5.1. Reaktionsmedium Plasma - ELTROPULS

1 Quelle: Nitrieren und Nitrocarburieren , Expertverlag, Ver ffentlichung demn chst - 1 - 050606 5. Plasmanitrieren und -nitrocarburieren Uwe Huchel Reaktionsmedium Plasma Als Plasma wird ein elektrisch leitf higes Gas bezeichnet. Damit ein Gas leitf hig ist, m ssen freie Ladungstr ger f r den Stromtransport zur Verf gung stehen. Bei Dr cken von > 0,1 bar ist diese Bedingung erst bei Temperaturen gr er ca. 8000 K erf llt. Wird der Druck auf ca. 1mbar verringert, kann ein Plasma auch bei weitaus geringeren Temperaturen erzeugt werden. Dieser Effekt wird bei der Plasma -w rmebehandlung ausgenutzt. Das Niederdruckplasma erm glicht eine "Hoch-temperatur-Oberfl chenchemie bei niedrigen Bauteiltemperaturen" und er ffnet f r viele Bereiche Verfahrenstechniken, die einzigartig sind.

2 Zur Plasmaerzeugung wird im Vakuum zwischen Bauteil (Kathode) und Beh lterwand (Anode) eine Spannung von mehreren hundert Volt angelegt. In Abh ngigkeit von der Leitf higkeit der verwendeten Gase ergibt sich bei angelegter Spannung eine bestimmte Stromdichte. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromdichte einer Glimmentladung ist in Bild 5-1 schematisch dargestellt. Bild 5-1: Stromdichte Potentialkurve einer Glimmentladung Der Arbeitsbereich, der f r das Plasmanitrieren und -nitrocarburieren genutzt wird, ist der der anormalen Entladung. Im Plasma wurde bereits vor dem zweiten Weltkrieg nitriert. Danach ergaben sich Ende der f nfziger Jahre mit der Gr ndung eines Institutes der Gesellschaft zur Quelle: Nitrieren und Nitrocarburieren , Expertverlag, Ver ffentlichung demn chst - 2 - 050606 F rderung der Glimmentladungsforschung neue Impulse f r die industrielle Nutzung des Verfahrens.

3 Diese Entwicklungen sind eng mit den Namen Berghaus verbunden. Der Stand der Technik bis Anfang der 80er Jahre des 20. Jahrhunderts waren wassergek hlte Anlagen [1], bei denen die Entladung durch eine Gleichspannung gespeist wurde (Kaltwandtechnik). Entscheidende Nachteile dieser Verfahrens-technik sind gro e Temperaturdifferenzen in einer Charge und folglich gro e Streuungen im Behandlungsergebnis sowie eine relativ geringe Chargierdichte, ein hoher Energieverbrauch und die enge Verkopplung von thermischen und chemischen Vorg ngen. Ein wesentlicher Fortschritt konnte durch den Einsatz einer gepulsten Entladung erreicht werden. [2,3] Das Pulsen (siehe Bild 5-2) senkt den Energieeintrag in die Anlage und die Temperaturgleichm igkeit in der Charge wird verbessert.

4 Heute sind alle industriellen Anlagen mit dieser Pulstechnik ausger stet. Typische Werte f r die Pulsdauer liegen bei 50 bis 100 sec und f r die Pulswiederholzeit bei 100 bis 300 sec. Bild 5-2: Schematische Darstellung des Pulsens ton / PD .. Pulsdauer toff .. Pulspause PW .. Pulswiederholzeit DC- Plasma .. ungepulstes Plasma Das Schema einer Plasmanitrieranlage zeigt Bild 5-3. Das Vakuum wird mit Drehschieber- und W lzkolbenpumpen erzeugt. Die Gasversorgung erfolgt blicherweise aus Flaschen, da die Medienverbr uche sehr gering sind (Liter / Stunde). Als weitere Ressource ben tigt man K hlwasser f r die Beh lterflansche. Die Temperatur wird direkt an mindestens einem Bauteil oder Werkzeug in der Charge gemessen.

5 Eine externe Heizung ( Warmwandrezipient) und geeignete K hleinrichtungen (externer Ventilator / interner Ventilator) bernehmen die Temperaturregelung der Quelle: Nitrieren und Nitrocarburieren , Expertverlag, Ver ffentlichung demn chst - 3 - 050606 Charge. Das Warmwandkonzept erm glicht eine weitgehende Entkopplung von thermischen und chemischen Prozessen. Bild 5-3: Schnitt durch eine Pulsplasmanitrieranlage TL / TC .. Thermoelemente TW1 bis TW5 .. Zonen der externen Heizung Prozessparameter beim Plasmanitrieren und -nitrocarburieren und deren Wirkungsweise Die Prozessparameter bei der Behandlung im Plasma sind: - Temperatur, Dauer der Behandlung - Gaszusammensetzung (Partialdrucke), Druck - Spannung, Pulsdauer, Pulswiederholzeit Der Mechanismus des Stoff bergangs vom Plasma zum Festk rper wird in der Literatur widerspr chlich beschrieben.

