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Oberflächentechnik Trend zu härteren Schichten bringt neue Verfahren voran

Autor: Stéphane Itasse

Hochfeste Materialien stellen neuartige Anforderungen an die Verarbeitung: Ob Verbinden oder Umformen, in beiden Fällen sind härtere Oberflächen notwendig, einmal für die Verbindungselemente im anderen Fall für die Umformwerkzeuge. Doch die Oberflächentechnik hat schon Antworten parat.

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Blick in ein Presshärtewerkzeug: Um die notwendigen Eigenschaften zu erreichen, werden die Oberflächen, die das heiße Blech berührt, mittels Plasmanitrieren gehärtet.
Blick in ein Presshärtewerkzeug: Um die notwendigen Eigenschaften zu erreichen, werden die Oberflächen, die das heiße Blech berührt, mittels Plasmanitrieren gehärtet.
(Bild: Itasse)

Die Herausforderung begann, nachdem die bestehenden Oberflächen nicht die gestiegenen Anforderungen der Automobilindustrie abdecken konnten“, berichtete Frank Benner, Geschäftsführer des mittelständischen Galvanisierers Ruhl & Co. auf dem Kolloquium „Nano- und materialtechnologische Lösungen für Oberflächen“ von Dechema und Hessen Trade & Invest in Frankfurt am Main. Für sein Unternehmen waren dies hochfeste Nieten mit bis zu 550 HV. Als Oberfläche wurden von Seiten der Automobilindustrie mechanisch aufgebrachte Zink-Zinn-Schichten vorgegeben. Allerdings kommt es bei Temperaturen um die 200 °C zum Ausperlen von Zinn aus der Schicht, womit der Einsatz im Sichtbereich ausschied.

Versuche mit Nanocontainern in einer Zinkbeschichtung

Eine Idee entwickelte Benner im Netzwerk Eiffo: den Einbau von Nanocontainern in die mechanisch aufgebrachte Zinkschicht. Sogar eine eigene Anlage ließ sich Ruhl bauen, um die Schicht mittels Mechanical Plating aufbringen zu können. „Durch das Projekt erlangten wir ein unglaubliches Prozesswissen, welches in die aktuelle Produktion einfloss“, erläuterte Benner. Sein Unternehmen habe Oberflächen mit bis dahin ungeahnt gleichmäßigen und hoch korrosionsschützenden Eigenschaften entwickelt, außerdem Beschichtungssysteme für hochfeste Edelstähle, Variationen unterschiedlicher Legierungen und Legierungszusammensetzungen. „Nur das mit dem Nanocontainer hat nicht funktioniert“, räumte der Geschäftsführer ein, der dennoch zufrieden mit dem Ergebnis ist.

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Eine weitere Möglichkeit, um die Oberfläche zu härten, ist das Nitrieren, also das Einbringen von Stickstoff, sagte Hans-Joachim Günther, ehemals kaufmännischer Geschäftsführer und jetzt Berater für PVA Industrial Vacuum Systems GmbH, auf dem Kolloquium. Dabei wird eine sehr harte Schicht an der Oberfläche von 10 bis 12 µm Dicke erzeugt. Diese sorge für die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, ins Material hinein nehme die Härte immer weiter ab.

Plasmanitrieren bietet Vorteile beim Erzeugen harter Oberflächen

Die gängigen Verfahren für das Nitrieren sind Salzschmelze, Gasnitrieren und Plasmanitrieren. Letzteres hat laut Günther eine ganze Reihe von Vorteilen: So reichen für den Prozess vergleichsweise niedrige Temperaturen von 300 bis 600 °C. Dadurch sei der Verzug nur minimal oder stelle sich gar nicht mehr ein, was wiederum teure Nacharbeiten an der gehärteten Oberfläche erspare. Außerdem sei der Gasverbrauch geringer als beim Gasnitrieren, weil das Plasmanitrieren mit einem Unterdruck von 2 bis 4 mbar arbeite. Des Weiteren würden keine problematischen Substanzen wie Cyanate bei der Salzschmelze oder Ammoniak beim Gasnitrieren eingesetzt.

Ein weiterer Pluspunkt für das Plasmanitrieren sei die Möglichkeit, auch einfach partiell zu nitrieren – dafür reichen laut Günther mechanische Abdeckungen. „Das ist wichtig, um die Teile später schweißen zu können“, erläuterte er weiter. Außerdem erlaube das Plasmanitrieren eine Kontrolle der Nitridschichtbildung, das Nitrieren von Edelstählen bei Erhalt der Korrosionsbeständigkeit. Da der Prozess sauber sei, lasse er sich in eine mechanische Fertigung integrieren. Die Pulsplasma-Technik von PVA schließlich sorge für gleichmäßige Nitrierergebnisse. Und auch bei der Prozesseffizienz hat sich nach Angaben von Günther in der jüngeren Vergangenheit einiges getan: „Beim Plasmanitrieren können Sie, was früher nicht möglich war, sehr eng packen, auch Teile abdecken und trotzdem ein ordentliches Ergebnis erhalten.“

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