Nitrierstahl: Bedeutung, Vergleich, Anwendungen & CNC-Bearbeitung

Nitrierbarer Stahl ist für den Nitrierprozess geeignet. Durch das Aufbringen harter Nitridschichten lassen sich Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit des Stahls deutlich verbessern. Dies hängt jedoch von der verwendeten Stahlsorte und dem gewählten Nitrierverfahren ab. In diesem Leitfaden erfahren Sie mehr über gängige nitrierbare Stahlsorten und deren Bedeutung für die CNC-Bearbeitung.

Was ist nitrierter Stahl?

Nitrierstähle sind spezielle legierte Stähle, die für den Nitrierprozess vorbereitet werden. Dabei wird durch Diffusion von Stickstoff in den Stahl eine harte, verschleißfeste Schicht auf die Stahloberfläche aufgebracht.

Nitrierstähle und nitrierbare legierte Stähle

Nitrierbare Stähle gehören zu den nitrierbaren Legierungsstählen. Beide Stahlsorten lassen sich nitrieren, wobei der Begriff „nitrierbare Stähle“ ein breiteres Spektrum an Stählen umfasst, nicht nur solche, die für das Nitrierverfahren geeignet sind. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Nitrierstahl speziell für das Nitrierverfahren durch die Zugabe von Legierungselementen wie Aluminium, Chrom, Molybdän, Vanadium und Titan hergestellt wird. Nitrierbare Legierungsstähle hingegen sind Stähle, die aufgrund eines bestimmten Gehalts an nitridbildenden Elementen zum Nitrieren geeignet sind. Im Allgemeinen ist die Oberflächenhärte von Nitrierstahl nach dem Nitrierprozess höher als die von nitrierbarem Stahl.

Warum ist das Nitrieren von Stahl bei bearbeiteten Teilen wichtig?

Wie bereits erwähnt, enthält Nitrierstahl ausgewählte Legierungselemente wie Al, Cr, Mo und V. Diese Zusätze beeinflussen die CNC-Bearbeitung von Nitrierstahl maßgeblich. Sie verbessern das Nitrierverhalten, die Festigkeit und die Verschleißfestigkeit des Stahls. Allerdings können sie die Bearbeitungseffizienz verringern und gleichzeitig den Werkzeugverschleiß und die Bearbeitungsschwierigkeiten erhöhen.

Vor- und Nachteile des Nitrierens von Stählen

Bei der Auswahl geeigneter Nitrierstähle sollten Sie deren Vor- und Nachteile für Ihr Beschaffungsprogramm berücksichtigen.

Vorteil: Starke Nitrierreaktion

Die Legierungselemente Al, Cr, Mo und V ermöglichen es, dass nitrierbarer Stahl im Vergleich zu gewöhnlichen nitrierbaren Stählen leichter stabile Nitride bildet.

Nachteile nitrierter Stähle

Höhere Materialkosten

Die Zugabe von Legierungselementen zum Stahl kann den Herstellungsprozess komplexer gestalten. Mehr Zeitaufwand und zusätzliche Fertigungsschritte können die Materialkosten erhöhen.

Schwieriger zu bearbeiten

Die Zugabe von Aluminium, Chrom, Molybdän und Vanadium kann die Festigkeit des Materials erhöhen und die Bildung von Hartkarbiden fördern, was den Verschleiß der Schneidwerkzeuge begünstigt. Im Vergleich zu anderen Stählen wie beispielsweise kohlenstoffarmem Stahl erfordert nitrierter Stahl eine höhere Schnittkraft.

Vergleich von Nitrierstahlsorten

Wie bereits erwähnt, enthalten nitrierbare Legierungen Elemente wie Al, Cr, Mo, V und Ti. Diese Elemente sind in unterschiedlichen Mengen vorhanden, was die Eigenschaften des Stahls, wie Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit, beeinflusst. Diese Eigenschaften sind entscheidend für Präzisionsteile in der CNC-Bearbeitung. Details zu nitrierbaren Stählen finden Sie weiter unten.

Gängige Nitrierstahlsorten

Gängige Nitrierstähle sind 34CrAlNi7, 31CrMoV9 und Nitralloy 135M/N. Sie alle weisen je nach Sorte unterschiedliche Eigenschaften auf, die durch Stickstoffhärtung erzielt werden.

