Plasmanitrieren:
Randschichtgehärtete Bauteile

Die Plasmanitrierung ist ein thermochemisches Verfahren zur Randschichthärtung von Stahlbauteilen. Grundlage ist eine Glimmentladung, die zwischen Ofenwand und Werkstück in einer Vakuumkammer entsteht. Durch diese ionisierte Gasatmosphäre wird die Oberfläche aktiviert und die Aufnahme von Stickstoff ermöglicht, ohne dass das Grundgefüge oder die Oberflächenqualität wesentlich beeinträchtigt wird. Da der Prozess bei Unterdruck arbeitet und keine oxidierenden Reaktionsprodukte erzeugt, bleibt die Oberfläche so gut wie metallisch blank und frei von Behandlungsrückständen.

Der Temperaturbereich beim Plasmanitrieren liegt typischerweise zwischen etwa 350 °C und 580 °C. Die vergleichsweise niedrigen Temperaturen verringern die Gefahr von Verzug und ermöglichen die Behandlung auch dann, wenn Bauteile durch frühere Wärmebehandlungen nur begrenzte thermische Belastungen zulassen. Durch die regelbare Prozessführung lassen sich sowohl Verbindungsschicht als auch Diffusionszone gezielt beeinflussen, sodass sich das Verfahren flexibel an unterschiedliche Werkstoffeigenschaften und Belastungsprofile anpassen lässt.

Plasmanitrierung: Verfahrensablauf

Der Prozess des Plasmanitrierens bei der Siegener Werkzeug- und Härtetechnik GmbH (SWF) folgt einer klar definierten Abfolge, die auf reproduzierbare Ergebnisse und eine präzise Einstellung der Randschicht abzielt:

1. Bauteilvorbereitung und Reinigung:
   Für einen stabilen Nitrierprozess müssen die Oberflächen frei von Fetten, Oxiden und Rückständen sein. Eine geeignete Vorreinigung stellt sicher, dass die Plasmaentladung gleichmäßig an der Bauteiloberfläche wirken kann. Optional ist ein Abdecken von Teilbereichen, die nicht nitriert werden sollen, möglich.
2. Chargenaufbau und Positionierung im Ofen
   Die Bauteile werden elektrisch leitend mit der Kathode verbunden. Der Aufbau der Charge beeinflusst die Homogenität der Plasmaverteilung und damit die Gleichmäßigkeit der Schichtbildung.
3. Evakuieren der Kammer und Aufheizen
   Die Ofenkammer wird auf einen definierten Unterdruck gebracht. Anschließend erfolgt das Aufheizen auf die angestrebte Behandlungstemperatur, die später maßgeblich die Diffusionsgeschwindigkeit bestimmt.
4. Erzeugen der Plasmaentladung
   Durch das Anlegen einer Hochspannung zwischen Kathode (Bauteile) und Anode (Ofenwand) entsteht eine Glimmentladung. Das ionisierte Prozessgas aktiviert die Oberfläche und ermöglicht die Aufnahme von Stickstoff.
5. Stickstoffdiffusion und Schichtausbildung
   Während der Haltezeit bildet sich die Verbindungsschicht und darunter die Diffusionszone. Die Zusammensetzung der Gase, die Spannung und der Druck steuern die Entwicklung der Schichtmorphologie.
6. Abkühlung unter Vakuum oder Schutzgas
   Nach Abschluss der Reaktion wird die Kammer kontrolliert abgekühlt. Da keine oxidierenden Bestandteile vorliegen, bleiben die Oberflächen weitestgehend metallisch blank und optisch unverändert.

Diese schrittweise Prozessführung ermöglicht es, Verbindungsschichtdicke und Nitrierhärtetiefe so einzustellen, dass sie die tribologischen oder korrosionstechnischen Anforderungen des jeweiligen Bauteils erfüllen. Die sich durch die Plasmanitrierung einstellende Oberflächenhärte ist maßgeblich von dem verwendeten Werkstoff und dessen Legierungselementen abhängig bzw. festgelegt.

Die wesentlichen Einflussgrößen der Plasmanitrierung sind Temperatur, Haltezeit und die Zusammensetzung der Prozessgase. Sie bestimmen, wie schnell und tief Stickstoff in den Werkstoff diffundiert und welche Schichtstrukturen sich ausbilden. Da das Verfahren im Vergleich zu anderen Nitrierverfahren bei niedrigen Temperaturen arbeitet, bleibt das Grundgefüge stabil, was Verzugsrisiken deutlich reduziert.

