Plasmanitrieren – Funktionsweise, Anwendungsgebiete, Vorteile

Das Plasmanitrieren ist ein thermochemisches Wärmebehandlungsverfahren mit dem Ziel einer Erhöhung der Oberflächenhärte von Werkstoffen. Dabei wird Stickstoff in die Randzone von Eisenbasislegierungen eindiffundiert. Das Verfahren wird in einer ionisierten Gasatmosphäre durchgeführt und führt zu einem erhöhten Schutz gegen abrasiven, adhäsiven und korrosiven Verschleiß sowie einer Verbesserung der Dauerfestigkeit des Werkstoffes.

Die Funktionsweise beim Plasmanitrieren

Beim Plasmanitrieren und Plasmanitrocarburieren kommt ein Gasgemisch aus Stickstoff, Wasserstoff und optional einem kohlenstoffspendenden Gas als Nitriermedium zum Einsatz. Dieses moderne thermochemische Niedrigtemperaturverfahren legt eine Hochspannung zwischen Charge und der Wand eines Vakuumofens an. Das Stickstoff-Wasserstoff-Gasgemisch wird mithilfe einer Glimmentladung ionisiert. Es bildet sich ein Plasma, das sich konturtreu um das Bauteil legt. Durch das Auftreffen der positiv geladenen Ionen auf der Bauteiloberfläche, kommt es zur Bildung von stickstoffreichen Nitriden. Sobald diese zerfallen, wird die Oberfläche des Werkstücks mit atomarem Stickstoff angereichert und, abhängig von der Stahlsorte, bis zu 0,8 mm tief in die Randzone eindiffundiert. Wenn nur einzelne Bereiche des bearbeiteten Stückes gehärtet werden sollen, können die restlichen Teile einfach abgedeckt werden.

Im Gegensatz zum Salzbad- und Gasnitrieren kann die Arbeitstemperatur beim Plasmanitrieren erheblich abgesenkt werden, da das Plasma eine hohe energetische Wirkung besitzt. Es kommen also nur Temperaturen zwischen 350 und 600 °C zum Einsatz. Aus diesem Grund kann das Plasmanitrieren auch bei verzugsempfindlichen Materialien und Bauteilen eingesetzt werden. Ebenfalls ermöglicht der große Temperaturbereich beim Plasmanitrieren Anwendungen in einem sehr großen Spektrum. So ist es durch das Variieren des Gasgemisches möglich, verschiedene Stahloberflächen zu bearbeitet und unterschiedliche Härteprofile zu erzielen. Beim Plasmanitrieren ist es durch Variation von Gasmengen und elektrischen Parametern möglich, verbindungsschichtfrei zu nitrieren. Im Gegensatz dazu setzt man zum Ausbau von dickeren Verbindungsschichten ein kohlenstoffhaltiges Gas dem Prozess zu. Man spricht dann vom Plasmanitrocarburieren.

Anwendungsbereiche

Das Nitrieren mit Plasma kann auf ein sehr großes Spektrum an Werkstoffen angewandt werden. So eignet sich das Verfahren für alle Eisenwerkstoffe und eine Vielzahl an Stählen. Darunter fallen auch Sinterstähle mit hoher Porosität, hochlegierte austenitische und martensitische Stähle für Werkzeuge mit einem Chromgehalt von mehr als 12 % und Gusseisen. Darüber hinaus funktioniert das Nitrieren mit Plasma auch bei rostfreien Stählen und nickelbasierten Legierungen. Die Behandlung von Titan- sowie Aluminiumlegierungen kann ebenfalls mit dem Verfahren durchgeführt werden. Der Einsatz von Nitrierstählen eignet sich insbesondere für große Maschinenteile, die einer häufigen und hohen Belastung ausgesetzt sind. Diese Stahlsorten besitzen definierte Chrom- oder Aluminiumgehalte und können durch die Wärmebehandlung mit Plasma eine Oberflächenhärte von über 1000 HV erreichen.

Die Vorteile des Verfahrens

Im Vergleich zum Gasnitrieren bietet das Nitrieren mit Plasma einige Vorteile. So ist es möglich durch das Plasmanitrieren auch bei hochlegierten Stählen ein harte Oberflächenschicht entstehen zu lassen. Dadurch kann die Resistenz gegen Reibverschweißung erhöht sowie die Abriebfestigkeit und der Verschleißwiderstand der Materialien erheblich verbessert werden. Dadurch, dass Teile des zu behandelten Werkstoffes abgedeckt werden können, um es vor der Bearbeitung zu schützen, kommt das Verfahren häufig bei Bauteilen zum Einsatz, die nitrierte, aber auch nicht behandelte Bereiche aufweisen sollen.

Die Möglichkeit des Bildens einer Diffusionsschicht ohne Verbindungsschicht ist ein weiterer Vorteil des Plasmanitrieres. Aus diesem Grund kann es im Vorfeld zur PVD/CVD-Beschichtung eingesetzt werden.

Weitere Vorteile des Verfahrens sind:

• Durch die niedrigen Temperaturen bei der Behandlung eignet sich das Diffusionsverfahren für Anwendungen, bei denen der Verzug möglichst gering sein soll
• Das Plasmanitrieren ist eine der umweltfreundlichsten Härtungsmethoden, da bei der Behandlung keine giftigen Gase verwendet werden
• Die höheren Kosten beim Aufbau der benötigten Anlagen amortisiert sich durch die deutlich niedrigeren Prozesskosten im Vergleich zum Gasnitrieren