Plasmanitrieren: Funktionsweise, Wirtschaftlichkeit und Vorteile

Plasmanitrieren ist ein thermochemisches Verfahren, bei dem Stickstoff durch eine Glimmentladung im Vakuum in die Stahloberfläche eingebracht wird, sodass eine harte, verschleiß- und ermüdungsbeständige Schicht entsteht, während der Kern des Bauteils zäh bleibt. Das Verfahren wird gewählt, wenn Maßgenauigkeit, geringer Verzug und die Möglichkeit, nur ausgewählte Bereiche zu härten, wichtig sind, zum Beispiel bei Zahnrädern, Wellen, Matrizen und Werkzeugen für Spritzgussformen. Im Folgenden erklären wir, wie der Prozess abläuft, wie er sich vom Gas- und Salzbadnitrieren unterscheidet und für welche Bauteile und Werkstoffe er sich eignet.

Inhaltsverzeichnis

1. So funktioniert das Plasmanitrieren
2. So läuft der Prozess Schritt für Schritt ab
3. Plasmanitrieren im Vergleich zum Gas- und Salzbadnitrieren
4. Vorteile des Plasmanitrierens
5. Grenzen und Nachteile des Verfahrens
6. Anwendungen und Werkstoffe
7. Plasmanitrieren bei Sacher
8. Plasmanitrieren - FAQ

So funktioniert das Plasmanitrieren

Der Prozess läuft in einem geschlossenen Vakuumofen bei niedrigem Druck in einer Atmosphäre aus Stickstoff und Wasserstoff ab. Zwischen der Charge und der Ofenwand wird eine hohe Spannung angelegt. Das Bauteil dient als Kathode, die Ofenwand als Anode. Das Gas wird ionisiert, und es entsteht Plasma, eine leuchtende Glimmentladung um das Bauteil.

Stickstoffionen werden im elektrischen Feld beschleunigt und treffen auf die Bauteiloberfläche. Der Aufprall reinigt sie von Verunreinigungen und dünnen Oxidschichten, erwärmt die Charge und lässt Stickstoff in den Werkstoff diffundieren. Im Stahl bildet der Stickstoff mit Eisen und Legierungselementen harte Nitride.

Das Ergebnis ist eine Nitrierschicht aus zwei Zonen: einer dünnen Verbindungsschicht an der Oberfläche und darunter einer Diffusionszone, in der der Stickstoff im Stahl gelöst ist oder feine Nitridausscheidungen bildet. Gaszusammensetzung und Entladungsparameter erlauben es, Dicke und Aufbau dieser Schicht anzupassen. So lässt sich die Verbindungsschicht beispielsweise begrenzen oder ganz vermeiden, wenn das Bauteil unter hoher Last arbeitet.

Die Prozesstemperatur liegt meist zwischen etwa 350 und 580°C und damit deutlich unter der beim Härten. Bei vergüteten Stählen wird die Nitriertemperatur in der Regel unter der Anlasstemperatur gewählt, sodass der Kern des Bauteils seine Eigenschaften behält.

So läuft der Prozess Schritt für Schritt ab

1. Vorbereitung der Teile. Die Oberfläche muss sauber und entfettet sein, da Verunreinigungen instabile Entladungen verursachen können. Bereiche, die weich bleiben sollen, werden mit mechanischen Abdeckungen geschützt.
2. Beladen und Aufspannen. Die Teile werden so in der Charge angeordnet, dass alle elektrisch richtig verbunden sind und gleichmäßig erwärmt werden.
3. Evakuieren des Ofens. Nach dem Schließen der Kammer wird der Druck abgesenkt und ein Gemisch aus Prozessgasen, meist Stickstoff und Wasserstoff, eingeleitet.
4. Aufheizen und Ionenreinigung. Nach Anlegen der Spannung entsteht Plasma, das die Oberfläche reinigt, aktiviert und die Charge auf Prozesstemperatur erwärmt.
5. Haltezeit. Der Stickstoff diffundiert in den Werkstoff. Die Dauer hängt von der Stahlsorte und der geforderten Nitriertiefe ab und beträgt einige bis mehrere Dutzend Stunden.
6. Kontrollierte Abkühlung. Die Charge kühlt im Ofen in einer Gasatmosphäre ab und kann bei niedriger Temperatur entnommen werden. Dadurch ist der Verzug gering.
7. Qualitätskontrolle. Nach dem Nitrieren werden unter anderem Oberflächenhärte und Maße der Teile geprüft.

