Fertigungstechnik I - tu-dresden.de · Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik,...

Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik, Lehrstuhl für Laser- u. Oberflächentechnik

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Fertigungstechnik I Einführung

Folie 1

Fertigungstechnik I

06.01. Einführung 13.01. Oberflächenvorbehandlung

20.01. Härten/Nitrieren

27.01. chemische Verfahren/Galvanik

03.02. Ausblick

Vorlesungsplan FT I / Oberflächen- und Schichttechnik


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Folie 2

Fertigungstechnik I

www.if.mw.tu-dresden.de Professur LOT-->Studium Menüpunkt Materialien Passwort: ft1-lot

http://www.if.mw.tu-dresden.de/




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Folie 3

Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten Stoffeigen- schaften ändern

Einordnung der Verfahren der Fertigungstechnik

Fertigungsverfahren DIN 8580

Einführung


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Folie 4

Fertigungstechnik II Literatur

Literatur Müller, Klaus Peter: Lehrbuch Oberflächentechnik, Vieweg Verlag, ISBN 3-528-04953-7

Stahlinformationszentrum www.stahl-info.de; Merkblätter

Mertz/Jehn: Praxishandbuch Moderne Beschichtung Hansa Verlag, ISBN 3-446-21677-4

Hofmann/Spindler: Verfahren der Oberflächentechnik Fachbuchverlag Leipzig,ISBN 3-446-22228-6

Volkmar M. Schmidt „Elektrochemische Verfahrenstechnik – Grundlagen, Reaktionskinetik, Prozessoptimierung“ Wiley- VCH 2003 Beyer, E.: Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung Springerverlag 1998, ISBN 3-540-63224-7


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Folie 5

Einführung

Wechselwirkung eines Körpers mit seiner Umwelt über seine Oberfläche

Schicht- und Oberflächentechnologien stellen eine Schlüsseltechnologie dar, deren Bedeutung z. Zt. vielfach unterschätzt wird.

- mechanisch

- optisch

- chemisch

- elektrisch

- thermisch

- physikalisch (z. B. Adhäsion)


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Folie 6

Die Bedeutung der Oberfläche wächst bei kleiner werdenden Bauteilen !

Durch kleiner werdende Bauteile vergrößert sich das Verhältnis x

Die Oberflächentechnik gewinnt aufgrund des Zwanges, Ressourcen zu schonen, immer mehr an Bedeutung.

x =OberflächeVolumen

r1

r34

r4= xKugelz.B.

3

2

∝π

π

Einführung


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Folie 7

Die Haut überträgt: • Druck • Temperatur • Schmerz • Tastsinne (Rauheit)

Die intelligentesten Oberflächen finden wir in der Natur. Ein Beispiel dafür ist die menschliche Haut.

Die Haut passt sich an: • Pigmente / Farbe • öffnet / schließt Poren • schwitzt • regeneriert

Einführung


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Folie 8

Werkstoffoberfläche

Video


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Folie 9

Die die Oberfläche bildenden Atome besitzen nicht abgesättigte Bindungszustände.

Als Folge davon findet zur Absättigung dieser Bindungen eine Wechselwirkung mit der Oberfläche statt. Die Umgebung beeinflusst und verändert somit die Oberfläche.



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Folie 10

Störschicht durch Bearbeitung

Reaktionsschicht

Adsorptionsschicht

Grundwerkstoff

10 nm 10 – 100 nm

>10 µm

H2O, organische Substanzen, etc. Oxide, Sulfide, Carbonate, etc.

Mech. od. therm. Bearbeitung

Bei den Grundwerkstoffen muss zwischen Metallen, Kunststoffen, Keramiken und Gläsern unterschieden werden. Grundlegender Unterschied ist die Bindungsart. Bindungsart

Keramik Ionenbindung ca. 500 kJ/mol

Diamant Atombindung ca. 1000 kJ/mol

Kunststoff Atomketten c-c-c ca. 800 kJ/mol Molekülbindung ca.100 kJ/mol

Metall Metallbindung ca. 200 kJ/mol

H2O elektrostatische Wechselwirkung ca. 30 kJ/mol


Atomabstand Metall: < 1nm


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Folie 11

Beispiele für Ionenbindungen nichtmetallischer organischer Werkstoffe sind z.B. Al2O3 Aluminiumoxid (Keramik) Zr O2 Zirkonoxid (Keramik) Si O2 Siliziumoxid (Glas)

Durch die elektrischen Felder um die Kationen bzw. Anionen bildet sich ein Ionengitter. Die Bindung eines Kations besteht gleichmäßig in alle Richtungen. Die Ionenbindung ist somit eine ungerichtete Bindung. Die Oberfläche zeigt ein starkes Bestreben zur Wechselwirkung mit geladenen Teilchen.

