Titel

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts, insbesondere eines Stahlbands oder Stahlblechs, mit einer Einrichtung zum Plasmanitrieren eines Stahlsubstrats, wobei die Einrichtung zum Plasmanitrieren mindestens einen Hohlkathodenraum aufweist, in welchem eine Hohlkathoden-Glimmentladung erzeugbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts, insbesondere eines Stahlbands oder Stahlblechs, wobei ein Stahlsubstrat bereitgestellt wird und Stickstoff durch Plasmanitrieren in das Stahlsubstrat eindiffundiert wird, wobei zum Plasmanitrieren ein Plasma durch eine Hohlkathoden-Glimmentladung bereitgestellt wird.

Die Erfindung findet Anwendung bei der Herstellung von als Bipolarplatten ausgebildeten Stahlprodukten. Solche Bipolarplatten werden in Brennstoffzellen, insbesondere in Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (engl.: proton exchange membrane fuel cell, PEMPFC) eingesetzt, um Membran-Elektrodeneinheiten (engl.: membrane electrode assem- bly, MEA) elektrisch zu kontaktieren. Zudem leiten die Bipolarplatten Reaktionsgase zu den Reaktionsbereichen und führen die entstehende Wärme und sowie Wasser ab. Die Bipolarplatten unterliegen in der Brennstoffzelle sehr aggressiven chemischen Bedingungen unter gleichzeitigem Anliegen eines elektrischen Potentials, was zur Korrosion der Bipolarplatten führen kann. Daher ist es erforderlich, solche aus Stahl ausgebildeten Bipolarplatten gegen Korrosion zu schützen. Dies kann beispielsweise durch eine Modifikation der Oberfläche geschehen. Dabei ist es erforderlich, dass der Korrosionsschutz den Kontaktwiderstand der Bipolarplatte nicht signifikant beeinträchtigt, so dass eine niederohmige Kontaktierung der Membran-Elektrodeneinheit ermöglicht werden kann.

Die Herstellung von korrosionsgeschützten Bipolarplatten kann durch Plasmanitrieren von Stahlsubstraten erfolgen. Hierbei werden mittels eines in einer Stickstoffatmosphäre erzeugten Plasmas Stickstoffatome in einer dünnen Oberflächenschicht des Stahlsubstrats eingelagert. Bei einem austenitischen Stahlsubstrat führt die Einlagerung der Stickstoffatome in das Austenitgitter zu einer Aufweitung und somit zur Bildung einer dichten, oberflächennahen Randschicht aus aufgeweitetem Austenit. Die auf diese Weise nitrierten Bipolarplatten weisen eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit auf.

Aus der DE 197 44 060 ist ein Verfahren zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts bekannt, bei dem Stickstoff durch Plasmanitrieren in ein bandförmiges Stahlsubstrat eindiffundiert wird. Das bandförmige Stahlsubstrat wird bei diesem Verfahren derart geführt, dass es selbst eine Hohlkathode ausbildet, über welche eine Hohlkathoden-Glimmentladung erzeugt wird. Über diese Glimmentladung wird ein stickstoffhaltiges Plasma bereitgestellt.

Das bekannte Verfahren ermöglicht die Herstellung korrosionsgeschützter Stahlprodukte mit einem niedrigen Kontaktwiderstand innerhalb einer kurzen Prozessdauer. Allerdings hat es sich bei dem Verfahren als nachteilig herausgestellt, dass sich bei solchen Stahl Produkten, die unter Betriebsbedingungen einer Änderung ihres elektrischen Potentials unterliegen, wie beispielsweise Bipolarplatten, zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstands infolge einer kathodischen Polarisation kommen kann. Insofern weisen die hergestellten Stahlprodukte nicht die für die Anwendung als Bipolarplatte erforderliche Stabilität auf.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts zu ermöglichen, welches eine erhöhte Stabilität, insbesondere gegenüber den Einflüssen einer kathodischen Polarisation, aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts, insbesondere eines Stahlbands oder Stahlblechs, mit einer Einrichtung zum Plasmanitrieren eines Stahlsubstrats, wobei die Einrichtung zum Plasmanitrieren mindestens einen Hohlkathodenraum aufweist, in welchem eine Hohlkathoden-Glimmentladung erzeugbar ist und wobei die Vorrichtung zusätzlich eine Beschichtungseinrichtung zum Auftragen eines metallischen Materials auf das Stahlsubstrat aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann das Plasmanitrieren des Stahlsubstrats mit dem Auftrag eines metallischen Materials verbunden werden. Durch die Einrichtung zum Plasmanitrieren kann Stickstoff in eine oberflächennahe Randzone des Stahlsubstrats eindiffundiert werden. Es kann eine so genannte Nitrierschicht gebildet werden, welche eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweist. Das aufgetragene metallische Material kann ebenfalls in das Stahlsubstrat eindiffundieren und/oder Nitride bilden. Es ist insofern möglich, eine zeitgleiche Diffusion des Stickstoffs und des aufgetragenen Metalls in dem Stahlsubstrat zu erzeugen sowie die Bildung von Nitriden zu fördern. Durch das Verfahren kann eine Oberfläche erhalten werden, welche eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und geringen Kontaktwiderstand aufweist.

Die Vorrichtung kann vorteilhaft zur Herstellung von Stahlprodukten, insbesondere Stahlbändern oder Stahlplatten, Verwendung finden, welche als Zwischenprodukt zur Herstellung von Bipolarplatten dienen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Plasmanitrieren weist mindestens einen Hohlkathodenraum auf, in welchem eine Hohlkathoden-Glimmentladung erzeugbar ist. Über die Hohlkathoden-Glimmentladung kann in dem Hohlkathodenraum ein Plasma mit einer homogenen Verteilung erzeugt werden. Die Verwendung eines Hohlkathodenraums bringt ferner den Vorteil mit sich, dass ein Plasma mit einer hohen Plasmadichte erhalten werden kann.

Der Hohlkathodenraum kann innerhalb einer Hohlkathode angeordnet sein. Bevorzugt wird der Hohlkathodenraum zumindest teilweise durch das Stahlsubstrat begrenzt, so dass die Hohlkathode zumindest teilweise durch das Stahlsubstrat gebildet wird. Hierzu kann eine Vorrichtung zur Kontaktierung des Stahlsubstrats vorgesehen sein, so dass das Stahlsubstrat während des Plasmanitrierens mit einem vorgegebenen Potential, beispielsweise einem Erdpotential, verbunden werden kann. Besonders bevorzugt begrenzt das Stahlsubstrat den Hohlkathodenraum auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten. Beispielsweise kann die Vorrichtung eine Fördereinrichtung aufweisen, welche ein bandförmiges Stahlsubstrat, beispielsweise ein Stahlband, derart fördert, dass zwei Abschnitte des Stahlsubstrats - durch den Hohlkathodenraum getrennt - im Wesentlichen parallel angeordnet sind. In dem Hohlkatho- denbereich zwischen den beiden Abschnitten des geförderten Stahlsubstrats kann eine stationäre Hohlkathoden-Glimmentladung erzeugt werden, beispielsweise durch Anlegen einer Gleich- oder Wechselspannung.

Bevorzugt ist die Beschichtungseinrichtung als Sputterdepositionseinrichtung ausgebildet. Bei der Sputterdeposition werden Atome durch lonenbeschuss aus einem Target herausgeschlagen und auf dem Stahlsubstrat deponiert. Als lonenquelle der Sputterdepositionseinrichtung kann bevorzugt ein Hohlkathodenraum der Einrichtung zum Plasmanitrieren verwendet werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Sputterdepositionseinrichtung eine Magnetfeldquelle aufweist, durch welche ein magnetisches Feld in dem Hohlkathodenraum er- zeugbar ist. Das magnetische Feld kann sich mit einem elektrischen Feld der Einrichtung zum Plasmanitrieren, insbesondere mit einem elektrischen Feld der Hohlkathode, überlagern, so dass die Ionen des Plasmas der Einrichtung zum Plasmanitrieren im Bereich vor einem Target derart beschleunigt werden, dass sie Atome aus dem Target lösen können. Die Magnetfeldquelle kann beispielsweise als Magnetron ausgestaltet sein. Die Magnetfeldquelle ist bevorzugt außerhalb des Hohlkathodenraums, insbesondere unmittelbar an den Hohlka- thodenraum angrenzend, angeordnet.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei welcher die Sputterdepo- sitionseinrichtung ein Target aufweist, aus welchem Metallatome lösbar sind, wobei das Target durch das Stahlsubstrat gebildet wird. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Vorrichtung zur Herstellung von bandförmigen Stahlprodukten vorgesehen ist. Es kann eine Fördereinrichtung vorgesehen sein, über welche das bandförmige Stahlsubstrat derart förderbar ist, dass es den Hohlkathodenraum an zwei sich gegenüberliegenden Seiten begrenzt. Die Magnetfeldquelle kann derart angeordnet sein, dass das durch sie erzeugte magnetische Feld ein Absputtern von Metallatomen in einem ersten Abschnitt des den Hohlkathodenraum begrenzenden Stahlsubstrats bewirkt. In einem zweiten Abschnitt des den Hohlkathodenraum begrenzenden Stahlsubstrats können die abgesputter- ten Metallatome aufgebracht und zusammen mit den Stickstoffatomen in das Stahlsubstrat eindiffundiert werden.

Bevorzugt ist es ferner, wenn die Einrichtung zum Plasmanitrieren eine Führungsrolle aufweist, über welche das insbesondere bandförmige Stahlsubstrat derart führbar ist, dass es den Hohlkathodenraum im Bereich der Führungsrolle bogenförmig begrenzt. Das Stahlsubstrat kann an der Führungsrolle anliegen, so dass eine Ausbreitung der Hohlkathoden-Glimmentladung auf eine der Führungsrolle zugewandte Seite des Stahlsubstrats wirksam verhindert werden kann. Es ist damit möglich, eine Hohlkathoden-Glimmentladung mit einer erhöhten Entladungsleistung bereitzustellen, wodurch eine erhöhte Plasmanitrierrate erreicht werden kann. Die Führungsrolle ist besonders bevorzugt kühlbar ausgebildet. Es kann eine Kühlvorrichtung vorgesehen sein, über welche die Führungsrolle kühlbar ist, so dass einer übermäßigen Erwärmung des Stahlsubstrats durch die Hohlkathoden-Glimmentladung entgegengewirkt werden kann.

In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn eine Magnetfeldquelle zur Erzeugung eines magnetischen Felds innerhalb der Führungsrolle angeordnet ist. Somit wird es möglich, eine Sputterdeposition in einem Hohlkathodenraum mit bogenförmiger Begrenzung zu ermöglichen, wobei das Stahlsubstrat ein Target bildet, aus dem Metallatome herausgeschlagen werden.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Einrichtung zum Plasmanitrieren zwei Hohlkathodenraume aufweist. Das Stahlsubstrat kann derart förderbar sein, dass es nacheinander in die beiden Hohlkathodenraume eingebracht wird, so dass zwei aufeinanderfolgende Diffusionsvorgänge durchgeführt werden können. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn eine oder mehrere Magnetfeldquellen vorgesehen sind, über welche in den beiden Hohlkathodenräumen ein Magnetfeld erzeugbar ist. Bevorzugt werden in den Hohlka- thodenräumen verschiedene Targets bereitgestellt, so dass auf das durch die beiden Hohlkathodenraume geförderte Stahlsubstrat nacheinander zwei unterschiedliche Materialien aufgetragen und ggf. eindiffundiert werden können. Beispielsweise ist es möglich, in den ersten Hohlkathodenraum derart auszubilden, dass ein metallisches Material auf das Stahlsubstrat auftragbar ist und den zweiten Hohlkathodenraum derart auszubilden, dass Kohlenstoff auf das Stahlsubstrat auftragbar ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Halteeinrichtung auf, über die das, insbesondere plattenförmige, Stahlsubstrat derart in die Vorrichtung einbringbar ist, dass das Stahlsubstrat zwischen zwei Hohlkathodenräumen angeordnet ist und beide Hohlkathodenräume begrenzt. Bei einer derartigen Ausgestaltung können gleichzeitig zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen des Stahlsubstrats einer Behandlung durch Plasmanitrieren und/oder Sputterdeposition unterzogen werden. Es ist möglich, dasselbe Material oder zwei verschiedene Materialien auf die beiden Seiten des Stahlsubstrats aufzubringen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung eine Vorwärmeinrichtung aufweist, über welche das Stahlsubstrat vor dem Plasmanitrieren vorwärmbar ist, so dass das Stahlsubstrat eine für den Nietrierungsvorgang förderliche Temperatur aufweist. Die Vorwärmeinrichtung kann als resistive Vorwärmeinrichtung, induktive Vorwärmeinrichtung, Plasma- Vorwärmeinrichtung, Elektronenstrahl-Vorwärmeinrichtung, Laser-Vorwärmeinrichtung oder Infrarot- Vorwärmeinrichtung ausgestaltet sein. Über die Vorwärmeinrichtung kann das Stahlsubstrat auf eine Temperatur im Bereich von 350°C bis 750°C vorgewärmt werden, bevorzugt auf eine Temperatur im Bereich von 420°C bis 470°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur im Bereich von 440°C bis 460°, beispielsweise auf 450°C.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe trägt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts, insbesondere eines Stahlbands oder Stahlblechs, bei, wobei ein Stahlsubstrat bereitgestellt wird, Stickstoff durch Plasmanitrieren in das Stahl- substrat eindiffundiert wird, wobei zum Plasmanitrieren ein Plasma durch eine Hohlkathoden- Glimmentladung bereitgestellt wird, und wobei ein metallisches Material auf das Stahlsubstrat aufgetragen wird.

Bei diesem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts beschrieben worden sind.

Vorteilhafterweise wird das metallische Material durch Sputterdeposition aufgetragen. Als Target für die Sputterdeposition kann entweder ein Target oder das Stahlsubstrat selbst verwendet werden. Bevorzugt weist das metallische Material ein Übergangsmetall, insbesondere Chrom, Titan, Niob, Vanadium, Wolfram, Mangan, Molybdän, Tantal, Zirkonium, Hafnium oder Yttrium, oder Aluminium auf. Unter dem Begriff Übergangsmetalle sollen die chemischen Elemente mit den Ordnungszahlen von 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis 80 und 89 bis 1 12 mit Ausnahme von Eisen (Fe, Ordnungszahl 26) verstanden werden. Alternativ kann das metallische Material ausschließlich aus einem der vorgenannten Übergangsmetalle oder Metalle bestehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das metallische Material aufgetragen, bevor Stickstoff in das Stahlsubstrat durch Plasmanitrieren eindiffundiert wird. Das Auftragen des metallischen Materials kann in einem separaten, dem Plasmanitrieren vorhergehenden Verfahrensschritt durchgeführt werden. Dabei wird die das metallische Material bevorzugt derart aufgetragen, dass eine dünne, für Stickstoff durchlässige Schicht auf dem Stahlsubstrat gebildet wird, so dass der Stickstoff bei dem nachfolgenden Verfahrensschritt des Plasmanitrierens durch das auf dem Stahlsubstrat aufgetragene metallische Material hindurchdiffundieren kann. Die aufgetragene Schicht kann beispielsweise eine Schichtdicke aufweisen, welche im Bereich kleiner als 500 nm, bevorzugt im Bereich kleiner als 200 nm, besonders bevorzugt im Bereich kleiner als 50 nm liegt. Die minimale Schichtdicke kann 5 nm betragen. Beim Plasmanitrieren kann sowohl das aufgetragene metallische Material als auch der Stickstoff in das Stahlsubstrat eindiffundieren. Es können eine oberflächennahe Nitrierschicht und ggf. Nitride gebildet werden.

Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das metallische Material aufgetragen, während Stickstoff in das Stahlsubstrat durch Plasmanitrieren eindiffundiert wird. Dies hat zu Folge, dass sowohl das metallische Material als auch der Stickstoff während des Aufbringens des metallischen Materials in das Stahlsubstrat eindiffundiert werden, wodurch eine Nitrierschicht und ggf. Nitride gebildet werden können. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass Kohlenstoff, bevorzugt durch Sputter- deposition, auf das Stahlsubstrat aufgetragen wird, insbesondere nachdem Stickstoff in das Stahlsubstrat durch Plasmanitrieren eindiffundiert wird. Der Kohlenstoff kann über ein Graphittarget bereitgestellt werden, von welchem mittels lonenbeschuss Kohlenstoffatome gelöst werden. Das Eindiffundieren des Kohlenstoffs in das Stahlsubstrat führt zu einer Kohlenstoffdotierung, welcher die Stabilisierung der Korrosionsbeständigkeit und des Kontaktwiderstands weiter verbessert.

Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher das Stahlsubstrat während des Eindiffundierens des Stickstoffs und des Auftragens des metallischen Materials gefördert wird, so dass ein kontinuierlicher Herstellungsvorgang ermöglicht wird. Ein derartiges Verfahren ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Stahlsubstrat bandförmig ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß wird zum Plasmanitrieren ein Plasma durch eine Hohlkathoden-Glimmentladung bereitgestellt. Die Hohlkathoden-Glimmentladung kann innerhalb eines Hohlkatho- denraums erzeugt werden, welcher zumindest teilweise durch das, insbesondere geförderte, Stahlsubstrat begrenzt wird.

Gemäß einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung wird die Hohlkathoden-Glimmentladung durch eine gepulste Gleichspannung bereitgestellt.

Das Stahlsubstrat wird bevorzugt aus einem austenitischen und/oder rost- und säurebeständigen Stahl gebildet. Mit einem derartigen Stahlsubstrat ist es möglich, als Bipolarplatten ausgebildete Stahlprodukte herzustellen, welche im Vergleich zu kohlenstoffbasierten Bipolarplatten kostengünstiger und kompakter sind.

Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, wenn das Stahlsubstrat vor dem Plasmanitrieren vorgewärmt wird, so dass das Stahlsubstrat eine für den Nietrierungsvorgang förderliche Temperatur aufweist. Das Stahlsubstrat kann insbesondere auf eine Temperatur im Bereich von 350°C bis 750°C vorgewärmt werden, bevorzugt auf eine Temperatur im Bereich von 420°C bis 470°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur im Bereich von 440°C bis 460°, beispielsweise auf 450°C. Das Vorwärmen des Stahlsubstrats vor dem Plasmanitrieren kann entweder vor dem Auftragen des metallischen Materials oder während des Auftragens des metallischen Materials oder nach dem Auftragen des metallischen Materials erfolgen. Das Vorwärmen des Stahlsubstrats vor dem Plasmanitrieren kann beispielsweise resistiv, induk- tiv, mittels eines Plasmas, mittels eines Elektronenstrahls, mittels eines Lasers und/oder mittels Infrarotstrahlung (z.B. IR oder NIR-Strahlung) erfolgen.

Bei dem Verfahren können alternativ oder zusätzlich zu den zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen die im Zusammenhang mit der Vorrichtung zu Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts beschriebenen vorteilhaften Merkmale Verwendung finden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung.

Die Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung.

Die Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung.

Die Figur 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung.

Die Figur 7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung.

Die Figur 8 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung. Die Figur 9 zeigt ein Tiefenprofil eines korrosionsbeständigen Stahlprodukts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Die Figur 10 zeigt ein Tiefenprofil eines korrosionsbeständigen Stahlprodukts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Die Figur 11 zeigt Tiefenprofile der korrosionsbeständigen Stahlprodukte gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.

Die Figur 12 zeigt ein Tiefenprofil eines korrosionsbeständigen Stahlprodukts gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.

Die in den Figuren dargestellten Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts sind insbesondere dazu geeignet, als Stahlband oder Stahlblechs ausgebildete Vorprodukte zu erzeugen, welcher zur Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen, insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) Verwendung finden.

Als Ausgangsmaterial wird ein Stahlsubstrat verwendet, welches bevorzugt als austeniti- sches, rost- und säurebeständiges Stahlsubstrat (RS-Stahl) ausgebildet ist. Das Stahlsubstrat kann als Stahlband oder als Stahlfeinblech vorliegen.

In der Figur 1 ist der Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem schematischen Blockdiagramm dargestellt. Bei dem Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 ein Stahlsubstrat bereitgestellt, welches bandförmig oder plattenförmig ausgebildet sein kann. In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird in einem Beschichtungsvorgang ein metallisches Material auf das bereitgestellte Stahlsubstrat aufgetragen. Die Beschichtung erfolgt bevorzugt durch Sputterdeposition, so dass eine dünne metallische Schicht erhalten werden kann. Bei dem metallischen Material handelt es sich bevorzugt um ein Übergangsmetall, insbesondere Chrom, Titan, Niob, Vanadium, Wolfram, Mangan, Molybdän, Tantal, Zirkonium, Hafnium oder Yttrium, oder Aluminium. In einem auf den zweiten Verfahrensschritt S2 folgenden dritten Verfahrensschritt S3 wird eine Plasmadiffusionsbehandlung durchgeführt, wobei Stickstoff mittels Plasmanitrieren durch die Schicht in das Stahlsubstrat eindiffundiert. Hierbei wird das Stahlsubstrat in einem Vakuum einem stickstoffhaltigen Gas ausgesetzt und eine Glimmentladung, insbesondere eine Hohlkathoden-Glimmentladung erzeugt. Hierdurch werden Stickstoffatome in der Nähe des Stahlsubstrats ionisiert Die positiv geladenen Stickstoffionen werden zum Werkstück hin beschleunigt, treffen dort mit hoher kinetischer Energie auf und lagern sich in die Oberfläche des Stahlsubstrats ein. Das im vorhergehenden Verfahrensschritt S2 aufgetragene metallische Material bildet eine für Stickstoff durchlässige Schicht, so dass der Stickstoff in das Stahlsubstrat eindiffundieren kann. Zudem diffundieren auch die Atome des auf das Stahlsubstrat aufgetragenen Metalls in das Stahlsubstrat ein und bilden einen Legierungsbereich. Bei diesem Vorgang werden zusätzlich oberflächennah Metallnitride gebildet.

Gemäß einer Abwandlung des Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird in einem dem dritten Verfahrensschritt S3 nachfolgenden vierten Verfahrensschritt S4 Kohlenstoff durch Sputterdeposition auf das Stahlsubstrat aufgetragen. Diesem vierten Verfahrensschritt S4 kann ein weiterer Verfahrensschritt nachfolgen, in welchem eine Plasmadiffusionsbehandlung durchgeführt wird, beispielsweise Plasmanitrieren. Alternativ kann der vierte Verfahrensschritt gleichzeitig mit einer Plasmadiffusionsbehandlung durchgeführt werden.

Da das Auftragen des metallischen Materials und das Plasmanitrieren bei diesem Ausführungsbeispiel in separaten, aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten S2, S3 durchgeführt werden, bezeichnet man dieses Verfahren auch als separate Diffusionsmodifizierung.

In der Figur 2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein insbesondere bandförmiges oder plattenförmiges Stahlsubstrat bereitgestellt. Bei dem Verfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel werden der zuvor im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene zweite Verfahrensschritt S2 und dritte Verfahrensschritt S3 gleichzeitig ausgeführt. Insofern erfolgt das Auftragen des metallischen Materials auf das Stahlsubstrat während Stickstoff durch Plasmanitrieren in das Stahlsubstrat eindiffundiert wird. Die zuvor beschriebenen Prozesse der Metall- und Stickstoffdiffusion sowie Nitridbildung erfolgen zeitgleich. Bei dem Verfahren nach dem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt das Auftragen des metallischen Materials bevorzugt durch Sputterdeposition. Gemäß einer Abwandlung des Verfahrens wird in einem vierten Verfahrensschritt S4 Kohlenstoff durch Sputterdeposition auf das Stahlsubstrat aufgetragen. Diesem vierten Verfahrensschritt S4 kann ein weiterer Verfahrensschritt nachfolgen, in welchem eine Plasmadiffusionsbehandlung durchgeführt wird, beispielsweise Plasmanitrieren. Alternativ kann der vierte Verfahrensschritt gleichzeitig mit einer Plasmadiffusionsbehandlung durchgeführt werden

Das in Figur 2 gezeigte Verfahren wird auch als unmittelbare Diffusionsmodifizierung bezeichnet.

Bei den in Figur 1 und Figur 2 beschriebenen Verfahren kann das Stahlsubstrat vor der in Verfahrensschritt S3 erfolgenden Plasmadiffusionsbehandlung vorgewärmt werden, wodurch das Stahlsubstrat auf eine für den Nietrierungsvorgang förderliche Temperatur gebracht werden kann. Das Stahlsubstrat kann auf eine Temperatur im Bereich von 350°C bis 750°C vorgewärmt werden, bevorzugt auf eine Temperatur im Bereich von 420°C bis 470°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur im Bereich von 440°C bis 460°, beispielsweise auf 450°C. Das Vorwärmen des Stahlsubstrats kann entweder vor dem Auftragen des metallischen Materials in Verfahrensschritt S2 oder während des Auftragens des metallischen Materials in Verfahrensschritt S2 oder nach dem Auftragen des metallischen Materials in Verfahrensschritt S2 erfolgen. Das Vorwärmen erfolgt beispielsweise resistiv, induktiv, mittels eines Plasmas, mittels eines Elektronenstrahls, mittels eines Lasers und/oder mittels Infrarotstrahlung.

Die vorstehend anhand der Figur 1 und Figur 2 beschriebenen Verfahren ermöglichen die Herstellung korrosionsgeschützter Stahlprodukte mit einem niedrigen Kontaktwiderstand innerhalb einer kurzen Prozessdauer im Bereich von 1 Minute bis 15 Minuten, bevorzugt im Bereich von 1 Minute bis 10 Minuten, beispielsweise 6 Minuten.

Die Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts, mit welcher das in Figur 1 gezeigte Verfahren verwirklicht werden kann. Die Vorrichtung 1 weist eine Beschichtungseinnchtung 2 auf, über welche ein metallisches Material auf ein der Beschichtungseinnchtung 2 zugeführtes bandförmiges Stahlsubstrat 3 aufgetragen wird. Die auf das Stahlsubstrat 3 aufgetragene metallische Schicht besteht aus einem oder mehreren Übergangsmetallen (wie z. B. Chrom, Titan, Molybdän, Niob, Vanadium, etc.) oder Aluminium und ist durchlässig für die Stickstoffdiffusion während des nachfolgenden Plasmanitrierens. Die in der Beschichtungseinnchtung 2 aufgetragene Schicht kann ferner Kohlenstoff umfassen. Optional weist die Vorrichtung 1 eine Vorwärmeinrichtung 21 auf, über welche das Stahlsubstrat 3 vorgewärmt wird. Die Vorwärmeinrichtung 21 kann vor der Beschichtungseinrichtung 2 angeordnet sein, um das der Beschichtungseinrichtung 2 zugeführte Stahlsubstrat vorzuwärmen oder hinter der Beschichtungseinrichtung 2 angeordnet sein, um das aus der Beschichtungseinrichtung 2 austretenden, beschichtete Stahlsubstrat vorzuwärmen. Alternativ kann die Vorwärmeinrichtung 21 in der Beschichtungseinrichtung 2 integriert sein, so dass eine Vorwärmung gleichzeitig mit der Beschichtung erfolgen kann.

Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Einrichtung zum Plasmanitrieren 4 auf. Die Einrichtung zum Plasmanitrieren 4 umfasst einen Hohlkathodenraum 5, der teilweise durch das bandförmige Stahlsubstrat 3 begrenzt wird. Hierzu wird das Stahlsubstrat 3 über eine Fördereinrichtung derart gefördert, dass zwei Abschnitte des Stahlsubstrats 3 - durch den Hohlkathodenraum 5 getrennt - im Wesentlichen parallel angeordnet sind. Die Fördereinrichtung umfasst mehrere Umlenkrollen 6, 7, 8, 9, 10. Über die Umlenkrollen 6, 7, 8, 9, 10 wird das bandförmige Stahlsubstrat 3 durch eine Vakuumkammer gefördert. Das Stahlsubstrat wird vor dem Eintreten in die Einrichtung zum Plasmanitrieren 4 auf eine Temperatur von ca. 450° C aufgewärmt. Die Einrichtung zum Plasmanitrieren 4 weist ferner einen Gasverteiler 1 1 auf, über welchen Stickstoff in die Vakuumkammer, insbesondere in den Hohlkathodenraum 5, eingeleitet wird. Auf einer dem Gasverteiler 1 1 gegenüberliegenden Seite des Hohlkathodenraums 5 ist eine Absaugeinrichtung 12 angeordnet. Der Gasverteiler 1 1 ist elektrisch als Anode geschaltet. Zwischen dem Gasverteiler 1 1 als Anode und dem Stahlsubstrat als geerdete Kathode wird eine gepulste Gleichspannung im Bereich von 300 V bis 400 V angelegt. Infolge der gepulsten Gleichspannung bildet sich innerhalb des Hohlkathodenraums 5 eine Hohlkathoden-Glimmentladung aus. Um die Ausbreitung der Hohlkathoden-Glimmentladung auf die Rückseite des Stahlsubstrats 3 möglichst zu verhindern, weit die Einrichtung zum Plasmanitrieren 4 Abschirmungen 13 auf.

Die Hohlkathoden-Glimmentladung brennt in dem durch die beiden Abschnitte des Stahlsubstrats 3 gebildeten Hohlkathodenraum 5. Die zu behandelnde innere Oberfläche des Stahlsubstrats 3 befindet sich in einem direkten Kontakt mit dem durch die Hohlkathoden-Glimmentladung erzeugten Plasma. Das auf die Nitriertemperatur aufgeheizte, mit dem metallischen Material beschichtete Stahlsubstrat 3 tritt in den Hohlkathodenraum 5 ein und wird zum ersten Mal plasmanitriert. Das Stahlsubstrat 3 läuft weiter, wird durch die Umlenkrolle 8 umgelenkt und tritt - ohne seine Temperatur zu ändern - wieder in den Hohlkathodenraum 5 ein, wobei es zum zweiten Mal plasmanitriert wird. Dabei findet parallel zur Stickstoffdiffusion eine partielle oder restlose Diffusion der auf das Stahlsubstrat 3 aufgetragenen Übergangsmetalle bzw. des Kohlenstoffs aus der Schicht in den Grundwerkstoff des Stahlsubstrats 3 statt. Es wird eine Oberfläche erzielt, die sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit auszeichnet.

In der Figur 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts dargestellt, mit welcher das in Figur 2 gezeigte Verfahren (unmittelbare Diffusionsmodifizierung) verwirklicht werden kann. Bei der Vorrichtung 1 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Beschichtungseinnchtung 2 als Sputterdeposi- tionseinrichtung ausgebildet, welche derart angeordnet ist, dass ein gleichzeitiger Auftrag des metallischen Materials und eine Diffusionsbehandlung mit der Vorrichtung zum Plasmanitrieren 4 möglich ist.

Optional weist die Vorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Vorwärmeinrichtung 21 auf, über welche das Stahlsubstrat 3 vorgewärmt wird.

Die Vorrichtung zum Plasmanitrieren 4 entspricht der in Figur 3 gezeigten Vorrichtung zum Plasmanitrieren 4. Zusätzlich ist in einem Randbereich des Hohlkathodenraums 5 eine Magnetfeldquelle 14 der Beschichtungseinnchtung 2 angeordnet, über welche in dem Hohlka- thodenraum 5 ein magnetisches Feld M erzeugbar ist. Das magnetische Feld M ist derart asymmetrisch erzeugbar, dass es haupsächlich vor einem der beiden den Hohlkathoden- raum 5 begrenzende Abschnitte des Stahlsubstrats 3 vorhanden ist. Durch das magnetische Feld M werden die Ionen des durch die Hohlkathoden-Glimmentladung erzeugten Plasmas zusätzlich beschleunigt. Die Ionen erreichen dabei eine kinetische Energie, die ausreichend ist, um aus dem Stahlsubstrat metallische Atome herauszuschlagen. Insofern wird das Stahlsubstrat 3 in einem Abschnitt als Target verwendet, welches einer intensiven Zerstäubung (engl.: sputtering) unterzogen wird. Die von dem ersten Abschnitt des Stahlsubstrats 3 abgetragenen metallischen Atome, beispielsweise Chrom, werden auf dem gegenüberliegenden, zweiten Abschnitt des Stahlsubstrats 3 aufgetragen. Dort findet eine Oberflächenmodifizierung des Stahlsubstrats 3 durch Metalldiffusion und Nitridbildung zeitgleich mit dem Plasma- nitrierprozess statt. Somit wird erfindungsgemäß ein selbstunterstützender Nitridbildungspro- zess erreicht, in dem ein Metall, beispielsweise Chrom, das eine Metallnitridbildung, insbesondere eine Chromnitridbildung unterstützt, selbst vom behandelten Stahlsubstrat 3 versorgt wird. Dadurch kann ein Stahlprodukt mit einer Oberfläche erzielt werden, die sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit auszeichnet.

Die Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts, mit welcher das in Figur 2 gezeigte Verfahren (unmittelbare Diffusionsmodifizierung) verwirklicht werden kann. Die Vorrichtung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel weist ebenso wie die Vorrichtung 1 gemäß dem weiten Ausführungsbeispiel eine Magnetfeldquelle 14 auf, über welche in dem Hohlkathodenraum 5 ein magnetisches Feld M erzeugbar ist. Im Unterschied zu der Vorrichtung 1 des dritten Ausführungsbeispiels weist diese Vorrichtung 1 ein Target 15 aus einem metallischen Material auf. Die Hohlkathoden-Glimmentladung brennt in dem durch das Target 15 und dem Target gegenüberliegenden Abschnitt des Stahlsubstrats 3 gebildeten Hohlkathodenraum 5. Die Vorrichtung weist eine erste Umlenkrolle 19 und eine zweite Umlenkrolle 20 auf, über welche das Stahlsubstrat 3 derart geführt wird, dass es eine Seite des Hohlkathodenraums 5 begrenzt. In einem kontinuierlichen Bandprozess tritt das Stahlsubstrat 3 in die Hohlkathoden- Glimmentladung ein und wird dort oberflächenbehandelt: Parallel zum Plasmanitrieren wird das Material vom gegenüberliegenden Target 15 infolge des Magnetfelds M gesputtert und das abgesputterte Material (wie z. B. Chrom, Titan, Molybdän, Niob, Vanadium, etc.) erreicht den gegenüberliegenden Abschnitt des Stahlsubstrats 3. Dort findet eine Oberflächenmodifizierung des Stahlsubstrats 3 durch Metalldiffusion und Nitridbildung zeitgleich mit dem Plas- manitrierprozess statt, so dass eine Oberfläche erzeugt wird, die sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit auszeichnet.

Optional weist die Vorrichtung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine Vorwärmeinrichtung 21 auf, über welche das Stahlsubstrat 3 vorgewärmt wird.

In einer Abwandlung der in der Figur 5 gezeigten Vorrichtung 1 zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahl produkts, ist der ersten Vorrichtung 1 eine zweite Vorrichtung nachgeschaltete, welche ein Target 15 aufweist, das aus Graphit besteht. Das aus der ersten Vorrichtung 1 austretende durch Metallauftrag und Plasmanitrieren behandelte Stahlsubstrat 3 kann in der zweiten Vorrichtung mit Kohlenstoff dotiert und dabei nochmals plasmanitriert werden. Die Kohlenstoffdotierung trägt zu einer weiteren Stabilisierung der Korrosionsbeständigkeit und des Kontaktwiderstands des Stahlsubstrats im typischen Betriebsbereich einer Brennstoffzelle (Polarisation: -0,2 V(SHE) bis +1 ,2 V(SHE); Temperatur: 80°C; 0,1 M Schwefelsäure) bei.

In der Figur 6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts gezeigt. Die Vorrichtung 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel weist genau zwei Hohlkathodenräume 5 auf, die teilweise durch einen Abschnitt des Stahlsubstrats 3 begrenzt werden. Auf einer dem Abschnitt des Stahlsubstrats 3 gegenüberliegenden Seite des Hohlkathodenraums 5 ist jeweils ein Target 15, 16 angeordnet. Ferner weist die Vorrichtung 1 eine oder mehrere Magnetfeldquellen 14 auf, die in beiden Hohlkathodenräumen 5 ein magnetisches Feld M erzeugen, wodurch sowohl von dem ersten Target 15 als auch von dem zweiten Target 16 Material abgetragen wird. Bei dieser Vorrichtung 1 ist das erste Target aus einem metallischen Material und das zweite Target 16 aus Graphit ausgebildet. In einem kontinuierlichen Prozess tritt das bandförmige Stahlsubstrat 3 in den ersten Hohlkathodenraum 5 ein und wird dort oberflächenbehandelt: Parallel zum Plasmanitrieren wird das Metalltarget 15 gesputtert und das abgesputterte Material (wie z. B. Chrom, Titan, Molybdän, Niob, Vanadium, etc.) erreicht den gegenüberliegenden Abschnitt des Stahlsubstrat 3. Dort findet eine Oberflächenmodifizierung des Stahlsubstrats 3 durch Metalldiffusion und Nitridbildung zeitgleich mit dem genannten Plasmanitrierprozess statt. Das Stahlsubstrat 3 tritt danach in den zweiten Hohlkathodenraum 5 ein und wird zum zweiten Mal oberflächenbehandelt: Parallel zum Plasmanitrieren wird das Graphittarget 16 gesputtert und der abgesputterte Kohlenstoff erreicht den gegenüberliegenden Abschnitt des Stahlsubstrats 3. Dort findet eine Oberflächenmodifizierung durch Dotierung mit Kohlenstoff zeitgleich mit einem Plasmanitrierprozess statt.

Optional weist die Vorrichtung 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel eine Vorwärmeinrichtung 21 auf, über welche das Stahlsubstrat 3 vorgewärmt wird.

Die Figur 7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts. Im Unterschied zu den in den Figuren 3-6 gezeigten Vorrichtungen weist die Vorrichtung 1 gemäß Figur 7 zwei Führungsrollen 17 auf, über welche das Stahlsubstrat 3 derart geführt ist, dass es den Hohlkathodenraum 5 im Bereich der Führungsrolle 17 bogenförmig begrenzt. Das Stahlsubstrat 3 liegt unmittelbar an der Führungsrolle 17 an. Hierdurch wird eine Ausbreitung der Hohlkathoden-Glimmentladung auf die der Führungsrolle 17 zugewandte Seite des Stahlsubstrats 3 verhindert. Es kann daher eine stabile Glimmentladung mit einer deutlich höheren Entladungsleistung verwendet werden. Beim Plasmanitrieren wird durch die höhere Entladungsleistung eine deutlich höhere Plasmanitrierrate erreicht, wodurch es möglich wird, das Verfahren mit einer erhöhten Geschwindigkeit durchzuführen. Da die Verwendung von hohen Entladungsleistungen zu einer Bandtemperatur führen kann, sind die Führungsrollen 17 kühlbar ausgebildet, so dass über die Führungsrollen 17 eine Temperierung des Stahlsubstrats 3 erfolgen kann. Innerhalb einer Führungsrolle 17 ist eine Magnetfeldquelle 14 angeordnet. Somit wird es möglich, eine Sput- terdeposition in dem Hohlkathodenraum 5 mit bogenförmiger Begrenzung zu ermöglichen.

