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Neue Erkenntnisse zum Plasmaborieren mit Trimethylborat*

Teil 2: Vermeidung von Poren durch Barriereschichten aus Nickel
  • A. Küper , H.-R. Stock and P. Mayr
Published/Copyright: April 1, 2022
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HTM Journal of Heat Treatment and Materials
From the journal HTM Journal of Heat Treatment and Materials Volume 56 Issue 2

Abstract

Mit Hilfe von dünnen Nickel-Barriereschichten auf dem Stahl 42CrMo4 konnten in einem plasmaunterstützten Prozess mit der Verbindung Trimethylborat, B(OCH3)3, kompakte Boridschichten der Zusammensetzung (Ni,Fe)2B und Fe2B erzeugt werden. Es wurde der Einfluss der Nickelschichtdicke, des Nickel-Abscheideverfahrens sowie der Prozessparameter Druck und Zeit auf die Boridschichtausbildung untersucht. Je nach Behandlungszeit – bei einer 2 μm dicken Nickel-Barriereschicht – hat die resultierende Boridschicht eine Dicke bis zu 160 μm und weist eine Härte von maximal 2150 HV 0,025 auf.

Abstract

With the help of thin barrier nickel coatings on steel AISI 4140 compact boride layers with a composition of (Ni,Fe)2B und Fe2B were generated in a plasma-assisted boronizing process, using trimethyl borate, B(OCH3)3. The influence of the thickness of the nickel coating, the nickel deposition method as well as both the boronizing process pressure and time on the formation of the boride layer were investigated. Depending on the process time the boride layer has a thickness up to 160 μm and a maximal hardness of 2150 HV 0.025 using a 2 μm thick nickel coating as barrier coating.

* Vorgetragen von A. Küper auf dem 56. Härterei-Kolloquium, 4. –6. Oktober 2000 in Wiesbaden. Teil 1: s. HTM 55 (2000) 6, S. 353–360.

  1. Die Arbeiten wurden aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke e. V. “ unter dem Kennzeichen AiF 11861 gefördert.

Im Anschluss an diesen Vortrag ergab sich folgende Diskussion

E. Menthe:

Ich möchte einige kurze Anmerkungen bezüglich der verwendeten Borspendermedien machen und hier eine Lanze für das Diboran brechen. Es ist natürlich richtig, dass Diboran selbst ein sehr toxisches Gas ist, explosiv ebenfalls. Zur Explosivität kurz: Sie verwenden auch Wasserstoff in Ihrem Prozess, der ebenfalls explosiv ist.

Die zweite Anmerkung betrifft die Diborankonzentration während des Borierens. Bezieht man die Menge Diboran, die in dem Prozess vorhanden ist, auf Atmosphärendruck, kommt man auf eine maximale Arbeitsplatzkonzentration, die noch unterhalb des MAK-Wertes liegt. Zusätzlich muss man natürlich auch bedenken, dass man das Ganze im Unterdruck betreibt, d. h. die Anlage selbst ist nach außen hin abgeschlossen.

Bei der Verwendung von Diboran als Borspender haben wir den Vorteil, dass wir gerade keinen Kohlenstoff und Sauerstoff im Gas haben. Eine letzte Anmerkung: Diboran wird z. B. in der Halbleiterindustrie als Dotiermittel schon seit vielen Jahren verwandt und ist dort auch problemlos zu handhaben. Es ist richtig, dass es ein toxisches Gas ist, aber unter Berücksichtigung der entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen bin ich der Meinung, dass es genauso gut als Borspender für Borierprozesse einsetzbar ist.

A. Küper:

Zu den Sicherheitsvorkehrungen bei der in Reinsträumen fertigenden Halbleiterindustrie kann ich nicht viel sagen. Es gibt eine Richtlinie der Bundesanstalt für Arbeitsschutz, daraus geht hervor, dass Diboran hochtoxisch ist, wie Sie selber auch schon bemerkten. Die Handhabung ist daher äußerst schwierig und ist bei Trimethylborat einfacher. Wenn man die Probleme mit dem Kohlenstoff und dem Sauerstoff, die auch Sie ansprachen, so wie wir in den Griff bekommt, denke ich, dass die Verwendung von Trimethylborat eine für den Anwender sicherere Altenative ist.

A. Goetz:

Wir als Anwender haben ja oft die Probleme, partiell zu borieren. Welche Möglichkeiten bestehen da, nur über mechanische Abdeckung oder gibt es noch andere Möglichkeiten?

A. Küper:

Nun ich denke, dass beim Plasmaborieren analog zum Plasmaaufkohlen durch eine mechanische Abdeckung eine partielle Borierung ohne Weiteres durchaus durchführbar ist. Wir haben uns darüber bisher aber noch keine Gedanken gemacht. An dieser Stelle möchte ich anmerken, dass die Borierforschung mit Trimethylborat erst vier Jahre jung ist. Wir konnten in vier Jahren zeigen, dass das Plasmaborieren mit dieser Verbindung möglich ist und der Übertrag dieses Verfahrens aus dem Labormaßstab in die Industrie nun eine weitere Herausforderung darstellt, der wir uns gerne stellen möchten.

E. Hochbichler

Wie verhalten sich diese borarmen Randschichten unter Verschleißbeanspruchung und zum Zweiten, wie ist die Korrosionbeständigkeit einer mit Trimethylborat plasmaborierten Oberfläche?

A. Küper:

Zu der zweiten Frage: die Korrosionsbeständigkeit haben wir noch nicht untersucht. Die Verschleißfestigkeit dieser Schichtverbundsysteme haben wir bereits getestet, die Ergebnisse hierzu konnte ich Ihnen hier leider aus Zeitgründen nicht vortragen. Die äußere borarme Randzone ist natürlich sehr weich und bietet keinen ausreichenden Verschleißschutz. Es gibt Überlegungen, dass man diese Schutzschicht abträgt. Dasie sehr weich ist, bereitet das auch sicherlich kein Problem. Des Weiteren kann diese Schicht evtl. auch bei entsprechenden Beanspruchungen als Einlaufschicht verwandt werden. Aber wie schon auf die Frage von Herrn Goetz erwähnt, sind wir noch am Anfang der Forschung und sind offen für Anregungen aus der Industrie.

Diskussionsteilnehmer

Dr.-Ing E. Menthe, DaimlerChrysler AG, Ulm.

Dipl.-Ing A. Goetz, Kreuztal.

E. Hochbichler, Robert Bosch GmbH, Leinfelden-Echterdingen.

Dipl.-Ing A. Küper, IWT, Bremen.

Literatur

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Published Online: 2022-04-01
Published in Print: 2001-04-01

© 2001 Carl Hanser Verlag, München

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