6 Das h ufig zitierte Modell von K lbel [1] ist f r technische Plasmanitrierprozesse nicht zutreffend. Auf Grund des Auftretens von Eisennitrid auf nichtleitender Keramik in der N he der Quelle: Nitrieren und Nitrocarburieren , Expertverlag, Ver ffentlichung demn chst - 4 - 050606 Werkst cke (Kathode) wird dabei postuliert, dass Eisen durch Ionenbeschuss von der zu behandelnden Oberfl che abgetrennt (gesputtert) wird und sich in einer Gasphasenreaktion zu Eisennitrid verbindet, welches sich wiederum auf der Oberfl che abscheidet. Untersuchungen von Hudis [4] haben jedoch ergeben, dass bei den blichen Arbeitsbedingungen des Plasmanitrierens dieser Vorgang eine untergeordnete Rolle spielt. Heute wird davon ausgegangen, dass der direkt an der Oberfl che erzeugte atomare Stickstoff f r den Plasmanitrierprozess bestimmend ist.

7 Eine bersicht und Wertung der verschiedenen Vorstellungen ist in der Arbeit von Lampe [5] enthalten. Modelle zur Steuerung des Verbindungsschichtaufbaus ber eine Nitrierkennzahl, wie sie f r das Gasnitrieren vorliegen, existieren f r das Plasmanitrieren nicht. Wesentlich ist, dass im Plasma mit einer Stickstoff-Wasserstoff Atmosph re gearbeitet wird. Es tritt kein katalytischer Zerfall des Spendermediums wie beim Gasnitrieren auf. Molekularer Stickstoff wird im Glimmsaum direkt in "reaktiven Stickstoff" umgewandelt. Dies vereinfacht das Verst ndnis, wie die Stickstoffaktivit t im Plasma beeinflusst werden kann. Sie wird ber die Zusammensetzung der Gasphase (Verh ltnis von Stickstoff zu Wasserstoff) geregelt. Hohe Stickstoffpartialdrucke sind mit der Wirkung einer hohen Nitrierkennzahl beim Gasnitrieren vergleichbar.

8 Bei einer verbindungsschichtfreien Nitrierung wird mit deutlichem Wasserstoff berschuss gearbeitet. Diese Zusammenh nge sind in Bild 5-4 dargestellt. Bild 5-4: Typische Gaszusammensetzungen beim Plasmanitrieren und -nitrocarburieren Nitrocarburiert wird unter Zugabe von geringen Mengen an kohlenstoffhaltigen Gasen (ca. 1 - 5 % Methan oder Kohlendioxid). Hilfreich zur Festlegung von Gaszusammensetzungen f r das Plasmanitrieren und -nitrocarburieren sind thermodynamische Zustandsdiagramme, da die Vorg nge im Festk rper nicht "plasmaspezifisch" sind. Bei der Plasmaw rmebehandlung muss zus tzlich beachtet werden, dass bei der Quelle: Nitrieren und Nitrocarburieren , Expertverlag, Ver ffentlichung demn chst - 5 - 050606 Wahl von Plasmaparametern sowohl der Einfluss auf die Stickstoff- und Kohlenstoffaktivit t als auch ein Einfluss auf die Temperaturverteilung in der Charge zu ber cksichtigen sind.

9 Die Temperaturverteilung in der Charge wirkt auf die Streuungen der Nitrierschichtdicken und auf das Ma - und Form nderungsverhalten der Bauteile. W hrend des Haltens auf Nitriertemperatur besteht ein thermisches Gleichgewicht zwischen zugef hrter und ber die Ofenwand abgef hrter Energie. Da der W rme bergang beim Plasmanitrieren berwiegend durch Strahlung erfolgt, sind Temperaturunterschiede in Abh ngigkeit von der Art des Chargierens und der Chargierdichte erforderlich, um die durch das Plasma eingebrachte Energie aus dem Ofen zu transportieren. Die in der DIN 17 052 - 1 getroffene Bewertung von fen nach ihrer Temperatur-gleichm igkeit, ist f r Plasmanitrieranlagen nicht zutreffend. Temperatur-unterschiede k nnen ber die Beladungsdichte, das Chargieren und die Wahl geeigneter Prozessparameter optimiert werden.

10 Es gilt: Energie_zugef hrt = Pulsspannung (V) x Stromdichte (A/m2) x Tastverh ltnis x beglimmte Fl che (m2) (1) Energie_abgef hrt = Ofenfaktor (KW/m2) x abstrahlende Fl che (m2) (2) Erl uterungen zu den einzelnen Einflussgr en: 1. Spannung Zum Z nden des Plasmas ist eine sogenannte Z ndspannung notwendig. Diese ist abh ngig vom Abstand zwischen Kathode und Anode, von den verwendeten Gasen und dem Druck. (siehe Bild 5-5) Daraus ergibt sich eine Mindestarbeitsspannung. Durch einen Z ndimpuls (siehe Bild 5-6) kann die Pulsspannung verringert werden. Mit dem Z ndimpuls ist es m glich, auch unter ung nstigsten Verh ltnissen (hoher Druck, gro er Abstand zwischen Kathode und Anode) ein Plasma stabil zu z nden.