Unter Einwirkung von Wärme erfolgt beim Plasmanitrieren eine chemische Randschichtumwandlung. Dies geschieht durch die Eindiffusion von Stickstoff, der zusammen mit dem Werkstoff des Behandlungsgutes Nitride ausbildet. Das Resultat ist eine hohe Oberflächenhärte und deutlich verbesserte Beständigkeit gegen Verschleiß – Eigenschaften, die für viele Anwendungsfälle von essenzieller Bedeutung sind.
Die Behandlung der Werkstücke erfolgt im Vergleich zu konventionellen Härteverfahren bei deutlich niedrigeren Temperaturen. Folglich kann eine hohe Maßhaltigkeit bei dieser Art von Wärmebehandlung gewährleistet werden kann. Eine aufwendige Nachbearbeitung der Teile im randschichtgehärteten Zustand entfällt oder kann auf ein Mindestmaß reduziert werden. Das Ergebnis sind zusätzliche Kosteneinsparungen innerhalb der Prozesskette mit Hilfe des Plasmanitrierens.
Das Behandlungsgut kann im weichen Zustand häufig auf Endmaß gefertigt und nach der Wärmebehandlung im Plasma ohne oder mit nur geringer Nacharbeit fertiggestellt werden. Weiterhin ist sehr niedrig angelassener, vergüteter Stahl ohne Verlust der Kernfestigkeit behandelbar.
Ein Nitrieren ist prinzipiell mit verschiedenen Verfahren möglich. Bekannt sind neben dem Plasmanitrieren das Badnitrieren und das Gasnitrieren. Wird dabei zusätzlich zum Stickstoff eine begrenzte Menge Kohlenstoff zugeführt, spricht man vom Nitrocarburieren.
Wird eine allgemeine Härtesteigerung und verbesserter Korrosionsschutz bei niedrig legierten Werkstücken benötigt, kommt oft das Kuzzeitnnitrieren zum Einsatz. Dabei werden oft keine Sollwerte für Härte und Nitrierhärtetiefe spezifiziert. Geht es um „maximale Härte und Härtetiefe“ wird in der industriellen Praxis oft vom Langzeitnitrieren gesprochen.
Unter den Härterei-Verfahren hat das Plasmanitrieren und Plasmanitrocarburieren aufgrund seiner Reproduzierbarkeit, Umweltverträglichkeit und Energieeffizienz einen besonderen Standpunkt. Mit Hilfe unseres umfangreichen Anlagenparks können wir unsere Prozesse optimal auf Ihre Anforderungen abstimmen und eine Vielzahl an Verfahrensvarianten anbieten.
Durch eine gezielte Steuerung des Schichtaufbaus lässt sich das Behandlungsergebnis durch das Plasmanitrieren an die Beanspruchung vorteilhaft anpassen. Die Wärmebehandlung im Plasma erfolgt im Vergleich zu konventionellen Härterei-Verfahren bei deutlich niedrigeren Temperaturen. Eine mechanische Nachbearbeitung ist aufgrund des damit minimierten Verzuges häufig nicht mehr erforderlich.
Die Anwendungsgebiete
Die Bereiche in denen das Plasmanitrieren angewendet wird sind vielfältig. Mögliche Anwendungsgebiete sind unter Anderem:
- Zahnräder & Kettenräder
- Formen, Umformwerkzeuge, Stempel & Matrizen
- Werkzeuge & Werkzeughalter
- Motorteile, Nockenwellen & Kurbelwellen
- Getriebeteile, Achsen, Wellen & Kupplungen
- Ventile, Düsen & Rückstromsperren
- Messer, Mahlwalzen & Mischer
- Förderschnecken & Pumpenräder
- Bauteile für den Maschinenbau
Jeder Eisenwerkstoff lässt sich plasmanitrieren. Baustähle profitieren von verbessertem Verschleiß- und Korrosionswiderstand. Sinterwerkstoffe erhalten trotz ihrer Porösität verbesserte Laufeigenschaften und werden beständiger gegen Abnutzung. Höher legierte Stähle mit einem hohem Anteil von Chrom und Aluminium eigenen sich besonders für Anwendungen mit hohen Bauteilbeanspruchungen. Abhängig von Werkstoff und Behandlung lassen sich Oberflächenhärten von über 1000HV herstellen. Soll nur ein bestimmter Bereich des Werkstückes behandelt werden, ist dies in den meisten Fällen einfach umzusetzen. Der Aufwand, um partiell zu nitrieren, ist weitaus geringer als bei vergleichbaren Wärmbehandlungsverfahren. Edelstahl kann auf zwei Wegen behandelt werden. Steht der Verschleißschutz im Vordergrund, gibt es Standardprozess für eine maximale Härte und Nitrierhärtetiefe. Soll die Oberfläche hart werden, aber gleichzeitig ihre Korrosionsbeständigkeit behalten, gibt es spezielle Langzeitniedertemperturprozesse.
