Beitrag zur Beschichtung von Metallen

22 G . Sepold und H.-D. Steffens 2. Werkstofftech. 8, 22-32 (1977)

aver lag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim, 1977

Beitrag zur Beschichtung von Metallen A Contribution on Surface Metals

G. Sepold und H.-D. Steffens

Institut fur angewandte Materialforschung der Fraunhofer-Gesellschaft, Brernen und Institut f. physikalische Fertigungsverfahren, Uni Dortrnund

1. Einleitung

Der Einsatz beschichteter Werkstoffe war schon im Alter- tum bekannt, denkt man u. a. an Goldauflagen fur romische Gotterstatuen, an assyrische farbige Ernailuberzuge auf Erz- platten oder an etruskische Silber-Einlegearbeiten (l), wobei haufig optische Effekte an Oberflachen erzielt werden sollten. In der Neuzeit hat sich dieser Schwerpunkt beirn Beschichten von Werkstoffen verlagert: Bedingt durch vielfaltige techni- sche Anforderungen hinsichtlich der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Oberflachen, gelangte man zu neuartigen Beschichtungsverfahren und hieraus resultierend zu Werkstoffkombinationen, wodurch es rnoglich wurde, hoher belastbare, korrosionschemisch resistentere Bauteile zu erstellen, teure Werkstoffe einzusparen und haufig auch wirtschaftlicher zu fertigen.

ein Uberblick uber einige Entwicklungen auf den Gebieten konventioneller Beschichtungstechniken wie der Veredelung von Oberflachen durch Kunststoffe, durch galvanotechnische MaBnahmen oder durch Plattierverfahren gegeben und anschliegend auf neuere Entwicklungen auf den Gebieten des thermischen Spritzens sowie der CVD- und PVD-Verfahren eingegangen werden.

Dieser Uberblick uber heute venvandte oder noch in der Entyicklung befindliche Beschichtungsverfahren kann ver- standlicherweise nur einen kleinen Teil der bekannten oder rnoglichen Oberflachenschutzverfahren erfassen. Bei der getroffenen Auswahl handelt es sich jedoch vorzugsweise urn solche Verfahren, rnit denen insbesondere Stahle bei Temperaturen unterhalb von 600 OC in oberflachennahen Bereichen veredelt werden konnen, ohne eine Urnwandlung zu erfahren, d. h. ohne wesentliche Beeintrachtigung der Festig- keit des Tragenverkstoffes.

Bezugnehrnend auf diese Forderungen wird nachstehend

2. Oberflachenveredelung durch Kunstharze

Bei geringen Ternperaturbeanspruchungen konnen rnetalli- sche Oberflachen besonders gegen Korrosionsangriffe durch den Einsatz lufttrocknender Harze auf z. B, Epoxid- oder Polyurethanbasis geschutzt werden. Beide gibt es in neuerer Zeit auch als Einkornponentenlacke, deren Hartung und Trocknung unter anderern durch Reaktion des Bindernittels rnit der Luftfeuchtigkeit erfolgt. Venvendet man bei den Polyurethanen bestimmte Alkyle, so bewirkt diese MaRnah- me einen erhohten Korrosionsschutz infolge verrnutlich verbesserter Vernetzung des Untergrundes und der Pigrnente irn Lack (2).

Besonders intensiv widrnet sich hierbei die Forschung dern Einsatz und der Entwicklung neuer Pigmente als zu- satzliche Korrosionsinhibitoren.

Epoxidharze werden bevorzugt als Grundierung fur den Korrosionsschutz von Stahl eingesetzt, da diese Harze eine relativ hohe Haftung zum Metal1 aufweisen. Epoxidharze verhalten sich nach dern Harten relativ sprode. Als neuere Entwicklung werden losungsmittelfreie Epoxidharze ange- boten, wobei durch Einbau elastifizierender Polyurethane zwischen die relativ kurzen Ketten des Epoxids und des Amins beirn Ausharten Plaste rnit nahezu gurnrnielastischen Eigen- schaften entstehen.

Das Aufbringen dieser Harze auf eine Oberflache kann in vielfaltiger Weise erfolgen : Beim altesten und unkompli- ziertesten Verfahren, dern Streichen, wirkt sich bei Einsatz von Zweikornponenten-Systernen die begrenzte Arbeitszeit infolge schnell einsetzender Polymerisation nachteilig aus. Diese Schwierigkeit kann durch Aufbringen der Harze mit Hilfe von Spritzpistolen verrnieden werden, in denen das Harz-Harter-Gernisch unrnittelbar vor dem Verspritzen einer Mischkarnrner zugefuhrt und anschliegend durch Druckluft verspriiht wird. Als Nachteile dieser Technik sind ein erhohter Materialverlust, das Auftreten von ,,Laufern", geringer moglicher Festkorpergehalt und ein ungleichrnagig dicker Auftrag hervorzuheben.

Dutch Einfuhrung des Airless-Spritzens lassen sich die zuvor angefuhrten Fehler weitgehend verrneiden. Bei diesern Verfahren steht das Gemisch unter hohern Druck, so dag ein Verspriihen rnit Hilfe zusatzlich zugefiihrter Druckluft entfallt und die Bildung von Aerosolen verrnindert wird, wodurch das Verfahren als umweltfreundlicher gelten kann.

Ein weiterer Fortschritt in dieser Richtung wurde durch die Einfuhrung des elektrostatischen Pulververspruhens (EPS) erzielt ( 3 ) . Hierbei werden aus einer Duse austretende Teil- chen rnit Hilfe von Ionen, die durch eine Korona-Entladung entstehen, aufgeladen und in Richtung des zu beschichtenden Bleches beschleunigt. Die an der Oberflache haftenden Teilchen werden anschliegend bei 160-210 OC eingebrannt, so da13 gut haftende, dichte und hochglanzende Schichten von 50-120 prn Dicke entstehen.