1. 34CrAlNi7

Dies ist ein gängiger europäischer Nitrierstahl mit Chrom, Aluminium und Nickel. Er zeichnet sich durch hohe Härte, Verschleißfestigkeit und gute Kernfestigkeit nach dem Nitrieren aus. Typische Anwendungsgebiete für 34CrAlNi7 sind Zahnräder, Kurbelwellen und Automobilteile.

2. 31CrMoV9

Es enthält Chrom, Molybdän und Vanadium. Durch Nitrieren werden Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit erhöht. 31CrMoV9 eignet sich ideal für hochbelastete Bauteile wie Zahnräder, Wellen und Kurbelwellen.

3. Nitralloy N,1,2

Hierbei handelt es sich um aluminiumhaltige Stähle, wobei Nitralloy geringe Mengen Vanadium enthält. Sie sind auf maximale Oberflächenhärte und Dauerfestigkeit ausgelegt. Nitralloy eignet sich ideal für Werkzeuge, Formen, Luft- und Raumfahrtteile sowie stark beanspruchte Automobilteile.

Nitrierbare legierte Stähle

Nitrierbarer Stahl ist ein Oberbegriff für legierte und unlegierte Stähle, die im Nitrierprozess mit Stickstoff reagieren können. Werkzeugstähle und Edelstähle sind gängige Werkstoffe, die nitriert werden können. Gängige nitrierbare Legierungsstähle sind beispielsweise 31CrMo12, 41Cr4, 42CrMo4 und weitere, die im Folgenden erläutert werden.

1. 31CrMo12-Stahl

Es handelt sich um einen universell einsetzbaren Nitrierstahl mit Chrom- und Molybdänanteil. Er zeichnet sich durch gute Verschleißfestigkeit und Kernzähigkeit aus und ist daher für verschiedene Maschinenteile geeignet.

2. 41Cr4-Stahl

Es handelt sich um einen Chromstahl, der sich zum Nitrieren eignet. Er weist eine hohe Verschleißfestigkeit auf und wird häufig für Wellen und Zahnräder verwendet.

3. 42CrMo4-Stahl

Es handelt sich um einen sehr gebräuchlichen Stahl mit guter Kernfestigkeit und Zähigkeit. 42CrMo4 wird häufig für Zahnräder, Wellen und Spindeln verwendet.

4. 20CrMoS4-Stahl

Es handelt sich um eine sulfurierte Variante von 20CrMo. 20CrMoS4 bietet eine verbesserte Bearbeitbarkeit für komplexe Teile, die dennoch nitriert werden müssen.

5. 20NiCrMo2-2 Stahl

Es handelt sich um einen Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl mit hoher Härtbarkeit und Zähigkeit. 20NiCrMo2-2 wird hauptsächlich für Zahnräder und kritische Bauteile verwendet.

Wichtige Faktoren für die Auswahl von Nitrierstählen

Aus dem obigen Inhalt geht hervor, dass es viele verschiedene Nitrierstähle gibt. Welches Material ist also die beste Wahl? Die richtige Auswahl des Nitrierstahls hängt von den Anwendungsanforderungen, den mechanischen Eigenschaften, der Umweltbeständigkeit und der Bearbeitbarkeit des Stahls ab.

Erforderliche Oberflächenhärte je nach Anwendung

Unterschiedliche Legierungsbestandteile führen zu unterschiedlicher Oberflächenhärte. Insbesondere Nitrierstähle mit Aluminiumanteil weisen eine härtere Oberfläche auf. Bei der Auswahl geeigneten Nitrierstahls für Bauteile, die hohen Belastungen oder starkem Verschleiß ausgesetzt sind, empfiehlt sich daher ein Stahl mit höherem Aluminiumgehalt.

Bearbeitungsanforderungen

Bei der Auswahl von Nitrierstählen ist die Zerspanbarkeit ein wichtiger Faktor. Maßgenauigkeit und Bauteilkomplexität sollten ebenfalls berücksichtigt werden. Nitrierstahl 4140 zeichnet sich vor dem Nitrieren durch gute Zerspanbarkeit aus. Die niedrige Temperatur beim Nitrieren reduziert den Verzug im Vergleich zum Einsatzhärten. Präzise Parameter sind jedoch für gleichbleibende Ergebnisse bei großen Geometrien unerlässlich.

