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31CrMoV9 / 1.8519: Der Nitrierstahl für höchste Verschleißfestigkeit

Der 31CrMoV9 / 1.8519 gehört zur Werkstoffgruppe der Nitrierstähle. Sie ist genormt in der DIN EN 10085 (früher: DIN 17211) und DIN EN ISO 683-5. Nitrieren ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stahl. Beim Nitrieren wird die Randschicht eines bearbeiteten Werkstücks mit Stickstoff angereichert, weshalb man auch vom Aufsticken spricht. Der eindiffundierte Stickstoff bildet zusammen mit dem Eisen Eisennitride. Gasnitrieren und Plasmanitrieren sind hierbei gängige Verfahren.

Vorteile des Nitrierens sind hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, bei weiterhin hoher Zähigkeit des Kerns. Des Weiteren ist der Materialverzug im Vergleich zu anderen Verfahren der Oberflächenhärtung gering. Beim Nitrieren „wächst“ das Bauteil. Diese geringfügige, gleichmäßige Volumenzunahme muss entsprechend berücksichtigt werden. Beim Plasmatieren fällt sie besonders gering aus.

Nitrierstähle erreichen ihre positiven Eigenschaften durch eine optimale chemische Zusammensetzung der Legierungselemente Molybdän, Chrom, Aluminium und Vanadium. Diese bestimmen wiederum die Ausprägungen der Nitrierhärte und der Nitrierhärtetiefe: Die Nitrierhärte beschreibt hierbei die absolute Härte der Randschicht, die Nitrierhärtetiefe gibt Auskunft über die Dicke der Nitrierschicht. Bei langer Behandlungsdauer kann letztere bis zu 0,9 mm betragen.

Der 31CrMoV9 / 1.8519 zeichnet sich als der Nitrierstahl für höchste Verschleißfestigkeit aus. So weist er beispielsweise im Vergleich zum Werkstoff 34CrAlNi7-10 / 1.8550 wesentlich höhere Nitrierhärtetiefe auf. Die höhere Nitrierhärtetiefe reduziert allerdings die maximal erreichbare Nitrierhärte. Laut DIN EN ISO 683-5 wird die Härte Vickers (HV) nach dem Nitrieren nur mit 800 angegeben. In Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Schmelze, dem Nitrierverfahren und der angestrebten Nitrierhärtetiefe können auch höhere Nitrierhärten erzielt werden. Die Nitriertemperatur des 31CrMoV9 / 1.8519 sollte zwischen 480 und 570 °C liegen.
HERSTA bevorratet den 31CrMoV9 / 8519 im Abmessungsbereich von Ø 18 bis 770 mm. Der Werkstoff ist bei uns standardmäßig spannungsarmgeglüht und zum Teil auch mit geschälter oder vorgedrehter Oberfläche erhältlich.

Der 31CrMoV9 / 1.8519 wird oftmals mit dem Vergütungsstahl 30CrMoV9 / 1.7707 gleichgestellt, der in der zurückgezogenen DIN 17200 von 03.1987 genormt war. Hier sein angemerkt, dass es sich um zwei unterschiedliche Werkstoffe handelt. Zwar haben beide Werkstoffe eine fast identische chemische Zusammensetzung, jedoch unterscheiden sie sich bezüglich Ihrer mechanischen Eigenschaften: Die Spannen für Zugfestigkeit und Streckgrenze des 30CrMoV9 / 1.7707 liegen laut Norm oberhalb der Spannen des 31CrMoV9 / 1.8519, was sich ebenfalls in den reduzierten Kerbschlagzähigkeitswerten widerspiegelt.

31CrMoV9 / 1.8519: Chrom, Molybdän und Vanadium für hohe Verschleißbeständigkeit

Der 31CrMoV9 / 1.8519 erlangt seine hervorragende Nitrierfähigkeit insbesondere durch die Kombination der Legierungselemente Chrom, Molybdän und Vanadium. Der Chromgehalt liegt bei 2,30 bis 2,70 %, der Molybdängehalt bei 0,15 bis 0,25 % und der Vanadiumgehalt bei 0,10 bis 0,20 %. Molybdän und Vanadium geben dem Stahl eine hohe Anlassbeständigkeit.
Im Gegensatz zu einem aluminiumhaltigen Nitrierstahl wie beispielsweise dem 34CrAlNi7-10 / 1.8550 hat der 31CrMoV9 / 1.8519 bessere Reinheitsgrade. Zudem hat er ein feinkörnigeres Gefüge als ein aluminiumhaltiger Nitrierstahl.