Optional weist die Vorrichtung 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel eine Vorwärmeinrichtung 21 auf, über welche das Stahlsubstrat 3 vorgewärmt wird. In der Figur 8 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit zwei Hohlkathodenräumen 5 dargestellt, welche zur Herstellung plattenförmiger Stahlprodukte geeignet ist. Die Vorrichtung 1 weist eine Halteeinrichtung 18 auf, über die das Stahlsubstrat 3 derart in die Vorrichtung 1 einbringbar ist, dass das Stahlsubstrat 3 zwischen zwei Hohlkathodenräumen 5 angeordnet ist und beide Hohlkathodenräume 5 begrenzt. Jedem Hohlkathodenraum 5 ist eine Magnetfeldquelle 14 zugeordnet, die in dem Hohlkathodenraum 5 ein magnetisches Feld M erzeugt. Auf den Seiten der Hohlkathodenräume 5, welche dem Stahlsubstrat 3 gegenüberliegen, ist jeweils ein Target 15 angeordnet. Parallel zum Plasmanitrieren werden beide Targets 15 gesputtert, und das abgesputterte metallische Material (wie z. B. Chrom, Titan, Molybdän, Niob, Vanadium, etc.) erreicht das Stahlsubstrat 3 auf der gegenüberliegenden Seite des Hohlkathodenraums 5. Dort findet eine Oberflächenmodifizierung des Stahlsubstrats durch Metalldiffusion und Nitridbildung zeitgleich mit dem Plasmani- trierprozess statt. Weiterhin können optional die Oberflächen beider Seiten der Bipolarplatte kohlenstoffdotiert werden. Dafür wird kann eine zweite Vorrichtung 1 Verwendung finden, wobei diese zwei Targets aus Graphit aufweist.

Im Folgenden sollen anhand der Darstellungen in den Figuren 9 bis 12 korrosionsgeschützten Stahlprodukte beschrieben werden, welche durch ein Verfahren nach Figur 2 mit einer Vorrichtung nach Figur 5 hergestellt wurden. Als Ausgangsmaterial wurde ein austenitisches, rost- und säurebeständiges Stahlsubstrat mit einer Dicke von 0,1 mm und der Werkstoffnummer EN-1.4301 verwendet. Die Prozessbedingungen und -parameter sind in Tabelle 1 zu- sammengefasst. Der Abstand zwischen dem Target und dem Stahlsubstrat betrug 30 mm, der gewählte Arbeitsdruck in der Vorrichtung liegt im Bereich von 4 Pa bis 7 Pa. Es wurde ein gepulster Gleichstrom mit einer Entladungsfrequenz von 145 kHz und einer Pulspause von 3,1 s verwendet.

Tabelle 1

Die in den Figuren 9 bis 12 gezeigten Tiefenprofile der hergestellten Stahlprodukte wurden mittels glow dischagre optical emission spectroscopy (GDOES) ermittelt. Zur Herstellung der Stahlprodukte A und B wurde ein Target 15 aus Titan verwendet. Wie den Abbildungen in den Figuren 10 und 1 1 zu entnehmen ist, zeichnet sich das Stahlprodukt A durch eine für das Plasmanitrieren typische Konzentrationstiefenverteilung des Stickstoffs und Titan im oberflächennahen Bereich der nitrierten Diffusionsschicht aus. Im Gegensatz dazu weist das Stahlprodukt B eine stark reduzierte Nitriertiefe und eine geringe Oberflächenkonzentration des Stickstoffs (Figur 9) sowie einen wesentlich höheren Titangehalt (Figur 1 1 ) auf. Die ermittelten Titanmengen betragen 0,8 mg-nr ² für das Stahlprodukt A und 4,5 mg-nr ² für das Stahlprodukt B. Wie der Figur 1 1 weiter entnommen werden kann, beträgt die Titanmenge bei einem Verfahren, welches ein Plasmanitrieren ohne einen zusätzlichen Auftrag von Titan umfasst (Referenz), weniger als 0,1 mg-nr ² . Somit kann eine gegenüber dem Stand der Technik deutliche Anreicherung von Titan im oberflächennahen Bereich beobachtet werden.

Die Herstellung des Stahlprodukts C erfolgte mit einem Graphittarget, vgl. Figur 12. Aus dem Vergleich mit dem Referenz-Plasmanitrieren ist bei dem Stahlprodukt C eine wesentlich höhere Kohlenstoffkonzentration sowohl im oberflächennahen Bereich als auch an der Grenzfläche zwischen der Nitrierschicht und dem Grundwerkstoff festzustellen.

Mit den vorstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können korrosionsgeschützten Stahlprodukte hergestellt werden, wobei ein Stahlsubstrat bereitgestellt wird, Stickstoff durch Plasmanitrieren in das Stahlsubstrat eindiffundiert wird, und zusätzlich ein metallisches Material auf das Stahlsubstrat aufgetragen wird. Hierdurch kann ein Stahlprodukt mit einer Oberfläche erhalten werden, welche eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und geringen Kontaktwiderstand aufweist, so dass das Stahlprodukt auch bei den in einer Brennstoffzelle vorherrschenden Betriebsbedingungen als Bipolarplatte einsetzbar ist.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung zur Herstellung eines korrosionsgeschützten Stahlprodukts

2 Beschichtungseinrichtung

3 Stahlsubstrat

4 Vorrichtung zum Plasmanitrieren

5 Hohlkathodenraum

6 Umlenkrolle

7 Umlenkrolle

8 Umlenkrolle

9 Umlenkrolle

10 Umlenkrolle

1 1 Gasverteiler

12 Absaugeinrichtung

13 Abschirmung

14 Magnetfeldquelle

15 Target

16 Target

17 Führungsrolle

18 Halteeinrichtung

19 Umlenkrolle

20 Umlenkrolle

21 Vorwärmeinrichtung

M magnetisches Feld

51 Bereitstellen

52 Auftragen eines metallischen Materials

53 Plasmanitrieren

54 Auftragen von Kohlenstoff