Plasma-Nitrieren

Plasmanitrierung und PVD/PACVD-Beschichtung: eine leistungsstarke Kombination

Umformvorgänge sind sehr anfällig für Verschleiß, Abrieb, Adhäsion, Oberflächenbeschädigung und tribochemische Reaktionen. Deshalb setzt die Umformindustrie Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen ein, um die Lebensdauer von Umformwerkzeugen zu verlängern und ihre Leistung zu steigern. Für diesen Sektor bietet Ionbond Duplex-Beschichtungslösungen an, die hervorragende Ergebnisse für Umformwerkzeuge liefern. Diese bestehen aus einem Plasmanitrierungsschritt, gefolgt von einer Beschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PACVD).

Compound layer diagram

Die Vorteile des Nitrierens

Nitrieren ist ein Verfahren zur Erzeugung einer harten Oberfläche mit hoher Widerstandsfähigkeit gegen abrasiven Verschleiß und thermomechanische Ermüdung. Es handelt sich um ein kostengünstiges, thermomechanisches Diffusionsverfahren, das bei so niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann, dass keine anschließende Wärmebehandlung erforderlich ist. Während des Nitrierprozesses wird die Oberflächenschicht eines Werkzeugs mit Stickstoff angereichert. Im Prinzip können alle Stähle und Gusseisen nitriert werden, obwohl das Vorhandensein von nitridbildenden Legierungselementen wie Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Aluminium (Al) und Vanadium (V) zu besseren Ergebnissen führt.

Die nitrierte Oberflächenschicht, die in das Grundmaterial hineinwächst, besteht aus zwei Hauptbereichen: der Verbindungsschicht und der Diffusionszone. Diese Schichten haben unterschiedliche Eigenschaften, die auch von den Legierungselementen abhängen, was bedeutet, dass das Nitrieren eine breite Palette von Anwendungen hat.

Plasma Nitrieren

Das Plasmanitrieren ist ein Nitrierverfahren mit hoher Reproduzierbarkeit und engen Toleranzen beim Behandlungsergebnis. Außerdem ist es umweltfreundlicher als das traditionelle Gasnitrieren. Aufgrund der präzisen Prozesssteuerung kann beim Plasmanitrieren eine geringere Oberflächenrauheit erzielt werden als bei alternativen Technologien wie dem Bad- und Pulvernitrieren. Durch eine optimierte Prozesssteuerung kann auch die Dicke der Verbindungsschicht, die eine geringe Haftung aufweist, reduziert werden.

Hot forging PN H13 vs Duplex IB 30

Fallstudie 1

Aluminium-Druckguss

Aluminium-Druckguss (HPDC) ist eine der anspruchsvollsten Umformanwendungen, die ohne den Einsatz von Duplex-PVD-Beschichtungen wirtschaftlich nicht machbar ist. Die wichtigsten Herausforderungen sind das Löten des Materials, die Erosion und die Wärmekontrolle. PVD- und CVD-Beschichtungen (Chemical Vapor Deposition) bekämpfen erfolgreich die Auswirkungen von Löten und Erosion. Da sie jedoch das thermische Profil des Werkzeugs nicht verändern, ist eine Plasmanitrierung erforderlich. Bei einem unserer Kunden führte Duplex Ionbond™ 22 auf Werkzeugen aus H13-Warmarbeitsstahl zu einer Produktivitätssteigerung von 1.400%, mit viel weniger Lötarbeiten und ohne Wärmekontrolle.

Hot forging PN H13 vs Duplex IB 30 350

Fallstudie 2

Warmumformung von Stahl

Eine weitere anspruchsvolle Anwendung ist das Warmumformen von Stahl, das ohne den Einsatz von Duplex-PVD-Beschichtungen wirtschaftlich nicht machbar ist. PVD- und CVD-Beschichtungen können die Warmhärte und Temperaturstabilität erhöhen. Die Plasmanitrierung der Matrize erhöht ihre thermomechanische Ermüdungsbeständigkeit. Bei einem unserer Kunden wurde eine 350%ige Produktivitätssteigerung durch den Einsatz von Duplex Ionbond™ 30 auf Matrizen aus H13-Warmarbeitsstahl beobachtet.

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Broegelmann Tobias 2021

Dr. Ing. Tobias Brögelmann

Globaler Segmentleiter Umformung und Formgebung