Der 31CrMoV9/ 1.8519 ist ein vielseitig einsetzbarer Edelbaustahl, bedingt durch die hohe Verschleißbeständigkeit. Im allgemeinen Maschinenbau und im Fahrzeugbau werden Bauteile mit hoher Oberflächenbeanspruchung aus 31CrMoV9 / 1.8519 gefertigt. Zu nennen sind hier unter anderem Zahnräder, Kurbelwellen, Richtwalzen, Ritzelwellen, Hydraulikkolben und Kolbenstangen.

Breite Anwendung findet der 31CrMoV9 / 1.8519 zudem in der Kunststoffindustrie. Aufgrund seiner Warmfestigkeit bis ca. 450 °C wird er häufig für Führungssäulen („Holme“) von Kunststoffspritzgießmaschinen eingesetzt. Zudem wird er für die Herstellung von Plastifizierungswerkzeugen (Extruder, Schnecken) eingesetzt. Zu beachten ist hier die Reduzierung der Zugfestigkeit bei den Verarbeitungstemperaturen der Kunststoffe. Für einen Einsatz bei klimatisch bedingten Tieftemperaturen ist der 31CrMoV9 / 1.8519 ungeeignet. Der 31CrMoV9 / 1.8519 ist durch den Kohlenstoffgehalt von 0,27 bis 0,34 % nur bedingt für Schweißkonstruktionen verwendbar.

31CrMoV9 / 1.8519: Hohe Festigkeit und geringe Verzugsanfälligkeit

Der 31CrMoV9 / 1.8519 wird bei der Produktion im Stahlwerk üblicherweise vergütet. Hierbei liegen die Härtetemperaturen bei 870 bis 960 °C. Die Anlasstemperaturen liegen bei 580 bis 700 °C. Abhängig vom Abmessungsbereich werden so Zugfestigkeiten zwischen 850 und 1.300 N/mm² erreicht. Um bei Stabstahl mit Durchmessern größer 250 mm die mechanischen Eigenschaften eines Wärmebehandlungsloses bewerten zu können, sind neben den absoluten Messergebnissen auch die Probenlage (Abstand der Probenentnahme unterhalb der Oberfläche) sowie die Prüfrichtung (Längs- oder Quererprobung)) zu berücksichtigen.

Dies ist wichtig, weil die mechanische Nachbearbeitung aufgrund der hohen Nitrierhärte und der relativ geringen Nitrierhärtetiefe und/oder der meist komplizierten Bauteilgeometrie nur begrenzt möglich ist. Zudem werden Nitrierstähle häufig für längere Bauteile eingesetzt, die per se anfälliger für Verzüge sind.
Eine möglichst hohe Maßhaltigkeit, beziehungsweise geringe Verzugsanfälligkeit, wird beim Vergüten maßgeblich von der Analyse und dem gewählten Abschreckmedium beeinflusst. Durch schroffes Abschrecken, zum Teil von etwas erhöhter Härtetemperatur, wird die Bildung von freiem Ferrit unterdrückt. Freier Ferrit hat eine geringe Zugfestigkeit und bildet keinen tragfähigen Untergrund für die Nitrierschicht.

Durch das spannungsarme Glühen kann nach dem Vergüten und Richten (ggf. Vorbearbeiten) der Spannungshaushalt des Stahls verbessert werden, auch die Verzüge werden so beim Nitrierprozess reduziert. Empfohlene Temperaturen für das Glühen liegen bei ca. 20 bis 30° Celsius unterhalb der Anlasstemperatur. Das ist ein Optimum zum Spannungsabbau, ohne dabei die Zugfestigkeit zu reduzieren.
Der 31CrMoV9 / 1.8519 wird erst nach einer mechanischen Bearbeitung beim Hersteller (ggf. Schälen oder Vorarbeiten) spannungsarm geglüht. Da das Material auf der blanken Oberfläche schwarz anläuft, spricht man auch von dunklem Blankstahl.

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