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Stahlgefüge und Wärmebehandlung – Einsatzhärten und Nitrieren unterscheiden

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Stahlgefüge und Wärmebehandlung – Einsatzhärten und Nitrieren unterscheiden

Einleitung

Dieser aiMOOC richtet sich an Auszubildende in Metalltechnik, Fertigung und Instandhaltung. Du lernst, wie beim Einsatzhärten und beim Nitrieren harte Randschichten entstehen, wie sie geprüft werden und welches Verfahren zu einem Bauteil passt.

Nach dem Kurs kannst Du ...
Einsatzhärten und Nitrieren anhand von Randschicht, Temperaturbereich und Prozessfolge unterscheiden.
typische Bauteile und Werkstoffe einem geeigneten Verfahren zuordnen.
ein Härte-Tiefen-Profil lesen und eine Randschicht fachlich beurteilen.
Wärmebehandlungen unter Sicherheits- und Qualitätsaspekten bewerten.

Sicherheit – verbindlich: Wärmebehandlungsöfen und Werkstücke können so heiß sein, dass schwere Verbrennungen und Brände entstehen. Brennbare Abschreckmedien können sich entzünden. Prozessgase und Abgase können giftig, erstickend oder brennbar sein; beim Gasnitrieren ist insbesondere mit Ammoniak umzugehen, beim Aufkohlen können kohlenstoffhaltige Ofenatmosphären und Kohlenmonoxid eine Rolle spielen. Plasmaanlagen arbeiten zusätzlich mit elektrischer Hochspannung und Vakuumtechnik. Praktische Demonstrationen erfolgen deshalb nur durch bzw. unter unmittelbarer Anleitung von qualifiziertem Fachpersonal, mit geeigneter Ofentechnik, Absaugung, Gasüberwachung, Brandschutz und persönlicher Schutzausrüstung. Keine unbeaufsichtigten Versuche, keine Heimversuche und keine eigenständigen Gas-, Ofen- oder Abschreckexperimente.

Kurze Lerneinheiten

Lerneinheit 1: Warum eine harte Randschicht?

Ein Zahnrad braucht außen hohe Verschleißfestigkeit, soll aber im Kern nicht spröde sein. Deshalb werden bei vielen Stählen gezielt nur die äußeren Bereiche verändert.

Rand	Kern
hohe Härte und Verschleißfestigkeit	Zähigkeit und Tragfähigkeit

Merksatz: Beide Verfahren sind thermochemische Randschichtverfahren. Beim Einsatzhärten diffundiert vor allem Kohlenstoff, beim Nitrieren Stickstoff in die Oberfläche.

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm hilft Dir, Temperatur, Kohlenstoffgehalt und Gefügeänderungen bei Stahl einzuordnen.

Lerneinheit 2: Einsatzhärten

Die typische Prozessidee besteht aus drei Schritten:

Schritt	Wirkung
Aufkohlen	Kohlenstoff gelangt bei austenitischer Temperatur in die Randschicht; typisch etwa 880–950 °C.
Härten	Durch rasches Abkühlen kann in der kohlenstoffreichen Randschicht hartes martensitisches Gefüge entstehen.
Anlassen	Eigenschaften und Spannungszustand werden gezielt eingestellt.

Einsatzstähle besitzen meist einen relativ niedrigen Kohlenstoffgehalt im Kern. Ein typischer Vertreter ist 16MnCr5. Dadurch können harte Randschicht und vergleichsweise zäher Kern kombiniert werden.

Bildhinweis: Die Aufnahme zeigt einen aufgekohlten niedriggekohlten Stahl nach Ofenabkühlung. Sie macht den veränderten Rand sichtbar, zeigt aber nicht das endgültige martensitische Gefüge eines fertig einsatzgehärteten Bauteils.

Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto stärker verändern sich die Bedingungen für die Martensitbildung. Das erklärt, warum die gezielte Kohlenstoffanreicherung am Rand für das Einsatzhärten entscheidend ist.

Typische Anwendungen: Zahnräder, Ritzel, Wellenabschnitte, Bolzen und andere verschleißbeanspruchte Bauteile mit tragfähigem Kern.

Lerneinheit 3: Nitrieren

Beim Nitrieren diffundiert Stickstoff in die Stahloberfläche. Typische Nitriertemperaturen liegen ungefähr bei 500–520 °C. Ein anschließendes Abschrecken zur Martensitbildung ist nicht erforderlich.

Bereich	Kennzeichen
Verbindungsschicht	sehr oberflächennah; enthält Eisen-Nitride und beeinflusst Verschleiß- und Reibungsverhalten.
Diffusionszone	darunter; Stickstoff ist eingelagert bzw. bildet mit geeigneten Legierungselementen Nitride.

Geeignet sind besonders Stähle mit nitridbildenden Elementen wie Chrom, Molybdän, Vanadium oder Aluminium. Weil keine abschließende Abschreckung nötig ist, ist der Verzug typischerweise geringer als beim Einsatzhärten.

Beobachtungsauftrag zum Video: Achte nur auf Anlagenaufbau, Bauteilbehandlung und Prozessprinzip. Das Video ist keine Anleitung zum Nachmachen.

Zweiter Medienvergleich: Welche Unterschiede erkennst Du zwischen Plasma- und Gasnitrieren bei der Anlagentechnik?

Sicherheitsbezug: Gasnitrieren und Plasmanitrieren dürfen in der Ausbildung nur an dafür vorgesehenen Anlagen und unter fachkundiger Aufsicht demonstriert werden. Ammoniak, heiße Oberflächen, Abgase, Vakuumtechnik und elektrische Energie sind Gefahrenquellen.

Lerneinheit 4: Direktvergleich

Merkmal	Einsatzhärten	Nitrieren
eingebrachter Stoff	Kohlenstoff	Stickstoff
typischer Temperaturbereich	etwa 880–950 °C beim Aufkohlen	etwa 500–520 °C
abschließendes Abschrecken	erforderlich für die eigentliche Härtung	nicht erforderlich
Randschichtprinzip	kohlenstoffreicher Rand wird gehärtet	Verbindungsschicht und Diffusionszone entstehen
Verzug	höheres Risiko durch hohe Temperatur und Abschrecken	typischerweise geringer
Werkstoffwahl	z. B. Einsatzstähle wie 16MnCr5	besonders geeignet: nitrierfähige, legierte Stähle
typische Stärke	tiefe tragfähige Randschicht möglich	sehr harte, meist vergleichsweise flachere Randschicht
typische Auswahlfrage	hohe Randschichttragfähigkeit bei zähem Kern?	hohe Oberflächenhärte bei geringer Maßänderung?

Kurzentscheidung: Brauchst Du eine tiefere tragfähige Randschicht und kannst den Härteverzug beherrschen, ist Einsatzhärten häufig passend. Sind geringe Maßänderung und eine sehr harte Funktionsoberfläche besonders wichtig, ist Nitrieren oft vorteilhaft.

Lerneinheit 5: Randschicht messen

Die Randschicht wird nicht nur angeschaut. Häufig wird ein Härte-Tiefen-Profil ermittelt: Von der Oberfläche in Richtung Kern werden Härteeindrücke gesetzt und ausgewertet.

Messwertansicht A – didaktischer Beispieldatensatz, kein realer Abnahmebericht:

Abstand von der Oberfläche	Härte
0,10 mm	730 HV
0,30 mm	700 HV
0,60 mm	620 HV
0,90 mm	540 HV
1,20 mm	410 HV
Kern	320 HV

Auswahlaufgabe: Für diese Übung gilt 550 HV als vorgegebene Grenzhärte. Wo liegt die Grenztiefe ungefähr?

