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Probenvorbereitung

Für eine metallographische Untersuchung ist es oft notwendig nur einen kleinen Teil eines Werkstückes zu untersuchen. Man muss sich also schon vor der eigentlichen Präparation gedanken über das zu untersuchende Werkstück machen. Am besten mit 3 W´s

  • Wo soll untersucht werden?
  • Was soll untersucht werden?
  • Wie gehe ich bei der Präprartion vor?

Probenahme

Die Probenahme unterscheidet man in der Regel in gezielte oder systematische Probennahme. Zusätzlich muss man sich in klaren sein was ich brauche? Ein Querschliff, ein Längsschliff und/oder ein Flachschiff? Gerade bei gezogenen Materialien mit einem gestreckten Gefüge ist dies wichtig. Auch sollte die eine maximale Probengröße von 6 cm3 nicht überschritten werden.

Bei der gezielten Probenahme wird nur ein interessierender Bereich untersucht. Meist sind dies Fehlstellen im Material, Schweißnähte oder Schädigungen des Materials durch Belastungen während des Einsatzes. Es bietet sich daher bei dieser Untersuchungsmethode an, vor dem Trennen eine Übersichtsaufnahme des Bauteils anzufertigen und den Entnahmeort zu kennzeichnen.

Eine systematische Probenahme findet oft in der Qualitätssicherung oder Chargenüberprüfung statt. Es wird Anhand eines Stichprobenplans immer nach einem festgelegten Muster an den selben stellen eine Probestück entnommen.

Trennen

Dem Heraustrennen des Probestückes ist allergrößte Beachtung zu geben! Ein unsachgemäßes herauslösen der Probe führt oft zu einer weiteren Zerstörung oder sogar Werkstoffveränderung die zu Fehlinterpretationen des Gefüges führen kann. Daher gilt beim Trennen:

  • keine Hitzeentwicklung
  • kein Wärmeeintrag
  • keine chemischen Reaktionen
  • keine nachträgliche Verformung

Die am weitesten verbreiteten Geräte zum ordnungsgemäßen Trennen sind Nasstrennschleifen, Diamantdrahtsägen oder Wasserstrahlschneidemaschinen. Bei diesen Maschinen lassen sich die Trennparameter optimal über Kühlung, Vorschub-/ Schnittgeschwindigkeit und Abrasiva bzw. verschiedene Trennscheibentypen einstellen. Die entnommenen Probestücke sollten sofort und dauerhaft gekennzeichnet werden.

Einbetten

Zur Automatisierbarkeit oder zur besseren Handhabung bei kleinen Probestücken ist es von Vorteil diese auf eine von Maschinen handhabbare Größe einzubetten . Es gibt die Möglichkeit die Proben bei der Präparation in Schliffklammern zu halten bzw.  die Proben in Polymere oder niedrigschmelzende Metalllegierungen einzubetten.

Am weitesten verbreitet sind Kalt- oder Warmeinbetten auf Polymerbasis. Beim Kalteinbetten werden Mehrkomponenten-Kunstharze verwendet. Es sind oft Pulver die mit einem flüssigen Binder durch eine chemische Reaktion oder UV-Strahlung miteinander aushärten. Das Warmeinbetten findet im Vergleich zum Klateinbetten bei erhöhten Druck und Temperatur statt. Es gibt für die verschiedensten Materialien optimierte Einbettmittel – jedoch bei allen steht eins Vordergrund: optimale Härte des Polymers im Vergleich zur Probe, keine Spaltbildung zwischen Probe und Einbettmittel sowie eine gute Viskosität um eventuelle Poren oder Löcher zu füllen.

Herstellung einer Schlifffläche

Ablauf und Ziele der Schliffherstellung:

Grundsätzlich läuft eine Schliffherstellung über einebnen (Schleifen, Läppen, Mikrotomieren) und glätten (mechanisches, chemisches oder elektrolytisches Polieren) ab.

Das Ziel jeder Schliffherstellung ist eine wirklichkeitsgetreue und repräsentative Wiedergabe des Gefüges – das wahre Gefüge also. Dazu sollte die Probe nach der Präparation Ebenheit, Kratzerfreiheit und keine Ausbrüche, Risse oder Poren aufweisen. Auch ist eine ausreichende bis optimale Randschärfe sowie keinerlei Verschmierung, Verschmutzung und thermische Beeinflussung der Probe gefordert.