Nichtmetallische organische Werkstoffe

Keramiken, Gläser

- + -

+ - +

- + -

Oberfläche

Keramikvolumen


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Folie 12

- + -

+ - +

- + -

Oberfläche

Keramikvolumen

Liegt die Elektronnegativitätsdifferenz ∆E unter 1,7, entsteht kein Ionengitter mehr. Es entstehen polarisierte Atombindungen wie z.B. bei SiC Siliziumcarbid WC Wolframcarbid Si3N4 Siliziumnitrid Auf der Oberfläche einer Keramik mit polarisierten Atombindungen wirken schwächere elektrostatische Kräfte.

Nichtmetallische organische Werkstoffe

Keramiken, Gläser


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Folie 13

- + -

+ - +

- + -

Keramiken sind nicht leitend, da keine freien Elektronen im Gitter vorhanden sind. Sie besitzen eine hohe Bindungsenergie, denn die Atome sind schwer gegeneinander verschiebbar. Keramiken sind hart, spröde und thermisch hoch belastbar.

Keramiken werden durch Sintern aus Pulver hergestellt. Sie sind porös. Einschlüsse von Gasen oder Flüssigkeiten raue Oberfläche Das Beschichten von Keramiken ohne Vorbehandlung kann beim Erwärmen zum Abheben der Schicht führen. gute Verzahnung der Schicht nötig Vorbehandlung erforderlich

Keramische Oberflächen


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Folie 14

Gläser enthalten als bestimmenden Baustein SiO4.

Natrium

Silizium Sauerstoff

SiO4-Tetraeder im Bergkristall

Das SiO4-Tetraeder bildende Netzwerk kann durch den Einbau von Alkali- oder Erdalkali-Kationen gestört werden. Gläser besitzen im atomaren Bereich einen Nahordnungszustand, aber keine weitreichende Fernordnung. Gläser sind nicht kristallin, sie sind amorph.

Natron-Silikat-Glas

Glasoberflächen


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Folie 15

Natron-Silikat-Glas

Das thermische, mechanische und elektrische Verhalten von Gläsern resultiert aus der Ionenbildung und dem amorphen Zustand. - Gläser besitzen eine sehr glatte Oberfläche geringe mechanische Haftung von Beschichtungen - Gläser sind widerstandsfähig gegen Chemikalien - Wasser wird von Glasoberflächen gebunden

Si O Si + H2O Si OH + HO Si

Auf der Glasoberfläche befindet sich eine so genannte permanente Wasserhaut. Diese muss vor dem Beschichten aus der Gasphase entfernt werden. Hierzu sind 450 – 500° erforderlich.

Glasoberflächen


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Folie 16

Im Unterschied zu Metall-, Keramik- oder Glasoberflächen liegen bei der „Kunststoffoberfläche“ abgesättigte Bindungszustände vor. Kunststoffe bestehen hauptsächlich aus C- und H-Atomen.

H C C C C C C C C C C C C

H

H

Sie können u.a. N-, O-, S-Atome sowie Halogene enthalten. Bei Kunststoffen liegen Atombindungen vor mit einer Bindungsenergie von ca. 800 kJ/mol. Man unterscheidet: Thermoplaste: ungeordnetes fadenförmiges Makromolekül schwer zu beschichten Duroplaste: vernetztes Makromolekül leichter zu beschichten

Kunststoffe

Fransen-Micelle

……

Kunststoffe


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Folie 17

+

E2 E1

Bindungs- energie

Epot

r

+

r1 r2 r3

Schalen

Schalen

Atom-

kern

e-

e- e-

e-

e-

e- e-

e-

e-

Die Elektronen umkreisen den positiv geladenen Atomkern auf definierten Schalen.

Atommodell

Die Bindungsenergie (Austrittsarbeit) entspricht der Energie, welche aufgewendet werden muss, um das Elektron vom Kern zu lösen (ionisieren).


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Folie 18

Die Elektronen im Leitungsband sind nicht mehr fest an ein Atom gebunden. Sie können sich frei im Atomverbund (auf den Schalen) bewegen. Die Metallverbindung beruht auf der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen den positiven Metallrümpfen (Metallkationen) und den im Festkörperverbund frei beweglichen Elektronen. Die Metallverbindung zählt zu den schwächeren Hauptvalenzbindungen mit ca. 200 kJ/mol.

+ +

Epot

+ + e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e- e-

e- e- e- e-

e- e-

e- e- e- e-

Gitterabstand

Metallbindung

Bändermodell


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Folie 19

Die Bindungen der Atom-rümpfe sind an der Ober-fläche sowie im oberflächen-nahen Bereich nicht abge-sättigt. Sie verfügen über bindungs-fähige Elektronenzustände (freie Oberflächenenergie).

