DE3235670C2

DE3235670C2 - Verfahren zum Glimmnitrieren von Werkstoffen

Info

Publication number: DE3235670C2
Application number: DE3235670A
Authority: DE
Inventors: Antti Samuli 00370 Helsinki Korhonen; Eero Heikki 00170 Helsinki Sirvio; Martti Seppo 00200 Espoo Sulonen; Heilli Antero 02200 Espoo Sundquist
Original assignee: Kymi Kymmene Oy
Current assignee: Plasmatekniikka Jaervenpaeae Fi Oy
Priority date: 1981-09-30
Filing date: 1982-09-27
Publication date: 1984-08-02
Also published as: SE8205582L; JPS5867862A; SE8205582D0; US4460415A; DE3235670A1; SE449877B; FI63783C; SU1373326A3; FI63783B; GB2109419B; FR2513660A1; FR2513660B1; GB2109419A

Abstract

Verfahren zum Nitrieren von Werkstoffen auf der Grundlage mittels elektrischer Spannung zu erzeugender Glimment ladung entweder in reinem Stickstoff oder einem gewünsch- ten Gasgemisch bei einem Druck von 1 bis 100 mTorr (0,13-13,3 Pa). Die Nitrierung kann auch in Verbindung mit der Beschichtung mit einem gewünschten Beschichtungsmittel erfolgen, und für die Temperaturregulierung kann ein separater Glühdraht (15) verwendet werden. Die Nitrieranlage kann entweder eine separate Einheit oder ein Teil der Beschichtungsanlage sein. Mit dem Verfahren läßt sich durch Erhöhen der Oberflächenhärte des Werkstücks dessen Verschleißfestigkeit verbessern. Weiter kann infolge des niedrigen Druckbereiches, in dem gearbeitet wird, im Zusammenhang mit oder nach dem Nitrieren unter Einsatz der gleichen Anlage eine Beschichtung mit einer harten, verschleißfesten Verbindung oder Mischung durchgeführt werden; auf diese Weise läßt sich eine dicke, noch oberflächenhärtere Schicht erzielen. Haupteinsatzbereich des Verfahrens ist die Verbesserung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Maschinenteilen und Werkzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glimmnitrieren von Werkstoffen entweder in reinem Stickstoff oderineinem Gasgemisch, wobei die Behandlung im Zusammenhang mit der oder vor der ionenbeschichtung oder einer entsprechenden, auf dem Einsatz von Glimmentladung basierenden Beschichtung erfolgt.

Zwar ist unter der Bezeichnung »Plasma- oder lonennitrierung« das Nitrieren von Metallgegenständen bei hoher Spannung und entsprechendem Gasdruck allgemein bekannt. Unbekannt ist hingegen, welche Drücke im allgemeinen überhaupt möglich sind oder das beste Resultat ergeben.

Die ersten Versuche, für diesen Zweck hohe Spannungen auszunutzen, erfolgten bei normalem Druck (US-PS 18 37 256). Infolge Funkersprühens und Lichtbogenbildung war der Prozeß jedoch schwierig unter Kontrolle zu halten. Eine erhebliche Verbesserung zeigt die in der DE-PS 6 68 339 beschriebene Behandlung bei einem niedrigeren Druck, die eine beträchtlich bessere Kontrolle ermöglichte. Das dort gezeigte Verfahren basiert auf der Ausnutzung der anomalen Glimmentladung. Weitere Untersuchungen führien dann schließlich in den 1960er und 1970er Jahren zur industriellen Ausnutzung der bei einem relativ niedrigen Druck (0,!3—1,3 kPa) erfolgender Glimmentladung, beispielsweise bei einem Verfahren gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruches (AT-PS 1 91 764 sowie /. B. B. Edenhofer. The Metallurgist and Materials Technologist 8. 1976.S.42I-426).

Bei den bekannten Plasma- und loncnniirierverfahren, die auf der Nutzung der bei dem vorgenannten Druckbereich zu bewerkstelligender Glimmentladung basieren, beschießen die Stickstoffionen und neutralen Atome die Oberfläche des Werkstückes und schlagen sogar Atome aus dieser heraus. Bei dem Auftrcffcn auf das Werkstück, das unter hoher Spannung als Katode fungiert, geben sie ihre kinetische Energie zum Großteil als Wärme ab. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, die für eine rasche Slickstoffdiffusion erforderliche Temperatur (ca. 400—600⁰C) ohne Wärmezufuhr von außen zu erreichen.

Der vorstehend genannte Druckbcreich (0.13—IJkPa) liegt nicht besonders niedrig. Beträchtlich darunterliegende Drücke sind nach dem heutigen Stand der Technik in der Praxis im Hinblick auf das Nitrieren noch nichi untersuch! worden. Zwar ist in »Heat Treatment: Methods and Media. No. IMT/2 (1979), July S. 58 — 65« auf die Möglichkeit hingewiesen, eine Glimmentladung in einem noch niedrigeren Druckbcreich von 1,3μbar — 0.133 mbar hervorzubringen, doch kann in diesem Druckbercich der erforderliche Erhitzungseffekt nicht erzielt werden, weil in diesem Druckbereich bei Anwendung des dort beschriebenen Verfahrens das Plasma nicht aktiviert wird. So ist dort (S. 60) auch darauf hingewiesen, daß für eine Nitrierung ein Druck von 10 mbar angewandt werden muß.

Was die allgemeinen Auswirkungen einer Druckabsenkung betrifft, so ist bekannt (E. Nasser. Fundamentals of gaseous ionization and plasma electronics, John Wiley. 197 i. S. 400—405), daß mit sinkendem Druck und

ίο immer höherer Entladungsspannung die katodenseitigen Glimmentladungszonen sich auszudehnen trachten, bis die negative Glimmentladung vollständig verschwindet und die Glimmentladung hauptsächlich von Katodenzonen oder von Katodenglimmentladung gebildet wird, bei der keine getrennten Zonen unterschieden werden können.

Es kann ferner angenommen werden, daß bei niedrigen Drücken der freie Weg der Atome und Ionen zwischen den Zusammenstößen wächst (z. B. B. Chapman.

Glow discharge processes, John Wiley. 1980 S. 9—10). was zu einem energiereicheren Beschüß der Werkstückoberfläche führen könnte. Dies würde sich im Hinblick auf die Nitrierung günstig auswirken.
Viele neuere Beschichtungsverfahren, z. B. die Ionenbeschichtung (vgl. z. B. D. M. Mattox, Mechanisms of ion plating. Proa of the Int. Conf. on lon Plating and Allied Techniques, (IPAT 79), London, July 1979, s. 1 — 10) erfolgen in diesem Druckbereich. Das Nitrieren ist dort nicht angesprochen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art aufzuzeigen, das eine Glimmnitrierung in einem niedrigeren Druckbereich als bisher ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem

j5 kennzeichnenden Teil des Patentanspruches. Es wird nunmehr bei einem Druck von 0,13 — 13.3 Pa gearbeitet, wobei die Temperatur des Werkstückes durch Einsat/, eines getrennten, negativ geiadenen Glühdrahtes geregelt wird. Die Nitrierung in einen derart niedrigen Druckbercich führt zu einer .sehr guten Kontrolle und Beherrschung des Vorganges. Man kann auf diese Weise auch die Plasmanitrierung direkt mit der Ionenbeschichtung kombinieren und auf diese Weise harte, verschlicßfcstc Oberflächen und dicke Diffusionsschichten

V) erzeugen. Es ergibt sich ferner die Möglichkeit, die Nitrierung in sehr kurzer Zeit durchzuführen. Die Gefahr der Lichtbogenbildung ist gering, und dies führt zu einer bclrächlüchen Verbesserung der Stabilität der Glimmentladung, so daß sich die normalerweise erforderlichen Vorrichtungen zur Verhinderung des Lichtbogens erübrigen.

Ein Durchführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Fig- I zeigt das Schema der verwendeten Versuchsanlage. Diese weist eine Vakuumkammer 1 auf, in der die Behandlung erfolgt. Die Pumpen 2 dienen zur Evakuierung der Kammer. Der zu benandelnde Gegenstand 3 wird beispielsweise mit einer Schraube 4 an der Kato-

