Plasmagestütztes Oberflächenhärtungsverfahren für AM-Bauteile mit komplexen Geometrien

ZIM-Kooperationsprojekt KK5027708

Das Verbundprojekt „PlasObAM“ wird vom Institut für Werkstofftechnik der TUBAF in Kooperation mit der Fa. Plasmanitriertechnik Dr. Böhm GmbH, Chemnitz, im Zeitraum von 09/2024 bis 12/2026 bearbeitet.

Plasmanitrieren ist eine Schlüsseltechnologie zur Erzeugung funktioneller Oberflächen mit gradierten Randschichteigenschaften. Die additive Fertigung (AM) ermöglicht durch hohe Designfreiheit die Herstellung geometrisch komplexer Bauteile. Das Nitrierverhalten und die gezielte Einstellung der Randschichteigenschaften von AM-gefertigten Stählen sind aufgrund werkstoff- und prozessspezifischer Besonderheiten bislang nicht ausreichend charakterisiert. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen Aktivgitter-Plasmanitrierverfahrens zur Oberflächenhärtung von niedrig- und hochlegierten AM-Stählen. Zudem dient das Plasmanitrieren als synergistischer Prozess zur Reduzierung erforderlicher Wärmebehandlungsschritte der AM-Prozesskette. Damit sollen Einsatzmöglichkeiten von AM-Hochleistungsbauteilen erweitert und neue Anwendungsfelder erschlossen werden.

Die Arbeiten wurden mit Unterstützung durch Prof. Zeidler und unter Nutzung seiner Laser-Bed-Powder-Fusion-Anlage (LBPF) mit der Herstellung additiv gefertigter Demonstratorbauteile aus den Stählen 42CrMo4 und X38CrMoV5-1 (H11) begonnen. Zur Gewährleistung definierter Oberflächenbedingungen vor der Wärmebehandlung wurden die Bauteile durch Trowalisieren nachbearbeitet. 

Im Mittelpunkt der experimentellen Arbeiten stand die Entwicklung eines Aktivgitter-Plasmanitrierverfahrens für additiv gefertigte Bauteile. Hierzu wurden Nitrierversuche unter Variation der Prozessparameter durchgeführt, um eine konturtreue Randschichtausbildung auch bei komplexen Geometrien mit hohen Aspektverhältnissen zu erzielen. Als Referenzgeometrie dienten Demonstratorbauteile aus konventionell hergestelltem 42CrMo4 mit Sacklochbohrungen, anhand derer der Einfluss der Prozessführung auf die Nitrierbarkeit innenliegender Oberflächen untersucht wurde.

Ergänzend wurden erste Demonstratorbauteile aus additiv gefertigtem 42CrMo4 plasmanitriert und hinsichtlich der erzielten Härtesteigerung charakterisiert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die weitere Optimierung der Prozessparameter sowie die Bewertung des Nitrierverhaltens additiv gefertigter Stähle und des Potenzials des Aktivgitter-Plasmanitrierens zur Behandlung komplexer AM-Bauteile.