Neues kennzahlbasiertes Regelungskonzept für das kontrollierte Plasmanitrieren und -nitrocarburieren

Abstract

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.