Oberflächentechnik Funkenüberschlag

Thermochemische Prozesse spielen eine entscheidende Rolle im breit gefächerten Verfahrensspektrum der...

Anbieter zum Thema

Knuth Werkzeugmaschinen GmbH

Hermann Kemper GmbH & Co. KG - Hersteller für CNC Drehteile

Treston Deutschland GmbH

Thermochemische Prozesse spielen eine entscheidende Rolle im breit gefächerten Verfahrensspektrum der Oberflächenbehandlung. Vor allem dort, wo eisenhaltige Werkstoffe ermüdungsfest und abnutzungsfest sein müssen, ist es von hoher Wichtigkeit, eine adäquate Oberflächenstruktur und -härte über eine angepasste Verbindungs- und Diffusionsschicht zu erzeugen. Dies ist unumgänglich bei der Herstellung von Maschinenteilen in den verschiedensten Anwendungsbereichen.

Die thermochemische Behandlung führt zu chemischen Veränderungen der Metallstruktur an der Oberfläche, weil chemische Elemente wie Stickstoff oder Kohlenstoff in das Werkstück gelangen. Beim Nitrieren werden dabei Eindringtiefen von mehreren zehntel Millimetern erzielt. Das Behandlungsmedium kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit, ein Gas oder Plasma sein, wobei die drei Letztgenannten weltweit industriell die größte Verbreitung haben.

Beim Nitrieren wird Stickstoff in die Oberfläche der zu behandelnden Teile transferiert. Bei einer Behandlungstemperatur von 450 bis 590 °C ist es ein Verfahren für ferritische Stähle – und als solches führt es zu keinem Bauteilverzug. Das Salzbad- und Gasnitrieren wurde in der Industrie über mehrere Dekaden angewandt. Anfangs der siebziger Jahre kam dann das Plasma als Nitriermedium sichtlich auf. Aufgrund der vielen Vorteile des Plasmanitrierens im Vergleich zu Salzbädern oder Gas – wie weniger Gas- und/oder Energieverbrauch – nahm die Anzahl der Plasmanitrieranlagen dramatisch zu, obwohl die Anschaffung teuer ist. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Betriebskosten werden jedoch die Investitionskosten kompensiert. Auf das Plasmanitrieren entfällt inzwischen etwa 30 % des Gesamtmarkts in Europa.

Diffusionsvorgänge nicht endgültig geklärt

Zum Plasmanitrieren wird als stickstoffhaltiges Medium in der Regel ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch verwendet. Der Stickstoff diffundiert sowohl in den Basiswerkstoff als auch in die Legierungsbestandteile, wobei bedeutende Stickstoffein-dringtiefen erreicht werden. Eine einheitliche Theorie über dabei vorherrschende Diffusionsvorgänge gibt es nicht, jedoch viele Erläuterungen, von denen die am logischsten erscheinenden nachfolgend wiedergegeben werden:

- Anfangs wurde angenommen, dass geladene Partikel den Nitrierungseffekt hervorrufen. So gibt es Thesen, dass von der Oberfläche abgesputterte Atome sich mit aktivem Stickstoff verbinden und an der Werkstückoberfläche kondensieren und dadurch den Massentransfer hervorrufen [1]. Diese Theorie basiert nicht auf Plasmaanalysen oder Versuchen hinsichtlich der Wechselwirkung zwischen Plasma und Werkstücksoberfläche, sondern eher auf Vermutungen und Schlussfolgerungen aus metallurgischen Enddeckungen.

- In [2] wurde zur Beschreibung der Diffusionsvorgänge die Massenspektrometrie in einer Plasma-Atmosphäre eingesetzt und damit nach [3] die NH+-Ionen für den Massentransfer von Stickstoff beim Plasmanitrieren verantwortlich gemacht.

- In [4] kommt man mittels der Massenspektrometrie zu einem anderen Schluss: Hauptsächlich N+-Ionen sollen an dem Diffusionsphänomen beteiligt sein.

