Gasnitrocarburieren (SINOX/SINIT)

Das Gasnitrocarburieren ist ein diffusionsbasierter thermochemischer Prozess, bei dem Stahlbauteile in einer kontrollierten gasförmigen Atmosphäre behandelt werden. Ziel ist es, Stickstoff und Kohlenstoff gezielt in die Randschicht einzubringen, um die Oberflächeneigenschaften an definierte funktionale Anforderungen anzupassen. Der Prozess findet unterhalb der Umwandlungstemperatur des Stahls statt. Dadurch bleibt das Grundgefüge im Bauteilkern weitgehend unverändert, während die Oberfläche gezielt modifiziert wird.

Während der Behandlung diffundieren die wirksamen Elemente aus der Prozessatmosphäre in das Bauteil. An der Oberfläche bildet sich eine Verbindungsschicht, die für Verschleißschutz, Reibverhalten und Grundkorrosionsschutz maßgeblich ist. Darunter entsteht eine Diffusionszone, in der Stickstoff in gelöster Form vorliegt und welche zur mechanischen Unterstützung der Randschicht beiträgt. Zusammengenommen ergibt sich ein funktionaler Schichtaufbau, der auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden kann.

Im Vergleich zum reinen Gasnitrieren wird beim Gasnitrocarburieren zusätzlich Kohlenstoff eingebracht. Dieser beeinflusst die Ausbildung und Zusammensetzung der Verbindungsschicht und ermöglicht bei geeigneten Werkstoffen eine angepasste Kombination aus Härte, Verschleißbeständigkeit und Reibverhalten. Je nach Auslegung der Prozessführung kann das Gasnitrocarburieren sowohl als eigenständige Randschichtbehandlung als auch in Kombination mit einer nachgelagerten Oxidation eingesetzt werden. Dadurch lässt sich der Funktionsumfang der Oberfläche weiter differenzieren, etwa mit Blick auf Korrosionsverhalten oder optische Anforderungen.

Das Gasnitrocarburieren ohne Oxidation wird bei der Siegener Werkzeug- und Härtetechnik GmbH(SWF) als sogenanntes SINIT angeboten. Wogegen das Gasnitrocarburieren mit anschließender Oxidation, als SINOX angeboten wird.

Beim Gasnitrocarburieren entsteht ein charakteristischer Randschichtaufbau, der sich aus zwei funktional unterschiedlichen Zonen zusammensetzt. Der Schichtaufbau ist entscheidend für die erreichbaren Oberflächeneigenschaften und wird im Wesentlichen durch Werkstoff, Prozessführung und Behandlungsdauer bestimmt.

Verbindungsschicht (CLT) und Diffusionszone (DZ)

1. Die äußere Zone der gasnitrocarburierten Randschicht ist die sogenannte Verbindungsschicht. Die Schichtdicke wird mit der Abkürzung CLT bezeichnet, abgeleitet aus dem englischen Begriff Compound Layer Thickness (früher auch aus dem deutschen mit VS abgekürzt). Diese Schicht liegt direkt an der Bauteiloberfläche und besteht aus Eisen-Carbonitriden, die während des Prozesses entstehen. Die Verbindungsschicht ist maßgeblich für den Verschleißschutz sowie für das Reib und Gleitverhalten der Oberfläche verantwortlich.
2. Unterhalb der Verbindungsschicht schließt sich die Diffusionszone (DZ) an. In diesem Bereich liegt Stickstoff interstitiell gelöst im Grundwerkstoff vor und kann – abhängig von Werkstoff und Prozess – mit Nitrid bildenden Legierungselementen (z. B. Chrom, Aluminium oder Titan) feindisperse Nitride bilden. Die Diffusionszone trägt zur mechanischen Abstützung der Verbindungsschicht bei und beeinflusst die Dauerfestigkeit sowie die Tragfähigkeit der Randschicht. Im Unterschied zur Verbindungsschicht weist sie keinen klar abgegrenzten Phasenaufbau auf, sondern geht kontinuierlich in das Grundmaterial über.
3. Das Zusammenspiel von Verbindungsschicht und Diffusionszone ist entscheidend für die Funktion der gesamten Randschicht. Eine zu dünne oder zu dicke Verbindungsschicht kann je nach Anwendung nachteilig sein, weshalb die gezielte Spezifikation der CLT ein wichtiger Bestandteil der Prozessauslegung ist.

