Thermische und chemische Behandlung von Metallen
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Moderne technische Konstruktionen erfordern Werkstoffe mit hoher Oberflächenfestigkeit, hoher Abriebfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Chemikalienbeständigkeit. Gleichzeitig ist es wichtig, dass sie die Duktilität und Zähigkeit des Kerns erhalten. Diese wünschenswerte Kombination von Eigenschaften kann durch thermische und chemische Behandlung erreicht werden, wobei die genauen Bedingungen jeweils im Voraus festgelegt werden müssen.
Die thermische und chemische Behandlung ist eine Reihe von technologischen Verfahren, bei denen die Oberflächenschicht von Metallelementen mit aktiven chemischen Elementen (wie Kohlenstoff, Stickstoff, Bor, Chrom) gesättigt und gleichzeitig Wärme zugeführt wird. Infolge dieser Behandlungen treten strukturelle und chemische Veränderungen in der Oberflächenschicht des Metalls auf, die dessen Eigenschaften grundlegend verändern.
Eine gut durchgeführte thermische und chemische Behandlung führt zu einer harten, verschleißfesten Oberflächenschicht bei gleichzeitiger Erhaltung eines duktilen und formbaren Kerns. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer von Maschinenteilen und Werkzeugen erheblich.
Je nach verwendetem Element und Verfahren gibt es verschiedene Arten der thermochemischen Behandlung, von denen die gängigsten Aufkohlen, Nitrieren und Karbonitrieren (auch als Cyanidieren bekannt) sind, sowie speziellere Verfahren wie Verchromen, Aluminiumbeschichten und Boridieren.
In den folgenden Abschnitten dieses Artikels werden wir die Mechanismen dieser Verfahren, ihre praktischen Anwendungen und ihren Einfluss auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften der Oberflächenschicht von Metallen näher betrachten.
Wirkungsweise – Diffusion von Elementen
Die Grundlage aller thermischen und chemischen Behandlungsverfahren ist das Phänomen der Diffusion, d. h. die spontane Bewegung von Atomen aus einem Bereich höherer Konzentration in einen Bereich niedrigerer Konzentration. In diesem Fall handelt es sich um die Diffusion eines aktiven chemischen Elements, zum Beispiel Kohlenstoff oder Stickstoff, in das Metall, meistens Eisen. Der Prozess der Sättigung der Metalloberfläche besteht aus drei Phasen:
- Adsorption aktiver Atome – Atome des sättigenden Elements lagern sich an der Metalloberfläche ab und bilden eine sogenannte Übergangsschicht.
- Oberflächendiffusion – Atome bewegen sich über die Oberfläche und suchen nach geeigneten Stellen, um in die Kristallstruktur „einzutreten”.
- Interne (volumetrische) Diffusion – Bei einer ausreichend hohen Temperatur diffundieren die Atome in das Metall und lagern sich in den freien Räumen des Kristallgitters (meist zwischen den Knotenpunkten, in den sogenannten Gitterlücken) ab.
Die Temperatur ist dabei von entscheidender Bedeutung: Bei höheren Temperaturen erfolgt die Diffusion schneller, die Sättigungstiefe der Schicht ist größer und es besteht eine höhere Gefahr von Kornwachstum und Veränderungen im Materialkern.
Je nach Art des Elements gehen die diffundierenden Atome mit Eisenatomen in Wechselwirkung und bilden verschiedene feste Lösungen oder chemische Verbindungen (z. B. Nitride, Carbide, Boride). Ihre Anwesenheit ist verantwortlich für die erhöhte Härte der Oberflächenschicht, die erhöhte Abrieb- und Ermüdungsbeständigkeit sowie die verbesserte Korrosions- und Wärmebeständigkeit.
Der Diffusionsprozess verläuft entsprechend dem Konzentrationsgefälle. Das bedeutet, dass die Konzentration des Elements, das die Sättigung bewirkt, mit zunehmender Tiefe abnimmt. Dadurch entsteht eine charakteristische Schichtstruktur: eine gesättigte Zone (Oberfläche) – sehr hart, eine Übergangszone – mit allmählich wechselnden Eigenschaften und ein Kern – dessen ursprüngliche Eigenschaften vom Metall beibehalten werden.
Dieser langsame, strukturelle und chemische Wandel ist der Grund, warum Wärmebehandlung besser ist als andere Oberflächentechnologien wie Beschichten oder Spritzen.
