MODELLIERUNG DES NITRIERPROZESSES MIT FORGE®

Einführung

In vielen Industrien sind Langlebigkeit, Verschleißfestigkeit und Dimensionsstabilität mechanischer Bauteile von entscheidender Bedeutung, insbesondere wenn diese Bauteile zyklischen Belastungen standhalten müssen. Um diese Anforderungen zu erreichen, haben sich verschiedene Verfahren zur Oberflächenhärtung etabliert. Da die Oberflächenschicht eines Bauteils dessen Lebensdauer stark beeinflusst, besteht das Ziel darin, seine funktionellen Eigenschaften zu verbessern, um sie von denen des Kerns zu unterscheiden. In diesem Zusammenhang spielt die thermochemische Behandlung eine Schlüsselrolle: Sie nutzt thermische Diffusion, um chemische Elemente in die Materialoberfläche einzubringen und so deren Eigenschaften und Mikrostruktur gezielt zu verändern.

Das Nitrieren ist ein bewährtes thermochemisches Verfahren, das seit den 1950er-Jahren in der Industrie Anwendung findet¹. Dabei diffundieren Stickstoffatome in die Materialoberfläche und bilden eine harte Schicht, während der Kern duktil bleibt. Beim Gasnitrieren, das meist bei Temperaturen zwischen 500 und 600 °C erfolgt, dient Ammoniakgas als Stickstoffquelle. Alternativ kommen auch Salzbad- oder plasmabasierte Verfahren zum Einsatz². Stähle mit Chrom, Aluminium oder Molybdän eignen sich für das Nitrieren besonders gut, da diese Elemente mit dem eingedrungenen Stickstoff harte, stabile Nitride bilden. Im Gegensatz zum Aufkohlen erfordert das Nitrieren keine Abschreckung, da die ferritische Matrix erhalten bleibt. Dadurch sinkt das Risiko von Verformungen oder Rissen erheblich³.

Diese thermochemische Behandlung härtet die Oberfläche, erhöht die Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit, minimiert Maßverformungen und sorgt für eine ausgezeichnete thermische Stabilität der gehärteten Schicht⁴. Nitrierte Schichten bleiben selbst bei Temperaturen hart, bei denen aufgekohlte Schichten weich werden. Damit eignet sich das Verfahren ideal für Bauteile, die mechanische und thermische Belastungen aushalten müssen. Typische Bauteil-Anwendungen sind Zahnräder^4,5, Kurbelwellen⁶, Matrizen⁷ und Werkzeuge.

Beim Nitrieren reichert sich Stickstoff lokal in der Stahlmatrix an. Überschreitet er die Löslichkeitsgrenze in Ferrit oder Legierungselementen, entstehen Nitridausscheidungen, die weiterwachsen. Dabei verbraucht die Ausscheidung einen Teil des Stickstoffs, während der Rest tiefer ins Material diffundiert, bis ein thermodynamisches Gleichgewicht erreicht ist. Gleichzeitig erhöhen lokale plastische Verformungen die Versetzungsdichte, was schnellere Diffusionswege ermöglicht und Anpassungen des Diffusionskoeffizienten erforderlich macht⁸. Korngrenzen wirken zudem als natürliche Diffusionsbarrieren und enthalten oft Nitrid- oder Karbidausscheidungen. Wichtig ist, dass während des Nitrierens neben der Stickstoffdiffusion auch die Kohlenstoffdiffusion eine Rolle spielt. Selbst ohne externen Kohlenstoffeintrag beeinflusst die Rückdiffusion von Kohlenstoff die mikrostrukturelle Entwicklung und damit die Oberflächeneigenschaften⁹.

Diese miteinander verflochtenen physikalischen Prozesse und gekoppelten Diffusionsphänomene erschweren den Transport chemischer Elemente in legierten Stählen. Deshalb ist es entscheidend, die Stickstoff- und Kohlenstoffdiffusion präzise zu modellieren und die Zusammensetzungsgradienten gezielt zu steuern. Nur so lässt sich die gewünschte Härte erzielen und der Nitrierprozess optimal gestalten.

In diesem Artikel zeigen wir, wie die Finite-Elemente-Simulationssoftware FORGE® Diffusionsprofile chemischer Elemente vorhersagt. Sie integriert thermodynamische Gleichgewichtsdaten in die Modellierung und berücksichtigt dabei auch Ausscheidungsprozesse.

MODELLIERUNG DES NITRIERPROZESSES DES STAHLS 32CDV13

Gemeinsam mit SAFRAN haben wir den Nitrierprozess eines zylindrischen Bauteils aus 32CDV13-Stahl mit Bohrung untersucht. Dieser hochleistungsfähige, niedriglegierte Stahl findet in der Luft- und Raumfahrt häufig Verwendung, etwa in Hubschraubergetrieben und Turbinenantrieben¹⁰. Er wird wegen seiner hohen Ermüdungsfestigkeit, Wärmebeständigkeit und Dimensionsstabilität geschätzt. Unbehandelt lässt er sich gut bearbeiten. Durch die Nitrierung entsteht eine harte Oberflächenschicht mit Härtewerten über 1000 HV¹¹, die die Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit deutlich steigert, ohne die Duktilität des Kerns zu beeinträchtigen.