Der Weg zu einem solchen Gefüge führt über eine mehrstufige Präparation von grob zu fein mit angepasster Kühlung bzw. Schmierung und jeweils angepasster Abrasiva. Dabei gilt: Das Abrasiva muss Härte als die Probe sein!

  • Schleifabrasiva: Korund, SiC, CBN und Diamant
  • Polierabrasiva: Tonerde, Diamant, kollodiales SiO2

Auch gibt es auf dem Markt verschiedenste Unterlagen zum Polieren. Dies sind textile Träger mit Wirkstruktur und unterschiedlichsten Härten für unterschiedlichste Probenhärten.

  • hartes Tuch: geringes Relief, ausgeprägte Verformungszone, geringe Stoßelastizität
  • weiches Tuch: ausgeprägtes Relief, geringe Verformungszone, hohe Stoßelastizität

Für eine optimale Präparation sollte der Nennkorndurchmesser des Abrasiva von Schritt zu Schritt halbiert und immer zwischengereinigt werden um eine Verschleppung von Abrasiva zu vermeiden was zu bleibenden Kratzern führen kann. Die Schleif- und Polierzeit ist so lange zu wählen bis ein gleichmäßiges Kratzerbild auftritt. Es gilt aber immer eins: so kurz wie möglich (Vermeidung Relief) und so lang wie nötig (Kratzerentfernung).

Zur Herstellung einer Schlifffläche können verschiedene mechanische Verfahren eingesetzt werden:

Schleifen

Beim Schleifen ist das Korn auf einem Trägermaterial fixiert und verhält sich wie ein Schneidwerkzeug. Der Schnittwinkel des Schleifkorns ist für die Abhebung eines Spans gut.

Schnittwinkel Schleifen, © Patrick Schilg

Pflügen

Hierbei ist der Schnittwinkel so negativ, das in der Probenoberfläche nur eine Rille entsteht. Das Material wird also gequetscht und an den Flanken aufgehäuft. Die Abtragsgeschwindigkeit geht gegen Null.

Läppen

Zwischen Probe und Präparationsscheibe können Diamantkörner frei rollen. Durch das rollen gräbt sich das Korn in das Material ein und formt eine Höhlung. Die Abtragsgeschwindigkeit ist hier ebenfalls gering.

Bild: Läppen, © Patrick Schilg
Bild: Läppen, © Patrick Schilg

SiC-Papier

Beim SiC-Papier sind Siliciumkarbid-Körner in einer Matrix auf dem Papier befestigt. Die Schnittwinkel des einzelnen Korns sind immer unterschiedlich aber im gesamten optimal für einen hohen Abtrieb. Während des Schleifvorganges sind aber nur ca. 1-2% der Körner an der Spanabtragung beteiligt und ebenfalls 1-2% pflügen durch das Material.

Polieren

Durch das Polieren können die Verformungen des Schleifens entfernt werden um das reale, wahre Gefüge zum Vorschein zu bringen. Dabei unterscheidet man zwischen Vorpolieren und Endpolieren. Beim Vorpolieren wird Diamantsuspension verwendet und zum Feinpolieren verwendet man Poliermittel auf Al2O3-, SiO2– oder MgO-Basis.

Präparationsfehler

Bei der metallografischen Präparation können durch falsche Tuchwahl beim Polieren, eine falscher Präprationsdruck oder andere Einflussfaktoren verschiedenste Fehler auftreten:

  • Kometenschweife: Durch die gleiche Bewegungsrichtung von Probe und Polierscheibe bei der Präparation können an Einschlüssen und Poren Kometenschweife auftreten. Der Name kommt von ihrer charakteristischen Form tragen sie diesen Namen. Durch ändern der Polierdynamik können sie vermieden werden.
  • Kratzer: Sind Rillen in der Probenoberfläche die durch die Spitzen der Schleifkörner verursacht werden. Im Mirkoskop kan man die Kratzer sehr gut erkennen da die Reflexion des Lichts sie deutlich sichtbar macht.
  • Verformung: Ist ein unerwünschter Präparationsartefakt welcher erst nach dem Ätzen sichtbar wird. Die Probe ist noch plastisch verformt und ein „Schmieren“ ist zu erkennen.
  • Kantenabrundungen: Sind deutlich zu erkennen durch mangelnde Randschärfe.