Feedback: Sie liegt zwischen 0,60 mm und 0,90 mm. Bei 0,60 mm sind noch 620 HV vorhanden, bei 0,90 mm nur noch 540 HV. Für eine reale Bauteilabnahme müssen Zeichnung, Prüfvorschrift und die aktuelle Norm angewendet werden.

Messwertansicht B – didaktischer Beispieldatensatz, kein realer Abnahmebericht:

Abstand von der Oberfläche	Härte
0,02 mm	980 HV
0,10 mm	850 HV
0,20 mm	680 HV
0,35 mm	470 HV
0,50 mm	350 HV
Kern	300 HV

Auswahlaufgabe: In dieser Übung wird die Grenzhärte mit 50 HV über der Kernhärte angesetzt. Welche Messtiefe liegt hier am Grenzwert?

Feedback: Die Kernhärte beträgt 300 HV. 300 HV + 50 HV ergeben 350 HV. Dieser Wert wird bei 0,50 mm erreicht. Für reale Prüfungen gelten Zeichnung, Prüfplan und die jeweils aktuelle Norm, insbesondere DIN EN ISO 18203.

Ausbildungsfall: Zwei Bauteile, zwei Entscheidungen

Du arbeitest in der Arbeitsvorbereitung eines Ausbildungsbetriebs.

Bauteil	Anforderung	Werkstoffhinweis
Getrieberitzel	hohe Flankenbeanspruchung, verschleißfeste Randschicht, tragfähiger Kern	16MnCr5
Präzisionsspindel	hohe Oberflächenhärte, geringe Maßänderung nach Fertigbearbeitung	nitridgeeigneter legierter Stahl, z. B. 31CrMoV9

Gestufte Hilfen

Stufe	Hilfe
Hilfe 1	Frage Dich: Soll Kohlenstoff oder Stickstoff die Randschicht verändern?
Hilfe 2	Prüfe die Prozessfolge: Ist ein Härteschritt mit Abschrecken nötig oder nicht?
Hilfe 3	Vergleiche zusätzlich Randschichttiefe, Verzugsempfindlichkeit und Werkstoffeignung.

Basisaufgabe

Auftrag: Ordne den Stofftransport zu: Einsatzhärten – Kohlenstoff oder Stickstoff? Nitrieren – Kohlenstoff oder Stickstoff?

Begründetes Feedback: Einsatzhärten nutzt eine Kohlenstoffanreicherung der Randschicht; Nitrieren nutzt Stickstoff. Die unterschiedlichen diffundierenden Elemente erklären die unterschiedlichen Schichtarten und Prozessfolgen.

Anwendungsaufgabe

Auftrag: Wähle für Getrieberitzel und Präzisionsspindel jeweils das wahrscheinlich passendere Verfahren.

Begründetes Feedback: Für das Ritzel ist Einsatzhärten plausibel, weil 16MnCr5 ein typischer Einsatzstahl ist und eine tragfähige harte Randschicht mit zähem Kern benötigt wird. Für die fertigungsnahe Präzisionsspindel ist Nitrieren plausibel, weil die Behandlung bei niedrigerer Temperatur ohne abschließendes Abschrecken erfolgt und dadurch meist weniger Verzug entsteht.

Transferaufgabe

Auftrag: Die Spindel soll künftig eine deutlich tiefere tragende Randschicht erhalten. Gleichzeitig bleibt eine sehr enge Maßtoleranz bestehen. Welche Zielkonflikte entstehen?

Begründetes Feedback: Eine tiefere tragfähige Randschicht kann für ein einsatzgehärtetes Konzept sprechen, während die enge Maßtoleranz das verzugsarme Nitrieren begünstigt. Eine fachgerechte Entscheidung benötigt deshalb Werkstoff, Soll-Randschichttiefe, Härteprofil, Nachbearbeitungsmöglichkeit, Belastung und zulässige Maßänderung. Es gibt hier nicht automatisch ein einziges Verfahren für alle Randbedingungen.

Fachquellen und Medienrechte

Quelle	Verwendung im Kurs
Wikipedia: Einsatzhärten	Prozessfolge und Grundprinzip
Wikipedia: Nitrieren	Schichtaufbau und Verfahrensprinzip
Stahl-online: Merkblatt 447 – Wärmebehandlung von Stahl	fachlicher Überblick zu Nitrieren und Nitrocarburieren
HÄRTHA: Einsatzhärten	typische Temperaturen, Werkstoffe und Anwendungen
HÄRTHA: Nitrieren	Schichtbildung, Werkstoffe und Eigenschaften
DIN EN ISO 18203:2026-05	aktuelle Norm zur Bestimmung gehärteter Randschichten
DIN 17022-3:2025-11	aktuelle Verfahrensnorm zum Einsatzhärten

Hinweis: Normen können kostenpflichtig sein und werden aktualisiert. Im Betrieb ist immer die aktuell freigegebene Fassung anzuwenden.

Wikimedia-Commons-Medium	auf der Dateiseite ausgewiesener Rechtehinweis
Iron carbon phase diagram.svg	CC BY-SA 4.0
Section of carburized steel.png	Public Domain laut Dateiseite
Carbon dependance of martensite.svg	CC BY-SA 3.0 / GFDL laut Dateiseite
Blick in eine Plasmanitrieranlage.jpg	CC BY-SA 4.0
Plasma Nitriding Equipment.jpg	CC BY-SA 4.0
Vickers hardness.svg	CC0
Case hardened steel-vickers hardness test.png	CC BY-SA / GFDL laut Dateiseite
Hardness tester.jpg	CC BY-SA 4.0
Heat-Treating-Furnace.jpg	freie Lizenzen laut Dateiseite, darunter CC BY-SA
Computerised Heat Treatment Furnance.jpg	CC BY 3.0
Outline of steel heat treatment.jpg	CC BY-SA 4.0

Die YouTube-Videos stammen von der HÄRTHA GROUP. Die Einbettung erfolgt über den YouTube-Player; die Rechte am Videoinhalt verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Prozessfolge beschreibt das Einsatzhärten am besten? (Aufkohlen, Härten, Anlassen) (!Nitrieren, Schleifen, Polieren) (!Glühen, Fräsen, Nitrieren) (!Anlassen, Aufkohlen, Normalisieren)

Welches Element wird beim Einsatzhärten gezielt in der Randschicht angereichert? (Kohlenstoff) (!Stickstoff) (!Sauerstoff) (!Wasserstoff)

Welches Element diffundiert beim Nitrieren in die Oberfläche? (Stickstoff) (!Kohlenstoff) (!Silizium) (!Kupfer)

Warum ist der Verzug beim Nitrieren typischerweise geringer als beim Einsatzhärten? (Weil kein abschließendes Abschrecken zur Martensitbildung nötig ist) (!Weil Nitrieren immer bei Raumtemperatur stattfindet) (!Weil das Bauteil vollständig schmilzt) (!Weil der Stahl keinen Kern mehr besitzt)

Welche Bereiche sind für eine nitrierte Randschicht typisch? (Verbindungsschicht und Diffusionszone) (!Schmelzbad und Gusskruste) (!Lötnaht und Wärmeeinflusszone) (!Oxidschicht und Lackschicht)

Was entsteht beim Härten einer ausreichend kohlenstoffreichen Stahlrandschicht durch schnelles Abkühlen? (Martensit) (!Graphit) (!Messing) (!Keramik)

Wozu dient ein Härte-Tiefen-Profil? (Zur Beurteilung der Härte in Abhängigkeit vom Abstand zur Oberfläche) (!Zur Bestimmung der Bauteilfarbe) (!Zur Messung der elektrischen Kabellänge) (!Zur Ermittlung der Lackschichtfarbe)