In der Kunststoffbeschichtungstechnik wurden in den vergangenen Jahren insbesondere auf dem Gebiet des Folien- kaschierens erhebliche Fortschritte erzielt, wobei durch Verarbeitung rnodifizierter Bindemittel aus Kornbinationen von therrnoplastischen rnit raurnlich vernetzenden duroplastischen Kornponenten die Alterungsbestandigkeit und Festigkeit des Verbundes Blech und Kunststoffolie herauf- gesetzt wurden. Die Beschichtung des Blechhalbzeugs wird folgenderrnagen vorgenornrnen (4): Nach Haftgrundvorbe- reitung wird das Bindemittel auf das vom Coil abgewickelte Blech aufgebracht, der Kleber trocknet und durchlauft mit dern Btech eine Ofenanlage, in der sich das Bindernittel auf 120--180 "C envarmt. Hierbei schrnelzen die thermoplasti- schen Komponenten, und die duroplastischen Anteile be-

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OC

200

ginnen zu vernetzen. AnschlieRend wird die Kunststoff- folie auf das Blech rnit dem noch reagierenden Kleber auf- gewalzt und der Verbund darauf abgekuhlt.

ist der Aktivierungsverlauf, d. h. der Temperatur-Zeit-Ver- lauf des Klebers im Ofen (Abb. 1) .

Von groRer Bedeutung fur die Qualitat des Verbundes

I 3 -P

L

- - F 3

5 2 Y

In 1

Kleber A I Kleber B

Abb. 1. Temperatur-Zeit-Verlaufe sowie Schalkrafte und Aktivierung von PVC-Metallverbunden nach Brockmann (4).

Bei zu hoher Energiezufuhr erfolgt eine thermische Schadigung, bei zu niedriger eine ungenugende Vernetzung des Klebers, in beiden Fallen resultiert eine nicht ausrei- chende Haftung zwischen Folie und Blech. Tragt man in Abhangigkeit von unterschiedlichen Aktivierungsverlaufen - Kurve 1 bis 3 - die Schalkraft auf, so 1aRt sich hieraus deutlich der EinfluB des Temperatur-Zeit-Geschehens auf die Haftung ablesen: Bei der Aktivierung nach Verlauf 1 trat keine Bindung zwischen Folie und Blech ein, da der Kleber bereits bei Verlassen des Ofens nahezu vollstandig ausgehartet war. Kurzere Aktivierungszeiten und Arbeits- temperaturen bei 175 "C, Kurve 2, scheinen in Abhangig- keit vom Kleber und der Oberflachenvorbehandlung die giinstigsten Bedingungen fur eine gute Bindung bei der Folienkaschierung zu sein. Eine Temperaturerhohung von nur 1 5 O C , Kurve 3 , bewirkt einen starken Abfall der Schal- kraft. Diese Ergebnisse fuhren zu dem SchluR, da13 gering- fugige Unterschiede im Fertigungsablauf die Qualitat der Beschichtung bereits in Frage stellen und somit eine genaue Prozegkontrolle erforderlich machen.

nischen Verfahren als echte Sparverfahren fur teure Werk- stoffe vermehrt eingesetzt werden. Hierzu gehort z. B. auch die Legierungsabscheidung, wodurch versucht wird, Variatio- nen der elektrochemischen Eigenschaften von Oberflachen herbeizufuhren (5). Dariiber hinaus wird nach (6) die Weiter- entwicklung der galvanischen Verfahren durch Einsparung, Riickgewinnung und Wiedervenvendung von umweltschadi- genden Stoffen und Wertstoffen (Recycling) bestimmt. So fuhrte der Einsatz cyanidfreier Elektrolyte beim Verzinken oder Versilbern zu einer Vereinfachung der Abwasserauf- bereitung und somit insgesamt zu geringeren Verfahrenskosten. Einen ahnlichen Erfolg verspricht man sich durch hohere Abscheidungsraten, z. B. beim Venvenden der pulse-plating- Technik. Hierbei wird als weiterer Vorteil das Aufwachsen feinkornigerer Schichten als beim Gleichstrombeschichten genannt (7).

Von den erst seit kurzer Zeit im grogtechnischen MaBstab galvanisch abgeschiedenen Metallen kommt dem Aluminium eine gewiesse Bedeutung zu, da hierdurch bereits vorhandene Techniken, wie das Alitieren, eine wertvolle Erganzung erfahren haben. Dies bezieht sich insbesondere auch auf die Reinheit abgeschiedener Schichten. Eine Schwierigkeit bei der galvanischen Beschichtung mit Aluminium ist darin zu sehen, da13 dieser Werkstoff aufgrund seines stark negativen Abscheidungspotentials von - 1,69 Volt aus wagrigen Elektro- lytlosungen nicht abgeschieden werden kann, d. h. aprotische Elektrolyten benutzt werden mussen. Einen Ausweg bieten metallorganische Verbindungen, wobei sich nach (8) das Interesse auf elektrisch leitfahige Komplexverbindungen aus Aluminiumalkylen und Tetraalkylammoniumsalzen kon- zentriert.

Die Bader sind grundsatzlich vor Feuchtigkeit und Luft- sauerstoff zu schiitzen, was ein Arbeiten in geschlossenen Zellen bei geringem Stickstoffiiberdruck erfordert. Die zu beschichtenden Teile werden in die Zelle unter Schutzgas eingeschleust. Die bei einer Badtemperatur von 80-.100 O C

hergestellten Schichten sind im Vergleich zu Schichten, die durch Aufdampfen, thermisches Spritzen oder Tauchver- fahren aufgebracht werden, homogener und eignen sich u. a. ausgezeichnet fur ein sich anschliegendes Eloxieren.

Die Einsatzmoglichkeiten des galvanischen Beschichtens von Oberflachen rnit Aluminium sind vielfaltig. So wird es zum Korrosionsschutz von Stahl oder Al-Legierungen verwandt; durch Verstarkung der Oxidschichten mit Hilfe des Anodisierens entstehen Schichten mit erhohtem elektrischen Isolationsvermogen, guter Warmeleitfahigkeit, Einfarbbarkeit sowie hoher Harte und Abriebfestigkeit. Eine Sonderanwen- dung stellt das Aufbringen von Aluminium auf Nickelbasis- legierungen dar, wobei nach einer Warmebehandlung in oberflachennahen Bereichen Schutzschichten aus Ni, A13 bzw. NiA13 entstehen (9), welche den beim Alitieren entstehenden Schichten sehr ahnlich sind.