Gefügebetrachtung und Schritte zur Darstellung eines Gefüges

Das Ziel einer Gefügebetrachtung ist die Darstellung eines Mikro- oder Makrogefüges das alle Phasen und Fehler wiedergibt, d.h. auch Form, Ausrichtung, Verteilung, Menge und den Gefügetyp. Dazu ist es nötig ein zerstörungsfreies Gefüge darzustellen.

Grundsätzliche Schritte zur Darstellung eines metallischen Gefüges:

  • Trennen (Handsäge, Bandsäge, Drahtsäge, …)
  • Schleifen und Polieren (SiC-Paier, Läppen, Polieren mit Diamantsuspension, elektrochemisches Polieren)
  • Kontrastierung (LiMi: Hell-, Dunekfeld, polarisiertes Licht, DIK, Phasenkontrast und/oder elektrochemisch durch Ätzen)

Ein zerstörungsfreies Gefüge kann z.B. durch eine abstufende Präparation von grob zu fein hergestellt werden. Es wird also zuerst grobes SiC-Papier verwendet, dann feineres und schließlich poliert mit feinen Diamantsuspensionen. Dadurch kann das zertrümmerte oder signifikant verformte Material nahezu komplett abgetragen werden.

Bild: Zertrümmerungsschicht, © Patrick Schilg
Bild: Zertrümmerungsschicht, © Patrick Schilg

Mit diesen Schritten ist es möglich an das wahre Gefüge des Materials heranzukommen. Nach Vilella und Samuels ist das wahre Gefüge wie folgt zu definieren:

  • keine Verformung
  • kein Einbringen von Fremdmaterial
  • keine Kratzer
  • kein Schmieren
  • keine Ausbrüche
  • kein Relief oder Kantenabrundung
  • kein falsches Gefüge (Artefakte)
  • keine thermischen Schäden

MAT – Durchflussmessung

Ziel der Laborübung ist eine Vertiefung der Kenntnisse über die Messverfahren einer Durchflussmessung. An einem Versuchsstand zur Luft-Volumenstrom-Messung stehen dabei die Norm-Blende, Venturi-Düse, Drehkolbenzähler, Wirbelfrequenz-Durchflussmesser und ein Ultraschall-Durchflussmesser zur Verfügung.
Neben der praktischen Arbeit mit den Messverfahren und den Berechnungsgleichung werden Fragen der Anwendungsmöglichkeiten, der normgerechten Einbaus, der Einsatzgrenzen, der zweckmäßigen Messwerterfassung und der Messunsicherheit behandelt.

Protokoll Durchflussmessung

Mögliche Antestat-Fragen:

  1. Welcher Erhaltungssatz gilt nicht bei der Venturidüse? Energie, Masse oder Impuls?
  2. Wie lang muss die freie Anlaufstrecke für die Normblende sein, damit der kleinste Fehler entsteht?
  3. Wenn beim Messen des Umgebungsdruck die Spannung mit 10 +/- 0,1V abgelesen wird, wie groß ist dann der daraus resultierende absolute Fehler für den Druck?
  4. Welcher Faktor dient bei der Vpunkt-Berechnung der Berücksichtigung der Lage der Druckmessstellen?
  5. Mit welchem der Messgeräte im Versuch kann man nicht den momentanen Volumenstrom ablesen?
  6. Bei welcher der Messgeräte im Versuch ist der Druckabfall über das Messgerät am größten?
  7. Wenn der Volumenstrom an einer Venturidüse oder Normblende stetig steigt, welchen Verlauf stellt der Druck über die Zeit dar?
  8. Welcher Name taucht auf, wenn man über Massenerhaltungssatz spricht?
  9. Rechenaufgabe: Der Messbereich eines Temperaturmessers ist 0..60°C, die Anzeige hat die elektrischen Daten von 4..20mA. Welche Temperatur herrscht bei der Anzeige vom 12 mA?
  10. Bei welchem Messverfahren ist die Expansionszahl von Bedeutung?
  11. Welcher Name taucht auf, wenn man über das Messprinzip des Wirbelzählers spricht?
  12. Durch welchen Vorteil zeichnet sich die Normblende aus?
  13. An welchem Messgerät tritt der kleinste bleibende Druckverlust auf?
  14. Welcher Name ist in Bezug auf die Norm-Blende zu nennen?
  15. Welchen Effekt nutzt man bei der Ultraschall-Durchflussmessung?