Reib- und Gleiteigenschaften, Verschleißschutz, Korrosionsverhalten

Die beim Gasnitrocarburieren gebildete Verbindungsschicht besitzt nicht metallische Eigenschaften (keramikähnlich), die sich positiv auf das Reib- und Gleitverhalten auswirken können. In tribologisch beanspruchten Anwendungen führt dies häufig zu stabileren Reibwerten und einer reduzierten Neigung zu Fressen oder adhäsivem Verschleiß. Der Verschleißschutz ergibt sich primär aus der hohen Oberflächenhärte und der geschlossenen Struktur der Verbindungsschicht.

Ein gewisser Korrosionsschutz ist ebenfalls gegeben, da die Verbindungsschicht als Barriere gegenüber dem Grundwerkstoff wirkt. Dieser Effekt ist jedoch begrenzt und stark von der Schichtzusammensetzung sowie von den Einsatzbedingungen abhängig. Für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit wird das Gasnitrocarburieren daher häufig mit einer nachgelagerten Oxidation kombiniert, um das Korrosionsverhalten gezielt zu verbessern.

Die erzielbaren Eigenschaften sind stets als System aus Werkstoff, Schichtaufbau und Einsatzbedingungen zu betrachten. Gasnitrocarburieren ersetzt keine konstruktiven oder werkstoffseitigen Maßnahmen, kann diese jedoch sinnvoll ergänzen, wenn die Anforderungen an Verschleiß, Reibung und Maßhaltigkeit klar definiert sind.

Wir bieten das Gasnitrocarburieren in zwei definierten Varianten an. Die Namen resultieren aus SINIT = Siegener Nitrocarburieren & SINOX = Siegener Nitrocarburieren mit Oxidation, als eigenständige, spezielle und modifizierte Verfahren. Beide Verfahren basieren auf demselben Grundprozess und unterscheiden sich durch die nachgelagerte Behandlung der Oberfläche. Daraus ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Optik und Korrosionsverhalten, während Verschleißschutz und Maßhaltigkeit in beiden Fällen durch den gasnitrocarburierten Schichtaufbau bestimmt werden.

SINIT: Gasnitrocarburieren ohne Oxidation

Beim SINIT Verfahren erfolgt das Gasnitrocarburieren ohne anschließenden Oxidationsschritt. Die Randschicht setzt sich aus der ausgebildeten Verbindungsschicht und der darunterliegenden Diffusionszone zusammen. Nach der Behandlung weist die Oberfläche eine gleichmäßige graue Optik auf.

Der Korrosionsschutz ergibt sich ausschließlich aus der Verbindungsschicht selbst und ist daher als grundlegend einzuordnen. Er hängt maßgeblich von Schichtaufbau, Werkstoff und Einsatzbedingungen ab. SINIT wird bevorzugt eingesetzt, wenn der Schwerpunkt auf funktionalen Eigenschaften der Oberfläche liegt und keine erhöhten Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit bestehen.

Eigenschaften:

• Gasnitrocarburieren ohne nachgelagerte Oxidation
• Graue Oberflächenoptik
• Grundlegender Korrosionsschutz durch die Verbindungsschicht
• Fokus auf Verschleißschutz, Reibverhalten und Maßhaltigkeit

SINOX: Gasnitrocarburieren mit nachgelagerter Oxidation

Das SINOX Verfahren erweitert das Gasnitrocarburieren um einen gezielten Oxidationsschritt. Dabei wird auf der zuvor gebildeten Verbindungsschicht eine dünne Oxidschicht ausgebildet, die ergänzend auf die Randschichteigenschaften wirkt.

Diese Oxidschicht verbessert das Korrosionsverhalten der Oberfläche und verleiht den Bauteilen eine gleichmäßige, dunkel anthrazitfarbene Optik. Die erreichbare Korrosionsbeständigkeit ist jedoch nicht isoliert zu betrachten, sondern hängt wesentlich vom Grundaufbau der Verbindungsschicht ab. Insbesondere die Schichtdicke und Zusammensetzung der CLT beeinflussen die Schutzwirkung der Oxidschicht.

