Wärmebehandlungen im Plasma
Plasmanitro­carburieren

Bei Teilen mit extremen Verschleißbeanspruchungen ist das Plasmanitrocarburieren eine sinnvolle Alternative zum Plasmanitrieren. Mit diesem Verfahren lassen sich in Oberflächen dickere Verbindungsschichten mit höherem Verschleißwiderstand erzeugen. Neben Stickstoff wird bei dieser Verfahrensvariante zusätzlich Kohlenstoff zur Diffusion gebracht. Die beim Nitrocarburieren an der Oberfläche erzeugte, dicke Verbindungsschicht enthält überwiegend ε-Carbonitride Fe2-3CN, deren Bildung durch den erhöhten Kohlenstoffanteil in der Ofenatmosphäre begünstigt wird.

Optimal für die Behandlung geeignet sind un- und niedriglegierte Stähle mit geringen Kohlenstoffgehalten.

Vorteile des Verfahrens

  • Endreinigung der Bauteile zu Beginn der Plasmabehandlung
  • steigert Zähigkeit der gehärteten Randschicht
  • bildet dicke Verbindungsschicht mit ausgezeichneten Laufeigenschaften
  • mindert den Adhäsionsverschleiß
  • verringert die Abplatzgefahr
  • Schichten sind weniger spröde und porös als beim Nitrocarburieren bzw. Gaskarbonitrieren
  • Minimierung der Nacharbeit
  • keine Nachreinigung notwendig

Häufig wird das Plasmanitrocarburieren als Verfahrensvariante des Plasmanitrierens mit Kohlenstoffkomponente klassifiziert und unter dem Oberbegriff Plasmanitrieren eingeschlossen, da die grundlegenden Wirkmechanismen identisch sind.

Die individuelle Leistung und Funktionsweise beider Verfahren können Sie hier nachlesen:

Wissen kompakt: Plasmanitrieren, Plasmanitrocarburieren & Oxidation »

Symbolbild (Zahnrad) Wissenswertes über Plasmanitrocarburieren

Das Nitrocarburieren umfasst (wie auch das Nitrieren) verschiedene Verfahrensvarianten im Gas, Salzbad oder Plasma. Im Vergleich zum Salzbadnitrocarburieren und Gasnitrocarburieren zeichnet sich das Plasmanitrocarburieren durch geringere Behandlungstemperaturen und besondere Umweltfreundlichkeit aus. Weiterhin lassen sich auch hochlegierte Stähle behandeln.

Bei niedrig legierten Stählen ist die erreichbare Härtesteigerung zwar gering, jedoch wird ein verbesserter Korrosionsschutz erzielt und der Adhäsionsverschleiß vermindert. Eine an das Plasmanitrocarburieren anschließende Oxidation (Behandlung und Abkühlung in einer oxidierenden Atmosphäre) kann den Korrosionsschutz zusätzlich steigern.

 

Physikalische Grundlagen des Plasmanitrierocarburierens

Wie auch beim Nitrieren entsteht beim Nitrocarburieren im Plasma eine oberflächliche, wenige µm dünne Verbindungsschicht. Darunter liegt eine bis zu mehreren hundert µm dicke Diffusionszone. Der Aufbau einer charakteristischen Verbindungsschicht ist das Hauptziel des Nitrocarburierens – denn aus ihr resultiert eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit sowie des Verschleißwiderstandes.

Legierungselemente des jeweiligen Stahls bilden zusammen mit den aus dem Behandlungsmedium abgegebenen Stick- und Kohlenstoffteilchen Nitride, Carbide und Carbonitride. Die Elemente Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Tantal (Ta), Vanadium (V), Niob (Nb), Titan (Ti) neigen zur Carbidbildung, die Elemente Aluminium (Al), Chrom (Cr), Zirconium (Zr), Niob (Nb), Titan (Ti), Vanadium (V) zur Nitridbildung. Somit sind sie geeignete Legierungselemente für Stähle zum Nitrocarburieren im Plasma.

Die gebildeten Verbindungen werden als „Phasen“ bezeichnet. Diese Phasen sind thermisch und mechanisch sehr stabil. Des Weiteren zeichnen sie sich durch ihre hohe Härte aus, was eine gewisse Sprödigkeit zur Folge hat.

Die hohe Eigenhärte der entstehenden Carbonitride führt zusammen mit Verspannungen zwischen den Gefügebestandteilen zu der besonderen Oberflächenhärte nitrocarburierter Werkstücke. Gegenüber dem Nitrieren weisen Verbindungsschichten nitrocarburierter Teile bis zu 200 HV 0,005 höhere Werte der Mikrohärte bei gleicher Behandlungszeit und -temperatur auf. Somit kann ein bemerkenswerter Anstieg der Lebensdauer der im Plasma nitrocarburierten Werkstücke erzielt werden. Dies zeigt sich in der Verringerung von Reibungskoeffizienten, einer geminderten Adhäsions-, Abrasions- und Triboxidationsneigung sowie der Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit.

Die Eignung für den Einsatz nitrocarburierter Werkstücke bei hohen Temperaturen ist auf das anlassbeständige Gefüge zurückzuführen. Wie auch beim Nitrieren in kohlenstofffreien Behandlungsmedien wird durch das Nitrocarburieren eine Steigerung der Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Grundwerkstoff erreicht. Dickere Verbindungsschichten mit gleichmäßiger Ausbildung und geringem Porengehalt begünstigen diese Resistenz gegen korrosiven Angriff im Allgemeinen.

Die Korrosionsbeständigkeit un- und niedriglegierter Stähle steigt durch das Plasmanitrocarburieren. Die Korrosionsbeständigkeit hochlegierter, nichtrostender Stähle sinkt durch die Plasmanitrocarburierung, da die äußerst korrosionsresistente Passivschicht abgesputtert wird. Dies wiederum ermöglicht erst die Behandlung passivierter Stähle und ist ein besonderes Merkmal für den im Plasma durchgeführten Prozess gegenüber denen in Gas und Salzbad.

Aufgrund der hohen Maßhaltigkeit des Plasmanitrocarburierens ist in den meisten Fällen, anders als beim Einsatzhärten, keine Nacharbeit notwendig. Dementsprechend bleibt im Gegensatz zu anderen Härteverfahren die komplette Härtetiefe mit der besonders harten äußeren Schicht erhalten.

Es fallen weder zusätzliche finanzielle noch zeitliche Aufwände nach der Wärmebehandlung an. Ergänzend bietet sich das Oxidieren als Folgeschritt zur Steigerung der Korrosionsbeständigkeit niedrig und moderat legierter Werkstoffe an. In Kombination der Eigenschaften der gebildeten Verbindungsschicht mit der erhöhten Oberflächenhärte ist die erhöhte Beständigkeit gegenüber Verschleißbeanspruchung zu begründen.

Typische Anwendungsfelder für das Nitrocarburieren sind Kurbelwellen von Kraftfahrzeugen, Steuernocken, Antriebsachsen von Scheibenwischern oder Hydraulikzylinder.