Wechselwirkung der freien Metalloberfläche mit anderen Medien

Metall- oberfläche

Grund- werkstoff

+ + +

+ + +

+ + +

-

e-

e-

e-

e- e-

e-

e-

e-

e-

e-

e- e-

Umgebung

Metallbindung


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Folie 20

O H H

-

+

H2O-Molekül Wasser wird als Dipol-molekül an der Oberfläche zunächst elektrostatisch gebunden.

Al Al

Al Al

e-

Al

Al

e-

e-

e- e-

e- e- e-

Aufgrund der stärkeren Bindungsneigung von Sauerstoff zu Aluminium als zu Wasserstoff entsteht an der Oberfläche die starke ionische Bindung AL2O3.

Al

Al

e-

Al

Al

e-

Al

Al

e-

e- e- e-

Oberflächenbindung an Metall

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OHOAL

ALOOAL

HOOH

OAL

EE

0,2

EEE

4,1

EEE

2

2

⇒

∆>∆=

−=∆=

−=∆

Elektronegativität E:


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Folie 21

Ausschnitt aus dem Periodensystem der Elemente, Bezeichnung der für harte Schutzschichten auf der Basis von Plasma-Beschichtungsverfahren wichtigsten Elemente III IV V VI

Periode

2

3

4

5

6

B C

Al Si

Ti V Cr

Y Zr Nb Mo

N O

Hf Ta W

5

2

2,36

13

1,5

2,7

39

1,3

4,5

6

2,5

2,25

7

3,0

8

3,5

14

1,8

2,33

22

1,5

4,6

23

1,6

6,1

24

1,6

7,14

40

1,4

6,44

41

1,6

8,58

42

1,8

9,01

72

1,3

13,3

73

1,5

16,6

74

1,7

19,3

26,98

23,8

660

12,01 0,6- 4,3

>3550

14,007 15,999

28,09

2,64

1412

47,90

8,9

1668

50,94

7,8

1905

57,996 5,7- 8,3

1903

88,91

a)

1502

91,22

b)

1852

92,91

7,2

2468

95,04

4,5

2620

178,46

6

2220

180,95

6,6

3000

183,85

4,4

3380

10,81

8,3

2150

1

3

5

2

4

6 X

1 Ordnungszahl 2 relative Atommasse 3 Elektronegativität 4 thermischer Ausdehnungs- koeffizient in10-6 K-1 5 Massendichte in g cm-3 6 Schmelztemperatur in °C


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Folie 22

Bei Metallbindungen handelt es sich um ungerichtete Bindungen hohe Packungsdichte in einem Volumenelement Gitterstrukturen • kubisch raumzentriert • kubisch flächenzentriert • tetragonal Das „Reale Gitter“ besitzt eine Reihe von Gitterdefekten, die für die Oberflächentechnik von entscheidender Bedeutung sind: • Punktdefekte • Liniendefekte • Flächendefekte • Volumendefekte

Metallbindungen


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Folie 23

Korngrenze Korngrenzen- ausscheidung

Fremdphase (Einschluss)

Ausscheidungen Stufen- versetzung

Zwischen- gitteratom

Fremd- atom

Leer- stelle

Schrauben- versetzung

Elementar- zelle

Die Defekte beeinflussen die Haftfestigkeit von Beschichtungen, das Korrosionsverhalten sowie das mechanische Verhalten und die Leitfähigkeit.

• Punktdefekte (Leerstellen, Zwischen- gitteratom, Fremdatom)

• Liniendefekte (Versetzungen)

• Flächendefekte (Korngrenzen, Phasen- grenzen, u.a.)

• Volumendefekte (Einschlüsse, Ausscheidungen, Schraubenversetzung, u.a.)

Metallbindungen


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Folie 24

Jede Bearbeitung eines Metalls führt zu nachhaltigen Veränderungen von Struktur und Gefüge der Oberfläche.

Metallische Oberfläche

Bei einer spanenden Bearbeitung sind neben der Formgebung folgende Faktoren zu berücksichtigen: • Änderung des elektrochemischen Potentials (Korrosion)

• Verfestigung (Eigenspannung)

• anisotropes Verhalten der Metalle mit Textur (ätzen)

• Änderung des Oberflächenprofiles (Reibung, Verschleiß,

Haftung von Schichten)


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Folie 25

Jede Bearbeitung eines Metalls führt zu nachhaltigen Veränderungen von Struktur und Gefüge der Oberfläche. Bei einer spanenden Bearbeitung sind neben der Formgebung folgende Faktoren zu berücksichtigen: • Änderung des elektrochemischen Potentials (Korrosion) • Verfestigung (Eigenspannung) • anisotropes Verhalten der Metalle mit Textur (ätzen) • Änderung des Oberflächenprofils (Reibung, Verschleiß, Haftung)

Bearbeitungsrichtung

0,01 – 1 µm

Fett- od. Ölfilm

0,1 – 100µm

Adsorptions- u. Reaktionsschicht

Übergangszone

innere Grenzschicht

ungestörtes Metallgefüge

Metallische Oberfläche


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Folie 26

Beschichtungswerkstoffe können in fester, flüssiger oder gasförmiger Form vorliegen. Man spricht von Adhäsion Wechselwirkung fest - fest Benetzung Wechselwirkung fest - flüssig Adsorption Wechselwirkung fest - gasförmig

Adsorptiv Adsorpt

Adsorbat

Adsorbens

Ist der Beschichtungsprozess abgeschlossen, liegt nur noch Adhäsion vor.

