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.“

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.“

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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