Oberflächentechnik

Trend zu härteren Schichten bringt neue Verfahren voran

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Werkzeuge für das Presshärten brauchen plasmanitrierte Oberflächen

Tiefer in das Thema der Diffusionsschichten tauchte Peter Kaestner von der TU Braunschweig auf dem 8. Nano- und Material-Symposium Niedersachsen in Salzgitter ein. Setze man dafür auf Plasmaverfahren, erhalte man einen sauberen Prozess – hier stimmte der Wissenschaftler mit den Ausführungen von Günther überein. Als Diffusionselemente würden vor allem Stickstoff, Kohlenstoff und Bor eingesetzt, in jüngerer Zeit auch Sauerstoff, vor allem zum Nitrooxidieren. Seltener kämen auch Titan, Silizium oder Chrom zum Einsatz.

Nach Auskunft von Kaestner dient das Plasmanitrieren der Umwandlung von Randbereichen des Substrats und dadurch der Verbesserung von Dauerfestigkeit, Verschleiß- und Korrosionswiderstand, Haftfestigkeit von Hartstoffschichten sowie des elektrischen Leitwiderstandes. Wichtig im Prozess seien auch Temperatur und der Grundwerkstoff. Die Behandlungszeiten bewegten sich „zwischen wenigen und 70 bis 80 h“. Als Anwendungsbeispiel nannte er Werkzeuge für das Presshärten: „Wenn man hochfeste Stähle auf diese Weise umformt, reicht ein normaler Werkstoff ein einem Presshärtewerkzeug nicht aus. Deswegen ist es heute üblich, solche Werkstoffe zu plasmanitrieren.“

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Nitrieren variiert stark mit dem Werkstoff

Bei Prozessen dieser Art seien die Werkstoffe in ihrer Bandbreite die große Schwierigkeit. „Wir können hier keinen allgemein gültigen Prozess aufstellen, anders als bei Beschichtungen“, sagte Kaestner. Dafür sei die Verbindungsschicht beim Plasmanitrieren von ferritischem Stahl sehr hart durch das Eisennitrid. Darunter gebe es eine Diffusionsschicht, in der vor allem die Nitride der Legierungselemente – in erster Linie Aluminium, Chrom, Vanadium oder Molybdän – für die Härte sorgten. Über die Nitrierparameter, also die Temperatur und den Stickstoffanteil im Plasmagas, lasse sich eine hohe Bandbreite an unterschiedlichen Härten in der Oberfläche realisieren.

Auch bei austenitischem Stahl lässt sich laut Kaestner die Härte durch Plasmanitrieren von 300 HV auf bis zu 1500 HV erhöhen. Erzielen ließen sich bei Prozesszeiten von 16 h Tiefen bis zu 30 µm. Hinzu komme eine hohe elektrische Leitfähigkeit und ein herausragender Verschleißschutz. „Allerdings ist der Einfluss des Plasmanitrierens auf das Korrosionsverhalten sehr unterschiedlich, das hängt vom Prozess ab“, sagte der Forscher. Für die Zukunft sieht Kaestner drei wichtige Herausforderungen: das Plasmanitrieren von Aluminiumlegierungen, derzeit noch nicht industriell eingesetzt, die Simulation, Berechnung beziehungsweise Vorhersage des Plasmanitrierens sowie das Plasmaborieren, das industriell ebenfalls noch nicht eingesetzt wird.

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 Stéphane Itasse

Stéphane Itasse

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