Umweltfaktoren

Korrosion und Temperatur sind die wichtigsten Umwelteinflüsse. Gängige Nitrierstähle benötigen in feuchten Umgebungen zusätzlichen Schutz. Nitrierstahl aus Edelstahl ist hingegen auch in feuchten Umgebungen einsetzbar. Die Temperatur bestimmt den Nitrierprozess und die Betriebsgrenzen. So wird beispielsweise das Standard-Gasnitrieren bei 500–580 °C durchgeführt, während beim Weichnitrieren noch niedrigere Temperaturen zum Einsatz kommen, um Verformungen zu minimieren.

Budgets und Kosten

Dazu gehören die Gesamtkosten des Nitrierprozesses, d. h. Materialkosten, Bearbeitungszeit (lang beim Gasnitrieren) und Vorteile über den gesamten Lebenszyklus (geringer Wartungsaufwand aufgrund der Verschleißfestigkeit).

Anwendungsgebiete für nitrierte Stähle

Nitrierstähle werden häufig in verschiedenen Branchen für Bauteile eingesetzt, die extreme Härte, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit erfordern.

Mechanische Teile

Nitrierte Legierungen werden aufgrund ihrer insgesamt besseren Festigkeit, Härte und Lebensdauer häufig für Wellen, Zahnräder, Nocken und Bauteile von Hochleistungsmaschinen eingesetzt.

Autoteile

Nitrierte Stähle werden für Zahnräder, Kurbelwellen, Nockenwellen, Ventilteile, Einspritzdüsen und Kupplungskomponenten verwendet. Sie erhöhen die Verschleißfestigkeit und reduzieren den Wartungsaufwand für Motorteile.

Luft- und Raumfahrtkomponenten

Nitrierte Stähle werden für Fahrwerksteile, Befestigungselemente und kritische Wellen verwendet. Sie verbessern die Dauerfestigkeit und Sicherheit unter extremen Belastungen in Luft- und Raumfahrtbauteilen.

Industrielle Ausrüstung

Nitrierlegierungen werden in Extrusionsschnecken, Kunststoffformwerkzeugen, Schmiedegesenken, Maschinenschlitten, Spindeln und Wellen eingesetzt. Sie gewährleisten Dimensionsstabilität und Präzision auch bei hohen Temperaturen und Belastungen.

Wie werden nitrierte Stähle bearbeitet?

Wie bereits erwähnt, finden nitrierte Stähle in vielen Branchen breite Anwendung. Daher ist die CNC-Bearbeitung eine unverzichtbare Technologie zur Herstellung von Bauteilen aus nitrierten Stählen.

Durch Nitrieren wird eine außergewöhnliche Oberflächenhärte erzielt. Die Nitrierung von Stahl bei hohen Temperaturen von ca. 500–540 °C und in gasförmiger Atmosphäre führt jedoch zu leichten Verformungen und Materialveränderungen. Daher ist es schwierig, die Endmaße nach dem Härten durch einfaches Zerspanen zu erreichen. Aus diesem Grund wird die CNC-Bearbeitung von nitriertem Stahl in zwei Schritte unterteilt:

1. Vorbearbeitung vor dem Nitrieren zum Vorschruppen von Konturen,
2. Präzisionsbearbeitung nach dem Nitrieren, zum Schleifen und Honen.

Dies geschieht, um die endgültigen Toleranzen und die Oberflächengüte der gehärteten Hülle zu erreichen.

Geeignete Nitrierstähle auswählen

Die Wahl des Stahls zum Nitrieren, wie beispielsweise 4140 (Cr-Mo) oder Spezialstähle wie der Hybridstahl von Ovako, der Nitridbildner wie Al, Cr, Mo und V enthält, ist der entscheidende Schritt für die gewünschte Einsatzhärtungstiefe und Härte.

Bearbeitungsanforderungen definieren

Definieren Sie die Anforderungen, z. B. für die Schruppbearbeitung und die Bearbeitung auf nahezu Endmaße. Dadurch bleibt ein geringer Aufmaß von 0.1–0.3 mm für das Nachschleifen kritischer Oberflächen nach dem Nitrieren. Vor dem Nitrieren sollten Gewinde, Keilnuten, Bohrungen und scharfe Kanten hergestellt werden, um Sprödigkeit und damit verbundene Auswirkungen auf das Härtebilden zu vermeiden.

