Plasmanitrieren ist ein plasmagestützter thermochemischer Härtungsprozess, der zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, Oberflächenhärte des Metalls und Ermüdungsfestigkeit durch Bildung einer harten Schicht mit Druckspannungen eingesetzt wird.
Vorteile der angewandten Plasmanitrier-Methode
Die Vorteile des Gasnitrierprozesses können durch Plasmanitrieren übertroffen werden. Insbesondere bei Hochleistungslegierungen - Plasmanitrieren sorgt für eine hohe Oberflächenhärte und verbessert so die Verschleiß-, Abrieb-, Reib- und Fressfestigkeit. Die Steigerung der Festigkeit resultiert hauptsächlich aus der Erzeugung von Oberflächendruckspannungen. Das Nitrieren von rostfreiem Stahl ist eine gute Wahl, wenn ein Teil sowohl nitrierte als auch weichgeglühte Bereiche haben muss. Die Möglichkeit, eine diffusionsfreie Verbundschicht zu erzeugen, wird oft beim Plasmanitrieren vor dem Auftragen von PVD- oder CVD-Beschichtungen genutzt. Denn mit der richtigen Wärmebehandlung können maßgeschneiderte Schichten und Härteprofile erzielt werden.
Plasmanitrieren - Anwendung
Typische Anwendungen machen diese Technik zur Metallveredelung immer häufiger, wenn es um Zahnräder, Kurbelwellen, Nockenwellen, Nockenheber, Ventilteile, Extruderschrauben, Druckgusswerkzeuge, Schmiedematrizen, Kaltumformwerkzeuge, Spritzgussmaschinen und Kunststoffformwerkzeuge, lange Wellen, Achsen, Kupplungen und Motorteile geht. Die Plasmanitrierung ist generell besser als entsprechende Gasprozesse, die eine Maskierung erfordern. Plasmanitrierung eignet sich für alle Eisenwerkstoffe, aber auch für gesinterte Stähle, Gusseisen und hochlegierte Werkzeugstähle mit hoher Porosität, selbst mit einem Chromgehalt von über 12%. Rostfreie Stähle und Nickelbasislegierungen können plasmanitriert werden und behalten den Großteil ihrer Korrosionsbeständigkeit bei niedrigen Temperaturen bei. Eine besondere Anwendung ist die Plasmanitrierung von Titan- und Aluminiumlegierungen. Bei hohen Belastungen großer Teile von Maschinen, wie Wellen und Spindeln, ist die Nitrierung mit speziellen Chrom- und Aluminiumstählen sehr vorteilhaft, da die Plasmanitrierung eine Oberflächenhärte von über 1000 HV erzeugt.
Details des Plasmastickstoffprozesses
Plasmanitrieren ist ein moderner thermochemischer Prozess, der in einer Mischung von Gasen stattfindet, die Stickstoff, Wasserstoff und (optional) Kohlenstoff freisetzen. Während dieses Niederdruckprozesses wird eine Spannung zwischen der Charge und den Ofenwänden angelegt. Um das Element herum wird eine Hochionisations-Glimmentladung (Plasma) erzeugt. Auf Oberflächen, auf denen die Ionen direkt geladen sind, bilden sich stickstoffreiche Nitride, die sich zersetzen und reaktiven Stickstoff auf die Oberfläche freisetzen. Durch diesen Abschirmmechanismus kann leicht erreicht werden, indem der entsprechende Bereich mit einer Metalldecke abgedeckt wird. Plasmanitrieren ermöglicht die Modifikation von Oberflächen gemäß den gewünschten Eigenschaften. Durch Anpassung der Gasgemische können Schichten und Härteverteilungen erzeugt werden, die auf die Bedürfnisse des Kunden zugeschnitten sind: von oberflächenlosen, niedrigstickstoffhaltigen Verbundschichten mit einer Dicke von bis zu 20 Mikrometern bis hin zu hochstickstoffhaltigen Kohlengasverbundschichten (Plasmanitrieren). Der breite Temperaturbereich macht viele Anwendungen über die Möglichkeiten von Gas- oder Salzbädern hinaus möglich. Einer der größten Vorteile der Plasmawärmebehandlung gegenüber der Wärmebehandlung in einem Ofen mit kontrollierter Atmosphäre ist ihre geringere Umweltauswirkung. Zum Beispiel wird Ammoniak häufig zum Nitrieren in Öfen mit kontrollierter Atmosphäre verwendet. Bei der Plasmanitriertechnik kann Stahl jedoch mit Stickstoff und Wasserstoff genitriert werden. Darüber hinaus erhitzt das Plasmanitrieren nur das bearbeitete Objekt und erfordert nicht das Heizen des gesamten Ofeninneren, was bei einem Ofen mit Atmosphärenkontrolle erforderlich ist, und der Zerfall der erhitzten Stickstoffmoleküle unterstützt den Nitrierprozess noch weiter.
Vorteile der Plasmanitrierung
1. Die Plasmanitrierung ist deutlich schneller als andere herkömmliche Nitrierungstechniken.
2. Eine angemessene Kontrolle der Temperatur, der Atmosphärenzusammensetzung und der Entladungsparameter kann zu einer hervorragenden Mikrostruktur und einer besseren Kontrolle der Oberflächenzusammensetzung, Struktur und Eigenschaften des Endprodukts führen.