Grenzschichtverhalten


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Folie 27

Als Maß für die Oberflächenenergie gilt der Benetzungswinkel Θ

Θ σf

σs σfs

Θ


Eine gute Benetzung (kleiner Benetzungswinkel) entsteht, wenn die nicht abgesättigten Bindungen an der Oberfläche in der Lage sind, entgegen den Anziehungskräften im Flüssigkeitsvolumen den Tropfen zu spreizen.

σf Oberflächenenergie der Flüssigkeit σs Oberflächenenergie des Substrates σfs Energiedifferenz Oberflächenspannung = spez. Oberflächenenergie


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Folie 28

Beispiele

Anti-adhäsive Beschichtungen

Antihafteffekt, Benetzung

Schichtwirkung

Schichtmaterial z.B. PTFE

Wirkfaktoren infolge physikalisch-chemischer Prozesse entstehen haftfeste Verbindungen zwischen verschiedenen Materialien

Anwendungsbeispiel: Bratpfannen

Verfahren CVD, PVD

http://www.seilnacht.com/cdrom.htm


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Folie 29


Lotusblatt

Lotuseffekt Video


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Folie 31

Einordnung der Verfahren zur Oberflächentechnik

Einführung

Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten Stoffeigenschaften ändern


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Folie 32

durch Einbringen von Stoffteilchen - Gaslegieren - Schmelzlegieren - Umschmelzen

durch Ausson-dern von Stoff-teilchen - Härten - Anlassen

durch Umlagern von Stoffteilchen - Nitrieren - Borieren - C-Nitrieren

Randschichttechnik

aus dem gas- od. dampfförmigen Zustand - PVD - CVD

aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand - Solgel - Lackieren

aus dem ionisier. Zustand durch elektrolytisches oder chemisches Abscheiden - Galvanik

aus dem festen (körnigen oder pulverigen) Zustand - Auftrag- schweißen - Spritzen


Glätten - Strahlen - Laser - Ätzen

Strukturieren - Bürsten - Schleifen - Honen - Polieren - Läppen

Reinigen - Strahlen - Beizen - U-Schall - Laser - Walzen

Abtragen/ Vorbehandlung

Einführung



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Folie 33

Leitfaden Turbine: Aufbau und Wirkungsweise

Quelle: MTU

Funktionsweise einer Fluggasturbine am Beispiel eines Strahltriebwerkes

Lycoming T53 Quelle: Wikipedia

Verdichter Brennkammer Turbine Düse

Ansaugen Kompression Verbrennung Entspannung Ausstoßen (Luft) (kontinuierlich)

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Turboprop_T-53.jpg&filetimestamp=20070503164836


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Folie 34

Leitfaden Turbine: Werkstoffe/Temperaturen


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Folie 35

Leitfaden Turbine: Beschichtungsbereiche

Beschichtungen in Flugzeugturbinen


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Folie 36

Leitfaden Turbine: Beschichtungsbereiche

Quelle: T. Cosack, MTU München


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Folie 37

Leitfaden Turbine: Beschichtungsbeispiele

www.mtu.de/ Bürgel/Sierack

http://www.mtu.de/


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Folie 38


Einführung


Oberflächen- vorbehandlung

Chemische Verfahren

Umwandlungshärten Laser- und Induktionshärten


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Folie 39

Leitfaden Turbine: Typologie

Turbinen-Typologie kompressible Fluide (thermische Strömungsmaschine) - Gasturbinen - Dampfturbinen - Strahltriebwerke Inkompressible Fluide (hydraulische Strömungsmaschine) - Wasserturbinen

Gasturbine industriell

Radial-Inflow-Turbine Motor Quelle: Wikipedia


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Folie 40

Beispiele

Thermische Barriereschichten

Temperaurbeständigkeit von Oberflächen, Ermöglichung hoher Temperaturgradienten

Schichtwirkung

Schichtmaterial z.B. CrO2 , Al2O3, ZrO2

Wirkfaktoren: Veränderung des Gefüges bzw. Materialzerstörung durch Langzeit-Temperaturwirkung

Verfahren Thermisches Spritzen

Anwendungsbeispiel: Turbinenschaufeln


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Folie 41

Beispiele

Verschleißmindernde Oberflächenbehandlung

Wirkung Senkung der Verschleißrate

Verfahren martensitisches Umwandlungshärten

Wirkfaktoren: komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß

ND-Stufe 80 MW-Turbine

Härtungsprozess 1300 MW-Schaufel

Laserstrahlhärten von Turbinenschaufeln

Anwendungsbeispiel

Foto: Hansa Verlag

Schichtmaterial substrateigene Oberfläche


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Folie 42

• Laserstrahlhärten mit unterschiedlichen Lasertypen: CO2-, Scheiben-, Faser-, Diodenlaser

• Strahlformung durch reflektive Optiken

• Strahloszillationen mit Frequenzen > 200 Hz

-> quasi-stationäre Temperaturfelder

• Typische Scanwinkel < 8 °

Laserstrahlhärten


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Folie 43

Anwendungsbeispiel: Gleitlager

Beispiele

Reibungsmindernde Beschichtungen

Wirkfaktor Reibung infolge Relativbewegung einander berührender Festkörperoberflächen

Schichtwirkung

Schichtmaterial z.B. MoS2, DLC

Senkung von Reibung und Verschleiß und damit Erhöhung der Lebensdauer

Verfahren CVD, PVD


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Folie 44

Material- u. Anwendungsbeispiele

Reibungsmindernde Beschichtungen

Video

Wirkfaktor Reibung infolge Relativbewegung einander berührender Festkörperoberflächen

Schichtwirkung

Schichtmaterial z.B. MoS2, DLC

Senkung von Reibung und Verschleiß und damit Erhöhung der Lebensdauer

Verfahren CVD, PVD


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Folie 46

Schichtwirkung Senkung der Verschleiß- rate und Erhöhung der Bearbeitungs- geschwindigkeit

Schichtmaterial z.B. TiCN, DLC

Beispiele

Verschleißmindernde Beschichtungen

Foto: Hansa Verlag

Wirkfaktoren: komplexe Verschleißprozesse: Adhäsion, Abrasion und Ermüdung

Verfahren

CVD, PVD

Anwendungsbeispiel: Zerspanwerkzeuge


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Folie 47

Beispiele

Optische Beschichtungen

Verbesserung des Lichtdurchganges

Schichtwirkung

Schichtmaterial

z.B. TiO2, Al2O3

Wirkfaktor: Reflexion von Licht beim Übergang zwischen Medien unterschiedlichen Brechungsindex

Verfahren PVD

Anwendungsbeispiele

www.bulinks.de/fenster


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Folie 48

Beispiele

Optische Beschichtungen

Anwendungsbeispiel: Fensterglas

www.baulinks.de/fenster

Verbesserung des Lichtdurchganges

Schichtwirkung

Schichtmaterial

z.B. TiO2, Al2O3

Wirkfaktor: Reflexion von Licht beim Übergang zwischen Medien unterschiedlichen Brechungsindex

Verfahren PVD


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Folie 50

ästhetischer Effekt verbunden mit Korrosionminderung und enormen Goldeinsparungen

Schichtwirkung

Schichtmaterial TiN

Beispiele

Dekorative Beschichtungen

Foto: Hansa Verlag

Wirkfaktor: Bewertung von Oberflächen durch den Menschen nach ästhetischen Kategorien Verfahren CVD, PVD


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Folie 51

Material- u. Anwendungsbeispiele

Korrosionsmindernde Beschichtungen

Senkung der Korrosions- geschwindigkeit und damit Erhöhung der Zahl der möglichen Rasuren

Schichtwirkung

Schichtmaterial z.B. CrC, DLC

Wirkfaktoren: Bildung von Oxidschichten auf Metallen durch Einwirkung von Sauerstoff und Wasser

Verfahren CVD, PVD


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Folie 52

Beispiele

Korrosionsmindernde Beschichtungen

Senkung der Korrosions- geschwindigkeit und damit Erhöhung der Zahl der möglichen Rasuren

Schichtwirkung

Schichtmaterial z.B. CrC, DLC

Wirkfaktoren: Bildung von Oxidschichten auf Metallen durch Einwirkung von Sauerstoff und Wasser

Anwendungsbeispiel: Rasierklingen

Verfahren CVD, PVD

www.nassrasur.com


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Folie 53

Verfahrensbeispiele


Wirkung Verringerung der Verschleißrate

Verfahren Strukturieren Laserabtragen

komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß

Video

Schichtmaterial

Substratmaterial wird lokal abgetragen


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Folie 54

Beispiele


Durchmesser: 26 cm

400

300

200

100

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Tiefe in Laufbuchse / mm

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Laserstrahlhärten von Zylinderlaufbuchsen

Anwendungsbeispiel

Wirkung Senkung der Verschleißrate





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Folie 55


Beispiele


Zylinderlaufbuchsen für Dieselmotor www.m-juergensen.com

Anwendungsbeispiel

Senkung der Verschleißrate



Wirkung


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Folie 56

Beispiele für Sonderverfahren

magnetische Übertragung von Informationen zwischen Magnetspeicher und Leser

Informations- träger für Rechentechnik

Reinst- metalle

magnetische Informations- speicherung

magnetisierbare Schicht

Tonkopf

Ag

elektrische über die Oberfläche zweier sich berührender Festkörper fließt ein Strom

Steckverbinder für mikro- elektronische Baugruppen

gutes Kontaktverhalten (bei Einsparung von Edelmetallen)

Kontaktelement

Schichtwirkung Anforderungen

Anwendungs- fall

Schicht- material


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Folie 57


photosensitive Transformation der Photonenenergie in elektrische Energie

Solarzellen

Si

Verbindung von hinreichender Photosensitivität mit preiswerter Herstellung

Photoneneinfall

elektr. Spannung


Anwendungs- fall

Schicht- material

atomare Teilchen atomarer Dimensionen stäuben durch Auftreffen auf eine Festkörperoberfläche Atome und/oder Moleküle ab

Kernreaktor- teile

TiB2

Senkung der Abstäuberaten und dadurch Erhöhung der Lebensdauer von Teilen

atomare Teilchen

Atome, Moleküle


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Folie 58


biomedizinische Reaktionen des Gewebes auf Eigenschaften der Substratoberfläche

Implantate

TiO2 DLC

Verbesserung der Verträglichkeit von Implantaten Substrat

Gewebe

mechanische äußere periodische Kräfte rufen Schwingungen hervor

Diaphragma von Lautsprechern

Kohlen- stoff

Verbesserung des Schwingungs- verhaltens und damit der Tonwiedergabe

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Anwendungs- fall

Schicht- material


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Folie 59

Übersicht: Verfahren der Oberflächentechnik

Dünnschichtverfahren:

CVD Chemische Abscheidung aus der Dampfphase

PVD Physikalische Abscheidung aus der Dampfphase

Ionenimplantation Einbringen von Teilchen in die Oberfläche durch Ionenbeschuss

Dickschichtverfahren:

Thermisches Spritzen Plasmaspritzen, Flammspritzen,

Plasmaauftragschweißen

Laserverfahren Pulver-Auftragsschweißen, Legieren, Dispergieren

Randschichtverfahren: Induktion, Laser, Plasma Umwandlungshärten, Diffusionshärten Abtragen / Reinigen: Strahlen, Ätzen, Verdampfen, Sputtern


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Folie 60

Einführung

Ende der Vorlesung „Einführung“

Anhang: Begriffe und Definitionen


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Folie 61

Abscheiden, chemisch oder elektrolytisch: Abscheidung von Schichten aus Flüssigkeiten, im allgemeinen aus wässrigen Lösungen. Man unterscheidet die galvanische Abscheidung unter äußerem elektrischen Stromfluss und die chemische Abscheidung (kein äußerer elektrischer Strom). Ein industriell etabliertes Verfahren, mit dem sehr dicke Schichten - verglichen mit CVD und PVD- erreichbar sind. Es ist vergleichsweise kostengünstig, jedoch in vielen Fällen ökologisch problematisch.

Abscheiden, elektrochemisch: Abscheidung aus einem meist wässrigen Elektrolyten durch Stromdurchgang. Das Substrat ist entweder als Kathode geschaltet (Abscheidung von Metallen) oder als Anode (anodische Oxidation).

Anodisieren allg.:Teil einer Redoxreaktion bzw. einer Elektrolyse, speziell: elektrisches Oxidieren einer Metalloberfläche, die dabei chem. umgewandelt wird. Mit in Lösung gehenden Me-Ionen bildet sich eine schwer lösliche Verbindung, die eine anodische Auflösung verhindert. Das Oxid ist hart u. chemisch sehr beständig sowie gut einfärbbar. Anwendung vorwiegend bei Aluminium (--> Eloxieren), Magnesium und Titan.

Aufkohlen (Carburieren) Thermochemisches Verfahren; Eindiffusion von Kohlenstoff in das Werkstück aus der Gasphase, einer Salzschmelze oder aus einem Pulver unter Temperatureinwirkung, zusammen mit anschließendem Abschrecken: Einsatzhärten. Ermöglicht Härten der Oberfläche niedriglegierter Stähle bei zähbleibendem Werkstückkern.

Auftragschweißen Beim Auftragschweißen werden Schichten geschmolzener Metalllegierungen auf angeschmolzene Werkstückoberflächen aufgetragen. Durch Auftragschweißen können sehr dicke Schichten von etwa 0,1 bis zu über 3 mm erzeugt werden. Typische Beschichtungswerkstoffe sind Aufschweißlegierungen auf Eisen-, Nickel- oder Cobaltbasis. Diese Auftragschweißlegierungen liegen in Pulver-, Draht-, Stab-, Band- oder Pastenform vor. Auftragschweißen eignet sich gut für Reparaturen vor Ort.

Verfahren des Beschichtens und Stoffeigenschaftänderns


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Folie 62

Borieren Thermochemisches Verfahren; Eindiffusion von Bor in die Werkstück-Randzone aus der Gasphase, der schmelzflüssigen Phase oder aus aufgebrachtem Pulver bei Temperaturen von 850 bis 950°C. Erzeugung harter, verschleißmindender Randschichten aus FeB, Fe²B. Die Härte (1600-2800 HV) und die Dicke der Boridschicht (bis 100µm) hängen vom Grundwerkstoff (Stahl) ab.

CVD CVD (Chemical Vapour Deposition): Das Schichtausgangsmaterial, welches in Form einer leicht flüchtigen Verbindung vorliegt, wird gemeinsam mit den Reaktionspartnern in die Dampfphase gebracht. Durch eine thermisch oder plasmatechnisch angeregte chemische Reaktion aus der Dampfphase schlagen sich Atome oder Moleküle am Substrat nieder und bilden die wachsende Schicht. Es sind hohe Beschichtungstemperaturen (typisch 1000°C bzw. 400°C bei Plasmabehand- lung ) notwendig.

Dispergieren ist das Einlagern von grobkörnigen Hartstoffen in eine dünne Randzone des Werkstücks (vorzugs- weise Leichtmetall) mit dem Ziel, einen gleichmäßigen Verbund aus Hartstoffen und Metall mit möglichst geringer Auflösung der Hartstoffe zu erzeugen. Typische Zusatzwerkstoffe: WC, TiC, TiB2,, Cr3C2

Eloxieren siehe Anodisches Oxidieren von Aluminium

Emaillieren Aufbringen eines Emails (nichtkristallines, glasartiges Material) auf ein festes Substrat (meist Stahlblech) zur Erhöhung der Härte, Abriebfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit. Nass- oder Pulveremailauftrag mit anschließendem Einbrand bei 800-900C.

Galvanisieren oder Galvanotechnik: Abscheidung von metallischen Schichten aus einer flüssigen Phase . Dies kann entweder durch das Anlegen eines elektrischen Stromes erfolgen (elektrochemische Abscheidung) oder durch eine chemische Reaktion (chemische Abscheidung). Generell wird zwischen funktionaler (für den Korrosions- und Verschleißschutz, zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit oder in der Katalyse ) und dekorativer (vorwiegend zur Verschöne- rung von Gegenständen) Galvanotechnik unterschieden.



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Folie 63

Glühen Unter Glühen versteht man die Behandlung eines Werkstückes bei einer bestimmten Temperatur, mit einer bestimmten Haltedauer und einer nachfolgend, der Erzielung der angestrebten Werkstoffeigenschaften angepassten Abkühlung. Man unterscheidet folgende wichtige Glühverfahren: Normalglühen, Spannungsarmglühen Weichglühen, Grobkornglühen, Diffusionsglühen, Rekristallisationsglühen, Lösungsglühen

Ionenimplantation Ionenstrahlverfahren: Einbau von hochenergetischen Teilchen (keV bis MeV) durch Beschuss der Substratoberfläche. Einsatz z.B. in der Mikroelektronik zum Dotieren von Halbleitern

Lackieren Unter Lackiertechnik versteht man die Maßnahmen zur Erzielung von Lackschichten mit schützenden, dekorativen oder speziellen technischen Eigenschaften. Die Lackmaterialien werden in flüssigem oder pulverförmigem Zustand auf die Werkstücke aufgetragen; sie können je nach Art der Bindemittel organische Lösemittel und/oder Wasser enthalten oder auch frei davon sein. Lackiertechnik ist demzufolge eine Querschnittswissenschaft. Lackierungen werden auf der Basis einer großen Vielfalt an Lackformulierungen für nahezu alle festen Untergründe angewandt. Je nach Anwendungsgebiet kommen typische, branchenspezifische Verarbeitungsverfahren zum Einsatz, wobei moderne Lackierprozesse bei zunehmenden Qualitätsanforderungen auch bedeutenden Umwelt- und Arbeitsschutzauflagen gerecht werden müssen.

Legieren allg. ist das Einbringen von Legierungselementen in eine dünne Randzone des Grundmaterials mit dem Ziel einer möglichst vollständigen Vermischung von Grund- und Zusatzmaterial über das Aufschmelzen oder Auflösen aller beteiligten Werkstoffkomponenten.