MAT – Temperaturmessung

Ziel der Laborübung ist die Vertiefung der Grundkenntnisse über in der Praxis weit verbreitete Temperaturmessverfahren. Dazu stehen acht Versuchstände für die Temperaturmessung mit Berührungsthermometern (Thermoelemente und Widerstandsthermometer)
einschließlich der Möglichkeit unterschiedlich konfigurierte Messketten zu überprüfen und das dynamische Verhalten zu testen. Anhand von Beispielen lernen sie die Quellen systematischer statischer und dynamischer Fehler und die Möglichkeiten zu deren rechnerischen Korrektur bzw. technischen Kompensation kennen.

Protokoll Temperaturmessung

Mögliche Antestat-Fragen:

  1. Welche Änderung der Temperaturanzeige ist bei einem TE zu erwarten, wenn man die Leitung zwischen Vergleichsstelle und Drehspulmesswerk verlängert?
  2. Was bedeutet die Bezeichnung Pt100?
  3. Es ist ein Messumformer (Fehlerklasse 0,6), Anzeige F1, Messbereich (300°) und Testmessung (250°) gegeben. Welche Toleranz hat dieser?
  4. Die Temp. von siedenden Wasser wurde mit 98°C gemessen, welcher Fehler ist anzugeben?
  5. Wie ist der Ni100 R(T)-Verlauf?
  6. Gegeben ist eine 3 Leiterschaltung und Widerstandsthermometer. Wird durch längeres Kabel das Messergebnis verändert?
  7. Auf welchen Messprinzip beruht ein Thermoelement?
  8. Was geschieht bei Verlängerung der Leitung bei einem Drehspulinstrument?
  9. Welchen Unterschied gibt es beim Sprung in einem Wasserbad bzw. Luft?
  10. Name einer Person, die mit Widerstandsthermometer in Verbindung gebracht werden kann?
  11. Wie ist die gemessene Temperatur (Platin-Thermometer) bei einer 2-Leiter-Schaltung?
  12. Wie ändert sich die Temperaturanzeige, wenn das Kabel zw. Messstelle und Umformer bei einer 2 Drahtleitung verlängert wird?
  13. Wie kann man eine Präzisionsmessung mit Thermoelement durchführen?
  14. Wie ist der gemessene Wert beim NTC-Widerstand bei einer 2-Leiter-Schaltung? (zu hoch oder zu niedrig?)
  15. Wie ändert sich der Platin-TE-Widerstand mit steigender Temperatur?
  16. Wenn Thermoelement in heißem Luftstrom statt in einem heißen Wasserstrom positioniert ist, was verändert sich am wenigsten?

MAT – Dehnungsmessung

Ziel der Übung ist es, praktische Erfahrungen zu erlangen wie man mit Hilfe eines Dehnmessstreifens (DMS) Verformungen messen kann. Dazu werden zusammengesetzte Belastungen an einfachen Bauteilen durch eine Vorrichtung realisiert. Durch Auswahl geeigneter Messstellen soll das Verständnis für den Zusammenhang zwischen mechanischer Spannung und Verformung vertieft werden.

Protokoll Dehnungsmessung

Mögliche Antestat-Fragen:

  1. Was kennzeichnet einen einachsigen Spannungszustand?
  2. Welche Ursache hat die Widerstandsänderung eines Dehnmessstreifens?
  3. Wo ist die Spannung = 0?
  4. In der Neutralen Faser

Wo findet sich das maximale Biegemoment, bei einem eingespannten Stab?
  5. Was wird bei Wheatst. Brücke addiert/subtrahiert?
  6. Wie groß ist der Winkel zwischen den Hauptnormalspannungen und den Hauptschubspannungen?
  7. Wie lautet der Übertragungsfaktor?
  8. 
Die Spannungen des ebenen Spannungszustandes lauten?
  9. Wie definiert man den ebenen Spannungszustand?
  10. Wie lautet die Formel für die Ausgangsspannung bei einer Wheatstoneschen Vollbrückenschaltung?
  11. Ein eingespannter Balken unter Zug- und Biegebelastung, je ein DMS oben und unten in geringem Abstand von der Einspannstelle: Welches Vorzeichen hat die oben bzw. unten gemessene Spannung für Zug bzw. Biegebelastung?
  12. Wieso ändert ein DMS unter Belastung seinen Widerstand?
  13. 
Bei der Verwendung von unbelasteten „Dummy“-DMS zur Kompensation des thermischen Einflusses: Wo müssen diese Dummies in der Wheatstoneschen Brücke geschaltet sein?
  14. Welche Gleichung gilt für Sigma I und Sigma II beim reinen Schubspannungszustand?

