Die Nitrierschicht ist eine durch das thermochemische Nitrierverfahren erzeugte Randschicht auf der Oberfläche metallischer Werkstoffe, insbesondere von Stählen. Sie zeichnet sich durch eine erhöhte Härte, Verschleißbeständigkeit und Korrosionsresistenz aus und wird durch die Einlagerung von Stickstoffatomen in das Grundmaterial gebildet.

Bildung der Nitrierschicht

Die Nitrierschicht entsteht, wenn der Werkstoff bei Temperaturen zwischen 500–580 °C in einem stickstoffabgebenden Medium wie Ammoniakgas (Gasnitrieren), ionisiertem Stickstoff (Plasmanitrieren) oder Salzbädern (Salzbadnitrieren) behandelt wird. Der Stickstoff diffundiert in das Metall, wobei zwei Hauptbereiche entstehen:

Verbindungsschicht:

• Diese äußere Zone besteht aus chemisch gebundenen Nitriden wie Eisen(II)-Nitrit und Eisen (III)-Nitrit.
• Sie ist sehr hart und spröde und verleiht der Oberfläche eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Diffusionszone:

• Darunter liegt eine Zone, in der Stickstoff atomares Gitterverzerrungen bewirkt, ohne Nitride zu bilden.
• Diese Zone erhöht die Härte und Festigkeit des Materials durch die Bildung von Verspannungen im Metallgitter (interstitielle Stickstofflösung).

Eigenschaften der Nitrierschicht

• Härte: Die Nitrierschicht erreicht Härten von bis zu1200 HV (Härte nach Vickers), abhängig von Werkstoff und Nitrierbedingungen.
• Verschleißbeständigkeit: Durch die Bildung harter Nitridphasen wird die Widerstandsfähigkeit gegenüber Abrasion und Reibung deutlich verbessert.
• Korrosionsbeständigkeit: Die Verbindungsschicht schützt das Grundmaterial vor chemischen und elektrochemischen Angriffen.
• Geringe Schichtdicke: Typischerweise liegt die Dicke zwischen0,1–0,6 mm, wobei die Diffusionszone tiefer reichen kann.

Einflussfaktoren auf die Schichtbildung

• Werkstoffzusammensetzung: Legierungselemente wie Chrom, Aluminium, Molybdän und Vanadium fördern die Bildung stabiler Nitride.
• Nitrierverfahren: Gasnitrieren eignet sich für große Bauteile; Plasmanitrieren ermöglicht eine präzise Steuerung und verringerte Umweltbelastung.
• Temperatur und Dauer: Höhere Temperaturen und längere Nitrierzeiten führen zu dickeren und härteren Schichten.

Anwendungen Die Nitrierschicht wird in vielen Bereichen eingesetzt, in denen hohe Oberflächenbelastungen auftreten, darunter:

• Maschinenbau: Zahnräder, Kurbelwellen, Ventilsitze.
• Automobilindustrie: Kolbenbolzen, Einspritzdüsen.
• Werkzeugbau: Matrizen, Schneidwerkzeuge.

Vorteile:

• Hohe Verschleißfestigkeit.
• Keine Notwendigkeit für Abschrecken, wodurch Verzug minimiert wird.
• Gute Korrosionsbeständigkeit.

Herausforderungen:

• Nicht alle Werkstoffe sind für das Nitrieren geeignet (z. B. kohlenstoffarme Stähle ohne Nitridbildner).
• Die Sprödigkeit der Verbindungsschicht kann in dynamisch beanspruchten Anwendungen problematisch sein.

Die Nitrierschicht ist ein wichtiger Bestandteil moderner Oberflächenmodifikation und bietet eine kosteneffiziente Möglichkeit, die Lebensdauer und Leistung von Bauteilen zu erhöhen.