W) de 5 befestigt, welche durch das Zwischenteil 6 von der Vakuumwand isoliert ist. Vom umgebenden Raum ist die Katode durch die Schutzkapsel 7 isoliert. An die Kalodc wird über den Leiter 8 eine negative Spannung 9 von ctwii 4 kV gelegt: die Kummerwand selbst wird

b^r, ;ils Anode 10 geschaltet. Die Temperatur des /u bchan dclndcn Gegenstandes wird mit dem Thermoelement 11 gemessen: die Meßvorrichtungen 12 sind in der von der Umgebung isolierten Kapsel 7 untergebracht. Die Ka-

ode ist von einer Abschirmeinrichtung 13 umgeben, velche die Glimmentladung auf den engeren Umraum ies zu behandelnden Gegenstandes 3 begrenzt. In die Vakuumkammer 1 wird Gasgemisch 14 von passendem Mischungsverhältnis cingebraehl und der Druck in der ■; Kammer wird auf einen passenden Wert eingestellt. Die Glimmentladung wird durch Venvendung eines Glüh-Jrahtes 15, der über die Durchführungen 16 an eine Heizstromquelle 17 angeschlossen ist, unterhalten, wie vorstehend ausgeiiinrt, ist die Glimmentladung unselb- to ständig, bedarf also einer zusätzlichen lonisierungsquel-Ie. Das negative Glühdrahtpotential läßt sich über die Schaltung 18 unter Einsatz der Spannungsquelle 19 bis 400 V regulieren. Die Vakuumkammer ist als positiver Pol 20 der Spannungsquelle 19 geschattet

In den Fig.2a und 2b sind Härteverteilungen dargestellt, wie sie sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen gewöhnlichen Nitrierstahl und einen niedrig legierten Vergütungsstahl ergeben haben. Die bei diesen Versuchen angewandten Stickstoffdrükke variierten zwischen 1.3 und 7.8 Pa. Pie Werkstücktemperatur wurde mit dem Glühdraht 15 geregelt, wobei mit der Temperatur des Glühdrahtes die Elektronenemission und der lonisierungsgrad des BehancKungsgases und als Folge davon die Werkstücktemperatur geregelt wurden. Aus den Härteverteilungen ist ersichtlich, daß trotz niedriger Behandlungstemperaturen und einer kurzen Nitrierzeit von nur 5 Stunden völlig ausreichende Diffusionsschicht-Tiefen erzielt wurden. Die Dicke der Diffusionsschicht läßt sich im Bedarfsfall durch eine längere Behandlungszeit weiter erhöhen.

Die F i g. 3a und 3b zeigen in schematischer Darstellung Beobachtungen über den Einfluß des Druckes auf die Glimmentladung. Mit zunehmendem Druck wird um den zu behandelnden Gegenstand 3 herum zusätzlich « zur Katodenglimmentladung 21 eine negative Glimmentladung 22 (F i g. 3b) sichtbar. Vergleicht man das erfindungsgemäße Verfahren (Fig.3a) am herkömmlichen Plasmanitrieren (Fig.3b), so zeigt sich, daß sich der Charakter der Glimmentladung bei Abnahme des Druckes entscheidend ändert. Die beim herkömmlichen Plasmanitrieren auftretende negative Glimmentladung 22 tritt bei dem Verfahren gemäß der Erfindung nicht in Erscheinung.

Fig.4 zeigt ein Beispiel aus Ergebnissen von Rönt- 4·> gen-Diffraktkmsuntersuchungen an mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nitrierten Werkstücken. Ein Vergleich der Diffraktionskurve des nitrierten Werkstückes mit der Diffraktionskurve des unbehandelien Werkstückes zeigt, daß ej bei der Nitrierung zur BiI- > <> dung von ^-(Fe^N) und von t-Nitriden (Fei jN) kommt. Auf die Zuspmmensetzung und Dicke der Oberflächenschicht kann durch Variieren der Prozeßvariablcn (Gas. Druck, Zeit) usw. Einfluß genommen werden.

Infolge des bei den niedrigen Drücken intensiveren lonenbeschusses ergeben sich kurze Behandlungszciicn bei gleichzeitig geringerer Gefahr von Lichtbogenbildung. Bei den zur Anwendung gebrachten niedrigen Drücken änderte sich auch die Natur der Glimmentladung entscheidend in der vermuteten Weise, was im to Verschwinden der negativen Glimmentladungszone zum Ausdruck kommt. Mit dem Verfahren läßt sich ferner leicht z. B. eine Ionenbeschichtung mit einem gewünschten harten, verschleißfesten Beschichtungsstoff kombinieren. fci

Hierzu 5 B!«t Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Glimmnitrieren von Werkstoffen entweder in reinem Stickstoff oder in einem Gasgemisch, wobei die Behandlung im Zusammenhang mit der oder vor der Ionenbeschichtung oder einer entsprechenden, auf dem Einsatz von Glimmentladungen basierenden Beschichtung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einem Druck von 0,13—133 Pa durchgeführt wird und daß die Temperatur des Werkstückes durch Einsatz eines getrennten negativ geladenen Glühdrahtes (15) geregelt wird.