Neues kennzahlbasiertes Regelungskonzept für das kontrollierte Plasmanitrieren und -nitrocarburieren
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H. Klümper-Westkamp
Kurzfassung
Das Plasmanitrieren und -nitrocarburieren ist ein seit Langem in der industriellen Produktion etabliertes Verfahren. Dieses plasmaunterstützte thermochemische Randschichtverfahren wird auf verschiedenste Stahl-Bauteile angewandt, um den Verschleißwiderstand, die Korrosionsbeständigkeit sowie die Schwingfestigkeit zu steigern. Nach dem Stand der Technik wird der Prozess heute im Bereich der anomalen Glimmentladung als gepulstes Plasma in einem elektrisch beheizten Warmwandofen durchgeführt. Durch die Einstellung der Begasungszusammensetzung sowie der Plasmaparameter ist es möglich, verschieden dicke Verbindungsschichten mit unterschiedlicher Phasenzusammensetzung, Härte und Morphologie einzustellen. Die hierfür notwendigen konstanten Gas- und Plasmaparameter werden in der Regel vorab experimentell ermittelt. Das Einstellen der optimalen Parameter, um die angestrebte Randschichtspezifikation reproduzierbar und prozesssicher zu erreichen, erfordert eine Menge Expertenwissen und Experimente. Weitere Einflussfaktoren auf die Verbindungsschichtausbildung, wie die Chargengröße, die Chargenzusammensetzung, der Reinigungszustand der Charge, der Chargenaufbau, die Temperaturverteilung in der Charge, die Sauberkeit des Ofens sowie die Leckrate der Vakuumanlage sind schwierig zu berücksichtigen und können große Abweichungen im Randschichtaufbau verursachen. Um diesen Missstand zu überwinden, wurde ein neues Regelungskonzept entwickelt. Untersuchungen zur Gaszusammensetzung des Plasmanitrier- und -nitrocarburierprozesses zeigen unter anderem einen signifikanten Ammoniakanteil, obwohl kein Ammoniak zum Prozess zugegeben wird. Die neue Regelung des Plasmaprozesses zur definierten Einstellung definierter Verbindungsschichten und Randschichten basiert auf der Gasanalyse des Prozessgases, zusammen mit den Plasmaparametern und daraus abgeleiteten Kenngrößen.
Abstract
Plasma nitriding and nitrocarburizing has been established in industrial production since many years. This thermochemical surface treatment is applied to various steel components in order to enhance wear resistance, corrosion resistance and fatigue resistance. The process is done at the state of art in a pulsed discharge technique in the region of anomalous glow discharge in a conventional heated furnace. By adjusting the gas composition and plasma parameters different compound layers with different thickness, composition, hardness and morphology can be produced. Up to now applications run under constant gas and plasma parameters, which have to be investigated and evaluated before. A lot of expert knowledge and experience is necessary to get the right parameters for the production of the intended compound layer specification and to secure the reproducibility. Further influencing aspects on the compound layer formation as batch size, batch surface, batch cleanliness, jigging, temperature distribution, cleanliness and leak rate of the plant are difficult to take into account and can cause large deviations. To overcome these disadvantages a new concept for controlled processing is developed. Investigations in analyzing the exhaust gas of the plasma nitriding process gas showed a significant amount of ammonia, although no ammonia is added to the process. Based on process gas analysis together with plasma process parameters and thereof derived specific characteristic numbers a closed loop control for defined nitriding and nitrocarburizing of well defined layer characteristics is invented.
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