MAT – Messdynamik

In der Übung werden Kenntnisse über Fehler bei der Messwerterfassung und -verarbeitung erworben, wenn das Messsignal zeitlich veränderlich ist. Dabei werden Probleme bei der Digitalisierung von analogen Messsignalen behandelt.

Protokoll Messdynamik

Mögliche Antestat-Fragen:

  1. Definition Einschwingzeit
  2. Definition Frequenzgang /Übertragungsfunktion
  3. Definition Amplitudengang
  4. Wie ist der Übertragungsfaktor von einen ADU (Analog-Digital-Umsetzer)?
  5. ADU mit 10 Bit, wie viele Spannungswerte sind möglich?
  6. Definition obere Grenzfrequenz
  7. Wie viele Kennwerte sind zur eindeutigen Beschreibung einer periodischen Rechteckschwingung nötig?
  8. Begründer der Informationstheorie
  9. Was ist das BODE-Diagramm?
  10. Kleine Rechnung: Messbereich & Einheit von einem Eingangs- und einem Ausgangssignals gegeben und man soll Übertragungsfaktor (mit Einheit) ausrechnen.

und natürlich noch weitere! Viel Erfolg!

Carbonitrieren und Borieren

Carbonitrieren
Beim Carbonitrieren wird die Oberfläche gleichzeitig mit Stickstoff und Kohlenstoff angereichert. Durch das gleichzeitige Eindiffundieren von Kohlenstoff und Stickstoff werden die Umwandlungspunkte herabgesetzt und die kritische Abkühlgeschwindigkeit verringert (Härtbarkeit wird verbessert). Bei Temperaturen zwischen 700° und 900°C wird das Carbonitrieren durchgeführt.

Gascarbonitrieren
Beim Gascarbonitrieren wird ein endothermes Trägergas mit  Kohlenwasserstoff und Ammoniak zugesetzt und bei Temperaturen von 700° bis 900°C um das Werkstück geleitet.

Badcarbonitrieren
Das Badcarbonitrieren erfolgt in einem cyanhaltigen Salzbad. Durch das Bad wird der Kohlenstoff und Stickstoff gleichzeitig aufgenommen. Wenn man in speziellen Salzbädern mit einem geringen Cyanat- und einem hohem Cyanitgehalt carbonitriert, kann die Stickstoffanreicherung bei gleichzeitiger Aufkohlung erhöht werden.
Wird das Carbonitrieren bei Temperaturen von 800° bis 900°C durchführt, bildet sich nach dem Abschrecken eine martensitische Randzone. Wenn man jedoch bei Temperaturen von 700° bis 750°C nitriert hat sich nach dem Abkühlen eine harte verschleißfeste Verbindungsschicht mit einer martensitischen Randzone gebildet.
Das Carbonitrieren wird für Werkzeuge (Dorne, Gesenke, …) und Bauteile (Laufbuchsen, Getriebeteile, …) verwendet.

Borieren
Beim Borieren wird an der Oberfläche des Stahles eine Boridschicht (FeB, Fe2B) gebildet.
Das Borieren erfolgt in einer gasförmigen oder festen Atmosphäre oder in einem Salzbad bei Temperaturen von ca. 900° bis 1100°C. Dabei werden Schichtdicken von bis zu 200µm. Es sollte immer härtbarer Stahl verwendet werden, da dieser eine genügend große Stützwirkung für die Boridschicht aufweist. Nach dem Borieren kann man auch noch andere Wärmebehandlungen durchführen, da die Boridschicht sich nicht zersetzt. Der Verschleißwiderstand wird durch die hohe Härte (1700 bis 1900HV) erheblich erhöht.