Wie dürfen praktische Wärmebehandlungsdemonstrationen in der Ausbildung durchgeführt werden? (Nur fachlich angeleitet und beaufsichtigt) (!Unbeaufsichtigt nach Unterrichtsschluss) (!Als Heimversuch mit offenem Feuer) (!Ohne Brandschutz und Absaugung)

Welche Gefahr ist bei thermochemischen Wärmebehandlungen ausdrücklich zu beachten? (Heiße Werkstücke, Prozessgase, Abgase und Brandgefahr) (!Nur Papierstaub) (!Nur Bildschirmhelligkeit) (!Nur Raumakustik)

Welches Verfahren ist für ein maßempfindliches Bauteil häufig vorteilhaft, wenn eine sehr harte Randschicht bei geringem Verzug gefragt ist? (Nitrieren) (!Weichglühen) (!Schmelzen) (!Lackieren)

Memory

Einsatzhärten	Kohlenstoffrandschicht
Nitrieren	Stickstoffdiffusion
Martensit	Härtungsgefüge
Verbindungsschicht	äußerster Nitrierbereich
Diffusionszone	tieferer Nitrierbereich
Vickers	Härteprüfung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Aufkohlen	Kohlenstoff in die Randschicht einbringen
Abschrecken	martensitische Härtung ermöglichen
Anlassen	Eigenschaften nach dem Härten einstellen
Nitrieren	Stickstoff in die Oberfläche einbringen
Härteprofil	Härte über der Tiefe beurteilen

...

Kreuzworträtsel

Martensit	Welches harte Gefüge kann beim Abschrecken kohlenstoffreicher Austenitbereiche entstehen?
Stickstoff	Welches Element wird beim Nitrieren in die Randschicht eingebracht?
Aufkohlen	Wie heißt der Schritt, bei dem die Oberfläche vor dem Einsatzhärten mit Kohlenstoff angereichert wird?
Vickers	Welche Härteprüfung wird häufig für Härte-Tiefen-Verläufe eingesetzt?
Nitride	Welche Verbindungen können sich beim Nitrieren mit geeigneten Legierungselementen bilden?
Austenit	Welches Gefüge liegt beim Aufkohlen im hohen Temperaturbereich vor?

LearningApps

Lückentext

Beim Einsatzhärten wird die Randschicht zunächst mit

angereichert.

Beim anschließenden Härten kann in der Randschicht

entstehen.

Das Nitrieren bringt

in die Stahloberfläche ein.

Eine nitrierte Randschicht enthält eine oberflächennahe

.

Unter dieser Schicht liegt die

.

Beim Nitrieren ist kein abschließendes

zur Martensitbildung erforderlich.

Ein Härte-Tiefen-Profil wird häufig mit der Härteprüfung nach

aufgenommen.

Praktische Wärmebehandlungen dürfen in der Ausbildung nur fachlich

stattfinden.

Offene Aufgaben

Leicht

Randschicht: Markiere auf einer selbst gezeichneten Bauteilskizze Rand und Kern und beschrifte ihre wichtigsten Aufgaben.
Einsatzhärten: Erstelle eine Drei-Felder-Grafik mit Aufkohlen, Härten und Anlassen. Ergänze zu jedem Feld nur einen Wirkungssatz.
Nitrieren: Zeichne Verbindungsschicht und Diffusionszone schematisch und kennzeichne die Richtung der Stickstoffdiffusion.
Arbeitssicherheit: Entwirf ein Warnplakat zu heißen Werkstoffen, Feuer, Prozessgasen, Abgasen und unbeaufsichtigten Versuchen.