Aufkohlen
Aufkohlen ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem die Oberfläche eines Stahlbauteils mit Kohlenstoff gesättigt wird, um dessen Härte, Verschleißfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit zu erhöhen. Es wird insbesondere für kohlenstoffarme Stähle verwendet, die sich allein nicht zum Härten eignen. Nach dem Aufkohlen erhalten sie jedoch eine harte Oberfläche unter Beibehaltung der Duktilität des Kerns.
Funktionsprinzip
Beim Aufkohlen wird Stahl auf die Austenitisierungstemperatur (ca. 880–950 °C) erhitzt und für eine bestimmte Zeit (von einigen bis zu mehreren Dutzend Stunden) in einer mit aktivem Kohlenstoff angereicherten Atmosphäre gehalten. Je nach erforderlicher Schichttiefe variiert die Dauer.
Während dieser Zeit adsorbieren Kohlenstoffatome an der Oberfläche und diffundieren dann in den Stahl, wo sie die Zwischenräume des Austenit-Kristallgitters besetzen. Nach der Sättigung werden die Bauteile gehärtet und angelassen. Dadurch wird eine hohe Schichthärte (oft über 60 HRC) bei gleichzeitig duktilem Kern erreicht.
Arten der Aufkohlung
Pulveraufkohlung
- Traditionell in einem Bett aus Holzkohle und Aktivatoren (z. B. BaCO₃) verwendet
- Nicht sehr präzise, schwer zu kontrollieren
- Derzeit weniger verbreitet, hauptsächlich in der Kleinserienfertigung von Werkzeugen und antiken Teilen
Gasaufkohlen
- Am häufigsten in der Industrie verwendet
- Wird in einer Atmosphäre aus Aufkohlungsgasen (z. B. CO, CH₄) in gasdichten Öfen durchgeführt
- Ermöglicht eine präzise Steuerung von Temperatur, Zeit und Zusammensetzung der Atmosphäre
- Ermöglicht das Erreichen einer gleichmäßigen Aufkohlungszone mit einer Tiefe von bis zu mehreren mm
Vakuumaufkohlung (Niederdruckaufkohlung)
- Ein modernes Verfahren, bei dem Kohlenstoffgas unter Vakuumbedingungen zyklisch zugeführt wird
- Ermöglicht eine hohe Reinheit der Schicht ohne Oxidation und Verformung
- Besonders empfohlen für präzise mechanische Teile (z. B. Zahnräder, Lager).
Aufbau und Eigenschaften der Aufkohlungszone
Nach dem Härten bildet sich in der Oberflächenschicht eine Struktur aus kohlenstoffgesättigtem Martensit, die mit zunehmender Eindringtiefe in Bainit, Ferrit oder Perlit übergeht. Die Aufkohlungszone erreicht eine Härte von über 62 HRC, zeichnet sich durch hohe Verschleiß- und Kontaktfestigkeit aus, weist jedoch eine geringe Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Korrosion auf (was ihre Anwendungsmöglichkeiten einschränkt).
Nitrieren
Nitrieren ist ein Verfahren, bei dem eine Metalloberfläche mit Stickstoff gesättigt wird, wodurch Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit ohne Härtung erhöht werden. Im Gegensatz zum Aufkohlen wird das Nitrieren in der Regel bei niedrigeren Temperaturen (in der Regel 500–580 °C) durchgeführt. Dadurch wird das Risiko von Verformungen minimiert und die Maßgenauigkeit sowie die Kernstruktur des Werkstücks bleiben erhalten.
Während des Nitrierens adsorbieren Stickstoffatome an der Oberfläche des Stahls, diffundieren in die Kristallstruktur und gehen Bindungen mit Legierungsmetallen (wie Al, Cr, Mo, V) ein, wodurch intermetallische Nitride (z. B. AlN, CrN, VN) entstehen. Diese Verbindungen sind für die hohe Härte und Oberflächenbeständigkeit verantwortlich.
Arten der Nitrierung
Gasnitrierung
- Wird in einer Ammoniak (NH₃)-Atmosphäre durchgeführt, die sich in aktiven Stickstoff und Wasserstoff zersetzt
- Beliebt, kostengünstig und bewährt
- Prozessdaue 10 bis 100 Stunden
- Schichtdicke bis zu 0,5 mm, Härte bis zu 1100 HV
Ionennitrierung (Plasma)
- Wird unter Niederdruckbedingungen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes durchgeführt
- Die Metalloberfläche wirkt als Kathode, Stickstoffmoleküle werden angezogen und in das Material „getrieben“
- Ermöglicht eine präzise Steuerung der Schichttiefe und des Schichtprofils
- Das Verfahren ist sauber, schnell, energieeffizient und ideal für Präzisionsteile
Salzbadnitrieren
- Weniger gebräuchlich, bei diesem Verfahren werden die Teile in eine Lösung aus Cyaniden und Nitraten getaucht
- Die Bedingungen sind schwieriger zu kontrollieren, aber die Schicht kann korrosionsbeständiger sein
Die Wirksamkeit der Nitrierung hängt vom Gehalt an stickstoffbildenden Elementen (z. B. Al, Cr, Mo, V) sowie von der Mikrostruktur und der vorherigen Wärmebehandlung ab. Der Stahl sollte vorab wärmebehandelt und die Oberfläche gründlich gereinigt (frei von Zunder, Fett und Rost) werden.
Eine typische Schicht besteht aus zwei Zonen: einer gebundenen Schicht, die sehr hart, dünn (10–20 μm) und hauptsächlich aus Nitriden besteht, und einer Diffusionsstützschicht, die dicker (bis zu 0,5 mm) ist und für die Lastübertragung zuständig ist.
Zu den charakteristischen Merkmalen gehören eine Härte von 900–1200 HV, eine ausgezeichnete Abrieb- und Ermüdungsbeständigkeit, eine hohe Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei Verwendung von rostfreien Stählen, und die Entfall der Nachhärtung nach dem Prozess, was Verformungen und Kosten reduziert.
Carbonitrieren (Cyanieren)
Das Carbonitrieren, auch als Cyanieren bekannt, ist ein thermochemischer Behandlungsprozess, bei dem die Metalloberfläche gleichzeitig mit Kohlenstoff und Stickstoff gesättigt wird. Das Ziel der Behandlung ist eine harte, dünne Oberflächenschicht, die eine hohe Verschleiß-, Abrieb- und Ermüdungsbeständigkeit aufweist und im Vergleich zur klassischen Aufkohlung eine kürzere Behandlungszeit erfordert.
Im Vergleich zum Aufkohlen ist die Temperatur beim Prozess niedriger. Sie liegt meistens zwischen 700 und 900 °C. Die Zeit, in der der Prozess läuft, ist kürzer. Die Schicht, die dabei entsteht, ist dünner. Aber sie ist härter, weil Nitriden drin sind.
Bei der Carbonitrierung wird Stahl auf die geeignete Temperatur erhitzt und in einer Umgebung gehalten, die sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff enthält, beispielsweise in Form von Gasen (CH₄ + NH₃) oder Salzbädern (Cyanate, Cyanide).
Während dieses Prozesses adsorbieren Kohlenstoff- und Stickstoffatome an der Oberfläche und diffundieren dann in das Material, wo sie eine gemischte Diffusionsschicht bilden, die Karbide und Nitride von Eisen und Legierungselementen enthält.
Nach dem Carbonitrieren erreicht die Härte 850–1000 HV, die Schicht weist eine hohe Abriebfestigkeit und eine gute Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion auf (besser als nach einer alleinigen Aufkohlung). Die Schicht wird in der Regel mit einer Dicke von 0,2–0,5 mm beschrieben und es kommt zu sehr geringen Verformungen; oft wird keine weitere Wärmebehandlung für erforderlich gehalten. Die Carbonitrierung wird für Zahnräder, Wellen, Buchsen, Schrauben und Bauteile verwendet, die eine hohe Oberflächenbeständigkeit und Maßgenauigkeit erfordern. Diese Eigenschaften sind dafür verantwortlich, dass die Carbonitrierung für diese Zwecke so beliebt ist.
Arten der Carbonitrierung
Gas-Carbonitrierung
- Wird in einer Atmosphäre aus einem Gemisch aus sättigenden Gasen (z. B. Ammoniak und Kohlenwasserstoffgasen) durchgeführt
- Am häufigsten in der Industrie verwendet
- Ermöglicht die Kontrolle der Prozessparameter und erzeugt eine harte Schicht mit einer Dicke von 0,1–0,5 mm
Bad-Carbonitrieren (Cyanidieren)
- Wird in Cyanidsalzlösungen (NaCN, KCN) durchgeführt
- Sehr schneller Prozess, aber umweltschädlich (Cyanidtoxizität)
- Derzeit wird dieses Verfahren immer seltener angewendet und häufig durch ungiftige Cyanidierung (z. B. unter Verwendung von Cyanaten) ersetzt
Ionen-Carbonitrieren
- Ein modernes Verfahren, das unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird
- Ermöglicht eine präzise Formgebung der Diffusionsschicht
- Wird bei der Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien und hohen Präzisionsanforderungen eingesetzt
Andere Arten der Diffusionsimprägnierung
Neben dem Aufkohlen, Nitrieren und Carbonitrieren gibt es mehrere andere thermochemische Behandlungsverfahren, bei denen die Metalloberfläche mit verschiedenen Elementen imprägniert wird, um spezielle Eigenschaften wie Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, Korrosion, Erosion oder Oxidation zu erzielen.
Mithilfe dieser Verfahren kann die Oberflächenschicht an sehr spezifische Betriebsbedingungen angepasst werden, für die Standardverfahren (wie das Härten) nicht ausreichen. Die Lebensdauer und Zuverlässigkeit wichtiger Komponenten in Anlagen, die unter extremen Bedingungen betrieben werden, wird durch ihre Anwendung häufig erhöht. Die wichtigsten dieser Verfahren werden im Folgenden vorgestellt:
Diffusionsverchromung
Dabei wird die Metalloberfläche bei hohen Temperaturen (900–1100 °C) mit Chrom gesättigt. Dies erfolgt in einer Gasatmosphäre (z. B. Chromchloriden) oder in Pulverbädern.
Durch die Diffusionsverchromung entsteht eine Schicht aus Eisenchromid, die sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet:
- sehr gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit
- Härte und Abriebfestigkeit
- Beständigkeit gegen Gase und aggressive Chemikalien
Verwendung in der chemischen, petrochemischen und Energieindustrie (z. B. Kesselrohre, Ventile, Reaktorbauteile).
Aluminierung (Aluminierung)
Ein Verfahren zur Sättigung einer Oberfläche mit Aluminium, in der Regel bei einer Temperatur von 800–1050 °C. Es führt zur Bildung von FeAl- oder Fe₃Al-Intermetallverbindungen. Zu den wichtigsten Vorteilen zählen
- hohe Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen
- Schutz vor Gaserosion und metallurgischen Schlacken
- verbesserte Korrosionsbeständigkeit unter dem Einfluss von Schwefel und Chloriden
Verwendung in Turbinen, Wärmetauschern, Kesseln und Strahltriebwerken.
Borieren (Borierung)
Borieren ist eine Oberflächenbehandlung, bei der Bor in die Metallstruktur diffundiert. Durch das Borieren entstehen harte Boride wie FeB, Fe₂B mit einer Schichthärte von bis zu 1800–2000 HV. Boridieren zeichnet sich aus durch:
- ausgezeichnete Abriebfestigkeit
- Beständigkeit gegen Säuren, Laugen und Salzlaken
- Sprödigkeit, die den Einsatz in dynamischen Bauteilen einschränkt
Verwendung für: Schneidwerkzeuge, Formen, Gesenke und Reibungselemente.
Silizidieren
Beim Silizidieren wird die Oberfläche bei einer Temperatur von ca. 1000 °C mit Silizium gesättigt. Dadurch entstehen Eisensilizide, die eine Beständigkeit gegen Oxidation und Hochtemperaturkorrosion sowie eine erhöhte Härte und Ermüdungsfestigkeit verleihen. Verwendung in der Metallurgie, in Bauteilen, die hohen Temperaturen und dem Kontakt mit Schlacke ausgesetzt sind.
Thermische und chemische Behandlung von Metallen – Zusammenfassung
Die thermische und chemische Behandlung gehört zu den wichtigsten Werkzeugen der Werkstofftechnik und ermöglicht die gezielte Veränderung der Oberflächeneigenschaften von Metallen, ohne deren innere Struktur zu beeinflussen. Dank Verfahren wie Aufkohlen, Nitrieren, Carbonitrieren und Verchromen lassen sich eine hohe Oberflächenhärte, Duktilität und Kernfestigkeit kombinieren.
Diese Behandlungen erhöhen die Verschleiß-, Korrosions-, Ermüdungs- und Temperaturbeständigkeit. Das hat eine längere Lebensdauer von Maschinen- und Anlagenkomponenten zur Folge. Ingenieure können die Konstruktionen für die tatsächlichen Betriebsbedingungen optimieren, indem sie geschickt den Verfahrenstyp, die thermischen Parameter und das Ausgangsmaterial auswählen.
In der modernen Industrie sind präzise Verfahren zur Oberflächenmodifizierung unerlässlich. Die thermochemische Behandlung ist deshalb nicht nur ein wichtiges wissenschaftliches Thema, sondern auch ein praktisches Werkzeug, um die Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit technischer Strukturen zu steigern.