Diese Studie analysiert die Stickstoff- und Kohlenstoffdiffusion in 32CDV13, um die resultierenden Konzentrationsprofile nach der Nitrierung vorherzusagen. Die Prognosen sollen helfen, die Behandlungsparameter so anzupassen, dass die gewünschten Oberflächeneigenschaften entstehen.

Um die gewünschten Oberflächeneigenschaften zu erzielen, gilt es während der Nitrierung, mehrere entscheidende Parameter genau zu kontrollieren: die Temperatur, die die Diffusionsraten bestimmt, die Dauer, die die Einhärtungstiefe beeinflusst, und beim Gasnitrieren das Nitrierpotenzial, das von der Ammoniak-Dissoziationsrate abhängt.

Diese Faktoren bestimmen die Bildung von zwei unterschiedlichen Zonen:

• Eine Verbindungsschicht (auch weiße Schicht genannt) mit einer Dicke von in der Regel 10 bis 20 µm, die aus ε-Fe₂₋₃N- und γ′-Fe₄N-Phasen besteht. Diese Schicht wird bei der Modellierung nicht berücksichtigt, spielt jedoch eine wesentliche Rolle bei der Stabilisierung des Stickstoffpotenzials an der Oberfläche, sobald sie sich gebildet hat;
• Eine Diffusionszone, die eine Tiefe in der Größenordnung von 1 mm⁸ erreichen kann, in der Stickstoff in der ferritischen Matrix gelöst ist und mit Legierungselementen interagiert.

Um diese Parameter gezielt zu steuern, stellt die Finite-Elemente-Simulationssoftware FORGE® ein Modul für chemische Diffusion und Ausfällung bereit. Damit lässt sich die Stickstoff- und Kohlenstoffdiffusion während des Prozesses modellieren. Die zeitliche Veränderung der Massenkonzentration eines chemischen Elements C (in Prozent oder als Rate) in einem Material mit der Diffusionskonstante D beschreibt die folgende Diffusionsgleichung:

Es ist schwer vorherzusagen, wie gut ein chemisches Element in einem Material diffundiert. Temperatur, Beschaffenheit, Struktur des Materials und sogar die Konzentration des Elements im Material können die Diffusion stark beeinflussen.

Man kann drei Arten von Randbedingungen unterscheiden. Die erste beschreibt einen perfekten Austausch zwischen Atmosphäre und Werkstück: Hier wird das chemische Potenzial direkt auf die Werkstückoberfläche festgelegt (Dirichlet-Randbedingung). Das Potenzial eines chemischen Elements in einem Metall-Atmosphäre-System entspricht der Konzentration, die das Metall erreichen würde, wenn es unendlich lange in der betrachteten Atmosphäre verweilt.

Die zweite, realistischere Art berücksichtigt einen Transferkoeffizienten zwischen Atmosphäre und Werkstück. Dieser ergibt sich aus parasitären chemischen Reaktionen an der Oberfläche oder aus Grenzschichteffekten durch unzureichende Durchmischung im Ofen. Das Austauschmodell definiert das chemische Potenzial der Atmosphäre als Massenprozentanteil und ergänzt es um einen Alpha-Übertragungskoeffizienten. Der resultierende Fluss ist proportional zur Differenz zwischen der Oberflächenkonzentration des Werkstücks und dem chemischen Potenzial der Atmosphäre (Robin-Randbedingung).

Die dritte Art, die Neumann-Randbedingung (Typ mit auferlegtem Fluss), legt einen festen Fluss der chemischen Spezies an der Grenzfläche fest.

Ein typischer Nitrierzyklus umfasst drei Hauptphasen, wie in Abbildung 1 gezeigt: Zunächst wird das Teil erhitzt, dann folgt die Diffusionsphase, in der es einer stickstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt ist, und schließlich kühlt es kontrolliert ab. In unserem Modell vereinfachen wir den Prozess, indem wir die mechanische Reaktion von der Stickstoffdiffusion trennen. Dabei behandeln wir die Spannungsentwicklung als separaten Nachbearbeitungsschritt, statt sie parallel zur Stickstoffdiffusion zu modellieren. Diese Methode verringert zwar den Rechenaufwand und die Komplexität, bildet jedoch die physikalische Realität des Prozesses nicht vollständig ab. In der Praxis entstehen Spannungen durch Gitterausdehnung, Phasenbildung und Konzentrationsgradienten gleichzeitig mit der Stickstoffaufnahme.

Während bei der Nitrierung die Eigenspannungen in erster Linie auf Ausscheidungsphänomene zurückzuführen sind, sind bei der Aufkohlung die Hauptursachen für Eigenspannungen und Verformungen mit der durch das Abschrecken induzierten martensitischen Umwandlung verbunden. Dieser Unterschied führt in der Regel zu geringeren Verformungen und Eigenspannungen bei nitrierten Bauteilen.