Einsatzhärten

Das Einsatzhärten setzt sich zusammen aus Aufkohlen und Härten von Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,25%. Das Aufkohlen geschieht in verschiedenen Medien bei Temperaturen zwischen 850°C und 950°C. Die einzelnen Verfahren werden im Folgenden Text beschreiben.

Pulveraufkohlung
Bei der Pulveraufkohlung werden anorganische (Koks) und organische Stoffe (Holz, Knochen,…) unter einem Zusatz von Aktivatoren verwendet. Die Anreicherung des Kohlensstoffs erfolgt durch eine chem. Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoff. Die Aktivatoren begünstigen diese Reaktion.

Gasaufkohlung
Wie das Gasaufkohlen schon sagt, werden speziell aufbereitete Gase (Erdgas, Ferngas,…) oder inertes Gas (Stickstoff) verwendet. Diesem Gas werden geringe Mengen von Alkane, meist Propan, hinzugefügt.
Eine ähnliche Methode wird mehr und mehr in Härterein eingeführt. Bei dieser werden Gemische aus höheren org. Verbindungen (Terpentin, Ethylalkohol, …) in heiße Retortenofen eingeführt und durch Ni-Katalysatoren zerlegt.

Salzbadaufkohlung
Beim Salzbadaufkohlen unterscheidet man in 2 Methoden: Aufkohlen in Cyanidbädern und Aufkohlen in cyanidfreien Bädern.
Da in dem Salzbad auch Stickstoff enthalten ist, kann eine Stickstoffaufnahme stattfinden. Diese kann sich ungünstig auf die weitere Spannende Verarbeitung des Werkstückes auswirken.
Des Weiteren sind Cyanidbäder gefährlich für die Umwelt und den Menschen. Man sollte die vorgeschriebenen Maßnahmen einhalten. Aus diesem sollte man cyanidfreie Salzbäder verwenden. Dieses Verfahren wird heute kaum noch verwendet da es eine hohe Belastung für die Umwelt darstellt.

Vor- und Nachteile der Verfahren
Die Pulveraufkohlung ist besonders für große Aufkohlungstiefen und Einzel-anfertigungen geeignet. Nachteilig ist aber der große manuelle Aufwand und das man die Aufkohlungsbedingungen schlecht beeinflussen kann.
Wenn man Serien- oder Massenfertigung betreibt, sollte man die Gasaufkohlung verwenden, weil sich die Aufkohlungsbedingungen gut variieren lassen. Nachteilig ist nur der hohe Anschaffungspreis zu sehen.
Die Salzbadaufkohlung verwendet man für kleine Aufkohlungstiefen, da schon bei einer geringen Tauchdauer eine ausreichend große Aufkohlung erfolgt. Würde man zu lange im Salzbad Aufkohlen, dann wird das Werkstück angegriffen

Die Stähle haben jetzt einen unterschiedlichen Kohlenstoffgehalt. Wenn man aber den Stahl Härten möchte, geht man nach dem Kohlenstoffgehalt. Man muss sich entscheiden zwischen Randhärtetemperatur (C-Gehalt Rand) und der Kernhärtetemperatur (C-Gehalt Stahl). Wegen dieser Problematik wurden verschiedene Härteverfahren entwickelt.

Direkthärten
Gilt als wirtschaftlichste Form und wird immer mehr verwendet. Beim Direkthärten wird sofort nach der Aufkohlung von der Aufkohlungstemperatur abgeschreckt. Dabei kann es jedoch passieren, dass durch die höhere Aufkohlungstemperatur ein grobes Korn entsteht. Ein überhitzt gehärteter Rand würde entstehen. Man sollte dass Direkthärten nur mit Feinkorneinsatzstählen durchführen.

Einfachhärten nach isothermischer Umwandlung
Bei diesem Verfahren wird das Werkstück nach dem Aufkohlen in einem Metall- oder Salzbad auf eine Temperatur der unteren Perlitstufe abgekühlt, gehalten, auf Härtetemperatur des Randes erwärmt und danach abgeschreckt. Durch die dabei durchlaufene isothermische Rückumwandlung entsteht im Kern ein feines Ferrit-Perlit-Gefüge und am Rand eine richtig gehärtete Oberflächenschicht.

