Plasma-nitreren is een thermochemisch hardingsproces met plasma-ondersteuning dat wordt gebruikt om de slijtvastheid, de hardheid van metaaloppervlakken en de vermoeiingssterkte te verbeteren door een harde laag te vormen die drukspanningen bevat.
Voordelen van plasma nitreren
De voordelen van het gasnitreren worden overtroffen door plasmanitreren. Vooral in het geval van hooggelegeerde legeringen biedt plasmanitreren een hoge oppervlaktehardheid, waardoor de weerstand tegen slijtage, schuren, schuren en vreten verbetert. De toename in sterkte is voornamelijk het gevolg van het genereren van drukspanningen op het oppervlak. Nitreren van roestvast staal is een goede keuze als een onderdeel zowel genitreerde als zacht gemaakte delen moet hebben. De mogelijkheid om een diffusievrije samengestelde laag te vormen wordt vaak gebruikt bij plasmanitreren voorafgaand aan het aanbrengen van PVD- of CVD-coatings. Dit komt doordat aangepaste lagen en hardheidsprofielen kunnen worden bereikt tijdens de juiste warmtebehandeling.
Plasma-nitreren - toepassingen
Typische toepassingen van deze techniek voor metalen oppervlakken zijn tandwielen, krukassen, nokkenassen, nokkenstoters, kleponderdelen, extruderschroeven, spuitgietgereedschap, smeedmatrijzen, koudvormgereedschap, injectoren en gereedschappen voor kunststofvormen, lange assen, assen, koppelingen en motoronderdelen. Plasma-nitreren is over het algemeen superieur aan overeenkomstige gasprocessen, waarvoor maskering nodig is. Plasmanitreren is geschikt voor alle ferromaterialen, maar ook voor gesinterd staal, gietijzer en hooggelegeerd gereedschapsstaal met een hoge porositeit, zelfs met chroomgehaltes van meer dan 12%. Roestvast staal en legeringen op nikkelbasis kunnen worden genitreerd en behouden het grootste deel van hun corrosieweerstand bij lage temperaturen. Plasmanitreren van titanium en aluminiumlegeringen is een bijzondere toepassing. Voor zware belastingen op grote machineonderdelen, zoals assen en spindels, is nitreren met speciale chroom- en aluminiumstalen zeer nuttig, omdat plasmanitreren oppervlaktehardheden van meer dan 1000 HV oplevert.
Details plasma nitreerproces
Plasma-nitreren is een ultramodern thermochemisch proces dat plaatsvindt in een gasmengsel waarbij stikstof, waterstof en (optioneel) koolstof vrijkomen. Tijdens dit lagedrukproces wordt er spanning uitgeoefend tussen het werkstuk en de ovenwanden. Rond het onderdeel wordt een gloei-ontlading (plasma) met hoge ionisatie gegenereerd. Op de oppervlakken waar de ionen direct worden geladen, worden stikstofrijke nitriden gevormd en afgebroken, waarbij reactieve stikstof aan het oppervlak vrijkomt. Door dit mechanisme kan afscherming eenvoudig worden bereikt door het relevante gebied te bedekken met een metalen deken. Met plasma-nitreren kan het oppervlak worden aangepast aan de gewenste eigenschappen. Door het gasmengsel aan te passen kunnen lagen en hardheidsverdelingen op maat worden gemaakt: van oppervlakken zonder samengestelde lagen met een laag stikstofgehalte tot 20 micron tot samengestelde lagen met koolstofgas en een hoog stikstofgehalte (plasmanitreren). Het brede temperatuurbereik dat wordt gebruikt, betekent dat veel toepassingen de mogelijkheden van gas- of zoutbadprocessen te boven gaan. Een van de grootste voordelen van plasmawarmtebehandeling ten opzichte van warmtebehandeling in ovens met gecontroleerde atmosfeer is de lagere milieubelasting. Voor nitreren in ovens met gecontroleerde atmosfeer wordt bijvoorbeeld vaak ammoniak gebruikt. Bij plasmanitreren daarentegen kan staal worden genitreerd met stikstof en waterstof. Bovendien verwarmt het plasmanitreren alleen het werkstuk en hoeft niet het hele interieur van de oven verwarmd te worden, wat wel nodig is voor een atmosfeergestuurde oven, en de verdeling van de verwarmde stikstofmoleculen ondersteunt het nitreerproces nog meer.
Voordelen van plasmanitreren
1) Plasmanitreren is veel sneller dan andere conventionele nitreertechnieken.
2) Een goede beheersing van de temperatuur, de samenstelling van de atmosfeer en de ontladingsparameters kan resulteren in een uitstekende microstructuur en een betere beheersing van de oppervlaktesamenstelling, structuur en eigenschappen van het eindproduct.
3) Plasma-nitreren is milieuvriendelijk.
4) In tegenstelling tot conventionele nitreermethoden kan het proces worden uitgevoerd bij temperaturen tot 350 °C. Nitreren bij lage temperatuur maakt het mogelijk om een hoge oppervlaktehardheid te bereiken met behoud van de hoge kernsterkte van bij lage temperatuur gehard staal. Bovendien minimaliseert de behandeling bij zulke lage temperaturen de vervorming.
Er zijn verschillende nadelen aan het plasma-nitreerproces:
- Reinheid van het oppervlak van onderdelen is cruciaal om de vorming van onstabiele vlambogen tijdens verhittingscycli te voorkomen,
- onderdelen moeten gerepareerd worden om oververhitting te voorkomen,
- vanwege de verhouding vermogen/oppervlak kunnen onderdelen van verschillende ijzerlegeringen van vergelijkbare grootte niet in één batch worden genitreerd,
- hoge initiële plasmakosten.
Plasma-nitreren: het proces
Plasma-nitreren (ook bekend als gepulseerd plasma-nitreren en koud-nitreren of plasmaharden) is een thermochemisch warmtebehandelingsproces dat wordt gebruikt om de betrouwbaarheid en slijtvastheid van mechanisch belaste metalen onderdelen te verbeteren. Door het oppervlak op een bijzonder voorzichtige manier te behandelen, wordt de vermoeiingssterkte en corrosiebescherming van het materiaal verbeterd. Onder invloed van warmte veroorzaakt het plasma-nitreren een chemische transformatie van de oppervlaktelaag door de diffusie van stikstof, die nitriden vormt met het materiaal van het werkstuk. Dit resulteert in een toename van de oppervlaktehardheid en een aanzienlijke verbetering van de slijtvastheid. Vergeleken met het conventionele hardingsproces wordt het werkstuk bij een veel lagere temperatuur behandeld, wat zorgt voor een hoge maatnauwkeurigheid bij deze warmtebehandeling. Hierdoor is kostbare nabewerking van gecarboneerde werkstukken niet langer nodig of kan tot een minimum worden beperkt, zodat plasmanitreren de procesketen verder kan besparen. Grondstoffen kunnen vaak in zachte toestand op eindmaat worden geproduceerd en kunnen na de plasmahittebehandeling met weinig of geen nabewerking worden gemaakt. Bovendien kunnen warmtebehandelde staalsoorten met zeer lage ontlaattemperaturen worden verwerkt zonder verlies van kernsterkte. In principe kunnen verschillende processen worden gebruikt voor nitreren. Naast plasmanitreren zijn ook badnitreren en gasnitreren bekend. Onder de hardingsprocessen neemt het plasmanitreren een speciale plaats in vanwege de reproduceerbaarheid, milieuvriendelijkheid en energie-efficiëntie.
Het fysische principe van plasmanitreren
Plasma-nitreren is een vacuümproces. Het werkstuk vormt de kathode en de ovenwand de anode. Na het legen van de ladingstank wordt een elektrisch veld aangelegd tussen het werkstuk en de ovenwand. Het toegevoerde procesgas wordt in het elektrische veld gekraakt en geïoniseerd. Het vormt een geleidend gas - een plasma. Wanneer de stroom naar de kathode vloeit, worden de daarin aanwezige stikstofionen versneld en slaan ze met hoge energie in op het werkstukoppervlak. De effecten van het bovenstaande proces zijn als volgt:
- het oppervlak van de atomen wordt grondig gereinigd,
- passiveerlagen (bijv. op roestvrij staal of roestvrij staal en titanium) worden opgelost,
- activering van het oppervlak vindt plaats,
- verhitting van de nitreerlading vindt plaats,
- stikstof diffundeert naar het oppervlak van het werkstuk, waardoor een andere opname van de resulterende stikstof plaatsvindt.
Zodra de verwerkingstemperatuur is bereikt, begint de wachttijd. Deze hangt af van het type materiaal en de gewenste hardheidsdiepte van het nitreren. Voor plasmanitreren is deze tijd meestal 12-50 uur. Vergeleken met gasnitreren vereist plasmanitreren slechts ongeveer de helft van de wachttijd. Na een geschikte behandelingstijd wordt de druk gelijk gemaakt door gas te vullen. De lading wordt dan gecontroleerd afgekoeld en het afgewerkte onderdeel kan bij een lage temperatuur worden verwijderd.
Samenvatting
Nitreerprocessen zijn ontworpen voor stalen oppervlakken waar geen hogere druk en fysische veranderingen kunnen optreden. Dit proces biedt een goede temperatuurregeling, microstructuur en betere controle over de oppervlaktesamenstelling - zelfs op speciale staalsoorten. Het heeft geen extra warmtebehandeling nodig en vermindert slijtage van de machine door schuren. We mogen ook niet vergeten dat het gebruik van ammoniak ook het nitreerproces inhoudt.