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Plasmanitrieren

Dieses Infoblatt soll den Anwendern als kurzer, praxisnaher Leitfaden für das Wärmebehandlungsverfahren Plasmanitrieren dienen

1. Beschreibung

Das Plasmanitrieren zählt zu den thermochemischen Wärmebehandlungsverfahren und wird bei Temperaturen zwischen 350 und 600°C durchgeführt. Positiv geladene Ionen treffen vor der Ofenwand (Anode) mit hoher Aufprallgeschwindigkeit auf die als Kathode geschalteten Werkstücke. Anfangs bewirkt dieser Ionenbeschuss eine äußerst intensive Reinigung der Werkstückoberfläche (Sputtern), dem anschließend das Aufheizen und die Aufstickung der Oberfläche folgen. Überwiegend werden die Bauteile dann ohne Schnellabkühlung auf Entnahmetemperatur gebracht. Heute wird sowohl im Gleichstrom als auch im gepulsten Plasma nitriert.

Bauteile, vornehmlich höher beanspruchte Maschinenbauteile wie Wellen, Achsen, Stangen oder Zahnräder, unterliegen gerade im Bereich ihrer Oberfläche (Randschicht) besonders kritischen Belastungen. Oft reicht es aus, wenn diese Bauteile nur im Randbereich über mechanisch verbesserte Eigenschaften verfügen. Die Einlagerung von Stickstoff in diesen Randschichten bezeichnet man allgemein als Nitrieren. Das Plasmanitrieren findet in einer Vakuumkammer unter ionisierter Gasatmosphäre statt.
Als Behandlungsgase stehen Ammoniak, Stickstoff, Methan und Wasserstoff zur Verfügung. Zur Bildung verschleißorientierter Schichten werden auch Mischgase eingesetzt. Qualitätsbestimmend sind die Gaszusammensetzung, der Druck, die Temperatur und die Behandlungszeit.

Für Verfahren, bei denen Schichten aufgetragen oder gebildet werden, ist die Qualität des Grundwerkstoffes oft ebenso entscheidend wie die Wärmebehandlung. Im Plasma können alle gebräuchlichen Stahl-, Guss- und Sinterwerkstoffe nitriert werden. Bei der Schichtzusammensetzung unterscheidet man zwischen der Diffusionszone, die je nach Werkstoff bis zu 1mm stark sein kann und der bis zum 30 µm dicken Verbindungsschicht (VS).

Die Messung der Härte erfolgt nach DIN 50133 in HV (Vickers), die Messung der Nitrierhärtetiefe (Nht) nach DIN 50190, Teil 3. zur Analyse von Schichten werden klassische metallographische Prüfmethoden eingesetzt.

Zu den Hauptvorteilen des Verfahrens zählen die Verbesserung der Reib- und Gleiteigenschaften, die Schaffung korrosionsbeständiger Schichten und die große Verzugsarmut. In der Regel werden nur fertigbearbeitete Bauteile plasmanitriert, die nach dieser thermochemischen Wärmebehandlung keiner mechanischen Fertigungsoperation wie z.B. Schleifen mehr unterzogen werden müssen. Aufgrund der gestiegenen Prozesssicherheit konnte sich das Plasmanitrieren für die metallverarbeitende Industrie zu einem
wirtschaftlich und technisch wichtigen Oberflächen-Härteverfahren entwickeln.

Für das Plasmanitrieren werden überwiegend Schacht- oder Haubenöfen eingesetzt, die aufgrund der Prozessautomatisierung und Umweltverträglichkeit auch in die Fertigungslinie integriert werden können. Da inzwischen sehr leistungsstarke Stromversorgungen zur Verfügung stehen, gibt es bezüglich der Bauteilgröße keine Grenzen.

2. Geeignete Werkstoffe

Es können alle gebräuchlichen Stahl-, Guss- und Sinterwerkstoffe plasmanitriert werden. Geeignet sind sowohl unlegierte als auch niedrig- und hochlegierte Stähle.

3. Vorzüge dieser Wärmebehandlung

  • Hoher Verschleißwiderstand bei Abrasion und Adhäsion
  • Verzugsarmut
  • Anpassung der Schichten an Verschleißart
  • Schaffung korrosionsbeständiger Schichten
  • Reduzierung der ReibungskoeffizientenPartielles Härten
  • Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit der Randschichten bis über 500°C
  • Umweltverträglichkeit
  • Einsparung von Schmiermitteln

4. Kundenangaben zur Wärmebehandlung

Neben der Angabe des Werkstoffes, sollten als Qualitätsmaßstäbe in der Fertigungszeichnung genannt werden:

  • Sollhärte in HV (inkl. Prüflast)
  • Nitrierhärtetiefe (Nht) in mm
  • Dicke der Verbindungsschicht (VS)
  • ggf. Kennzeichnung der Bereiche, die nicht plasmanitriert werden sollen

Weitere, für das Plasmanitrieren notwendige Angaben, sind dem Lohnhärter mitzuteilen. Als Orientierung kann das Infoblatt "Angaben zum Wärmebehandlungsauftrag" herangezogen werden.

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