Grundlegende Untersuchungen zum Niederdruck - Plasmanitrieren bei hohen Spannungen

• Antragsteller: Professor Dr. Günter Bräuer
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544130010

Das Plasmanitrieren ist ein etabliertes thermochemisches Verfahren zur Steigerung der Korrosions- und Verschleißbeständigkeit von Stählen. Es wird seit Jahrzehnten erfolgreich in der Industrie genutzt, um Bauteile und Werkzeuge für ihren Einsatzzweck zu optimieren. Technologische Entwicklungen im Bereich der Spannungsversorgung und die Eignung zum Plasmanitrieren wurden bisher nicht wissenschaftlich untersucht. Neuartige Plasmageneratoren, die ein verbessertes Arc-Management aufweisen, ermöglichen Plasmanitrierprozesse bei deutlich höheren Spannungen als heute industriell üblich. Diese erweiterte Prozessführung soll im beantragten Projekt untersucht werden. Eigens durchgeführte Vorversuche in diesem Bereich sind vielversprechend und zeigen, dass eine hohe Spannung signifikanten Einfluss auf die Ausbildung der Nitrierzone hat. Bei mehreren Versuchen mit hoher Spannung, konnte u. a. ein deutlich beschleunigtes Wachstum der Verbindungsschicht nachgewiesen werden. Dies könnte ökonomischere Prozesse ermöglichen, z. B. im Bereich des Oxinitrierens. Hierbei wird in einer zweistufigen Prozessführung zuerst eine Verbindungschicht erzeugt und anschließend in einem zweiten Prozessschritt diese zu Magnetit oxidiert. Durch den Einsatz hoher Spannung beim Erzeugen der Verbindungschicht kann der Prozess zeitlich wesentlich verkürzt werden. Ziel dieses Projektes ist es wissenschaftlich zu untersuchen und zu verstehen, in welcher Weise hohe Prozessspannungen das Plasma und das Nitrierergebnis beeinflussen. Zu diesem Zweck soll der Zusammenhang zwischen Plasmacharakterisierung und daraus resultierendem Nitrierergebnis untersucht werden. Dafür sollen umfangreiche Nitrierprozesse mit verschiedenen Werkstoffen (ein hoch legierter sowie ein niedrig legierter ferritischer Stahl, ein austenitischer Stahl und ein Titanwerkstoff) durchgeführt werden. Die Prozessparameter Druck, Puls-Pause Verhältnis, Gas-Zusammensetzung und Temperatur werden einzeln unter dem Einfluss hoher Spannung variiert. Prozessbegleitend wird das Plasma mithilfe der optischen Emissionsspektroskopie charakterisiert. So werden die Veränderungen des Plasmas mit dem Nitrierergebnis korreliert um zu ergründen wie das Plasma den Diffusionsprozess beeinflusst. In Vorarbeiten konnte bereits gezeigt werden, dass mit steigender Spannung der Strom überproportional zunimmt. Es wird vermutet, dass eine erhöhte Ionisationsrate des Plasmas dafür verantwortlich ist. Das Projekt wird den grundlegenden Einfluss hoher Spannungen bei Plasmaprozessen auf die randnahe Modifikation von metallischen Oberflächen erklären und so in Zukunft eine ökologisch optimierte Prozessführung ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen