Das Plasmanitrieren (Plasmanitrieren) ist ein plasmagestütztes thermochemisches Härteverfahren, das zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, der Oberflächenhärte und der Ermüdungsfestigkeit eingesetzt wird, indem eine harte Schicht mit Druckspannungen gebildet wird.
Vorteile des Plasmanitrierens
Die Vorteile des Gasnitrierens können durch das Plasmanitrieren noch übertroffen werden. Insbesondere bei hochlegierten Stählen sorgt das Plasmanitrieren für eine hohe Oberflächenhärte und damit für eine verbesserte Verschleiß-, Abrieb-, Fress- und Abriebfestigkeit. Der Anstieg der Festigkeit ist hauptsächlich auf die Erzeugung von Oberflächendruckspannungen zurückzuführen. Plasmanitrieren ist eine gute Wahl, wenn ein Teil sowohl nitrierte als auch erweichte Bereiche haben soll. Die Möglichkeit, eine diffusionsfreie Verbundschicht zu erzeugen, wird häufig beim Plasmanitrieren vor dem Aufbringen von PVD- oder CVD-Schichten genutzt. Denn es lassen sich maßgeschneiderte Schichten und Härteprofile erzielen.
Plasmanitrierung – Anwendungen
Typische Anwendungen sind Zahnräder, Kurbelwellen, Nockenwellen, Nockenstößel, Ventilteile, Extruderschnecken, Druckgusswerkzeuge, Schmiedegesenke, Kaltumformwerkzeuge, Einspritzdüsen und Kunststoffformwerkzeuge, lange Wellen, Achsen, Kupplungen und Motorteile. Plasmanitrieren und Plasmanitrieren sind den entsprechenden Gasverfahren, die eine Maskierung erfordern, im Allgemeinen überlegen. Das Plasmanitrieren eignet sich für alle Eisenwerkstoffe, aber auch für Sinterstähle, Gusseisen und hochlegierte Werkzeugstähle mit hoher Porosität, selbst bei Chromgehalten über 12%. Nichtrostende Stähle und Nickelbasislegierungen können plasmanitriert werden und behalten ihre Korrosionsbeständigkeit bei niedrigen Temperaturen weitgehend bei. Das Plasmanitrieren von Titan- und Aluminiumlegierungen ist eine besondere Anwendung. Für hochbelastete große Maschinenteile, wie Wellen und Spindeln, ist das Nitrieren mit speziellen Chrom- und Aluminiumstählen sehr vorteilhaft, da durch das Plasmanitrieren Oberflächenhärten von über 1000 HV erreicht werden.
Details zum Plasmanitrierverfahren
Das Plasmanitrieren ist ein modernes thermochemisches Verfahren, das in einem Gasgemisch stattfindet, das Stickstoff, Wasserstoff und (optional) Kohlenstoff freisetzt. Bei diesem Niederdruckverfahren wird eine Spannung zwischen dem Werkstück und den Wänden des Ofens erzeugt. Um das Bauteil herum wird eine hochionisierte Glimmentladung (Plasma) erzeugt. Auf den Oberflächen, auf denen die Ionen direkt geladen sind, bilden sich stickstoffhaltige Nitride, die sich zersetzen und reaktiven Stickstoff an die Oberfläche abgeben. Durch diesen Mechanismus kann die Abschirmung leicht erreicht werden, indem der betreffende Bereich mit einer Metalldecke abgedeckt wird. Beim Plasmanitrieren kann die Oberfläche entsprechend den gewünschten Eigenschaften modifiziert werden. Durch die Einstellung des Gasgemisches lassen sich maßgeschneiderte Schichten und Härteverteilungen erzielen: von Oberflächen ohne stickstoffarme Verbundschichten bis zu 20 Mikron bis hin zu Kohlenstoff-Gas-Verbundschichten mit hohem Stickstoffgehalt (Plasmanitrieren). Der breite Temperaturbereich bedeutet, dass viele Anwendungen über die Möglichkeiten von Gas- oder Salzbadverfahren hinausgehen. Einer der größten Vorteile der Plasmabehandlung gegenüber der Wärmebehandlung im Schutzgasofen ist die geringere Umweltbelastung. Ammoniak wird zum Beispiel häufig zum Nitrieren in Öfen mit kontrollierter Atmosphäre verwendet. Beim Plasmanitrieren hingegen kann der Stahl mit Stickstoff und Wasserstoff nitriert werden. Außerdem wird beim Plasmanitrieren nur das Werkstück erwärmt, und es muss nicht der gesamte Innenraum des Ofens beheizt werden, wie es bei einem atmosphärengesteuerten Ofen erforderlich ist.
Vorteile des Plasmanitrierens
1.Das Plasmanitrieren ist viel schneller als andere herkömmliche Nitrierverfahren.
2.Die richtige Steuerung von Temperatur, Atmosphärenzusammensetzung und Entladungsparametern kann zu einer hervorragenden Mikrostruktur und einer besseren Kontrolle der Oberflächenzusammensetzung, Struktur und Eigenschaften des Endprodukts führen.
3.Das Plasmanitrieren ist umweltverträglich.
4. Im Gegensatz zu herkömmlichen Nitrierverfahren kann das Verfahren bei Temperaturen bis zu 350°C durchgeführt werden. Das Niedertemperaturnitrieren ermöglicht es, eine hohe Oberflächenhärte zu erreichen und gleichzeitig die hohe Kernfestigkeit von niedrigtemperaturgehärtetem Stahl zu erhalten. Außerdem wird durch die Behandlung bei so niedrigen Temperaturen der Verzug minimiert.
Das Plasmanitrierverfahren weist einige Nachteile auf:
– Die Sauberkeit der Bauteiloberflächen ist entscheidend, um die Bildung instabiler Lichtbögen während der Heizzyklen zu verhindern,
– Die Komponenten müssen repariert werden, um eine Überhitzung zu vermeiden,
– Aufgrund des Verhältnisses zwischen Leistung und Fläche können Bauteile ähnlicher Größe nicht in einer Charge plasmanitriert werden,
– hohe anfängliche Plasmakosten.
Plasmanitrierung: das Verfahren
Das Plasmanitrieren (auch Plasmanitrieren, gepulstes Plasmanitrieren und Kaltnitrieren oder Plasmahärten genannt) ist ein thermochemisches Wärmebehandlungsverfahren, das zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Verschleißfestigkeit mechanisch beanspruchter Metallteile eingesetzt wird. Durch die besonders schonende Behandlung der Oberfläche werden die Dauerfestigkeit und der Korrosionsschutz des Werkstoffs verbessert. Das Plasmanitrieren bewirkt unter Wärmeeinwirkung eine chemische Umwandlung der Oberflächenschicht durch Diffusion von Stickstoff, der mit dem Werkstückmaterial Nitride bildet. Dies führt zu einer Erhöhung der Oberflächenhärte und zu einer deutlichen Verbesserung der Verschleißfestigkeit. Im Vergleich zum konventionellen Härteverfahren wird das Werkstück bei einer viel niedrigeren Temperatur bearbeitet, was eine hohe Maßgenauigkeit bei dieser Wärmebehandlung gewährleistet. Dadurch entfällt die aufwendige Nachbearbeitung von aufgekohlten Werkstücken oder kann auf ein Minimum reduziert werden, so dass das Plasmanitrieren die Prozesskette weiter einsparen kann. Rohmaterialien können oft in weichem Zustand auf die endgültige Größe gebracht werden und nach der Plasmawärmebehandlung mit wenig oder gar keiner Nachbearbeitung hergestellt werden. Darüber hinaus können Vergütungsstähle mit sehr niedrigen Anlasstemperaturen ohne Verlust der Kernfestigkeit verarbeitet werden. Für das Nitrieren können prinzipiell verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Neben dem Plasmanitrieren sind vor allem das Badnitrieren und das Gasnitrieren bekannt. Unter den Härteverfahren nimmt das Plasmanitrieren aufgrund seiner Reproduzierbarkeit, Umweltfreundlichkeit und Energieeffizienz einen besonderen Platz ein.
Physikalisches Prinzip des Plasmanitrierens
Das Plasmanitrieren ist ein vakuumunterstütztes Verfahren. Das Werkstück bildet die Kathode und die Ofenwand die Anode. Nach dem Entleeren des Chargenbehälters wird ein elektrisches Feld zwischen dem Werkstück und der Ofenwand angelegt. Das zugeführte Prozessgas wird in dem elektrischen Feld gespalten und ionisiert. Es bildet ein leitfähiges Gas – ein Plasma. Wenn der Strom zur Kathode fließt, werden die darin enthaltenen Stickstoff-Ionen beschleunigt und treffen mit hoher Energie auf die Werkstückoberfläche.
Die Auswirkungen des oben beschriebenen Prozesses sind folgende:
– die Oberfläche der Atome gründlich gereinigt wird,
– Passivierungsschichten (z. B. auf rostfreiem Stahl oder rostfreiem Stahl und Titan) werden aufgelöst,
– Oberflächenaktivierung stattfindet,
– die Erwärmung der Nitrierladung erfolgt,
– Stickstoff diffundiert an die Oberfläche des Werkstücks.
Sobald die Verarbeitungstemperatur erreicht ist, beginnt die Haltezeit. Dies hängt von der Art des Materials und der gewünschten Nitrierhärtetiefe ab. Beim Plasmanitrieren beträgt diese Zeit in der Regel 12-50 Stunden. Im Vergleich zum Gasnitrieren benötigt das Plasmanitrieren nur etwa die Hälfte der Haltezeit. Nach einer angemessenen Behandlungszeit wird der Druck durch Befüllen mit Gas ausgeglichen. Die Charge wird dann kontrolliert abgekühlt und das fertige Teil kann bei niedriger Temperatur entnommen werden.