Die Behandlungstemperatur liegt typischerweise im Bereich von etwa 350 °C-580 °C. Niedrigere Temperaturen werden eingesetzt, wenn die vorangegangene Wärmebehandlung des Werkstoffs keine hohen thermischen Belastungen mehr zulässt, wenn besonders maßhaltige Bauteile behandelt werden müssen oder wenn eine verbindungsschichtarme Oberfläche gewünscht wird (zum Beispiel für eine spätere Beschichtung). Höhere Temperaturen beschleunigen die Diffusion, wirken sich aber je nach Werkstoff unterschiedlich auf Härte und Schichtmorphologie aus.

Die Haltezeit definiert die Dauer, in der der Stickstoff in die Randschicht eindringen kann. Eine längere Behandlungsdauer führt zu einer größeren Nitrierhärtetiefe (NHD – englisch „Nitriding-Hardness-Depth“), während kurze Zyklen zur gezielten Einstellung dünner Randschichten genutzt werden. Die tatsächliche Nitrierhärtetiefe hängt jedoch immer auch vom Werkstoff ab; legierte Stähle mit ausgeprägter Nitrierneigung erreichen andere Werte als austenitische oder hochlegierte Werkstoffe.

Der Schichtaufbau des Plasmanitrierens ergibt sich aus dem Zusammenspiel aller Parameter. Dazu gehört zum einen die Dicke der Verbindungsschicht (Abkürzung VS), die meist im Bereich weniger Mikrometer/µm liegt und auch als CLT (aus dem Englischen Compound-Layer-Thickness) bezeichnet wird. Zum anderen ist die Tiefe der Diffusionszone, welche in der Regel im zehntel-mm-Bereich liegt, relevant. Über die Prozessführung lässt sich der Aufbau der Verbindungsschicht gezielt steuern – sie kann verstärkt, reduziert oder nahezu vollständig vermieden werden, wenn dies für nachfolgende Beschichtungen oder tribologische Anforderungen notwendig ist.

Das Plasmanitrieren verbindet eine präzise steuerbare Randschichtbildung mit einer besonders kontrollierten Prozessführung. Da der Prozess unter Vakuum und ohne oxidierende Reaktionsprodukte abläuft, bleiben die Oberflächen nahezu metallisch blank und frei von Rückständen. Gleichzeitig ermöglichen die niedrigen Behandlungstemperaturen eine Randschichthärtung, die mit sehr geringer Maßänderung einhergeht und somit auch für toleranzkritische Bauteile geeignet ist.

Für viele Anwendungen ergeben sich daraus funktionale Vorteile:

• Geringe Maßänderungen aufgrund niedriger Temperaturen und diffusionsbasierter Härtung
• Saubere Bauteiloberflächen, da keine Oxidation oder Rückstände entstehen
• Gezielt einstellbare Schichtstrukturen, angepasst an Verschleiß-, Reib- oder Beschichtungsanforderungen
• Eignung für hochlegierte und rostbeständige Stähle, deren passive Oberflächen klassische Gasnitrierprozesse erschweren können
• Teilnitrierung durch mechanische Abdeckung, z. B. bei lokal begrenzten Funktionsflächen
• Reproduzierbarkeit, da Druck, Gaszusammensetzung, Temperatur und elektrische Parameter exakt geregelt werden

Im Vergleich zu konventionellen Nitrierverfahren werden keine toxischen Prozessgase verwendet, und die Emissionen gasförmiger Reaktionsprodukte fallen deutlich geringer aus. Der Energieeinsatz konzentriert sich auf die elektrische Hochspannungsentladung sowie die Temperaturführung in der Vakuumkammer, sodass der Gesamtprozess ressourcenschonend betrieben werden kann. Durch die saubere Bauteiloberfläche entfällt zudem eine nachgelagerte Reinigung, was Medien und Prozesszeit spart.

Das Plasmanitrieren kann für eine breite Palette an Stahlwerkstoffen eingesetzt werden, da die Behandlungstemperaturen vergleichsweise niedrig bleiben und der Stickstoffeintrag über das Plasma auch bei passivierten Oberflächen ermöglicht wird. Entscheidend ist die Nitrierneigung des jeweiligen Werkstoffs: Legierungsbestandteile wie Chrom, Molybdän, Aluminium oder Vanadium beeinflussen, wie sich Verbindungsschicht und Diffusionszone ausbilden. Die Prozessführung kann darauf abgestimmt werden, um die gewünschten Eigenschaften gezielt einzustellen.

