Wärmebehandlungen im Plasma
Oxidieren
Ein Oxidieren im Anschluss an das Plasmanitrieren bzw. Plasmanitrocarburieren (umgangssprachlich NIOX oder „OXen“) erhöht die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes. Durch die Behandlung entsteht eine 2–3 µm dünne Oxidschicht aus Fe3O4 (Magnetit), die der Oberfläche ein anthrazitfarbenes bis schwarzes Aussehen verleiht und sie deutlich weniger anfällig für Korrosion macht.
Anwendungsgebiete für das Oxidieren
Das Verfahren findet unter anderem Anwendung bei:
- Hydraulikkomponenten, Hydraulikzylinder & Kolben (Neuanfertigung und Zylinderreparatur)
- Förderschnecken, Pumpenräder & Gehäuse
- Werkzeuge & Werkzeughalter
- Ventile, Düsen & Rückstromsperren
- Zahnräder & Kettenräder (zur Verbesserung des Einlaufverhaltens)
- Formen, Umformwerkzeuge, Stempel & Matrizen
- Bauteile für den Maschinenbau & Anlagenbau
- Komponenten von Schusswaffen
- Motorteile, Nockenwellen & Kurbelwellen
- Getriebeteile, Spindeln, Achsen, Wellen & Kupplungen
Die Verfahrenskombination von Plasmanitrocarburieren und Oxidieren stellt in vielen Anwendungsgebieten eine geeignete Alternative zu galvanischen Schichten (Chrom, Chromatieren, Zinn, Zink, etc.), Phosphatieren oder Brünieren dar.
Ablauf und physikalische Grundlage
Die Nachoxidation ist eine dem Nitrieren bzw. Nitrocarburieren folgende Behandlungsstufe, bei der unter Zuhilfenahme eines Sauerstoffspenders eine Oxidschicht auf der Werkstoffoberfläche erzeugt wird. Ziel dieser Schicht ist es, die Korrosionsbeständigkeit gegenüber der Nitrierbehandlung zusätzlich zu erhöhen. Das vorherige Nitrieren oder Nitrocarburieren der Werkstoffe ist für den Nachoxidationsprozess unbedingt notwendig, um eine ausreichende Ausbildung der Oxidschicht zu gewährleisten.
Beim Nitrieren wird Stickstoff in die Randschicht eindiffundiert. Wird neben dem Stickstoff auch Kohlenstoff eingebracht, spricht man vom Nitrocarburieren. Der Aufbau der resultierenden Schichten ist in vielen Teilen ähnlich. An der Oberfläche befindet sich die Verbindungsschicht, welche wenige μm dünn ist. Direkt darunter ist die Diffusionsschicht gelegen, welche im Gegensatz zur oberen Schicht mehrere hundert μm dick ist. Die Ausbildung der Schichten wird durch die Legierungselemente des Grundmaterials und die eingebrachten Teilchen des Behandlungsmediums bedingt. Dabei sind typische Nitridbildner u. a. die Legierungselemente Chrom (Cr), Aluminium (Al) und Molybdän (Mo). Die Elemente Mangan (Mn), Vanadium (V) und Titan (Ti) neigen eher zur Carbildausbildung.
Weiterhin entsteht die Oxidschicht maßgeblich durch eine Umwandlung der oberflächlichen Bereiche einer vorher erzeugten Verbindungsschicht. Die bei der Oxidation entstehenden freien Eisenmolekühle und die Eisennitride der Verbindungsschicht bilden in Verbindung mit dem Sauerstoffspender ein stabiles Eisenoxid. Diese entstehende 1–2 μm dicke Oxidschicht ist chemisch widerstandsfähig. Zur Erzielung einer hohen Korrosionsbeständigkeit wird ein reines Magnetit (Fe3O4) angestrebt.
Eine Nachoxidation wird als letzter Verfahrensschritt direkt nach dem Plasmanitrieren bzw. Plasmanitrocarburieren durchgeführt. Durch einen zusätzlichen Behandlungsschritt und das anschließende Halten und Abkühlen in einer oxidierenden Atmosphäre wird die oberste Lage der erzeugten Verbindungsschicht in eine schützende Oxidschicht umgewandelt. Danach darf keine weitere Bearbeitung des Teiles erfolgen.
Effekt und Vorteil des Verfahrens
Der Aufbau der oben beschriebenen Schichten führt zu einer Erhöhung des Widerstandes gegenüber tribologischen und dynamisch mechanischen Beanspruchungen. Dies hat zur Folge, dass eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und der Verschleißresistenz eintritt. Besonders durch die Kombination von Nitrocarburieren und Oxidieren wird vor allem die Korrosionsbeständigkeit nochmals deutlich erhöht. Die zuvor ausgebildete Verbindungsschicht ist für die Weiterbehandlung notwendig, da die zu bildende Oxidschicht auf Eisennitrid besseren Halt findet als auf reinem Eisen.
Durch das Oxidieren lässt sich im Salzsprühversuch eine Beständigkeit von bis zu 1000 h (je nach Gestalt der behandelten Teile) nachweisen. Die Anwendung des Verfahrens ist insbesondere als zusätzliche Behandlung plasmanitrierter und plasmanitrocarburierter Teile aus niedriger legierten Werkstoffen sinnvoll, die sowohl verschleiß- wie korrosionsbeständig sein müssen (z. B. Getriebespindeln, Hydraulikzylinder oder verschiedene Fahrzeugteile). Die Oberfläche erhält eine gleichmäßige, schwarze Erscheinung. Werden die Werkstücke nach der Wärmebehandlung mit ein geeigneten Mittel geölt, lässt sich eine tiefschwarze Oberfläche erreichen.
Fragen zum Oxidieren? Wir kennen die Antwort.
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