Kernhärten
Beim Kernhärten wird das Werkstück nach dem Aufkohlen auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend wieder auf die Härtetemperatur erwärmt und abgeschreckt. Das Gefüge des Werkstück wird dadurch im Kern sehr fein und der Rand ist überhitzt gehärtet.

Randhärten
Hierbei wird das Werkstück ebenfalls nach dem Aufkohlen abgekühlt und anschließend auf eine Temperatur dicht oberhalb 723°C erwärmt und abgeschreckt.

Nitrieren

Das Nitrieren ist eine Wärmebehandlung in einem stickstoffabgebenden Medium. Hierbei diffundiert atomarer oder ionisierter Stickstoff bei Temperaturen von 500° bis 600°C in die Werkstückoberfläche ein. Die Nitriertiefe ist von der Temperatur, der Haltedauer, dem Nitriermittel und der chem. Zusammensetzung des Stahles abhängig. Sie ist aber in der Regel unter einem 1mm tief und hat nicht mehr als 0,4% Stickstoff gelöst. Man unterscheidet beim Nitrieren zwischen Gas- und Badnitrieren.
Für die Nitridbildung sind im Wesentlichen die Legierungsbestandteile Aluminium, Chrom, Molybdän, Vanadin und Titan von Bedeutung. Der Wirksamste von diesen Nitridbildnern ist Aluminium.

Gasnitrieren
Beim Gasnitrieren wird Ammoniak verwendet. Das Ammoniak [NH3] dissoziiert thermisch zu Stickstoff und Wasserstoff. Beim Gasnitrieren begrenzt man denn Temperaturbereich von 500° bis 520°C, da sonst bei höheren Temperaturen die Härte der Nitrierschicht wieder abnimmt.
Das Nitrieren verwendet man z.B. für Zahnräder, Kolbenbolzen, Kurbelwellen usw. Es können Oberflächenhärten bis zu 1100HV erreicht werden.

Abhängigkeit der Nitriertiefe von der Nitrierdauer, Bild: © Patrick Schilg

Badnitrieren
Beim Badnitrieren werden cyanhaltige Salzbäder als Nitriermittel verwendet. Anders wie als beim Gasnitrieren können auch unlegierte und legierte Baustähle, Werkzeugstähle und Gusseisen nitriert werden. Das Badnitrieren hat zur Folge, dass eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes stattfindet. Bei Temperaturen von 550° bis 570°C läuft dieser Vorgang ab, wobei aber keine großen Nitriertiefen angestrebt werden. Die Verbindungsschicht  (Nitridschicht) beträgt 10 bis 15µm und hat einen nichtmetallischen Charakter. Badnitrieren verwendet man für Werkzeuge, Bauteile aus Guss, Zahnräder usw.

Plasmanitrieren
Von den verschiedenen Nitrierverfahren stellt das Plasmanitrieren das modernste dar. Hierbei wird das Prozessgas, Stickstoff und Wasserstoff, durch das Anlegen einer Gleichspannung ionisiert. Die Bauteile dienen dabei als Kathode (neg. geschalten) und die Behälterwand als Anode (pos. geschalten).
Der dadurch sehr stark reaktionsfreudige atomare Stickstoff reagiert mit der Werkstückoberfläche und diffundiert anschließend in das Material hinein. Ein überhitzen der Bauteile ist bei diesem Verfahren somit ausgeschlossen.

Die Vorteile dieses Verfahrens gegenüber anderen Nitrierverfahren:

  • Partielles Nitrieren mit geringen Aufwand
  • Nitrieren von Sintermetallen, Titan und Molybdän ist möglich
  • Geringere Prozesstemperaturen, dadurch geringere Verzugsprobleme
  • Rost-, säurebeständige und sonstige X-Stähle sind Nitrierbar

Weitere Nitrierverfahren

  • Nitrieren mit Glimmentladung
  • Gasnitrieren mit Ultraschall
  • Pastennitrieren

Typische Nitrierstähle
Bei Nitrierstählen kommt es besonders auf die hohe Verschleißfestigkeit an. Nitrierstähle- und Nitrierschichten können bis 500°C verwendet werden und sie weisen eine gewisse Korrosionsbeständigkeit auf.
Beim Nitrieren legiert man den Nitrierstählen starke Nitridbildner, weil sie eine hohe Oberflächenhärte erzeugen.

  • 35CrAl6
  • 32CrAlMo4
  • 30CrMoV9