3.2. Chemisch abgeschiedene Schichten 3. Chemische Auftragsverfahren

3.1. Galvanisch abgeschiedene Schichten

Die Entwicklungen auf dem Gebiet der Galvanotechnik sind weniger durch neue Verfahren als durch verbesserte Techniken und neue Einsatzgebiete gekennzeichnet. Im Sinne einer erhohten Wirtschaftlichkeit werden die galva-

Die stromlose Metallisierung erganzt die klassischen galvanischen Verfahren und gestattet daruber hinaus, auch Halb- leiter und Nichtleiter gleichmagig zu metallisierer! und evtl. anschliegenden konventionellen, galvanotechnischen Prozes- sen zwecks weiterer Veredelung zuganglich zu machen (10). Die Zahl der chemisch abscheidbaren Metalle ist wesentlich kleiner als bei der elektrochemischen Reduktion. Am haufig-

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sten angewendet wird die chemische Vernickelung, gefolgt von der stromlosen Kupferabscheidung. Bader zum Abschei- den von Edelmetallen, Zinn, Eisen oder Kobalt und ihrer Legierungen sind noch als Sonderfalle anzusehen.

len haufig von einer starken Wasserstoffentwicklung begleitet, welche durch Verbrauch von Reduktionsmitteln die Wirt- schaftlichkeit vermindert. Die Kosten des chemischen Reduk- tionsmittels sind hoher als die Stromkosten in der galvanotechnischen Abscheidung, und die Wasserstoffentwicklung la& sich durch die stufenlos regelbare Reduktionswirkung des Stroms starker beeinflussen. Erhohte Kosten sind nur dann vertretbar, wenn galvanische oder andere Verfahren nicht anwendbar sind. Die durch die eigentliche Metallab- scheidung erhohten Kosten beim chemischen Beschichten werden durch Einsparungen beim Formenbau fur besonders profilierte oder groge Teile kompensiert (Abb. 2 ) bzw. deren Beschichtung erst ermoglicht.

Die Abscheidungsgeschwindigkeit betragt fur Nickel 20- .30 pm pro Stunde, was bei galvanischen Prozessen einer

Die chemische Metallabscheidung ist bei unedleren Metal-

Abb. 2. Stromlos vernickeltes Geblaseteil, Werkfoto Fa. Anke.

Stromdichte von 2.. .3 A/dm2 entspricht ( 1 1). Die zum Ab- scheiden von Nickel vetwandten Bader erhalten als Reduk- tionsmittel Natriumhypophosphit oder Natriumtetra- hydridoborat; dabei werden neben reinem Nickel auch Phosphor bzw. Bor abgeschieden, die nach Warmebehand- lung Nickelphosphid bzw. -borid bilden.

ahnliche mechanisch-technologische Eigenschaften wie Hartchromschichten, wobei insbesondere die hohen Harte- werte von 500-700 Vickers-Einheiten und von uber 1200 Einheiten nach einer Warmebehandlung zu nennen sind. Einige mechanisch-technologische Eigenschaften der Schichten sind in Tab. 1 zusammengestellt.

Besonderes Interesse finden stromlos rnit Amin-Boran- Verbindungen abgeschiedene Nickeluberzuge in der Elektro- nikindustrie als Goldersatz in gedruckten Schaltungen oder fur Kontakte. Nach dem Sylek-Verfahren (1 3) konnen Nickel-Bor-Schichten abgeschieden werden, die in Bezug auf ihre Lotbarkeit, Korrosionsbestandigkeit, Haftfestigkeit, Kontaktwiderstand und RiRbestandigkeit galvanisch aufge-

Dickere Nickelschichten dieser Zusammensetzung haben

brachten Goldschichten gleichwertig sind, aber nur ein Zehntel der Kosten erfordern (14).

3.3. Nickeldispersionsschichten

Zur Erhohung des Verschleigwiderstandes, der Tempera- turbestandigkeit, Harte und moglicher Porositat von galvanisch oder chemisch abgeschiedenen Schichten werden dem Elektrolyten vorzugsweise Hartstoffe beigefugt, die gemein- sam mit dem Metal1 abgeschieden werden. Dispersatiiber- zuge bestehen aus z. B. Sic oder A1203, die fein verteilt in eine Nickelmatrix eingebettet sind; diese Kombinationen werden heute am haufigsten eingesetzt (14) , wobei grundsatzlich aber auch andere Kombinationen moglich sind, so die Einlagerung von Schmierstoffen oder Diamanten in Nickel, (15).

Die erste groRtechnische Anwendung fanden Nickel- schichten rnit Siliziumkarbid-Einlagerungen als Laufschicht fur den Kreiskolbenmotor. Zwischenzeitlich wurden Nickel- dispersionsschichten fur Bauteile und ihren Verschleig- schutz in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, so fur die Beschichtung von Leichtmetallzylinderbuchsen, Kolben- ringen, Schneckenelementen oder Diisen. Das unter dem Namen ,,Kanisil-Beschichtung" bekannt gewordene Verfah- ren des chemisch abgeschiedenen Nickels mit Siliziumkar- bid wird immer haufiger fur kompliziert geformte Bauteile eingesetzt (16). Nachweislich werden durch Kanisilschichten die Standzeiten von Formwerkzeugen erheblich verbessert.

4. Explosivplattieren

Wahrend beim Schweigplattieren moglichst Werkstoffe hoher Loslichkeit miteinander verbunden werden sollten, wobei die Ausbildung intermetallischer Phasen und somit eine Versprodung weitgehend unterbleibt, konnen durch Explosivplattieren - auch Sprengschweigen genannt - sehr unterschiedliche Metallpaarungen miteinander verbunden werden. Die rnit Sprengstoff beschichtete Flugplatte wird bei der Detonation auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und bei Kollision rnit der gegenuberliegenden Grundplatte haftfest und weitgehend ohne Auftreten sproder intermetallischer Phasen verbunden (17) . Hierbei erfolgt haufig aufgrund von stogwellenartigen Vorgangen, die zu einer starken plastischen Verformung oberflachennaher Bereiche von Beschichtung und Grundwerkstoff fuhren, eine Verzahnung in der Grenzschicht (Abb. 3), deren geometrische Ausbil- dung haufig fur die Beurteilung der Haftung herangezogen wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es moglich, Sonder- metalle, welche als Korrosionsschutz in grogtechnischen Anlagen erforderlich sind, grogflachig aufzutragen. Die hier- mit verbundenen Kosten sind zweifellos relativ hoch, so da13 der Einsatz des Verfahrens auf Sonderbeschichtungen zunachst beschrankt bleibt.