Beim Nitrieren bleibt die Matrix ferritisch, da die gesamte Behandlung bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen erfolgt. Im Gegensatz dazu läuft das Aufkohlen in der austenitischen Phase bei höheren Temperaturen ab. Daher tritt beim Nitrieren keine Phasenumwandlung auf, und das Abschrecken erübrigt sich, da es keine signifikante Wirkung zeigt.

Beim Karbonitrieren hingegen dringen Kohlenstoff und Stickstoff ein. Je nach Anwendung kann hier ein Abschrecken notwendig sein.

Abbildung 1: Verkettete Simulation des Nitrierzyklus mit FORGE®.

Der Prozess umfasst die gleichzeitige Diffusion von Stickstoff und Kohlenstoff in das Material. Dabei entstehen Phasenumwandlungen, deren Vorhersage thermodynamische Berechnungen erfordert⁸. Mit JMatPro® haben wir im Temperaturbereich von 500 bis 600 °C thermodynamische Gleichgewichte berechnet, um das Ausscheidungsverhalten verschiedener Nitride zu analysieren (siehe Abbildung 2). Auch wenn während der Behandlung selten ein echtes thermodynamisches Gleichgewicht entsteht, liefern diese Berechnungen wertvolle Erkenntnisse auf die Beschaffenheit der wahrscheinlich entstehenden Phasen.

Beim Nitrieren von 32CDV13-Stahl besteht die Mikrostruktur vorwiegend aus Ferrit (α-Fe), das als Diffusionsweg für Stickstoff dient. Dringt Stickstoff in die ferritische Matrix ein, reagiert er stark mit Nitrid bildenden Elementen wie Chrom, Vanadium und Molybdän und bildet stabile Nitride. Ursprüngliche Karbide, vor allem vom Typ M23C6, lösen sich auf, da Nitride thermodynamisch stabiler sind. Dabei scheiden sich entsprechende Nitride aus, und Kohlenstoff wird in den Bereich unterhalb der Oberfläche freigesetzt. Dies führt zu einer lokalen Anreicherung von Kohlenstoff unter der nitrierten Schicht. Ein Phänomen, das bei nitrierten niedriglegierten Stählen häufig auftritt^8,12,13. Dieser Vorgang wird als Kohlenstoffrückdiffusion oder Retrodiffusion bezeichnet.

Abbildung 2: JMatPro®-Berechnungen des (a) Niederschlagsverhältnisses und der (b) M23C6-Karbidentwicklung als Funktion des Stickstoffgehalts bei 550 °C und mit einem festen Kohlenstoffgehalt.

Ausgehend vom thermodynamischen Gleichgewicht berechneten wir die Volumenausdehnung in Abhängigkeit von der Ausfällungsrate, um die durch die Ausfällung verursachten Verformungen zu ermitteln. Diese Ergebnisse flossen in unser Modell zur chemischen Elementdiffusion ein, mit dem wir Stickstoff- und Kohlenstoffprofile während eines 120-stündigen Nitrierprozesses bei 550 °C simulierten. Dabei berücksichtigten wir die Ausfällungsphänomene im Material und deren Einfluss auf die geometrischen Veränderungen des nitrierten Bauteils. Abbildung 3 zeigt die erzielten Ergebnisse sowie die experimentellen Profile, die mit IRT-M2P¹³ gemessen wurden.

Die simulierten und experimentellen Profile für Stickstoff und Kohlenstoff stimmen weitgehend überein. Allerdings verschieben sich die simulierten Profile im Vergleich zu den experimentellen leicht zur Materialoberfläche hin. Eine genauere Anpassung der Daten der Diffusionskoeffizienten beider Elemente könnte dieses Problem lösen.

Auch der Anstieg des Kohlenstoffgehalts unterhalb der nitrierten Schicht fällt auf. Er entsteht, wenn die Stickstofflöslichkeit in Ferrit während der Behandlung überschritten wird und Nitride auf Kosten vorhandener Karbide ausscheiden.

Abbildung 3: Stickstoff- und Kohlenstoffprofile als Funktion der Tiefe, simuliert mit FORGE® unter Berücksichtigung von Niederschlägen, im Vergleich zu experimentellen Messungen.

Schlussfolgerung

Diese Studie präsentiert einen fortschrittlichen Simulationsansatz, der die gekoppelte Diffusion von Stickstoff und Kohlenstoff beim Nitrieren modelliert. Dabei berücksichtigt er Ausscheidungsphänomene und die daraus resultierenden mechanischen Verformungen des behandelten Bauteils.

Ziel ist es, den Prozess realistischer abzubilden, indem der Einfluss der Ausscheidungen auf die Diffusion chemischer Elemente einbezogen wird. Diese Wechselwirkungen prägen direkt die Konzentrationsprofile und die endgültige Geometrie des Bauteils.

Ab Version 5.0 der FORGE®-Software wird die Diffusionsmodellierung die Option „Ausscheidung” enthalten. Sie ermöglicht eine präzise Steuerung und Optimierung der Nitrierprozessparameter. Diese Verbesserung steigert die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit von Simulationen thermochemischer Behandlungen und verkürzt zugleich die Entwicklungszeit industrieller Prozesse erheblich.

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