Standard

Härteprüfung: Übertrage Messwertansicht A in ein Koordinatensystem und erkläre, warum ein einzelner Oberflächenwert die Randschicht nicht vollständig beschreibt.
Werkstoffauswahl: Begründe für ein Zahnrad aus 16MnCr5 die Wahl zwischen Einsatzhärten und Nitrieren anhand von Werkstoff, Kernzähigkeit und Randschicht.
Maßhaltigkeit: Entwickle für eine Präzisionsspindel drei Entscheidungskriterien, mit denen Du ein verzugsarmes Verfahren auswählst.
Videoanalyse: Vergleiche die beiden eingebetteten Nitrier-Videos nur anhand sichtbarer Anlagenmerkmale. Führe keine Verfahrensschritte selbst aus.

Schwer

Entscheidungsmatrix: Entwickle eine Matrix mit den Kriterien Randschichttiefe, Verzug, Werkstoff, Verschleiß und Nachbearbeitung und bewerte damit beide Verfahren.
Fehleranalyse: Ein einsatzgehärtetes Zahnrad verzieht sich nach der Behandlung stärker als zulässig. Formuliere mögliche Ursachenketten und geeignete Prüfschritte, ohne praktische Ofenversuche vorzuschlagen.
Qualitätsprüfung: Erstelle einen papierbasierten Prüfplan für ein wärmebehandeltes Bauteil mit Härte-Tiefen-Profil, Maßprüfung, Gefügekontrolle und Dokumentation.
Betriebserkundung: Plane ein Interview oder eine fachlich betreute Exkursion zu einem Wärmebehandlungsbetrieb. Frage nach Verfahren, Qualitätsprüfung, Gasmanagement, Absaugung, Brandschutz und Freigabeprozessen.

Lernkontrolle

Verfahrenswahl: Ein kleines Zahnrad benötigt hohe Flankentragfähigkeit und einen zähen Kern. Begründe eine Verfahrenswahl und nenne zwei Informationen, die Du vor der endgültigen Freigabe zusätzlich brauchst.
Maßhaltigkeit: Erkläre, warum zwei Verfahren mit ähnlich hoher Oberflächenhärte trotzdem sehr unterschiedliche Auswirkungen auf die Maßhaltigkeit haben können.
Härteprofil: Vergleiche zwei Härte-Tiefen-Verläufe mit gleicher Oberflächenhärte, aber unterschiedlichem Abfall zur Kernhärte. Welches Profil wäre für eine tief belastete Randschicht günstiger und warum?
Werkstoff: Ein Stahl enthält nur wenige nitridbildende Legierungselemente. Erläutere, warum die Werkstoffzusammensetzung die Eignung für das Nitrieren beeinflusst.
Sicherheit: Entwickle für eine beobachtete Wärmebehandlungsdemonstration eine Freigabe-Checkliste, die heiße Werkstücke, Brandgefahr, Gas-/Abgasgefahr, Absaugung, Notfallorganisation und Aufsicht berücksichtigt.
Transfer: Ein Kunde fordert gleichzeitig minimale Maßänderung, sehr große Randschichttiefe und geringe Kosten. Zeige mögliche Zielkonflikte und beschreibe, welche Daten für eine belastbare Entscheidung fehlen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen können, dass Du:

Einsatzhärten und Nitrieren anhand von Stofftransport, Prozessfolge und Schichtaufbau unterscheidest.
einen konkreten Bauteilfall mit Werkstoff, Belastung und Maßhaltigkeit begründet einem Verfahren zuordnest.
ein einfaches Härte-Tiefen-Profil auswertest und die Grenzen eines Beispieldatensatzes erkennst.
sicherheitsrelevante Gefahren durch Hitze, Feuer, Abschreckmedien, Prozessgase, Abgase, Hochspannung und Vakuumtechnik benennst.
erklärst, warum praktische Demonstrationen ausschließlich fachlich angeleitet und beaufsichtigt durchgeführt werden dürfen.
eine Entscheidung nicht nur mit Oberflächenhärte, sondern auch mit Randschichttiefe, Kernzustand, Werkstoff und Verzug begründest.

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