Hauptanwendungsgebiet dieses Beschichtungsverfahrens ist der chemische Apparatebau, wofur bevorzugt Tantal-, Titan-, Zirkon- oder Edelstahlplattierungen hergestellt werden. Bleche rnit Flachen bis zu 32 rnz wurden bisher in einem SchuS plattiert und anschliegend durch SchweilSen


Tabelle 1. Mechanisch-technologkche Eigenschaften von abgeschiedenem Nickel nach (12)

Eigenschaft Glavanisch-Nickel Stromlos-Nickel Stromlos-Nickel Nickel-Phosphor-Basis Nickel-Bor-Basis

Zugfestigkeit im abgeschied. Zust. 400-.1400 N/mm2 im getemp. Zustand abfallend bis 200 N/mm2

(bis 500 "C) Elastizitatsmodul 140000-~210000 N/mm2 Vicke rshar te (HV) im abgesch. Zustand 2000-6000 N/mm2 im getemp. Zustand abfallend bis 600 N/mm2

(bis 400 OC)

Bruchdehnung

im getemp. Zustand im abgesch. Zustand 30...5%

bis 55% (500 " C )

Innere Spannungen 800 N/mm2 Zugsp. - 150 N/mm2 Drucksp.

Abriebverhal ten im abgeschied. Zustand 7,6...14,7 mg im getemp. Zustand -

oder Verformen weiterverarbeitet. Sonderanwendungen sind auf dem Gebiet der Supraleiter (18) sowie zur Herstellung von Halbzeugen aus Verbundwerkstoffen (17) zu envarten.

Abb. 3. Auslauf einer explosivbeschichteten Verbindung; X 2NiCoMo 18 5 auf Vergiitungsstahl.

Weiterhin ist es denkbar, daR explosiwerdichtete Keramik- und Metallpulver (19) uber haftvermittelnde Folien oder auch direkt auf Oberflachen in Zukunft aufgebracht werden konnen.

5. Thermisches Spritzen

5.1 . Plasmaspritzen

Auf dem Gebiet des thermischen Spritzens hat in neuerer Zeit das Plasmaspritzen erhohte Bedeutung erlangt. Dieses Verfahr.en zeichnet sich besonders durch die Moglichkeit zum Verspritzen hochschmelzender Metalle, deren Oxide, Karbide und Boride aus. Bei Plasmabrennern herkommli- cher Bauart liefert ein zwischen den wassergekuhlten Elek- troden gezundeter Lichtbogen die Energie zur Erzeugung eines thermischen Plasmas. Je nach Art des verwendeten Gases wird dies verschieden dissoziiert. Dabei setzt die Re-

750 N/mmL 500 N/mm2 (750 "C)

200000 f 10000 N/mm2

5000.-6000 N/mm2 10000-11 000 N/mm2 (400 " C )

0,3...6% 6% (420 "C)

280 N/mm2 Zugsp. - 108 N/mm2Drucksp.

9,6 mg abfallend bis 1,3 mg (bis 650 " C )

7000 N/mm2 9500-12 500 N/mmz (400 " C ) , hohere Harten nach wochenlangem Tempern

geringer als die des galv. Nickels, oberhalb 0,02 mm Schichtdicke RiRbildung (400 " C ) erwahnt 110-.200 N/mm2 Zugsp. 700 N/mm2 Drucksp. nach Tempern (190 OC)

7-.10 mg 2.-4 mg (400 "C)

~~

kombination der Ionen zu Atomen bzw. der Atome zu Molekiilen groRe Warmemengen frei, die zum Aufschmelzen der meist pulverformigen Werkstoffe genutzt wird. Die Kiihlung des Strahls an der Wandung des Brenners bewirkt infolge des dabei auftretenden Pincheffektes eine beacht- liche Temperatursteigerung. Diese bestimmt auch die Tem- peratur der Teilchen, die teilweise als uberhitzte Schmelze oder dampfformig auf die Oberflache auftreffen.

Die elektrische Leistung gebrauchlicher Plasmaspritzan- lagen liegt zwischen 12 und 40 kW. Die neue Generation der auf' dem Markt angebotenen Plasmaspritzanlagen wartet mit sehr hohen Leistungen von iiber 100 kW auf. Der Spritz- werkstoff sol1 dabei teilweise mit Uberschallgeschwindig- keit auf den Grundwerkstoff auf'treffen, wobei sehr dichte Schichten entstehen. Die hochste elektrische Leistung - zwischen 175 und 225 kW - und aufiergewohnlich groRe Spritzleistungen liefert ein in der Tschechoslowakei ent- wickelter wasserstabilisierter Plasmabrenner (20).

bestimmenden GroRen zahlt in erster Linie die Haftung. Die Haftfestigkeit nach DIN 50 160 plasmagespritzter Schichten verschiedener Werkstoffe hangt von physikalischen und chemischen Umwandlungen im Plasmastrahl und von der Warmeeinbringung in die Grenzflache Schicht - Grund- werkstoff an, wenn die ubrigen den SpritzprozeR kennzeich- nenden Parameter konstant gehalten werden. Zu diesen zah- len u. a. Strom, Spannung, Brennerabstand sowie die Zusam- mensetzung des Plasmagases (2 1).

Mit Hilfe der Plasmaspritztechnik ist es moglich, an einem Werkstiick ortlich begrenzt spezielle Eigenschaften zu erzielen, so einen erhohten VerschleiRwiderstand oder eine erhohte Korrosionsbestandigkeit. Ein bekanntes An- wendungsbeispiel ist die Bewehrung von Kolbenringen durch Molybdan. Erosionsschutzschichten hochschmelzender Metalle und deren Oxide werden mit Erfolg fur die Beschich- tung von Verdichter- und Turbinenschaufeln eingesetzt. Ferner haben sich Wolframkarbid-Kobalt-Verbundpulver gegen den Reibverschleifi bei schwingender Beanspruchung von Gasturbinenschaufeln bewahrt. Verschiedene Oxide wie A12 O 3 schutzen Kunststoffisolatoren gegen eine zu hohe Warmebelastung bei Funkenuberschlagen. Harte

Zu den die Einsetzbarkeit plasmagespritzter Schichten

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Werkstoffe wie Stellite konnen ebenfalls plasmagespritzt werden. In einigen Fallen werden durch diese MaRnahme Vorteile gegenuber dem Auftragsschweigen erzielt, da sich durch das Spritzen eine ubermagige Erwarmung des Werk- stucks vermeiden lie& Andererseits ist das aufgespritzte Metal1 weniger homogen und dicht.

spritzen in Schutzgaskammern dar. Hierdurch lassen sich Gas-Metall-Reaktionen weitgehend unterbinden, die Haft- festigkeit der gespritzten Schichten erreicht Werte von uber 7 0 N/mm2. Werkstoffe, deren Affinitat zum Sauerstoff besonders hoch ist, wie z. B. Titan, Wolfram oder Niob, werden in der Schutzgaskammer bevorzugt verspritzt (Abb. 4) .

Eine Modifizierung des Plasmaspritzens stellt das Plasma-

Abb. 4. Herstellung eines Formkorpers durch Plasmaspritzen von Titan.

Abb. 5. Plasmagespntzte Schicht aus Fe-Rohrchendraht, A1203- gefiillt.

Die Ummantelung des gezeigten zylindrischen Korpers weist aufgrund der beim Abkuhlen auftretenden Schrumpf- spannungen eine gute Haftung zum Grundwerkstoff auf. Dariiber hinaus sind diese Schichten dicht und gewahren einen sehr guten Korrosionsschutz.

Eine verfeinerte ProzeBsteuerung, erhohte Abschmelz- leistungen sowie die Entwicklung neuer Spritzwerkstoffe und Kombinationen (Rohrchendrahte) lassen in Zukunft einen gesteigerten Einsatz dieses Verfahrens in der Industrie erwarten. Geringe Warmeeinbringung in das zu beschichtende Bauteil, die Moglichkeit, auch komplex geformte Konstruk- tionen zu schutzen sowie eine relativ einfache Handhabung der Gerate tragen dazu bei, dag dieses Verfahren sich heute bereits einen festen Platz unter den Beschichtungsverfahren gesichert hat (Abb. 5).

5.2. Drahtexplosionsspritzen

Eine Sonderanwendung des thermischen Spritzens stellt das Beschichten von Oberflachen durch explodierende Drahte dar (Abb. 6). Hierbei wird ein Draht durch Strom- warme zum Explodieren gebracht und trifft als uberhitzte Schmelze oder dampfformig auf die zu beschichtende Ober- flache auf. Um eine festhaftende, gleichmagig dunne Schutz- schicht zu erhalten, mug durch einen Draht bestimmten Durchmessers und definierter Lange (Anfangswiderstand R,) ein Stromstog geleitet werden, wobei der Draht im Idealfall rotationssymmetrisch zur Langsachse unter explosionsarti- gen Erscheinungen zerfallt. Die erforderliche elektrische Energie wird dem Draht durch Entladen eines Kondensa- tors (C) nach Schliegen eines Schalters zugefuhrt, wobei folgende EinfluBgrogen zu beachten sind:

a) Die physikalischen Eigenschaften des Drahtes und des

b) die geometrischen Abmessungen des Drahtes und des

c) die Art des Umgebungsmediums und d) die elektrischen Parameter des StoRstromkreises.

Durch Drahtexplosion gelingt es, sehr unterschiedliche Werkstoffe zu verspritzen, so z. B. Wolfram, Kupfer oder

Rohres,

Rohres,

v Ladestrornkre is m

Verbraucher- s t romkreis (schematisch)

Abb. 6. Prinzipdarstellung des Drahtexplosionsspritzens.

Wolframkarbid und Kobalt und andere Kombinationen, die sich fur das Plasmaspritzen eignen ( 2 2 ) . Industriell wird das Verfahren z. B. zur Innenbeschichtung von Aluminium- Zylindern mit Klaviersaitendraht fur verschleigbestandige S ch ic hten angew andt .

Eigene Versuche rnit einer Drahtexplosionsanlage lassen erkennen, dag die Energiezufuhr zum Draht in kurzen Zeiten von 1.-10 p s erfolgen mug, um eine moglichst vollstandige Verdampfung des Drahtes zu erzielen. Die hierdurch entstehenden Schichten zeichnen sich durch eine gute Haftung zum Grundwerkstoff sowie eine sehr feine Schichtung aus (Abb. 7). Einander gegenubergestellt sind Querschliffe von plasma- und drahtexplosionsgespritzten Schichten. Deut- lich zu erkennen sind die grobere Schichtung infolge von Tropfenbildung beim Plasmaspritzen und die starke Ver- mischung des Wolframs mit dem vor der Beschichtung polierten Grundwerkstoff bei dem Drahtexplosionsspritzen.

Der Vorteil der Drahtexplosion gegenuber dem Plasma- spritzen ist in Schichten grogerer Dichte und Haftung zu sehen. Daruber hinaus lassen sich hochschmelzende Legie- rungen oder Hartstoffe verspritzen. Nachteilig fur das Ver- fahren wirkt sich zur Zeit noch aus, dag nur Bauteile mit kleinen Abmessungen beschichtet werden konnen.


W-

plasmagespritz t dra ht explosionsgesp r i t z t

U = 70V ; Gas: 150Ar 10 H, J = 500A Spritzabstand : 100 mm /mj

Uo= 22 KV ; dDraht = 0,l mm c =lOOpF ; dRohr = 20mm

Abb. 7. Vergleich plasma- und n = 20 drahtexplosionsgespritzter Schich-

ten.

5.3. Detonationsspritzen

Xhnlich hohe Geschwindigkeiten wie beim Drahtexplosions- beschichten erfahren Festkorperteilchen beim Detonations- spritzen (23). Voraussetzung hierfur ist die Bildung eines explosiven Gemisches, welches sich aus einem brennbaren Gas (Acetylen) und einem Oxidationsmittel (Sauerstoff) bildet. Beide werden durch Ventile einer Kammer, ein langes Rohr, zugeleitet, das an der einen Seite geschlossen ist. Nach

als Feststoff auf der Oberflache nieder, wahrend die ver- bleibenden gasformigen Produkte entfernt werden. Unter dem Begriff CVD sind eine Vielzahl von Reaktionstypen zusammen- gefafit (Tab. 2) , die unter anderem eingehender von (24) beschrieben worden sind. Die Reaktionstypen unterscheiden sich hauptsachlich-durch das ,,Reagenz", wodurch die Reak- tion ausgefuhrt wird.

