Plasmanitriertechnik Dr. Böhm

Plasmawärmebehandlung

Verfahren

Das Plasmanitrieren ist ein Verfahren der thermochemischen Wärmebehandlung. Unter Einwirkung von Wärme erfolgt eine chemische Randschichtumwandlung. Dies geschieht durch Eindiffusion von Stickstoff, der mit dem Werkstoff zu Nitriden reagiert. Nitrieren kann prinzipiell mit verschiedenen Verfahren erfolgen. Bekannt sind neben dem Plasmanitrieren das Badnitrieren und das Gasnitrieren.

Die Vorteile des Plasmanitrierens sind:

Gegenüber dem Badnitrieren

Schichten sind weniger spröde und porös
geringere Maßänderungen durch niedrigere Behandlungstemperaturen
Schichtaufbau kann an die Beanspruchung angepasst werden
Oberflächen sind nach dem Prozeß sauber

Gegenüber dem Gasnitrieren

geringere Maßänderungen durch niedrigere Behandlungstemperaturen
Schichten sind weniger spröde und porös
Schichtaufbau kann an die Beanspruchung angepasst werden
kürzere Behandlungszeiten

Durch eine gezielte Steuerung des Schichtaufbaus kann das Behandlungsergebnis an die Beanspruchung angepasst werden. Eine mechanische Nachbearbeitung ist häufig nicht mehr erforderlich.

Die Nitrierschichten bestehen prinzipiell aus der äußeren Verbindungsschicht (VS), die bis zu ca. 20 µm dick sein kann. Diese besteht aus Eisennitriden – dem stickstoffreicheren ε-Nitrid Fe₂-₃N und dem eisenreicheren γ`-Nitrid Fe₄N. Darunter liegt die Diffusionsschicht (DS), die aus dem Grundwerkstoff mit ausgeschiedenen Nitriden besteht. Die erreichbare Härte an der Oberfläche ist um so höher, je mehr nitridbildende Elemente sich im Stahl befinden. Darin liegt die Ursache, dass unlegierte Stähle nur Oberflächenhärten von 250 – 300 HV, niedriglegierte Stähle 600 – 700 HV und Nitrier- und hochlegierte Stähle 800 – 1200 HV erreichen.

Der Kennwert Nitrierhärtetiefe Nht ist definiert als der Randabstand, bei dem Kernhärte + 50 HV vorliegen. Übliche Nht sind bis 0,8 mm bei un- und niedriglegierten Stählen und bis 0,15 mm bei hochlegierten Stählen.

Der Prozeß des Plasmanitrierens ist ein vakuumgestützter Prozeß. Die zu behandelnden Teile bilden als Charge die Kathode, die Ofenwandung ist die Anode. Nach Evakuierung wird zwischen der Charge und der Ofenwand ein elektrisches Feld angelegt. Das zugeführte Behandlungsgas spaltet sich im elektrischen Feld auf und wird ionisiert. Die Stickstoffionen werden in Richtung der Kathode beschleunigt und treffen mit hoher Energie auf die Werkstückoberflächen auf. Dies führt zu:

Feinreinigung der Oberflächen durch Absputtern von Fremdatomen
Auflösen von Passivschichten (z.B. auf nichtrostenden Stählen und Titan)
Aufheizen der Teile
Bei ausreichender Temperatur Diffusion des Stickstoffs in die Werkstücke

Ist die Behandlungstemperatur erreicht, beginnt die Haltezeit. Diese richtet sich nach der Werkstoffart und der gewünschten Nitrierhärtetiefe. Übliche Haltezeiten betragen 12 – 50 Stunden. Gegenüber dem Gasnitrieren ist etwa die halbe Haltezeit erforderlich.

Nach der entsprechenden Behandlungszeit wird durch Fluten mit einem Gas ein Druckausgleich herbeigeführt. Danach kühlt die Charge langsam ab.

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Anwendungsgebiete des Plasmawärmebehandlungsverfahrens

1. Plasmanitrieren von Stählen

Es wird eine Eisennitridschicht an der Oberfläche zur Bildung gebracht. Während mechanisch bearbeitete Teile vor dem Plasmanitrierprozeß metallisch blank sind, erhalten sie beim Nitrieren je nach Technologie eine noch blanke bis matt-graue Farbe.

2. Plasmanitrieren mit Nachoxidation

Eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit wird durch Bildung einer Eisenoxidschicht auf der Nitrierschicht erreicht. Dies geschieht durch Zugabe eines oxidierenden Medium in die Behandlungsanlage am Prozeßende. Die so behandelten Teile haben ein dunkelblaues bis schwarzes Aussehen.

3. Plasmanitrocarburieren

Bei Teilen mit extremen Verschleißbeanspruchungen bietet sich statt des Plasmanitrierens ein Plasmanitrocarburieren an. Damit lassen sich dickere Verbindungsschichten mit höherem Verschleißwiderstand erzeugen. Neben dem Stickstoff wird dabei Kohlenstoff zur Diffusion gebracht. Besonders geeignet sind dafür un- und niedriglegierte Stähle mit geringen Kohlenstoffgehalten. Die so erzeugte Verbindungsschicht enthält überwiegend ε-Carbonitride Fe_2-3CN.

4. Plasmanitrieren von Nichteisenmetallen

Prinzipiell eignen sich neben den Eisenwerkstoffen Titan- und Aluminiumlegierungen zum Plasmanitrieren. Titan und Aluminium sind Nitridbildner, d.h. sie reagieren mit dem Stickstoff.

Auf Titanlegierungen bildet sich nach ausreichender Behandlungszeit und –temperatur, wobei sich die Passivschicht auflösen muß, eine matt-goldene Schicht an der Oberfläche. Der Verschleißwiderstand wird erhöht. Diffusionsschicht wird bei Titan nicht ausgebildet.

Bei Aluminium dagegen bildet sich unter geeigneten Bedingungen nach Auflösung der Passivschicht eine Aluminiumnitridschicht. Da diese elektrisch isolierend wirkt und damit den Prozeßablauf beeinflusst, ist die Anwendung in der Lohnbehandlung schwierig. Eigene Untersuchungen haben jedoch unter Bedingungen einer Implantation geringer Mengen Stickstoff in den Werkstoff eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes ergeben. Die silberne Farbe der Aluminiumlegierung bleibt erhalten.