Grundlagenuntersuchungen zur Hochrate-Plasmadiffusionsbehandlung von austenitischen nichtrostenden Stahlblechen
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projekts wurden Oberflächenmodifizierungen von Stahlfeinblechen mittels Plasmadiffusionsbehandlungsprozessen, die auch in einem kontinuierlichen Bandbehandlungsprozess durchgeführt werden können, untersucht. Die Studie befasste sich in erster Linie mit Plasmanitrieren von 0,1 mm dickem EN-1.4301-Edelstahlfeinblech für seine Anwendung als Werkstoff für die Herstellung von bipolaren Platten für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (engl.: proton exchange membrane fuel cell – PEMFC). Im Unterschied zur konventionellen Anwendung des Plasmanitrierens zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (wie z. B. Härte, Verschleißbeständigkeit) von Werkstücken und Werkzeugen aus Eisenwerkstoffen sollte hier eine Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstandes der Oberfläche bei gleich bleibenden oder verbesserten Korrosionseigenschaften durch relativ dünne Nitrierschichten bzw. kurze Prozesse erzielt werden. Da die Dauer eines konventionellen Plasmanitrierprozesses jedoch für einen Bandprozess nicht akzeptabel ist, musste ein Hochrate-Plasmanitrierverfahren konzipiert und eine Vorrichtung dazu konstruiert und hergestellt werden. Unter besonderer Berücksichtigung dieser Anforderung wurde das Bandhohlkathodenverfahren verwendet. Das Bandhohlkathodenverfahren (SHC-PTT-Verfahren; SHC-PTT – strip hollow cathode for plasma thermochemical treatment) basiert auf einer plattenförmigen Hohlkathoden-Glimmentladung und stellt eine Weiterentwicklung des Bandhohlkathodenverfahrens (SHC; SHC – strip hollow cathode) für die plasmachemische Gasphasenabscheidung dar. Für die Grundlagenforschung wurde zunächst eine Vorrichtung zur Durchführung von statischen Untersuchungen konstruiert und hergestellt. Die SHC-PTT-Vorrichtung wurde für zwei Bleche mit Abmessungen von 350 mm x 150 mm und einer Dicke von 0.1 – 0.2 mm ausgelegt. Beide Substrate wurden in einem Abstand von 30 mm parallel zueinander angeordnet und bildeten somit selbst den Hohlkathodenraum. In einem Behandlungsversuch wurden beide Stahlbleche gleichzeitig einseitig behandelt, wobei die behandelte Fläche eine Größe von 140 mm x 140 mm besaß. Die Substrate wurden mit dem negativen Ausgang eines gepulsten Gleichstromgenerators verbunden, wobei der negative Ausgang gleichzeitig geerdet wurde, so dass das Potenzial der Hohlkathode im Hinblick auf perspektivische kontinuierliche Versuche sowie auf spätere Anwendungen mit Metallband gleich dem Erdpotenzial ist. Die Untersuchungen zur Inbetriebnahme des Verfahrens und Verifikation des Plasmanitrierens wurden in einem Stickstoff-Wasserstoff-Gasgemisch bei einer Substrattemperatur von 400 °C unter Verwendung einer Plasmaaufheizung und -vorbehandlung (PAVB) in Wasserstoff-Atmosphäre erfolgreich durchgeführt. Bereits in diesem Arbeitsschritt wurde das Potenzial des Verfahrens, unter günstigen Bedingungen des Vorrichtungsbetriebs, Oberflächen mit einer signifikanten Reduzierung des Kontaktwiderstandes und einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit mit einer höheren als die in der Literatur angegebene Rate herzustellen, unter Beweis gestellt. Außerdem wurde festgestellt, dass das Plasmanitrieren direkt (ohne PAVB) durchgeführt werden kann. Die speziell zum Hochrate-Plasmanitrieren durchgeführten Untersuchungen befassten sich mit Prozessbedingungen, die durch höhere Entladungsleistungen erzielte höhere Substrattemperaturen umfassten. Durch den somit höheren Ionisationsgrad und die schnellere Stickstoffdiffusion sollte eine höhere Prozessrate erreicht werden. Dazu wurden isothermes und nicht-isothermes Plasmanitrieren bei 450 °C und 500 °C durchgeführt und die für das konventionelle Plasmanitrieren gut bekannte Abhängigkeit der Korrosionsbeständigkeit von der Substrattemperatur auch bei den im Rahmen dieses Projekts untersuchten sehr kurzen Prozessen untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei einer Substrattemperatur, die von der Bedingung einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit bestimmt ist, die Nitrierdauer bzw. Nitrierschichtdicke von dem erwünschten Wert des elektrischen Kontaktwiderstandes bestimmt wird. Nach dem auf diese Weise durchgeführten Plasmanitrieren wurde eine etwa zwanzigmal höhere Prozessrate ermittelt als bisher in der Literatur beschrieben. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse für das Plasmanitrieren in statischem Betrieb wurde die Leistungsfähigkeit des SHC-PTT-Verfahrens für die Oberflächenmodifizierung – Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstandes und Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit – von austenitischen Edelstahlfeinblechen mittels kurzzeitigen Plasmanitrieren in einem kontinuierlichen Bandprozess analysiert und eine Bandgeschwindigkeit von bis 23 mh-1 dazu vorausberechnet.