Tabelle 2. CVD-Reaktionstypen ____

Einstromen einer bestimmten Menge des Gemisches schliefien sich die Ventile und das Gemisch wird gezundet. Infolge der

Reaktionstyp Reagenz - -

Detonation treten in der Zone der chemischen Reaktion Disproportionierung Temperatursenkung hohe Driicke und hohe Temperaturen auf. Explosionsartig Zersetzung Temperaturerhohung werden gasformige Produkte freigesetzt. Die kinetische Chernosynthese Reaktionsgaszufuhr

Energie dieses Gasstromes wird auf schwebende Pulverteil- Photosynthese Bestrahlung

chen-ubertragen. Die so envarmten und auf 4-fache Schall- geschwindigkeit beschleunigten Teilchen fliegen aus dem Rohr und bilden auf der Oberflache des Werkstiicks einen Uberzug. Die Detonationsfolge betragt maximal 4-5 Detona- tionen pro Sekunde und ist z. Z. wesentlich grofier als beim Drahtexplosionsspritzen. Beim Aufbringen von Uberzugen aus Wolframkarbid und einem Kobaltbindemittel betragt die Beschichtungsgeschwindigkeit 5-.7 cm2 /min bei einer Uberzugsdicke von 50.-1000 pm. Nach dem Detonations- verfahren aufgebrachte Uberzuge werden als Verschleifi- schutzschichten fur Schubdusen von Strahltriebwerken, Klauen und Zangen von Spannvorrichtungen, Spindeln, Raumwerkzeugen, Bohrstangen oder Metallsagen verwandt. Drahtexplosions- und Detonationsbeschichtngen stellen somit Sonderverfahren dar, wodurch sich Schichten erhohter Haftfestigkeit und besonders hoher Harte sowie Ver- schleifiwiderstandes herstellen lassen.

6. Oberflachenbeschichten nach dem CVD-Verfahren

Unter Chemical-Vapor-Deposition versteht man einen ProzeR, bei dem gasformige, chemische Verbindungen unter katalytischer Wirkung einer Festkorperoberflache miteinander reagieren. Ein Reaktionsprodukt schlagt sich hierbei

Die heute am meisten angewandten Reaktionstypen sind die Zersetzung und die Chemosynthese. Hierfur gilt allgemein: Die Temperatur des Werkstuckes mu13 uber der Temperatur des Gasgemisches unter den gegebenen Reak- tionsbedingungen liegen, gleichzeitig darf sich das Gasge- misch aber nicht auf seine Zersetzungstemperatur envar- men, damit keine Reaktionen in der Gasphase ablaufen konnen. Die Geschwindigkeit des Schichtwachstums ist abhangig von den an der Werkstuckoberflache sich einstellen- den Gleichgewichten. Diese wiederum hangen von der Tem- peratur der Oberflache, ihrer katalytischen Wirkung, der Zusammensetzung der Gase, ihrem Druck und ihrer Stromungs geschwindigkeit ab. Durch Druckverminderung lafit sich die Gefahr der Gasphasenreaktion herabsetzen und die erforderliche Temperatur senken.

Charakteristisch fur CVD-Schichten sind sehr reine und gut haftende Uberzuge, sofern auf eine sorgfaltige ProzeB- fuhrung geachtet wird. In Fallen, bei denen keine gute Haftung erzeugt werden kann, bringt man Zwischenschich- ten auf, so z. B. Nickel bei Wolframbeschichtungen auf Stahl (Abb. 8.).

gleichzeitig mehrere Elemente und Verbindungen abzu- scheiden sowie gleichmafiige Schichtdicken auch bei kompliziert geformten Bauteilen zu erzielen. Nachteilig wirkt

Bei Einsatz des Verfahrens ist es daruber hinaus moglich,

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sich z. Z. die haufig erforderliche hohe Abscheidungstem- peratur aus, da hierdurch unerwiinschte Umwandlungen oder Ausscheidungen im Tragerwerkstoff einsetzen. Ferner erhohen sich die beim Abkuhlen entstehenden Eigenspan- nungen in der Grenzschicht, was zum Abplatzen der Schich- ten fuhren kann. Die Kammern sind den geometrischen Ab- messungen der Bauteile anzupassen.

Ziel neuerer Forschungsarbeiten ist der Einsatz des CVD-Verfahrens bei niedrigen Temperaturen. So wurden verschiedene Chromcarbonyl-Aromaten-Komplexe verwendet, woraus sich bei Temperaturen von 400 bis 600 "C Chromkarbide variabler Zusammensetzung, z. B. Cry C3, Cr2 3 c6 abscheiden. Mit Tetralin-Chromtricarbonyl erhalt man bei 300 "C ein Chromkarbid der ungefahren Zusam- mensetzung Cr2 3c6 (25). Dariiber hinaus wurden auch Nitride z. B. des Titans, Niobs, Zirkons oder Siliziums hergestellt (26). So zerfallt Tetrakis-(Dimethylamido)-titan(1V) ab 250 OC zu Titannitrid. Aufgrund der Instabilitat der organischen Verbindungen ist es bisher noch nicht moglich, gleichmaRige Schichten zu erzielen. CVD-Beschichtungen haben bisher in der Halbleitertechnik, der Schmuckindustrie, beim Metallisieren, als Warmedammschicht und insbesondere als VerschleiRschutz Anwendung gefunden. So wurde u. a. die Lebensdauer von Wendeschneidplatten durch Titan- Karbonitrid-Schichten erheblich verbessert (27).

-W

-N i

-32 Cr Mo V 12 10

Druck: 8mb H2 - Gasf lu0 : 36 I/h WF,- GasfluO :21/h T = 1050°C

Abb. 8. CVD-Schicht aus Wolfram mit Nickelzwischenschicht auf Stahl

Eine Weiterentwicklung des CVD-Verfahrens ist durch Verfahrenskombinationen gekennzeichnet, so durch plasma- aktivierte Prozesse, wodurch die Bildung von Nitriden oder Karbiden bei geringen Driicken und Werkstiicktemperaturen gefordert wird. Eine kombinierte Arbeitsweise, bestehend aus physikalischen und chemischen (CVD) Beschichtungsverfah- ren, wird zum Aufbringen von Legierungen auf der Basis von Kobalt, Aluminium, Chrom und Yttrium zum Schutz von hochwarmfesten Werkstoffen aus Nickel oder Kobalt- iegierungen vorgeschlagen (2 8).