Bei uns werden folgende Werkstoffgruppen häufig plasmanitriert.

Unlegierte Baustähle: z. B. 1.0577, 1.0570

Unlegierte Baustähle wie S355J2 (1.0577) oder St52-3 (1.0570) lassen sich durch das Plasmanitrieren oberflächenhärten, wenn robuste, aber nicht extrem harte Funktionsflächen benötigt werden. Die Diffusionszonen fallen im Vergleich zu legierten Stählen häufig ausgeprägter aus, während die maximal erreichbare Oberflächenhärte geringer bleibt. Diese Werkstoffgruppe wird typischerweise für Bauteile eingesetzt, die moderate Verschleißbeständigkeit mit guter Wirtschaftlichkeit verbinden sollen.

Vergütungsstähle: z. B. 1.7225, 1.0503

Vergütungsstähle wie 42CrMo4 (1.7225)oder C45 (1.0503) erreichen durch das Plasmanitrieren einen höheren Verschleißwiderstand an der Oberfläche. Dieses kann die Lebensdauer Ihrer Komponenten wie Wellen, Bolzen oder Maschinenelemente im Einsatz deutlich erhöhen. Beim Plasmanitrieren profitieren sie von einer harten, verschleißfesten Randschicht und einem zähen Kerngefüge, wodurch sie für dynamisch beanspruchte Bauteile prädestiniert sind.

Nitrierstähle: z. B. 1.8550, 1.8519

Stähle wie 34CrAlNi7 (1.8550) und 31CrMoV9 (1.8519) sind für Nitrierverfahren entwickelt worden und erreichen beim Plasmanitrieren definierte Nitrierhärtetiefen und hohe Oberflächenhärten. Sie eignen sich für Funktionsflächen, die dauerhaft hohen Beanspruchungen oder Gleitbelastungen ausgesetzt sind.

Einsatzstähle: z. B. 1.7131

Einsatzstähle wie 16MnCr5 (1.7131) können plasmanitriert werden, wenn Bauteile verschleißfeste Oberflächen benötigen, aber keine zusätzliche Aufkohlung vorgesehen ist. Die Kombination aus belastbarem Grundgefüge und einstellbarer Randschicht macht diese Werkstoffe vielseitig einsetzbar.

Werkzeugstähle für Kaltarbeit: z. B. 1.2312, 1.2842, 1.2379

Werkzeugstähle für Kaltarbeit profitieren in besonderem Maße von der gezielten Randschichthärtung, da sie häufig unter hohen Beanspruchungen und abrasiven Belastungen arbeiten. Werkstoffe wie 40CrMnMoS8-6 (1.2312), 90MnCrV8 (1.2842) und 1.2379 (X155CrVMo12-1) werden beim Plasmanitrieren eingesetzt, um Oberflächen mit hoher Verschleißbeständigkeit zu erzeugen, ohne die Maßhaltigkeit komplexer Werkzeugkonturen zu gefährden. Während 40CrMnMoS8-6 (1.2312)häufig für formgebende Werkzeuge genutzt wird, kommt 90MnCrV8 (1.2842) bei präzisen Schneid- und Stanzwerkzeugen zum Einsatz. 1.2379 (X155CrVMo12-1) eignet sich aufgrund seiner Legierungszusammensetzung besonders für hochbelastete Werkzeuge mit ausgeprägtem Verschleißaufkommen.

Rost- und säurebeständige Stähle: z. B. 1.4301, 1.4404, 1.4571, 1.4122

Rost- und säurebeständige Stähle wie X5CrNi18-10 (1.4301), X2CrNiMo17-12-2 (1.4404), X 6CrNiMoTi17-12-2 (1.4571) sowie martensitische Sorten wie X35CrMo17 (1.4122) können durch Plasmanitrieren oberflächengehärtet werden, obwohl ihre passive Chromschicht in konventionellen Gasnitrierprozessen eine gleichmäßige Stickstoffaufnahme erschwert oder sogar unmöglich macht. Beim Plasmanitrieren ermöglicht die Entpassivierung, der reaktionsträgen Oberfläche dennoch eine gezielte Randschichtbildung, die vor allem die Verschleißfestigkeit erhöht und das Gleitverhalten verbessert. Die konkrete Wirkung hängt dabei stets von der Prozessführung und dem Anwendungsfall ab. Diese Werkstoffgruppe wird häufig für Bauteile eingesetzt, die gleichzeitig korrosionsbeständig und mechanisch belastbar bleiben müssen, etwa in der Lebensmitteltechnik, Chemietechnik oder im allgemeinen Maschinenbau. 