Geeignete CNC-Bearbeitungsverfahren auswählen

Gängige CNC-Bearbeitungsverfahren zum Nitrieren von Stählen sind CNC-Fräsen und -Drehen. Zum Abtragen des Materials werden Standard-Hartmetall- und beschichtete Werkzeuge verwendet. Bohrungen werden durch Bohren und Ausdrehen hergestellt. Nach dem Nitrieren erfolgt eine Nachbearbeitung wie Schleifen mit CBN- oder Diamantschleifscheiben und Honen, um die endgültige Maßgenauigkeit zu erreichen.

Oberflächenbearbeitung

Normalerweise wird die Oberfläche gereinigt und mit Schutzschichten aus Öl oder Passivierung versehen, um zu verhindern, dass die nun gehärtete Oberfläche vor der Endmontage rostet.

Warum benötigt man nitrierte Stahlteile?

Nitrieren findet in vielen Bereichen Anwendung. Wir möchten Ihnen die Vorteile nitrierter Stahlteile vorstellen.

Hohe Oberflächenhärte

Nach dem Nitrieren weisen die nitrierten Stahlteile eine höhere Oberflächenhärte auf, wodurch sie hohen Kontaktbelastungen standhalten können und das Risiko lokaler plastischer Verformung unter hohem Druck verringert wird.

Hervorragende Verschleißfestigkeit

Die harte Nitrierschicht kann den abrasiven Verschleiß, den adhäsiven Verschleiß und das Fressen zwischen den Übergangsteilen wie Zahnrädern, Wellen, Buchsen und Stiften reduzieren.

Verbesserte Ermüdungsfestigkeit

In der Praxis sind Lebensdauer und Leistung entscheidende Auswahlkriterien für Bauteile. Die harte Nitridoberfläche kann die Wirkung von Zugspannungen reduzieren und somit die Rissbildung verringern.

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Fazit

Nitrieren ist eine entscheidende Oberflächenbehandlung für CNC-bearbeitete Teile. Dabei wird Stickstoff in den Stahl eingeleitet, wodurch eine extrem harte Schicht entsteht, die die Verschleiß- und Dauerfestigkeit weiter erhöht. Zudem verbessert sie die Korrosionsbeständigkeit ohne signifikante Maßänderungen, was insbesondere für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und im Werkzeugbau wichtig ist. Im Vergleich zum Einsatzhärten findet das Nitrieren bei niedrigeren Temperaturen (500–580 °C) statt. Dadurch bleiben die Kerneigenschaften erhalten und eine hohe Maßstabilität wird erreicht, was ideal für komplexe und präzise Teile ist. Nach dem Nitrieren wird eine Präzisionsbearbeitung der Stähle durchgeführt, um die Maßgenauigkeit zu erhöhen und die Lebensdauer der Teile deutlich zu verlängern.

FAQ

Was ist Nitrieren von Edelstahl?

Nitrierter Edelstahl sind solche Stähle, bei denen Stickstoff bei hohen Temperaturen in die Oberfläche diffundiert, um Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen.

Gilt 4140 als nitrierbarer Stahl?

Ja, 4140-Stahl ist ein sehr gebräuchlicher Nitrierstahl. Sein Chrom- und Molybdängehalt fördert die Bildung harter Nitridschichten und verbessert die Oberflächenhärte, die Verschleißfestigkeit und die Dauerfestigkeit.

Kann Stahl der Klasse 1018 nitriert werden?

Ja, 1018-Stahl kann nitriert werden. Es handelt sich jedoch um einen kohlenstoffarmen Stahl, der nicht die extreme Härte hochlegierter Stähle erreichen kann.

Wie nitriert man Stähle?

Zum Nitrieren von Stahl werden die legierten Stahlteile in einer stickstoffreichen Atmosphäre (z. B. Ammoniakgas oder Plasma) mehrere Stunden lang bei 500–600 °C erhitzt. Dadurch diffundiert Stickstoff in die Oberfläche und bildet extrem harte metallische Nitride. Diese Nitride erhöhen die Verschleißfestigkeit und verursachen nur minimalen Verzug.

Ist nitrierter Kohlenstoffstahl sicher?

Ja, in vielen Fällen ist es sicher. Für Geräte, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, ist es jedoch nicht die beste Wahl; lebensmittelechter Edelstahl ist hierfür besser geeignet.