Oberflächenhärtungsverfahren und Oberflächenmodifizierung

Manchmal müssen verschiedene Oberflächenhärtungsverfahren und Oberflächenbeschichtungen durchgeführt werden, um die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Formen zu erhöhen. Obwohl die Härte von Werkzeug- und Formstählen nach Härten und Anlassen bis zu 1000 HV betragen kann, kann diese Härte in einigen Fällen den Verschleißanforderungen nicht gerecht werden.

Die Klassifizierung der Oberflächenhärtungsverfahren ist in Tabelle 5-1 dargestellt. Im weiteren Sinne sind auch Oberflächenbeschichtungen und Oberflächenmodifizierungen eingeschlossen. In Tabelle 5-1 bezieht sich die Behandlung mit unveränderter Oberflächenzusammensetzung auf Methoden wie die Transformation in Martensit durch Härten und mechanische Verdichtung, während die Behandlung mit veränderter Oberflächenzusammensetzung im Allgemeinen auf das Kohlenstoffaufnehmen und -diffundieren durch Carburieren, das Stickstoffaufnehmen durch Nitrieren und ähnliche Verfahren verweist. Darüber hinaus bezieht sich die Diffusionsbehandlung auf Verfahren, bei denen verschiedene Metallatome diffundieren, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Eine derartige Methode ist die Salzbadbehandlung, auch bekannt als „TD-Behandlung“ .

Häufige Verfahren zur Bildung von Oberflächenbeschichtungen sind Thermisches Spritzen, Elektrolytische Abscheidung, Chemische Behandlung undOverlay-Schweißen. Insbesondere die PVD (physikalische Dampfabcheidung) und CVD (chemische Dampfabcheidung) werden am häufigsten eingesetzt.

Nur wenige dieser Oberflächenhärtungsverfahren eignen sich für die Behandlung von Formen. Die Eignung wird normalerweise anhand der Größe der Form, der Behandlungstemperatur und der Kosten bewertet. Im Folgenden werden die Oberflächenbehandlungsmethoden vorgestellt, die in der Praxis für Formen eingesetzt werden.

Nitrieren

Die Nitrierung wird bei Temperaturen unterhalb des A1-Ubergangs durchgeführt. Da die Nitrierung bei der Anlasstemperatur erfolgen kann und keine Verformungen auftreten, eignet sie sich für eine Vielzahl von Formen. Die üblichen Nitrierungsverfahren sind das Gasnitrieren, das Salzbadnitrieren (am häufigsten die Tufftride-Behandlung), das Gasweichnitrieren und die Plasmanitrierung. Die Arten und Eigenschaften der Nitrierungsverfahren sind in Tabelle 5-2 dargestellt. In der Praxis werden für Formen normalerweise die letzten drei Verfahren eingesetzt, die auch als Kohlenstoff-Stickstoff-Eindiffusion oder Weichnitrieren bezeichnet werden.

Diese Nitrierungsverfahren werden für Aluminiumextrusionsformen, Druckgießformen und Kunststoffformen eingesetzt. Besonders bei Aluminiumextrusionsformen werden normalerweise Warmarbeits-Formstähle verwendet, und danach wird die Salzbad-Weichnitrierung oder das Gas-Weichnitrieren durchgeführt. Wenn die Formen während des Gebrauchs verschleißen, können sie mehrmals nitriert und weiterhin eingesetzt werden.

Die auf der Oberfläche gebildete Verbindungsschicht hat eine extrem hohe Härte und bietet eine gute Verschleißbeständigkeit, ist jedoch spröde. Bei wiederholten Erwärmungs- und Abkühlvorgängen können thermische Risse auftreten und sich schnell ausbreiten, was ein Problem darstellt. Basierend auf den neuesten Forschungsergebnissen wird das Weichnitrieren als Methode bevorzugt, um die Wärme-Rissbeständigkeit von Druckgießformen zu erhalten und gleichzeitig die Verschleißbeständigkeit zu erhöhen.

Diffusionsbehandlung

Unter den in Tabelle 5-1 dargestellten Diffusionsbehandlungen wird die TD-Behandlung am häufigsten für Formen eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird die Form in ein Salzbad mit einem Gehalt an Vanadium (V) bei etwa 1030°C eingebracht, um eine Karbid-Beschichtung zu bilden. Vanadium im Salzbad diffundiert mit Kohlenstoff im Metall und bildet auf der Oberfläche eine VC-Beschichtung mit einer Härte von bis zu 3000 HV. Da Kohlenstoff zwischen der Beschichtung und der Grundmasse diffundiert, hat diese Beschichtung eine bessere Haftung als andere Beschichtungen. Neben Vanadium-Karbid-Beschichtungen gibt es auch Niob-Karbid-Beschichtungen, aber die VC-Schicht wird am häufigsten eingesetzt. Da die TD-Behandlung eine Methode ist, bei der die Härten durch die Diffusion von Kohlenstoffatomen im Formstahl erzielt wird, eignet sie sich nicht für Leichtkohlenstoffstahl . Ihre Behandlungssubstrate sind Warmarbeits-Formstähle mit einem Mindestgehalt von etwa 0,4 % Kohlenstoff.

In den letzten Jahren hat die Verwendung von Hochfestigkeitsstählen bei der Kaltumformung zugenommen, was zu verstärkten Verschleiß- und Haftproblemen bei Umform- und Stanzformen geführt hat. Kaltarbeits-Formstähle wie SKD11 können die Anforderungen nicht mehr ausreichend erfüllen. Daher wird die TD-Behandlung eingesetzt, insbesondere in Verbindung mit 8% Cr-2% Mo-Stählen mit höherer Anlassehärte. Hierbei wurden in der Praxis gute Ergebnisse bei Formen für Hochfestigkeitsstähle erzielt.