- In [5] behauptet man, dass die Hitze, die beim Nitrieren an die Katode abgegeben wird, von angeregten neutralen Partikeln herrührt. Es herrscht die Meinung, dass diese neutralen Partikel für den Massentransfer von Stickstoff verantwortlich sind.

Plasmadiagnose-Geräte sind gute Werkzeuge, um Einsicht in die Charakteristik des Mediums Plasma zu erlangen. Jedoch wurden zur Beschreibung auch andere diagnostische Techniken angewandt. So zeigen NO-Bestimmungen und die optische Strahlenspektroskopie (OES), dass die neutralen und vibrationalen Zustände des Stickstoffmoleküls eine wesentliche Funktion beim Plasmanitrieren spielen und hauptverantwortlich für den Massentransfer sind [6 und 7]. Aus diesem Grund besteht keine Notwendigkeit, dass zu nitrierende Teile elektrostatisch auf Katodenpotential geschaltet, also beglimmt sein müssen. Im Vergleich zur Massenspektroskopie ist die optische Strahlenspektroskopie ein zuverlässiges Analysationsverfahren, um thermochemisches Plasma interpretieren zu können.

Katodenpotenzial der Teile erschwert den Prozess

Trotz der inzwischen großen Verbreitung des Plasmanitrierens hat sich die Anzahl an Neuinstallationen in den vergangenen Jahren verringert (Bild 1). So findet trotz der klaren Verfahrensvorteile in manchen Ländern das Nitrieren in bis zu 65% der Fälle im Gasstrom oder Salzbädern statt. Schwierigkeiten werden meist im Zusammenhang mit der Tatsache gesehen, dass beim Plasmanitrieren die Werkstücke an Katodenpotential liegen, also an mehreren 100 oder gar 1000 V Spannung. Diese Methode durch Ionenbeschuss ist akkurat zum Aufheizen der Teile mit einfacher Geometrie oder in kleinen Chargen. Beim kommerziellen Betrieb treten jedoch folgende Probleme auf:

- In Standard-Plasmanitrieröfen nutzt man das Plasma, das die zu behandelnde Charge umgibt, zum direkten Aufheizen der Teile. In einem großen, dicht chargierten gewerblichen Reaktor ist es jedoch unmöglich, die gleiche Temperatur am äußeren Rand sowie im Innern der Charge zu erreichen. Üblicherweise wird das Chargeninnere stärker erwärmt. Dieser Temperaturunterschied ist beim Nitrieren hinsichtlich der Qualität und Reproduzierbarkeit sehr problematisch. Um diese Differenz zu senken, wurden Reaktoren mit Zusatzheizungen entwickelt, die zunehmende Verbreitung finden.

- Elektrische Funkenüberschläge beschädigen die Oberflächen von Präzisionsteilen. Die Ursache dafür sind organische Stoffe, die aus den Oberflächen entgasen. Dabei entwickeln sich lokal extrem hohe Temperaturen, so dass es zu punktuellen Verschmelzungen oder zu lokalen Sputtereffekten kommt, wobei Oberflächenteile abgespalten werden. Dadurch führen entstandene Beschädigungen zu Ausschuss. Bei leicht beschädigten Teilen ist eine teure Nachbearbeitung erforderlich. Funkenüberschläge können jedoch auch durch nichtmetallische Einbettungen in Teile verursacht werden.

- Das Plasmanitrieren von Teilen mit scharfen Kanten oder komplexer Geometrie ist problematisch. Grund dafür ist der so genannte Kanteneffekt, der sich durch Dekoloration des Teils leicht erkennen lässt.

- Liegen Teile nahe beieinander oder haben sie tiefe Sacklöcher mit kleineren Durchmessern, kann ein Hohlkatodeneffekt erzeugt werden (Bild 2). Verantwortlich dafür ist der Glimmsaum an den Seiten, der den kurzen Teileabstand oder kleinen Bohrungsdurchmesser überlappt. Dadurch kann es beispielsweise in der Bohrung zu einer dramatischen Energieansammlung kommen, die einen lokalen oder gar regionalen Schmelzprozess an den Teilen in Gang setzt. Dieser Effekt ist klar unerwünscht und lässt sich durch Auswählen der einzelnen Parameter vermeiden. Die Parametereinstellung setzt jedoch eine lange Erfahrung voraus. Alternativ dazu lassen sich die gefährlichen Bohrungen in den Teilen mit Stöpseln verschließen, falls die Löcher nicht nitriert werden müssen. Diese Vorbereitungen sind arbeitsintensiv und schlagen sich in den Behandlungskosten nieder.

Elektronische Schaltungen gegen Funkenüberschlag

Um Funkenüberschläge zu entschärfen, wurden elektronische Schaltungen entwickelt, die eine Schnellabschaltung des elektrischen Stromes ermöglichen. Durch sofortiges Wiedereinschalten kommt es kaum zur Verlängerung der Behandlungszeit. Die Gefahr von Funkenüberschlägen kann jedoch auch mit Hilfe von Pulsstromgeneratoren verringert werden. Jedoch sind auch in diesem Fall Schnellabschaltungen bei Überschlägen unerlässlich. Der Strom liegt dabei nicht dauernd an, wie beim einfachem Gleichstromnitrieren, weil mit einem gepulsten Gleichstrom gearbeitet wird.

Weil sich damit dieselben metallurgischen Resultate wie bei Verwendung von ungepulstem Gleichstrom erzielen lassen, ist beim Plasmanitrieren das Arbeiten mit gepulstem Gleichstrom sehr verbreitet.Die Glimmentladung beim Plasmanitrieren muss nicht unbedingt direkt an den Teilen erfolgen. Das Plasma, das die geladenen und ungeladenen Partikel trägt, wird in diesem Fall im Gasstrom den zu behandelnden Teilen zugeführt. Jedoch ist es unmöglich, einen gleichmäßigen Plasmastrom in eine schwer chargierte Retorte durch Nachentladung zu erzeugen. Des Weiteren haben die auf diese Weise „produzierten“ aktiven Partikel eine so kurze Lebenszeit, dass deren Anzahl am Zielort so niedrig ist und dadurch der Nitriereffekt kaum oder gar nicht mehr stattfindet.

Gitter als Alternative zu klassischen Katoden

Weil - wie bereits erwähnt - elektrisch neutrale Plasmapartikel hauptsächlich für den Nitriereffekt verantwortlich sind, müssen die zu behandelnden Teile nicht auf Katodenpotenzial gebracht werden. Daraus entfallen die für das Plasmanitirieren bislang typischen Probleme. Ohne Katodenpotenzial kann mit Hilfe eines mit Plasma beglimmten - also aktiven - Gitters als Katode, einerseits die zum gleichmäßigen Aufheizen der Charge erforderliche Hitze durch Wärmestrahlung erzeugt werden. Andererseits liefert das Gitter die zum Nitrieren benötigten elektrisch aktiven und neutralen Partikel. Diese Art des Plasmanitrierens wird als TC-Verfahren bezeichnet. Der dazu erforderliche Reaktor ist patentiert (Bild 4), dessen Arbeitsweise in der Ausgabe 15 des Industriemagazins MM beschrieben wird.

Literatur: [1] Edenhofer, B.: Heat Treatment of Metals, 1971/1, S. 23-28, und 1972/2, S. 58-67.[2] Hudis, M.: Journal of Applied Physics 1973/4, S. 1489-1496.[3] Jones, C.K., D.J. Sturges und S.W. Martin: Metal Progress 1973/104, S. 62-63.[4] Tibbets, G.G.: Journal of Applied Physics 45/1974, S. 5072.[5] Marciniak, A., und T. Karpinski: Industrial Hearing 1980/4, S. 42-44.[6] Ricard, A., und andere: Materials Science and Engineering 1991/A139, S. 15-19.[7] Bougdira, J., und andere: Materials Science and Engineering 1991/A139, S. 15-19.