesskette mit Hilfe des Plasmanitrierens.

Das Behandlungsgut kann im weichen Zustand häufig auf Endmaß gefertigt und nach der Wärmebehandlung im Plasma ohne oder mit nur geringer Nacharbeit fertiggestellt werden. Weiterhin ist sehr niedrig angelassener, vergüteter Stahl ohne Verlust der Kernfestigkeit behandelbar.

Ein Nitrieren ist prinzipiell mit verschiedenen Verfahren möglich. Bekannt sind neben dem Plasmanitrieren das Badnitrieren und das Gasnitrieren. Wird dabei zusätzlich zum Stickstoff eine begrenzte Menge Kohlenstoff zugeführt, spricht man vom Nitrocarburieren.

Unter den Härterei-Verfahren hat das Plasmanitrieren und Plasmanitrocarburieren aufgrund seiner Reproduzierbarkeit, Umweltverträglichkeit und Energieeffizienz einen besonderen Standpunkt. 

Plasmanitrieren: Die Vorteile

  • niedrige Prozesstemperaturen
  • verzugsarmer Prozess
  • Minimierung oder Entfall der Nacharbeit
  • Endreinigung und Oberflächenaktivierung der Bauteile im Plasma
  • gute Behandelbarkeit hochlegierter Stähle und Edelstahl
  • Schichtaufbau kann an die Beanspruchung angepasst werden
  • Schichten sind weniger spröde und porös als beim Gas- und Badnitrieren
  • kürzere Behandlungszeiten als beim Gasnitrieren
  • keine Nachreinigung notwendig

Durch eine gezielte Steuerung des Schichtaufbaus lässt sich das Behandlungsergebnis durch das Plasmanitrieren an die Beanspruchung vorteilhaft anpassen. Die Wärmebehandlung im Plasma erfolgt im Vergleich zu konventionellen Härterei-Verfahren bei deutlich niedrigeren Temperaturen. Eine mechanische Nachbearbeitung ist aufgrund des damit minimierten Verzuges häufig nicht mehr erforderlich.

Plasmanitrieranlage

Die Physikalische Grundlagen

Die physikalischen Grundlagen des Plasmanitrierens führen zu den charakteristischen Merkmalen von Prozess und notwendiger Anlagentechnik:

Das Nitrieren im Plasma ist ein vakuumgestützter Prozess. Die zu behandelnden Teile bilden als Charge die Kathode, die Ofenwandung ist die Anode. Nach Evakuierung des bestückten Rezipienten wird zwischen der Charge und der Ofenwand ein elektrisches Feld angelegt. Das zugeführte Behandlungsgas spaltet sich im elektrischen Feld auf und wird ionisiert. Es bildet sich ein leitfähiges Gas – das Plasma. Die darin enthaltenen Stickstoffionen werden aufgrund des Stromflusses in Richtung der Kathode beschleunigt und treffen mit hoher Energie auf die Werkstückoberflächen. Dies führt zu:

  • Feinreinigung der Oberflächen durch Absputtern von Fremdatomen
  • Auflösen von Passivschichten (z. B. auf nichtrostenden Stählen bzw. Edelstahl und Titan)
  • Aktivierung der Oberfläche
  • Erwärmung der zu nitrierenden Ofencharge
  • Diffusion des Stickstoffs in die Werkstückoberfläche

Ist die Behandlungstemperatur erreicht, beginnt die Haltezeit. Diese richtet sich nach der Werkstoffart und der gewünschten Nitrierhärtetiefe. Übliche Haltezeiten beim Plasmanitrieren betragen 12–50 Stunden. Gegenüber dem Gasnitrieren ist beim Plasmanitrieren nur etwa die halbe Haltezeit erforderlich.

Nach der entsprechenden Behandlungszeit wird durch Fluten mit einem Gas ein Druckausgleich herbeigeführt. Danach kühlt die Charge kontrolliert ab und die fertigen Werkstücke können bei niedriger Temperatur entnommen werden.

 

Die Nitrierschicht und ihre Eigenschaften

Die Nitrierschicht besteht aus der äußeren Verbindungsschicht (VS) und der darunter liegenden Diffusionsschicht (DS). An der Oberfläche befindet sich die Verbindungsschicht. Sie setzt sich aus Eisennitriden zusammen – dem stickstoffreicheren ε-Nitrid Fe2–3N und dem eisenreicheren γ`-Nitrid Fe4N. Im Vergleich zum Gasnitrieren ist die durch das Plasmanitrieren erzeugte Verbindungsschicht kompakter, porenärmer und verfügt dadurch über bessere Schichteigenschaften.