Weitere Werkstoffe können je nach Bauteilanforderung individuell geprüft werden. 

Eine vollständige Werkstoffübersicht finden Sie in unserem Datenblatt: 

Bei SWF in Siegen stehen Anlagen zur Verfügung, die auf große Stückgewichte, komplexe Geometrien und unterschiedliche Werkstoffgruppen ausgelegt sind. Die Kombination aus Vakuumtechnik, geregelter Hochspannungsentladung und variabler Gaszusammensetzung ermöglicht eine präzise Steuerung der Randschichtbildung.

Die verfügbaren Kapazitäten erlauben die Behandlung einzelner Werkstücke ebenso wie größerer Chargen:

• Anlagennutzmaße: bis ≤ Ø 1000 × 1600 mm
• Maximales Stückgewicht: bis ≤ 2000 kg

Diese Dimensionen ermöglichen die Bearbeitung von Werkzeugen, Formplatten, großformatigen Maschinenelementen oder Bauteilen mit anspruchsvollen Funktionsflächen. Der Chargenaufbau wird so gestaltet, dass die Plasmaentladung gleichmäßig wirkt und die Schichtausbildung an allen relevanten Bereichen stabil bleibt. Dies ist insbesondere bei komplexen Geometrien oder Bauteilen mit verdeckten Flächen von Bedeutung.

Ein sorgfältig ausgelegter Plasmanitrierprozess beginnt bereits vor der eigentlichen Wärmebehandlung. Deshalb unterstützen wir Kundinnen und Kunden frühzeitig bei der Bewertung des Werkstoffs, der Bauteilgeometrie und der gewünschten Randzoneneigenschaften. Auf dieser Grundlage lässt sich bestimmen, welche Parameter (etwa Behandlungstemperatur, Gaszusammensetzung, elektrische Einstellungen oder Prozessdauer) für das jeweilige Bauteil technisch sinnvoll sind. Ebenso wird geprüft, wie das Plasmanitrieren in eine bestehende Bearbeitungs- bzw. Wärmebehandlungskette eingebunden werden kann, beispielsweise nach dem Vergüten oder vor einer finalen Feinbearbeitung.

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

• Werkstoffbezeichnung bzw. Werkstoffnummer
  Die Nitrierneigung hängt stark von der Legierungszusammensetzung ab und beeinflusst Härteverlauf, Schichtaufbau und mögliche Temperaturfenster.
• Bauteilgeometrie und relevante Funktionsflächen
  Informationen zu Abmessungen, Wandstärken und funktionskritischen Bereichen unterstützen die Planung des Chargenaufbaus und der Plasmaverteilung.
• Bereiche, die nitriert oder gezielt ausgespart werden sollen
  Dies beinhaltet Angaben zu abdeckpflichtigen Flächen oder lokal begrenzten Funktionszonen.
• Vorbehandlung und Wärmebehandlungshistorie
  Etwaige Härteprozesse, Anlasstemperaturen oder mechanische Bearbeitungen bestimmen, welche Temperaturen ohne Beeinflussung des Grundgefüges möglich sind.
• Anforderungen an Oberflächenhärte, Nitrierhärtetiefe (NHD) und Verbindungsschichtdicke (CLT)
  Zielwerte helfen bei der Auswahl der geeigneten Prozessdauer und Schichtauslegung.
• Toleranzen und Maßvorgaben nach der Behandlung
  Besonders bei verzugsempfindlichen Bauteilen sind Angaben zur Maßhaltigkeit entscheidend. Eine technische Zeichnung ist immer von Vorteil.

Die Prozessführung wird dokumentiert, sodass sich Schichtaufbau, Härteverlauf und weitere Prüfresultate nachvollziehbar ergänzen und für Serienprozesse reproduzierbar umsetzen lassen.