3. Die Plasmanitrierung ist umweltfreundlich.
4. Im Gegensatz zu herkömmlichen Nitriermethoden kann dieser Prozess bei Temperaturen bis zu 350°C ablaufen. Niedertemperaturnitrieren ermöglicht eine hohe Oberflächenhärte bei gleichzeitiger Erhaltung der hohen Festigkeit des Kerns von bei niedriger Temperatur gehärtetem Stahl. Darüber hinaus minimiert die Bearbeitung bei solch niedrigen Temperaturen Verformungen.
Es gibt mehrere Nachteile des Plasmanitrierprozesses:
– die Reinheit der Oberflächen der Komponenten ist entscheidend, um die Bildung instabiler Bögen während der Heizzyklen zu verhindern,
– Teile benötigen Reparaturen, um Überhitzung zu vermeiden,
– aufgrund der Leistungs-/Flächenabhängigkeit können Komponenten aus verschiedenen Eisenlegierungen ähnlicher Größe nicht in einer Charge plasmagenitriert werden,
– hohe Anfangskosten für Plasma.
Plasmanitrieren: Prozess
Die Plasmanitrierung (auch bekannt als gepulste Plasmanitrierung und Kalt- oder Plasmahärtung) ist ein thermochemischer Wärmebehandlungsprozess, der zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Verschleißfestigkeit von mechanisch belasteten Metallteilen eingesetzt wird. Durch eine besonders schonende Oberflächenbehandlung werden die Ermüdungsfestigkeit und der Korrosionsschutz des Materials verbessert. Unter dem Einfluss von Wärme führt die Plasmanitrierung zu einer chemischen Umwandlung der Oberflächenschicht durch Stickstoffdiffusion, der Nitride mit dem bearbeiteten Material bildet. Dies führt zu einer Erhöhung der Oberflächenhärte und einer erheblichen Verbesserung der Verschleißfestigkeit. Im Vergleich zum herkömmlichen Härteprozess wird das bearbeitete Werkstück bei deutlich niedrigeren Temperaturen gehalten, was eine hohe Maßgenauigkeit bei dieser Wärmebehandlung gewährleistet. Als Ergebnis ist eine kostspielige Endbearbeitung von carbonisierten Teilen nicht mehr notwendig oder kann auf ein Minimum reduziert werden, wodurch die Plasmanitrierung die Prozesskette weiter einsparen kann. Rohstoffe können oft in weichem Zustand auf die endgültige Größe gefertigt und nach der Plasmawärmebehandlung mit wenig oder keiner Endbearbeitung durchgeführt werden. Darüber hinaus können Stähle, die einer Wärmebehandlung bei sehr niedrigen Anlasstemperaturen unterzogen wurden, ohne Verlust der Kernfestigkeit bearbeitet werden. Grundsätzlich können verschiedene Prozesse für die Nitrierung verwendet werden. Neben der Plasmanitrierung sind auch das Badnitrieren und das Gasnitrieren bekannt. Unter den Härteprozessen nimmt die Plasmanitrierung aufgrund ihrer Wiederholbarkeit, Umweltfreundlichkeit und Energieeffizienz einen besonderen Platz ein.
Physikalisches Prinzip der Plasmanitrierung
Die Plasmanitrierung ist ein vakuumgestützter Prozess. Das zu bearbeitende Objekt bildet die Kathode und die Ofenwand die Anode. Nach dem Entleeren des Ladungstanks wird ein elektrisches Feld zwischen der Charge und der Ofenwand angelegt. Das zugeführte Prozessgas wird im elektrischen Feld geknackt und ionisiert. Es bildet ein leitendes Gas - Plasma. Wenn der Strom zur Kathode fließt, werden die darin enthaltenen Stickstoffionen beschleunigt und treffen mit hoher Energie auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Objekts. Die Auswirkungen des oben genannten Prozesses sind wie folgt:
– die Oberfläche der Atome wird gründlich gereinigt,
– Passivierungsschichten (z.B. auf Edelstahl oder Titan) werden gelöst,
– die Oberflächenaktivierung findet statt,
– das Material wird zum Nitrieren erhitzt,
– Stickstoff diffundiert auf die Oberfläche des bearbeiteten Gegenstandes, was dazu führt, dass die Absorption des entstandenen Stickstoffs anders verläuft.
Nach Erreichen der Verarbeitungstemperatur beginnt die Haltezeit. Dies hängt von der Art des Materials und der erforderlichen Tiefe der Nitrierhärte ab. Bei der Plasmanitrierung beträgt diese Zeit normalerweise 12-50 Stunden. Im Vergleich zur Gasnitrierung erfordert die Plasmanitrierung nur etwa die Hälfte der Haltezeit. Nach der entsprechenden Bearbeitungszeit wird der Druck durch Befüllen mit Gas ausgeglichen. Die Ladung wird dann auf kontrollierte Weise abgekühlt und das fertige Teil kann bei niedriger Temperatur entnommen werden.
Zusammenfassung
Stickstoffierungsprozesse sind für Stahloberflächen vorgesehen, bei denen es zu keinen größeren Belastungen und physikalischen Veränderungen kommen darf. Dieser Prozess gewährleistet eine angemessene Temperaturkontrolle, Mikrostruktur und eine bessere Kontrolle der Oberflächenzusammensetzung - sogar für spezielle Stahlsorten. Es benötigt keine zusätzliche Wärmebehandlung und reduziert den Verschleiß der Maschine. Denken Sie auch daran, dass der Stickstoffierungsprozess auch mit der Verwendung von Ammoniak verbunden ist.