TR73

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C5 - Atmosphärisches Plasmanitrieren (Förderperiode 1)



Partielle Oberflächenbehandlung durch atmosphärischs Plasmanitrieren zur Steigerung der Härte und Verschleißfestigkeit hochbeanspruchter Werkzeuge und Bauteilregionen nach dem Umformprozess

Projektstatus: abgeschlossen

Letztes Update: 17.01.2012



Mitglieder


Mit dem Verfahren des Nitrierens wird eine Aufhärtung zur Verbesserung des Verschleiß-, Festigkeits- und Korrosionsverhaltens der Werkstoffrandzone bezweckt. Hierbei beruht die Härtesteigerung nicht auf der Bildung von Martensit wie bei einem konventionellen Härteprozess, sondern auf der Diffusion und Einlagerung von Stickstoffatomen im Metallgitter.

Im Rahmen des SFB/TR73 „Blechmassivumformung“ wird im Teilprojekt C5 an einem Verfahren geforscht, mit dem ein örtlich begrenztes Nitrieren unter atmosphärischen Bedingungen ermöglicht werden soll. Das Ziel der Forschung liegt in der partiellen Randzonenmodifikation von Eisenbasiswerkstoffen. Dabei wird unter Zuhilfenahme des übertragenen sowie des nicht-übertragenen Plasmalichtbogens atomarer Stickstoff an der Werkstoffoberfläche bereit gestellt. Durch die Anwendung unter atmosphärischen Bedingungen entfällt die aufwendige Anlagentechnik welche beispielsweise für das Plasmanitrieren im Niedervakuum benötigt wird. Die spanende Nachbearbeitung oder Abdeckung von Bauteilregionen entfällt durch das örtlich begrenzte Einwirken der Plasmasäule. Die werkstoffkundliche Herausforderung der Forschungsarbeiten liegt in der Anwendung des energiereichen Plasmalichtbogens ohne die Werkstoffoberfläche anzuschmelzen.

apn

Der Prozess lässt sich in fünf Phasen unterteilen. In der ersten Phase wird das Stickstoffmolekül auf Grund der Energie des Lichtbogens dissoziiert. Anschließend wird der atomare Stickstoff ionisiert und Folge der kinetischen Energie des Plasmas zur Bauteiloberfläche hin beschleunigt. An der „kalten“ Bauteiloberfläche rekombiniert ein Teil zu Stickstoffatomen und -molekülen und wird an die umgebende Atmosphäre abgegeben. Der übrige atomare Stickstoff wird an der Bauteiloberfläche adsorbiert und diffundiert in den Werkstoff. Hierbei bilden sich intermediäre Phasen. Diese ε´- und γ´-Eisennitride bilden eine Verbindungsschicht. Darüber hinaus diffundiert der Stickstoff weiter in den Grundwerkstoff und bildet fein dispers verteilte Nitridausscheidungen, welche die Diffusionsschicht bilden.


Arbeitskreise


Veröffentlichungen

    2016

    • Lizunkova, Y.: Lokales atmosphärisches Plasmanitrieren von Stählen zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften. Dissertation, Berichte aus dem IW 01/2016(2016), Garbsen: PZH Verlag, veröffentlicht
    • Randzonenmodifikation von Fe-Basiswerkstoffen auf Grundlage einer Lichtbogenbehandlung. Dissertation, Universität Paderborn(2016), Paderborn, veröffentlicht

    2012

    • Lizunkova, Y.; Hassel, T.; Bach, F.: Temperature control during the APN-process on the steel 1.3343. In: ESAFORM 2012 - Key Engineering Materials (Hrsg.): 504(2012), doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.504-506.1017, S. 1017-1022
    • Lizunkova, Y.; Hassel, T.; Bach, F.: Structure of surface zone of the steel 1.3343 after atmospheric plasma-nitriding. In: Bogorodskiy petschatnik (Hrsg.): (2012), XXIV Russia Conference on electron microscopy (RCEM-2012), S. 132-133
    • Bach, F.: Synthesis of Tribologically Favorable Coatings for Hot Extrusion Tools by Suspension Plasma Spraying. In: Thermal Spray Technology (Hrsg.): 21(2012)3, S. 668-675

    2011

    • Schaper, M.; Lizunkova, Y.; Vucetic, M.; Hetzner, H.; Opel, S.; Schneider, T.; Koch, J.; Plugge, B.: Sheet-bulk metal forming a new process for the production of sheet metal parts with functional components. In: Metallurgical and Mining Industry, 3(2011)7, S. 53-58
    • Hassel, T.; Lizunkova, Y.; Birr, C.; Bach, F.: Structure and properties of surface zone of high-speed steel 1.3343 after atmospheric plasmanitriding. In: State Key Laboratory of Advanced and joining, HIT (Hrsg.): (2011), Harbin, China: the 11th International Workshop on Plasma-Based Ion Implantation & Deposition, S. 50-51
    • Hassel, T.; Bach, F.: Economic surface hardening by spray cooling. In: Heat Treatment Material (Hrsg.): 66(2011)5, S. 290-296
    • Hassel, T.; Bach, F.: Thermal treatment of contaminated concrete surfaces as a decommissioning method for Nuclear Power Plant Buildings. In: Proceedings of 1st International Conference on Stone and Concrete Machining (Hrsg.): (2011), Hannover, S. 129-135
    • Hassel, T.; Bach, F.: Hot-Wire-Plasmaschneiden mit exotherm abreagie-rendem Zusatzwerkstoff zur Erhöhung der Schneidleistung. In: KTG Kerntechnische Gesellschaft e.V. (Hrsg.): (2011), 10 Internationales Symposium "Konditionierung radioaktiver Betriebs- und Stilllegungsabfälle", S. 512-534

    2010

    • Hassel, T.; Birr, C.; Bach, F.: Surface zone modification by atmospheric plasma-nitriding (APN) with the aid of the transmitted plasma-arc. In: Key Engineering Materials (Hrsg.): 438(2010), S. 147-154

    2009

    • Hassel, T.; Bach, F.: Manufacturing surface hardened components of 42CrMo4 by water-air spray cooling. In: Steel Research International (Hrsg.): 80(2009), S. 906-915
    • Bach, F.; Behrens, B.; Hassel, T.: Integrierte Wärmebehandlung komplexer Präzisionsschmiedebauteile mittels einer prozess- und geometrieangepassten Zwei-Phasen-Spraykühlung. In: 3rd International Conference on Accuracy in Formin Technology (Hrsg.): (2009), S. 283-301

    Vorträge

      2012

      • 15.03.2012: Lizunkova, Y.: Analysis of temperature conditions during the APN-process on the steel 1.3343 , ESAFORM-12, Erlangen, Germany

      2011

      • 10.09.2011: Lizunkova, Y.: Structure and properties of surface zone of high-speed steel 1.3343 after atmospheric plasma-nitriding, PBIID&SMMIB 2011, Harbin, China

      2010

      • 15.04.2010: Birr, C.: Surface zone modification by atmospheric plasma-nitriding (APN) with the aid of the transmitted plasma arc, the coatings 2010; Erlangen