Die Physikalische Grundlagen
Die physikalischen Grundlagen des Plasmanitrierens führen zu den charakteristischen Merkmalen von Prozess und notwendiger Anlagentechnik:
Das Nitrieren im Plasma ist ein vakuumgestützter Prozess. Die zu behandelnden Teile bilden als Charge die Kathode, die Ofenwandung ist die Anode. Nach Evakuierung des bestückten Rezipienten wird zwischen der Charge und der Ofenwand ein elektrisches Feld angelegt. Das zugeführte Behandlungsgas spaltet sich im elektrischen Feld auf und wird ionisiert. Es bildet sich ein leitfähiges Gas – das Plasma. Die darin enthaltenen Stickstoffionen werden aufgrund des Stromflusses in Richtung der Kathode beschleunigt und treffen mit hoher Energie auf die Werkstückoberflächen. Dies führt zu:
- Feinreinigung der Oberflächen durch Absputtern von Fremdatomen
- Auflösen von Passivschichten (z. B. auf nichtrostenden Stählen bzw. Edelstahl und Titan)
- Aktivierung der Oberfläche
- Erwärmung der zu nitrierenden Ofencharge
- Diffusion des Stickstoffs in die Werkstückoberfläche
Ist die Behandlungstemperatur erreicht, beginnt die Haltezeit. Diese richtet sich nach der Werkstoffart und der gewünschten Nitrierhärtetiefe. Übliche Haltezeiten beim Plasmanitrieren betragen 12–50 Stunden. Gegenüber dem Gasnitrieren ist beim Plasmanitrieren nur etwa die halbe Haltezeit erforderlich.
Nach der entsprechenden Behandlungszeit wird durch Fluten mit einem Gas ein Druckausgleich herbeigeführt. Danach kühlt die Charge kontrolliert ab und die fertigen Werkstücke können bei niedriger Temperatur entnommen werden.
Die Nitrierschicht und ihre Eigenschaften
Die Nitrierschicht besteht aus der äußeren Verbindungsschicht (VS) und der darunter liegenden Diffusionsschicht (DS). An der Oberfläche befindet sich die Verbindungsschicht. Sie setzt sich aus Eisennitriden zusammen – dem stickstoffreicheren ε-Nitrid Fe2–3N und dem eisenreicheren γ`-Nitrid Fe4N. Im Vergleich zum Gasnitrieren ist die durch das Plasmanitrieren erzeugte Verbindungsschicht kompakter, porenärmer und verfügt dadurch über bessere Schichteigenschaften.
Nitrierhärtetiefe (Quelle: Plasmanitriertechnik Dr. Böhm GmbH)
Nitrierhärtetiefe (Quelle: Plasmanitriertechnik Dr. Böhm GmbH)
Unterhalb der VS liegt die sich aus dem Grundwerkstoff mit ausgeschiedenen Nitriden zusammensetzende Diffusionszone (DS). Die durch das Plasmanitrieren erreichbare Oberflächenhärte ist umso höher, je mehr nitridbildende Elemente sich im Stahl befinden. Dadurch erklärt sich, weshalb 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 (gemäß DIN50190 Teil 3). Übliche NHT sind:
- bis 0,8 mm bei un- und niedriglegierten Stählen
- bis 0,15 mm bei hochlegierten Stählen und Edelstahl
Die erreichbare Tiefe und die Zeit, in der diese erreicht werden kann, wird maßgeblich durch den verwendeten Stahl, die Behandlungstemperatur und die Behandlungszeit bestimmt.
Werden besonders dicke Verbindungsschichten benötigt, empfiehlt sich das Plasmanitrocarburieren als Alternative zum Plasmanitrieren. Zur Steigerung der Korrosionsbeständigkeit niedrig und mittelmäßig legierter Werkstoffe gibt es darüber hinaus die Möglichkeit, eine Nachoxidation durchzuführen. Mit Hilfe dieses zusätzlichen Schrittes lässt sich der Korrosionsschutz der Oberfläche im Anschluss an das Plasmanitrieren nochmals steigern.
