Dynamische Nitrierzonenentwicklung beim Plasmanitrieren zur Vorhersage von mechanischen Oberflächeneigenschaften (DynP²)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Biermann; Professor Dr.-Ing. Thomas Lampke
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547149748

Der vorliegende Antrag „Dynamische Nitrierzonenentwicklung beim Plasmanitrieren zur Vorhersage von mechanischen Oberflächeneigenschaften“ beinhaltet die Erstellung und Validierung eines Nitriermodells zur Vorausberechnung der Nitrierzonenentwicklung und des Eigenschaftsprofils von Stählen nach dem Plasmanitrieren. Besonderer Fokus liegt auf der diffusionsabhängigen Stickstoffverteilung sowie dem wechselseitigen Einfluss des im Stahl vorhandenen Kohlenstoffs. Durch die Verwendung von Diffusions-Reaktions- und Cross-Diffusion-Ansätzen werden bestehende Modelle zur Simulation von Plasmanitrierprozessen derart erweitert, dass neben der Stickstoffkonzentration auch die Kohlenstoffkonzentration sowie die Gefügeentwicklung innerhalb der Verbindungsschicht berechnet werden. Die dafür erforderlichen Diffusionskoeffizienten und Löslichkeitsgrenzen der auftretenden Eisennitridphasen gamma‘ und epsilon sowie der Matrix werden mittels Ableitung und numerischer Approximation inverser Probleme für Kohlenstoff und Stickstoff bestimmt. Ziel ist die Beschreibung der Diffusionskoeffizienten und Löslichkeitsgrenzen in Abhängigkeit von Temperatur und Legierung. Alle für die Modellierung benötigten Input- sowie Validierungsdaten werden experimentell an einer vollfaktoriellen Versuchsmatrix mit Variation der Prozessparameter Temperatur, Zeit und Atmosphärenzusammensetzung ermittelt und die entstandenen Nitrierzonen strukturell, chemisch und mechanisch charakterisiert. Versuchsbegleitende Messungen mit Laserabsorptionsspektroskopie dienen der Quantifizierung der NH₃-Konzentration innerhalb des plasmaaktivierten Gases. Die jeweils an Reineisenproben resultierenden Verbindungsschichtstrukturen werden, in Analogie zu der bei Gasnitrierprozessen geltenden Wechselwirkung zwischen Nitrierpotenzial und Eisennitridphasen, mit der NH₃-Konzentration korreliert. Die durch spezifische Prozessparameter (Leistung, Puls-Pause/Tastverhältnis, Plasmaleistungsdichte) innerhalb eines Plasmanitrierprozesses resultierende Konzentration an NH₃ bildet, unter Berücksichtigung weiterer Prozessparameter (Druck, H₂-Gehalt im Prozess), die Grundlage zur Erarbeitung einer robusten Prozesskenngröße. Neben der gezielten Variation des Kohlenstoffgehaltes wird auch das Legierungselement Cr untersucht, um einen Übertrag von Reineisen und unlegierten Stählen hin zu klassischen (Nitrier-)Stählen zu erzielen. Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist die Vorhersage der beim Plasmanitrieren vorliegenden, komplexen Abhängigkeiten zwischen Prozessparametern und resultierenden Schichteigenschaften über einen deutlich reduzierten Versuchsumfang durch Anwendung des erarbeiteten Nitriermodells. Damit entfällt künftig für Stähle unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung die Evaluierung großer Parameterfenster.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen