Nitrox-Verfahren
Englisch: nitrox
Industrielles Verfahren zur Oberflächenhärtung von Metallteilen durch Nitrocarburieren (Diffusion von Kohlenstoff und Stickstoff ins Metall) gefolgt von Oxidation.
Nitrox: Oberflächenhärtung von Stahl mit Stickstoff und Kohlenstoff
Nitrox ist ein zweistufiges Oberflächenhärtungsverfahren, das Nitrocarburieren mit kontrollierter Oxidation kombiniert, um eine verschleißfeste Schicht auf Stahlbauteilen zu erzeugen. Im ersten Schritt wird das Werkstück in einem Ofen in einer ammoniakreich und kohlenwasserstoffhaltig gefüllten Atmosphäre zwischen 500 und 650 Grad Celsius erhitzt. Stickstoff- und Kohlenstoffatome diffundieren in die Stahloberfläche ein und erzeugen eine gehärtete Schicht, die normalerweise 0,2 bis 0,8 Millimeter tief ist. Der zweite Schritt ist eine kurze Oxidationsstufe, die eine dünne Eisenoxidschicht bildet, welche die Korrosionsbeständigkeit verbessert und dem Bauteil ein charakteristisches dunkles Aussehen verleiht.
Das Verfahren wird häufig für Zahnräder, Wälzlager, Nockenfolger und andere Bauteile eingesetzt, die sowohl Verschleiß als auch Kontaktermüdung widerstehen müssen. Nitrox bietet deutliche Vorteile gegenüber klassischen Oberflächenhärtungsverfahren wie dem Einsatzhärten: Es arbeitet bei niedrigeren Temperaturen, wodurch Verformungen und nachfolgende Wärmewechselzyklen reduziert werden, und es benötigt kürzere Prozesszeiten, typischerweise 4 bis 16 Stunden je nach gewünschter Schichttiefe. Die niedrigere Prozesstemperatur führt auch dazu, dass gehärtete Stahlbauteile mit weniger Maßänderungen entstehen, was für präzisionsgefertigte Teile entscheidend ist.
Die Nitroxschicht besteht aus zwei Zonen: einer äußeren Verbindungsschicht aus Eisennitrid und Eisenoxid, typischerweise 10 bis 20 Mikrometer dick, und einer tieferen Diffusionszone, in der die Härte allmählich in das Grundmaterial übergeht. Die Oberflächenhärte nach Nitrox erreicht im Allgemeinen 850 bis 1100 HV, je nach Stahlsorte und Prozessparametern. Legierte Stähle mit Chrom, Molybdän und Vanadium sprechen besonders gut an, weil diese Elemente harte Nitridphasen in der Schicht bilden.
Häufige Probleme und Prozessregelung
Das Hauptrisiko bei der Nitroxbearbeitung ist Sprödigkeit. Übermäßige Stickstoffaufnahme kann eine dicke, spröde Verbindungsschicht erzeugen, die unter Schlag versagt. Die Kontrolle der Prozessatmosphäre ist daher kritisch: Die Verhältnisse von Ammoniak und endothermem Gas müssen überwacht werden, um Übernitrierung zu vermeiden. Die Temperaturgleichförmigkeit im Ofen ist ebenfalls wichtig; Hot Spots beschleunigen die Diffusion ungleichmäßig und können zu Verformungen oder weichen Stellen führen. Einige Stähle, besonders hochkohlenstoffhaltige Sorten, zeigen nach Nitrox reduzierte Zähigkeit und können eine sorgfältige Auswahl oder nachfolgendes Anlassen erfordern.
Der Name Nitrox spiegelt die duale Rolle von Stickstoff und Sauerstoff im Prozess wider. Der Begriff wurde in der europäischen Metallurgie in der Mitte des 20. Jahrhunderts etabliert, obwohl die zugrundeliegende Chemie früher verstanden wurde. Heute bleibt es das bevorzugte Verfahren in der Automobil- und Präzisionsfertigung, besonders dort, wo Bauteile sowohl Härte- als auch Maßtoleranzen erfüllen müssen und wo die geringere Verformung im Vergleich zu klassischen Oberflächenhärtungsverfahren die etwas höheren Materialkosten rechtfertigt.