Diagramm zur Härte und Schichtdicke des Plasmanitrierens

Unterhalb der VS liegt die sich aus dem Grundwerkstoff mit ausgeschiedenen Nitriden zusammensetzende Diffusionszone (DS). Die durch das Plasmanitrieren erreichbare Oberflächenhärte ist umso höher, je mehr nitridbildende Elemente sich im Stahl befinden. Dadurch erklärt sich, weshalb unlegierte Stähle nur Oberflächenhärten von 250–300 HV, niedriglegierte Stähle 600–700 HV und Nitrier- und hochlegierte Stähle 800–1200 HV erreichen.

Der Kennwert Nitrierhärtetiefe NHT ist definiert als der Randabstand, bei dem Kernhärte +50 HV vorliegen (gemäß DIN50190 Teil 3). Übliche NHT sind:

  • bis 0,8 mm bei un- und niedriglegierten Stählen
  • bis 0,15 mm bei hochlegierten Stählen und Edelstahl

Die erreichbare Tiefe und die Zeit, in der diese erreicht werden kann, wird maßgeblich durch den verwendeten Stahl, die Behandlungstemperatur und die Behandlungszeit bestimmt.

Werden besonders dicke Verbindungsschichten benötigt, empfiehlt sich das Plasmanitrocarburieren als Alternative zum Plasmanitrieren. Zur Steigerung der Korrosionsbeständigkeit niedrig und mittelmäßig legierter Werkstoffe gibt es darüber hinaus die Möglichkeit, eine Nachoxidation durchzuführen. Mit Hilfe dieses zusätzlichen Schrittes lässt sich der Korrosionsschutz der Oberfläche im Anschluss an das Plasmanitrieren nochmals steigern.
Weitere Informationen zum Verfahren finden Sie hier. Im nachfolgenden Abschnitt können Sie werkstoffspezifische Behandlungsergebnisse sehen.

 

Nitrierbare Stähle und Behandlungsergebnisse nach dem Plasmanitrieren

Die hier nachfolgenden Behandlungsergebnisse des Plasmanitrierens beziehen sich auf Standard- und Langzeitbehandlungen und häufig genutzte Werkstoffe. Eine höhere oder niedrigere Nitrierhärtetiefe (NHT) und Verbindungsschichtdicke (VS) können im Rahmen von Sonderbehandlungen erreicht werden.

Prinzipiell ist jeder Stahl nitrierbar. Wir beraten Sie gern zu den Möglichkeiten und individuellen Vorteilen – sprechen Sie uns an!

Nitrierstähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
32 CrMoV 12-10 1.7765 750 – 1.000 0,2 – 0,6 4 – 15
34 CrAl 6 1.8504 900 – 1.200 0,2 – 0,5 4 – 10
34 CrAl S 5 1.8506 900 – 1.200 0,2 – 0,6 4 – 10
34 CrAlMo 5 1.8507 900 – 1.200 0,2 – 0,5 4 – 10
41 CrAlMo 7 1.8509 800 – 1.000 0,2 – 0,5 4 – 10
31 CrMo 12 1.8515 800 – 1.100 0,2 – 0,5 4 – 15
31 CrMoV 9 1.8519 750 – 1.000 0,2 – 0,5 4 – 15
31 CrAlV 79 1.8523 900 – 1.250 0,2 – 0,6 4 – 10
34 CrAlNi 7 1.8550 900 – 1.250 0,2 – 0,6 4 – 15

Einsatzstähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
C 15 1.0401 300 – 450 0,2 – 0,6 4 – 15
C15 E / Ck 15 1.1141 250 – 350 0,2 – 0,6 4 – 15
21 MnCr 5 1.2162 600 – 750 0,3 – 0,6 4 – 15
14 NiCr 15 1.5752 500 – 650 0,2 – 0,6 4 – 8
15 CrNi 6 1.5919 500 – 750 0,2 – 0,8 4 – 8
20 NiCrMo 2-2 1.6523 650 – 700 0,2 – 0,6 4 – 8
18 CrNiMo 7-6 1.6587 600 – 700 0,2 – 0,6 4 – 8
16 MnCr 5 1.7131 600 – 750 0,2 – 0,8 4 – 15
16 MnCrS 5 1.7139 600 – 750 0,2 – 0,8 4 – 15
20 MnCr 5 1.7147 600 – 800 0,2 – 0,8 4 – 15
20 CrMo 5 1.7264 850 – 950 0,2 – 0,8 4 – 15

Vergütungsstähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
C 30 E 1.1178 300 – 450 0,2 – 0,6 4 – 15
C 35 E 1.1181 300 – 500 0,2 – 0,6 4 – 15
C 45 E / Ck 45 1.1191 300 – 550 0,2 – 0,6 4 – 15
C 60 E / Ck 60 1.1221 300 – 550 0,2 – 0,6 4 – 15
40 CrMnMo 7 1.2311 700 – 850 0,2 – 0,6 4 – 15
40 CrMnMoS 8-6 1.2312 700 – 850 0,2 – 0,6 4 – 15
45 NiCr 6 1.2710 600 -800 0,2 – 0,5 4 – 8
55 NiCrMoV 6 1.2713 600 – 700 0,2 – 0,6 4 – 8
30 CrNiMo 8 1.6580 600 – 800 0,2 – 0,5 3 – 10
34 CrNiMo 6 1.6582 600 – 800 0,2 – 0,5 3 – 10
34 Cr 4 1.7033 500 – 600 0,2 – 0,5 4 – 15
25 CrMo 4 1.7218 600 – 700 0,2 – 0,5 4 – 15
34 CrMo 4 1.7220 500 – 600 0,2 – 0,5 4 – 15
42 CrMo 4 1.7225 600 – 750 0,2 – 0,5 4 – 15
30 CrMoV 9 1.7707 850 – 950 0,2 – 0,6 4 – 15
39 CrMoV 13-9 1.8523 800 – 950 0,2 – 0,5 4 – 8
Toolox33, SP 300 siehe 1.2312      
Toolox 44   800 – 1.000 0,2 – 0,6 4 – 8
ETG® 100 1.8523 400 – 650 0,2 – 0,6 4 – 8

Baustahl

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
S 235 JR 1.0037 250 – 400 0,2 – 0,6 4 – 10
S 235 1.0038 200 – 350 0,2 – 0,6 4 – 10
E 335 1.0060 300 – 550 0,2 – 0,6 4 – 10
S 235 J2G3 1.0116 350 – 400 0,2 – 0,6 4 – 10
S 355 J2+N 1.0570 300 – 550 0,2 – 0,6 4 – 10
S 355 J2H 1.0576 300 – 550 0,2 – 0,6 4 – 10

Werkzeugstahl, unlegiert

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
C 105 W 1 1.1545 550 – 650 0,2 – 0,8 4 – 8
C 80 W 2 1.1625 550 – 650 0,2 – 0,8 4 – 8

Warmarbeitsstähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
X 38 CrMoV 5 1 1.2343 900 – 1.250 0,2 – 0,4 4 – 8
X 40 CrMoV 5 1 1.2344 900 – 1.250 0,2 – 0,4 4 – 8
X 32 CrMoV 3 3 1.2365 800 – 1.000 0,2 – 0,4 4 – 8
X 3 NiCoMoTi 18-9-5 1.2709 800 – 1.200 0,15 – 0,3 2 – 4
X 15 CrCoMoV 10-10-5 1.2886 1.000 – 1.200 0,15 – 0,3 2 – 4

Kaltarbeitsstähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
X 210 Cr 12 1.2080 900 – 1.200 0,1 – 0,15 2 – 4
62 SiMNCr 5 1.2101 500 – 600 0,3 – 0,6 4 – 8
X 165 CrV 12 1.2201 1.000 – 1.200 0,1 – 0,4 2 – 4
115 CrV 3 1.2210 350 – 500 0,3 – 0,4 4 – 8
26 CrMoV 9 1.2307 850 – 950 0,1 – 0,4 4 – 8
X 100 CrMoV 5 1.2363 800 – 1.200 0,1 – 0,4 4 – 8
85 CrMoV 12-6-5 1.2364 950 – 1.200 0,1 – 0,4 4 – 8
X 155 CrVMo 12-1 1.2327 900 – 1.200 0,1 – 0,4 4 – 8
X 210 CrW 12 1.2436 700 – 900 0,15 – 0,3 2 – 4
X 165 CrMoV 12 1.2601 900 – 1.200 0,15 – 0,2 2 – 4
X 60 WCrMoV 9-5 1.2622 800 – 900 0,1 – 0,4 2 – 4
X 45 NiCrMo 4 1.2767 650 – 900 0,15 – 0,5 2 – 4
90 MnCrV 8 1.2842 450 – 650 0,2 – 0,6 4 – 8

Schnellarbeitsstähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
S 10-4-3-10 1.3207 1.000 – 1.400 0,05 – 0,25 ≤ 3
S 12-1-1 1.3302 1.200 – 1.400 0,05 – 0,2 ≤ 3
S 6-5-2 1.3343 1.000 – 1.400 0,05 – 0,25 ≤ 3
S 18-0-1 1.3355 1.000 – 1.200 0,05 – 0,2 ≤ 3

Wälzlagerstähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
100 MnCrW 4 1.2510 500 – 700 0,2 – 0,3 ≤ 5
100 Cr 6 1.3505 350 – 600 0,2 – 0,3 ≤ 5
X 102 CrMo 17 1.3543 1.000 – 1.200 0,1 – 0,2 ≤ 3

Federstähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
C 75 S / Ck 75 1.1248 350 – 550 0,2 – 0,6 4 – 8
60 SiMn 5 1.5142 400 – 600 0,2 – 0,6 4 – 8
67 SiCr 5 1.7103 500 – 650 0,2 – 0,6 4 – 8
50 CrV 4 1.8159 450 – 600 0,2 – 0,6 4 – 8
58 CrV 4 1.8161 450 – 600 0,2- 0,6 4 – 8

Rost- und säurebeständige Stähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm
X 40 Cr 14 1.2083 1.000 – 1.200 0,15 – 0,3
X 38 CrMo 16 1.2316 900 – 1.200 0,15 – 0,3
X 20 Cr 13 1.4021 1.000 – 1.200 0,15
X 30 Cr 13 1.4028 1.000 – 1.200 0,15
X 46 Cr 13 1.4034 1.000 – 1.200 0,15
X 46 Cr 13 1.4104 1.000 – 1.200 0,15
X 90 CrMoV 18 1.4112 900 – 1.100 0,15
X 90 CrMoV 18 1.4117 950 – 1.200 0,15
X 35 CrMo 17 1.4122 1.000 – 1.400 0,15
X 12 CrNi 18 8 1.4300 800 – 1.200 0,15
X 5 CrNi 18 10 1.4301 800 – 1.200 0,15
X 10 CrNiS 18 9 1.4305 800 – 1.000 0,15
X 5 CrNiMo 17 12 2 1.4401 800 – 1.200 0,15
X 2 CrNiMo 18 14 3 1.4435 800 – 1.200 0,15
X 5 CrNiMo 17 13 1.4449 800 – 1.200 0,15
X 5 CrNiMo 17 13 1.4535 1.000 – 1.200 0,15
X 6 CrNiMoTi 17 12 2 1.4571 800 – 1.200 0,15

Martensitaushärtbare Stähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
X 2 NiCrMo 18 8 5 1.6359 1.000 – 1.200 0,15 – 0,3 1 – 2

Hitzebeständige Stähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm
X 15 CrNiSi 25 20 1.4841 800 – 1.100 0,1
X 12 CrNi 25 21 1.4845 800 – 1.100 0,1

Grauguss

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
EN-GJL-150 / GG 15   300 – 450 0,2 – 0,4 4 – 10
EN-GJL-250 / GG 25   350 – 500 0,2 – 0,5 4 – 10
EN-GJS-400-15 / GGG 40 EN-JS 1040 400 – 600 0,2 – 0,5 4 – 10
GGG 42   400 – 600 0,2 – 0,5 4 – 10
EN-GJS-600-3 / GGG 60 EN-JS 1060 500 – 700 0,2 – 0,6 4 – 10
EN-GJS-700-2 / GGG 70 EN-JS 1070 500 – 700 0,2 – 0,6 4 – 10

Automatenstähle

Werkstoff Werkstoff-Nr. Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
9 S 20 1.0711 200 – 300 0,2 – 0,6 4 – 8
9 SMnPb 28 1.0718 200 – 350 0,2 – 0,6 4 – 8
10 S 20 1.0721 350 – 400 0,2 – 0,6 4 – 8
45 S 20 / 46 S 20 1.0727 350 – 450 0,2 – 0,6 4 – 8
44 SMn 28 1.0762 300 – 600 0,2 – 0,6 4 – 8

Sintermetalle

Werkstoff Härte HV 1 NHT in mm VS in µm
Astaloy Mo 400 – 500 0,1 – 0,5  
Sint D30 350 – 500 0,1 – 0,5 5 – 20
Sint D35 150 – 300 0,1 – 0,3 5 – 20
 

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