Nitrieren Diffusionsbasiertes Legieren einer Oberfläche mit Stickstoff zur Erhöhung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie Warmfestigkeit durch Nitridbildung. Verfahren: Gasnitrieren, Plasmanitrieren, Vakuumnitrieren mit Zusatz von Kohlenstoff: Gasnitrocarburieren, Plasmanitrocarburieren, Salzbadnitrocarburieren Werkstoffe mit nitridbildenden Elementen (z.B. Chrom, Molybdän, Vanadium, Aluminium) weisen eine höhere Nitrierhärte auf, jedoch reduziert sich die mögliche Stickstoffeindringtiefe mit zunehmendem Legierungsgehalt.



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Folie 64

PVD PVD (Physical Vapour Deposition): Mittels physikalischer Prozesse (Verdampfen, Beschuss mit hochenergetischen Teilchen etc.) wird ein Ausangsmaterial (Target) im Vakuum abgetragen. Das Material scheidet sich aus der Dampfphase auf ein in einiger Entfernung vom Target befindliches Substrat ab. Nur sehr dünne (< 1µm) Schichten sind realisierbar, eine Vielzahl von Materialien sind zur Beschichtung möglich.

Rapid Prototyping Ist eine Methode, schnell und unkompliziert Prototypen und Modelle bereits in der Planungsphase zu fertigen. Grundlage der Erzeugung dreidimensionaler Prototypen sind die dreidimensionalen CAD-Daten, die für die Nachfolgeprozesse (z.B. Stereolithographie, selektives Lasersintern) übernommen und aufgearbeitet werden. 3D-CAD-Konstruktionen werden in Volumendaten im CAD-System konvertiert. Das 3D-Volumenmodell wird anschließend im PC in Querschnitte (0,1- 0,2mm Dicke) aufgeteilt. Nach dem Übertragen der Daten auf eine Rapid Prototyping - Maschine wird die ursprüngliche Form Schicht für Schicht aufgebaut.

Schmelztauchen Verfahren des chemischen Metallisierens. Werkstück bzw. Band/Flacherzeugnis wird in geschmolzenes Metall (z. B. Zink, Zinn, Aluminium, Blei oder deren Legierungen) getaucht und dadurch mit diesem überzogen. Material muss temperaturbeständig sein, um Verbrennen und Verzug zu vermeiden.

Sol-Gel-Technik Mittels eines nasschemischen Verfahrens werden organische Verbindungen hydrolisiert und teilkondensiert und in verschiedenen Lösungsmitteln gelöst. Diese Lacke können mittels üblicher Verfahren wie Tauchbeschichten, Spin-Coating oder Sprühen aufgebracht werden, bilden eine Gelschicht und werden in einem Folgeprozess mittels UV- bzw. IR-Strahlung zu z.B. einer Keramikschicht versintert oder ausgehärtet.



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Folie 65

Ein großer Vorteil des Verfahrens ist die Einfachheit. Man benötigt keine aufwendigen und teuren Anlagen; die Herstellung erfolgt im Reagenzglas. Es lassen sich auf Anwendungen bezogene, maßgeschneiderte Werkstoffe herstellen.

Thermisches Spritzen Die als Pulver oder als Draht vorliegenden Beschichtungsmaterialien werden in einer energiereichen Wärmequelle erschmolzen und durch geeignete Mittel als Tröpfchen auf das Substrat aufgesprüht. Die Energieträger sind derzeit die Brenngas-Sauerstoff-Flamme, der elektrische Lichtbogen, der Plasmastrahl und der Laserstrahl. Die kinetische Energie, gekoppelt an die Partikel- geschwindigkeit beeinflusst die Dichte der Schicht, die Haftzugfestigkeit der Spritzschicht in sich und die Haftzugfestigkeit der Schicht zum Grundwerkstoff. Verfahrensbeispiele sind Plasmaspritzen. Flammspritzen, Lichtbogenspritzen.

Umschmelzen Das( Wieder-)Aufschmelzen einer Oberfläche mit dem Ziel einer Glättung nach vorheriger anderer Behandlung (z.B. spurweises Beschichten) oder des Einschmelzen eines vorher aufgebrachten artfremden Materials z.B. beim Siebrucken oder beim Legieren. Auch das oberflächenbegrenzte Umwandlungshärten ist prinzipiell ein Umschmelzprozess.

Umwandlungshärten Unter Härten versteht man eine Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in der Regel in Martensit erfolgt. Nach dem Härten besteht das Gefüge sogenannter übereutekoider Stähle üblicherweise aus Martensit + Restaustenit + Carbid. Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit werden maßgeblich vom Gefügezustand nach dem Härten beeinflusst. Im Prinzip ist jeder Stahl mehr oder weniger gut härtbar, die Härtbarkeit ist aber entscheidend von der chemischen Zusammensetzung des Stahls abhängig


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