Eigenschaften:

• Gasnitrocarburieren und Oxidieren in einem nachgelagerten Prozessschritt
• Dunkel anthrazitfarbene Oberflächenoptik
• Erhöhter Korrosionsschutz durch zusätzliche Oxidschicht
• Geeignet für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit und optische Gleichmäßigkeit

Beide Varianten ermöglichen eine gezielte Anpassung der Oberflächeneigenschaften an die jeweilige Anwendung. Die Auswahl des geeigneten Verfahrens erfolgt in der Regel auf Basis der funktionalen Anforderungen an Verschleiß, Korrosion und optische Erscheinung.

Die Schichtdicke der Verbindungsschicht wird beim Gasnitrocarburieren üblicherweise als CLT angegeben. CLT steht für Compound Layer Thickness und beschreibt die Dicke der an der Oberfläche ausgebildeten Verbindungsschicht. Sie wird in Mikrometern bzw. µm angegeben und dient als zentrale Vorgabe für den Schichtaufbau. Auch heute ist die veraltete Abkürzung VS, die für Verbindungsschichtdicke steht, noch weit verbreitet. Die gewünschte CLT wird in der Regel in Abhängigkeit von der späteren Beanspruchung des Bauteils festgelegt. Dabei gilt, dass die Verbindungsschicht immer im Zusammenspiel mit der Diffusionszone zu betrachten ist.

Die Härte gasnitrocarburierter Randschichten wird üblicherweise mit dem Vickers Verfahren geprüft. Die Angabe erfolgt in HV und ermöglicht eine vergleichsweise feine Auflösung, die für dünne Randschichten erforderlich ist. Andere Härteprüfverfahren wie Rockwell sind für gasnitrocarburierte Schichten nur eingeschränkt geeignet, da die Eindringtiefe des Prüfkörpers die Schichtdicke überschreiten kann. Die gemessenen Werte wären in diesem Fall nicht repräsentativ für die Randschicht.

Das Gasnitrocarburieren eignet sich vor allem für unlegierte und niedrig bis mittellegierte Eisenwerkstoffe. Die erreichbaren Schichteigenschaften hängen dabei wesentlich von der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffs sowie von der Prozessführung ab. Die Siegener Werkzeug und Härtetechnik GmbH behandelt regelmäßig Bauteile aus den folgenden Werkstoffgruppen.

• Unlegierte Baustähle
  Geeignet für Bauteile mit moderaten mechanischen Anforderungen. Aufgrund der geringen Legierungsanteile bildet sich die Verbindungsschicht in der Regel gleichmäßig aus, während die erreichbare Schichtdicke begrenzt ist.
  Typische Beispiele: E355 (1.0580), DC03LCMB (1.0347), S355J2 (1.0577), St37 (1.0037), St52-3N (1.0576).
• Vergütungsstähle
  Diese Werkstoffe werden häufig für höher belastete Bauteile eingesetzt. Sie ermöglichen eine tragfähige Diffusionszone bei gleichzeitig hoher Kernfestigkeit, was für dynamisch beanspruchte Anwendungen relevant ist.
  Typische Beispiele: 42CrMo4 (1.7225), 30CrNiMo8 (1.6580), C45 (1.0503).
• Einsatzstähle
  Einsatzstähle eignen sich für Bauteile, bei denen eine Kombination aus verschleißfester Oberfläche und zähem Kern gefordert ist. Beim Gasnitrocarburieren kann die Randschicht gezielt funktional ausgelegt werden.
  Typische Beispiele: 16MnCr5 (1.7131), 16MnCrS5 (1.7139), 20MnV6 (1.5217).
• Werkzeugstähle für Kaltarbeit
  Diese Stähle werden eingesetzt, wenn erhöhte Anforderungen an Verschleißbeständigkeit bestehen. Die Eignung hängt stark von der Legierungszusammensetzung ab und sollte anwendungsbezogen geprüft werden.
  Typisches Beispiel: C45W (1.1730).
• Werkzeugstähle für Warmarbeit
  Warmarbeitsstähle können unter bestimmten Voraussetzungen gasnitrocarburiert werden. Die Prozessauslegung erfolgt hierbei werkstoffspezifisch, um unerwünschte Schichteffekte zu vermeiden.
  Typisches Beispiel: X38CrMoV5-1 (1.2343).
• Gusswerkstoffe
  Gusseisen und Gussstähle lassen sich je nach Gefüge und Zusammensetzung behandeln. Die Schichtbildung kann dabei variieren und erfordert eine sorgfältige Abstimmung.
  Typische Beispiele: GG25 (0.6025), GGG40 (0.7040), GGG50 (0.7050).
• Automatenstähle
  Automatenstähle können gasnitrocarburiert werden, wobei die Schwefelgehalte die Schichtausbildung beeinflussen können.
  Typische Beispiele: 9SMn28K (1.0715), 9S20 (1.0711).
• Sonderstähle
  Auch spezielle Legierungen, etwa aus dem Umfeld der Luft und Raumfahrt, sind grundsätzlich behandelbar, erfordern jedoch eine individuelle Bewertung.
  Typisches Beispiel: 50CrV4 (1.8154).

