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Die Wirkung des Plasmas im Härteverfahren
Das elektrisch leitfähige Gas namens Plasma
Als Plasma wird ein elektrisch leitfähiges Gas bezeichnet. Damit ein Gas leitfähig ist, müssen freie Ladungsträger für den Stromtransport zur Verfügung stehen. Bei Drücken von > 0,1 bar ist diese Bedingung erst bei Temperaturen größer ca. 8000 K erfüllt. Wird der Druck auf ca. 1mbar verringert, kann ein Plasma auch bei weitaus geringeren Temperaturen erzeugt werden. Dieser Effekt wird bei der Plasmawärmebehandlung ausgenutzt. Das Niederdruckplasma ermöglicht eine "Hochtemperatur-Oberflächenchemie bei niedrigen Bauteiltemperaturen" und eröffnet für viele Bereiche Verfahrenstechniken, die einzigartig sind. Zur Plasmaerzeugung wird im Vakuum zwischen Bauteil (Kathode) und Behälterwand (Anode) eine Spannung von mehreren hundert Volt angelegt. In Abhängigkeit von der Leitfähigkeit der verwendeten Gase ergibt sich bei angelegter Spannung eine bestimmte Stromdichte.
Im Plasma wurde bereits vor dem zweiten Weltkrieg nitriert. Danach ergaben sich Ende der fünfziger Jahre mit der Gründung eines Institutes der Gesellschaft zur Förderung der Glimmentladungsforschung neue Impulse für die industrielle Nutzung des Verfahrens. Diese Entwicklungen sind eng mit den Namen Berghaus verbunden.
Der Stand der Technik bis Anfang der 80er Jahre des 20. Jahrhunderts waren wassergekühlte Anlagen, bei denen die Entladung durch eine Gleichspannung gespeist wurde (Kaltwandtechnik). Entscheidende Nachteile dieser Verfahrenstechnik sind große Temperaturdifferenzen in einer Charge und folglich große Streuungen im Behandlungsergebnis sowie eine relativ geringe Chargierdichte, ein hoher Energieverbrauch und die enge Verkopplung von thermischen und chemischen Vorgängen.
Ein wesentlicher Fortschritt konnte durch den Einsatz einer gepulsten Entladung erreicht werden. Das Pulsen senkt den Energieeintrag in die Anlage und die Temperaturgleichmäßigkeit in der Charge wird verbessert. Heute sind alle industriellen Anlagen mit dieser Pulstechnik ausgerüstet. Typische Werte für die Pulsdauer liegen bei 50 bis 100 µsec und für die Pulswiederholzeit bei 100 bis 300 µsec.
Plasmanitrieren ist neben dem Gasnitrieren ein Nitrierverfahren in der Härtereitechnik. Aufgrund der hohen energetischen Wirkung des Plasmas, ist das Verfahren bereits bei geringen Arbeitstemperaturen von unter 500°C durchführbar, sodass es auch für verzugsempfindliche Werkstoffe geeignet ist. Plasmanitrieren ist aufgrund der Tatsache, dass keine giftigen Gase verwendet werden, eine der umweltfreundlichsten Methoden zur Oberflächenhärtung.