Zusammenfassend ist festzustellen, daB die technischen Moglichkeiten, welche das CVD-Verfahren als ein neuzeit- liches Beschichtungsverfahren bietet, bei weitem nicht aus- geschopft sind und in Zukunft rnit einem Vordringen dieses Verfahrens in verschiedene Anwendungsbereiche zu rechnen ist.

7. Oberflachenbeschichten nach den PVD-Verfahren

Bei den Bedampfungsverfahren im Vakuum sind grundsatzlich drei Varianten zu unterscheiden (Abb. 9). a) Das reine Verdampfen, b) das Sputtern und c) das Ionenplattieren.

Beim reinen Verdampfen wird dem zu verdampfenden Werkstoff soviel Energie zugefuhrt, bis seine druckabhangige Siedetemperatur uberschritten wird. In den Raum der sich ausbildenden Dampfkeule wird der zu beschichtende Werk- stoff, das Substrat, eingebracht, an dessen Oberflache das Verdampfergut kondensiert. Im Gegensatz zum reinen Ver- dampfen werden beim Sputtern durch IonenstoR, haufig durch eine Argonplasma-Entladung zwischen Target und Substrat erzeugt, die auf die Oberflache des Substrats mit erhohter Energie auftreffen. Mit Hilfe zusatzlicher in der Kammer dissoziierter Stickstoff- oder Kohlenwasserstoff- molekiile konnen weitere Reaktionen eingeleitet werden. Beim Ionenplattieren handelt es sich, vereinfacht dargestellt, um eine Kombination von Sputtern und Bedampfen. Zu- satzlich wird an das Substrat eine regelbare Saugspannung angelegt, wodurch die teilweise beim Verdampfen entstehenden Metallionen in Richtung Substrat beschleunigt werden.

7.1. Reines Verdampfen

Unter Hochvakuumbedingungen bei lo-' Torr verdampfen Metalle schnell, wenn ihre Temperatur sich soweit erhoht, daR der Dampfdruck mehr als lo-' Torr betragt. Zum Verdampfen des Werkstoffs verwendet man Widerstands- und andere Erwarmungsquellen, wobei Elektro- nenstrahlverdampfer wegen ihres hohen Wirkungsgrades - der zu verdampfende Werkstoff wird nur in oberflachennahen Bereichen auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes erwarmt - weitverbreitet Anwendung gefunden haben (29 ) .

Die entstehenden Dampfmolekule kondensieren am Sub- strat. Die spezifische Verdampfungsrate R, d. h. die pro Sekunde und Flacheneinheit abgeschiedene Masse betragt

Hierin bedeutet M ein Mol des Verdampfergutes, T die absolute Temperatur und p den Druck gesattigten Dampfes. Erhitzt man z. B. Silber oder Wolfram auf 3000 "C, so er- gibt sich fur die spezifische Aufdampfungsrate von Wolfram ein um den Faktor lo7 geringerer Wert (30). Dies bedeutet, daR sich beim Bedampfen von Bauteilen mit Werkstoffen hohen Schmelzpunktes der Einsatz einer Elektronenstrahl- quelle in den meisten Fallen empfiehlt, da andernfalls die Aufdampfzeiten unzulassig hohe Werte erreichen und das Verfahren somit unwirtschaftlich wird.

2. Werkstofftech. 8, 22-32 (1977) Beitrag zur Beschichtung von Metallen 29

Vakuumkammer

I I

Qr 7 0 "

Verdarnpfer

- I s L I '

Pumpe

Bedampfen Sputtern

Abb. 9. Prinzipdarstellung physikalischer Beschichtungsverfahren.

Die Gleichmagigkeit oder Dicke der Schichten sowie die Aufdampfrate ist dartiber hinaus von der Form der entstehenden Dampfwolke abhangig. In der industriellen Fertigung wo eine hohe Gleichmagigkeit der Schichten gefordert wird, werden daher die zu beschichtenden Bauteile uber einem Verdampfertiegel gedreht oder es werden gleichzeitig mehrere Verdampferquellen eingesetzt.

Wesentlich fur die Reinheit der Schichten ist der Sauer- stoff- und Stickstoffpartialdruck in der Vakuumkammer, da diese Restgasmolekule mit dem Verdampferpt unkontrol- liert reagieren und zu sproden, nichthaftenden Schichten fiihren (Abb. 10.). Deutlich zu erkennen sind im Grenzschicht- bereich grogere Titanoxide, die bei nicht genugendem Aus- heizen des Verdampferguts und Verunreinigungen an der Substratoberflache sowie bei zu hohen Driicken entstehen konnen. Eine Verbesserung der Haftung der Aufdampfschich- ten erhalt man durch Erwarmen des Substrats und Verdampfer- guts bzw. durch ein Absputtern der verunreinigten Ober- flachen.

Schichtdicke w

200 pm 125 HV 0.2

20vm cI(

EB-Daten P=3,5KW; J=23mA; Sputtern mtt A r ; p = 0.16mb ; Uv = 2.5 KV -578.101 Abb. 10. 200 fim dicke Titan-Aufdampfschicht auf Stahl.

Mit Hilfe von Hochleistungsverdampfern ist es heute moglich, sehr hohe Beschichtungsraten zu erzielen (Abb. 11).

10

IJm

8

al 3 2 6 D E L L - ._

2

0 100 150 200 kW 250

I M ) E 8 -Leistung

Abb. 11. Hochleistungsverdampfen von Aluminium auf Stahlband 400 mm breit, nach Schiller (30).

Im vorliegenden Fall sollten Stahlbander von 400 mm Breite beschichtet werden, die kontinuierlich nach dem Einschleu- sen in eine Vakuumkammer und einem Vorheizen der Ober- flachen durch ElektronenstrahlbeschuR rnit einer 3 pm dicken Aluminiumschicht versehen wurden. Die hierfur erforderliche Anlage war mit mehreren Elektronenstrahl- kanonen ausgeriistet, deren Strahlen durch Kreisablenkungen fur eine gleichmagige Erwarmung des Verdampfergutes sorg- ten. Die derart hergestellten aluminiumbeschichteten Folien sind billiger als Aluminiumvollmaterial und konnen in der Verpackungsindustrie Anwendung finden. Mit Hilfe geeigneter Aufdampftechniken konnen auch Legierungen aufgedampft werden, z. B. aus Kobalt-, Chrom-, Aluminium oder Yttrium, die als Hochtemperatur-Korrosionsschutz auf Turbinenschaufeln und -kranzen erfolgreich eingesetzt werden (31).

gen die unterschiedlichen Dampfdriicke einzelner Komponen- ten bereiten, sofern sich die Dampfdriicke der Werkstoffe um mehr als 2 Zehnerpotenzen voneinander unterscheiden. Besteht eine Legierung nur aus zwei Komponenten - z. B. Nickel und Chrom- so kann durch das sogenannte Spring- strahlverfahren (32) - hierbei wird der Elektronenstrahl periodisch zwischen zwei Tiegeln abgelenkt - jede beliebige Zusammensetzung der Legierung erzeugt werden. Erfolg- reich wurden mit Hilfe dieses Verfahrens Nickel und Chrom auf Keramiken fur niederohmige Widerstande aufgedampft.