Weitere Werkstoffe und spezielle Legierungen sowie Stähle können nach technischer Prüfung ebenfalls gasnitrocarburiert werden. Eine frühzeitige Abstimmung zur Werkstoffzusammensetzung und zum gewünschten Schichtaufbau ist hierfür empfehlenswert.

Eine vollständige Werkstoffübersicht finden Sie in unserem Datenblatt:

Für das modifizierte Gasnitrocarburieren SINIT & SINOX stehen bei der SWF Siegen Anlagen mit großzügigen Nutzmaßen zur Verfügung. Bauteile können bis zu einem Durchmesser von 1750 Millimetern und einer Höhe von 2800 Millimetern behandelt werden. Das maximal zulässige Stückgewicht beträgt bis zu 5000 Kilogramm.

Diese Kapazitäten ermöglichen die Wärmebehandlung sowohl kompakter Einzelteile als auch großvolumiger Bauteile oder Baugruppen. Für die Bauteilauslegung bedeutet dies, dass auch komplexe Geometrien und hohe Massen berücksichtigt werden können, sofern eine gleichmäßige Prozessführung gewährleistet ist. Insbesondere bei großen oder schweren Bauteilen ist eine frühzeitige Abstimmung sinnvoll, um Aspekte wie Beladung, Wärmeverteilung und Schichtgleichmäßigkeit in die Auslegung einzubeziehen.

Für eine technisch belastbare Auslegung des Gasnitrocarburierens sind klare und vollständige Angaben zum Bauteil und zu den Anforderungen erforderlich. Sie ermöglichen es, Werkstoff, Prozessführung und Variante zielgerichtet auf die spätere Anwendung abzustimmen.

Für die technische Abstimmung einer Anfrage sind in der Regel folgende Informationen hilfreich:

• Werkstoffbezeichnung oder Werkstoffnummer
• Zeichnung des Bauteils mit eindeutiger Kennzeichnung der zu behandelnden bzw. zu isolierenden Bereiche
• Angabe relevanter Funktionsflächen sowie geometrischer Besonderheiten
• Anforderungen an Verbindungsschicht, Diffusionszone oder Oberflächenhärte
• Maß und Formtoleranzen nach der Wärmebehandlung
• Stückzahlen sowie Hinweise auf Einzelteil oder Serienfertigung
• Auswahl der gewünschten Variante, etwa Gasnitrocarburieren ohne Oxidation oder Gasnitrocarburieren und Oxidieren

Je nach Anwendungsfall kann zudem eine begleitende Dokumentation sinnvoll sein. Dazu zählen beispielsweise Prüfprotokolle zur Schichtdicke oder Härte, Härteverläufe an Proben oder Zeugnisse nach DIN EN 10204. Umfang und Art der Dokumentation werden üblicherweise im Rahmen der Anfrage abgestimmt.
Eine frühzeitige und vollständige Datenanlieferung erleichtert die Prozessauslegung und trägt dazu bei, die gewünschten Oberflächeneigenschaften reproduzierbar zu erreichen.