Plasmanitrieren im Vergleich zum Gas- und Salzbadnitrieren

Das Plasmanitrieren ist eines der drei am häufigsten eingesetzten Verfahren. Die folgende Übersicht zeigt die wichtigsten Unterschiede. Die Werte sind Richtwerte und hängen von der Stahlsorte und den Anforderungen ab.

Die wichtigsten Argumente für das Plasmaverfahren sind die Kontrolle über den Schichtaufbau, die Möglichkeit, bei niedriger Temperatur zu nitrieren, und das einfache Abdecken.

Vorteile des Plasmanitrierens

• Hohe Härte und Verschleißbeständigkeit. Die harte Randschicht begrenzt Abrieb, Fressen und Ermüdungsverschleiß. Bei Stählen mit Chrom, Molybdän und Vanadium kann die Oberflächenhärte 1000 HV überschreiten.
• Minimaler Verzug. Niedrige Temperatur und langsame Abkühlung im Ofen ohne Abschrecken in Flüssigkeit sorgen dafür, dass sich die Maße der Teile kaum ändern. Oft können sie schon vor dem Nitrieren fertig bearbeitet werden.
• Kontrolle des Schichtaufbaus. Gaszusammensetzung, Temperatur und Entladungsparameter erlauben es, die Schichtdicke anzupassen und die spröde Verbindungsschicht zu begrenzen oder zu vermeiden.
• Nitrieren ausgewählter Bereiche. Bereiche, die weich bleiben sollen, werden mechanisch abgedeckt, ohne galvanische Schutzschichten.
• Gleichmäßigkeit bei komplexen Formen. Das Plasma umgibt das Bauteil, daher eignet sich das Verfahren für komplexe Geometrien, auch mit Bohrungen und Nuten.
• Breites Werkstoffspektrum. Nitriert werden können nicht nur Baustähle, sondern auch Werkzeugstähle, nichtrostende Stähle, Gusseisen und Sinterstähle.
• Geringere Umweltbelastung. Im Prozess werden Stickstoff und Wasserstoff statt Ammoniak eingesetzt, und der Gasverbrauch ist gering.

Grenzen und Nachteile des Verfahrens

Das Plasmanitrieren ist nicht für jedes Bauteil die richtige Lösung. Einige Einschränkungen sind zu beachten:

• Sauberkeit der Oberfläche. Verunreinigungen können instabile Lichtbögen verursachen, daher müssen die Teile sorgfältig vorbereitet werden.
• Chargenaufbau. Die Wärmemenge hängt von der Oberfläche des Bauteils ab, deshalb lassen sich sehr unterschiedliche Formen und Größen kaum in einer Charge kombinieren. Die Teile müssen so angeordnet werden, dass ausgewählte Bereiche nicht überhitzen.
• Werkstoff. Die besten Ergebnisse liefern Stähle mit nitridbildenden Elementen wie Chrom, Molybdän und Vanadium. Bei unlegierten Stählen ist die Schicht dünner und weniger hart.
• Begrenzte Nitriertiefe. Das Nitrieren erzeugt eine Schicht von einigen zehn bis einigen hundert Mikrometern. Bei sehr hohen Flächenpressungen kann ein anderes Verfahren erforderlich sein.
• Kosten. Die Vakuumanlage ist teuer, und die Wirtschaftlichkeit hängt von Seriengröße und Ofenauslastung ab.

Anwendungen und Werkstoffe

Das Plasmanitrieren wird bei Teilen eingesetzt, die mechanisch belastet werden und Abrieb, Fressen oder Materialermüdung ausgesetzt sind. Typische Beispiele sind:

• Zahnräder, Wellen, Achsen und Nockenwellen,
• Ventil- und Einspritzdüsenteile,
• Schnecken und Zylinder von Extrudern,
• Druckgussformen und Kunststoff-Spritzgussformen,
• Schmiedegesenke und Kaltumformwerkzeuge.

Am besten eignen sich Stähle mit Chrom, Molybdän, Vanadium oder Aluminium, da diese Elemente harte Nitride bilden. Das Verfahren wird auch bei Werkzeugstählen, nichtrostenden Stählen, Gusseisen und Sinterstählen eingesetzt. Bei nichtrostenden Stählen müssen die Parameter so gewählt werden, dass der Verlust an Korrosionsbeständigkeit begrenzt bleibt.

Ein guter Kandidat ist ein Bauteil, das vor dem Nitrieren fertig bearbeitet wird, da die Maßänderungen nach dem Prozess gering sind.

Plasmanitrieren bei Sacher

Das Plasmanitrieren führen wir im eigenen Haus durch, im Rahmen der Wärmebehandlung von Sacher. Wir verbinden es mit Zerspanung, Schleifen, Erodieren und Qualitätskontrolle, sodass das Bauteil den gesamten Prozess an einem Ort durchläuft. Das verkürzt die Durchlaufzeit, reduziert Transporte zwischen Betrieben und gibt Ihnen einen Ansprechpartner, der für das Endergebnis verantwortlich ist.

Die typische Reihenfolge ist Grobbearbeitung, Vergüten, Fertigbearbeitung, Nitrieren und bei Bedarf Oberflächenfinish. Den Prozessablauf legen wir passend zu Werkstoff und Zeichnungsanforderungen fest.

Für ein Angebot senden Sie uns bitte:

• eine Zeichnung oder ein 3D-Modell des Bauteils,
• die Stahlsorte oder den Werkstoff,
• Stückzahl und Termin,
• die geforderte Härte und Nitriertiefe, falls angegeben,
• Angaben, welche Flächen nicht nitriert werden sollen.

Plasmanitrieren - FAQ

Verändert das Plasmanitrieren die Maße eines Bauteils?

Das Plasmanitrieren verändert die Maße eines Bauteils nur geringfügig und vorhersehbar. Wegen der niedrigen Temperaturen und des fehlenden Abschreckens in Flüssigkeit ist der Verzug gering, daher werden oft bereits fertig bearbeitete Teile nitriert.

Welche Härte lässt sich erreichen?

Die Härte hängt von der Stahlsorte und den Prozessparametern ab. Bei Stählen mit Chrom, Molybdän und Vanadium kann die Oberflächenhärte 1000 HV überschreiten. Den konkreten Wert bestätigen wir für den jeweiligen Werkstoff.

Worin unterscheidet sich das Nitrieren vom Einsatzhärten?

Beim Einsatzhärten muss der Stahl auf hohe Temperatur erwärmt und abgeschreckt werden, was meist zu stärkerem Verzug führt. Das Nitrieren erfolgt bei niedrigerer Temperatur und erfordert nach dem Prozess kein Abschrecken.

Kann nichtrostender Stahl nitriert werden?

Ja, nichtrostender Stahl kann nitriert werden. Das Plasma entfernt die dünne Passivschicht, und die Prozessparameter werden so gewählt, dass die Korrosionsbeständigkeit möglichst wenig beeinträchtigt wird.

Kann auch nur ein Teil des Bauteils nitriert werden?

Ja, es kann auch nur ein Teil des Bauteils nitriert werden. Bereiche, die weich bleiben sollen, werden mit mechanischen Abdeckungen geschützt.