Eine weitere Verfahrensvariante bietet das reaktive Auf- dampfen. Hierbei werden zusatzlich durch elektrische oder Mikrowellenentladungen Stickstoff, Sauerstoff oder oh-

Schwierigkeiten konnen beim Aufdampfen von Legierun-

30 G. Sepold und H.-D. Steffens 2. Werkstofftech. 8, 22-32 (1977)

lenwasserstoffe (C, H2 ) dissoziiert, die rnit den Dampfmole- kulen reagieren, z. B. rnit Titan zu TIN bzw. zu TIC. Beide Verbindungen sind sehr verschleil3fest und werden zum Oberflachenschutz von Werkzeugen eingesetzt oder auch als Dekor.

7.2. Spu ttern

Im Gegensatz zum reinen Verdampfen besitzen gesputterte Teilchen hohere Energien als thermisch emittierte Atome. Struktur und Zusammensetzung der aufgestaubten Schich- ten wird vom Gasdruck p in der Kammer sowie dem Ab- stand Target - Substrat s beeinflugt. 1st das Produkt s x p kleiner als lo-' Torr mm, so ist die freie Weglange eines Teilchens grog, d. h. der Energieverlust durch StoRe klein. Dies wirkt sich haufig in einer erhohten Haftung zwischen Sputterschicht und Tragenverkstoff aus. Als neuere Ent- wicklungen auf dem Gebiet des Sputterns hat sich das Trioden- und Hohlkatodenzerstauben durchgesetzt ( 3 3) . Ohne auf Einzelheiten dieser Verfahrensvarianten einzgehen, ist festzustellen, daR diese Systeme zu erhohten Abscheide- raten bis zu 100 pm/min fiihren konnen und somit der dem Sputtern nachgesagten Nachteil geringer Beschichtungsra- ten entfallt. Hauptanwendungsgebiete des Sputterns sind die Herstellung verschleiRfester Schichten, u. a. aus Silizium- nitrid und -karbid, Tantalkarbid oder Stickstoffverbindun- gen der refraktaren Metdle. Hierzu wird das reaktive Sputtern rnit Aufdampfraten allerdings von weniger als l p m h i n verwandt. Weiterhin werden Korrosionsschutz- schichten auf der Basis von Chrom, Chrom-Nickel, Chrom- Kobalt, Chrom-Silizium und Fe3 N4 (34) sowie trocken- schmierende Schichten aus MoS2 oder fluorierten Kohlen- wasserstoffen aufgebracht. Der Schwerpunkt liegt jedoch bei der Herstellung elektronischer Bauelemente, wie Kon- densatoren, Leiterbahnen, Widerstande, Kontakte oder mag- netischer Dunnschichten. Als Kombination von Sputtern und thermo-chemischen Reaktionen (Diffusionsvorgangen) an Werkstoffoberflachen hat das Plasmanitrieren vielfache

Anwendungen als VerschleiRschutzschicht auf Stahlblechen gefunden ( 3 5 ) . Hierbei werden in einer Glimmentladung erzeugte Stickstoffionen in Richtung einer Metalloberflache beschleunigt, wo komplizierte Vorgange einsetzen, wie ein Absputtern von z. B. Fe-Teilchen, die Rekombination von Eisen und Stickstoff, die Adsorption der Verbindungen an der Metalloberflache und die Bildung von Eisennitriden. Vor- teile gegeniiber dem konventionellen Gasnitrierens sind in einer schnelleren Aufstickung sowie einem gesteuerten Schichtaufbau zu sehen.

7.3. Ionenplattieren

Beim Ionenplattieren unterscheidet man insgesamt drei Verfahrensschritte ( 3 6 ) : a) Das Atzen, welches infolge von hochbeschleunigten Ar-

Ionen aus einer Argonglimmentladung zum Abtrag konta- minierter Schichten sowie zum Aufrauhen der Oberflache und darnit zu einer Oberflachenaktivietung, d. h. Stor- stellenkonzentration, mit einer hoheren Anzahl an Kristallisationskeimen fuhrt.

b) Das Ionenplattieren durch Aufbringen von Metallatomen und -ionen teilweise sehr hoher Energie, wobei durch StoRe der beschleunigten Metallionen eine Aktivierung der Oberflache erfolgt, was zu einem Abtrag weniger fest gebundener Teilchen und somit zu einer dichten, festhaf- tenden Auftragsschicht fuhrt.

c) Das reine Aufdampfen bei niedrigeren Kammerdriicken, wodurch die Auftragsrate erhoht wird. Das Ionenplattieren wurde bisher unter anderem zum

Beschichten von Rotationskolbenmotoren, Auskleiden von Kolbenbohrungen und Spritzdiisen sowie als VerschleiR- schutz fur komplex geformte GuRteile verwendet.

Vorteile des Ionenplattierens sind gegenuber dem reinen Verdampfen eine verbesserte Haftung der aufgebrachten Schichten sowie die Moglichkeit, Legierungen rnit hoherer Rate als beim Sputtern aufzubringen (Tab. 3). Nachteilig

Tabelle 3. Einige verfahrensspezifische GroRen bei der Oberflachenveredlung, nach ( 3 7)

Verfahren Schichtwerkst. Tragerwerkst. Konstruktion Abscheiderate

Galvanotechnik Reine Metalle mit Aus- Leiter oder vorbeschicht. komplexe Bauteile, nicht 1-250 pm/h nahme der Refraktr. Nichtleiter, welche nicht immer gleiche einige Legier. vom Elektrol. angegriffen Schichtdicken

werden

Therm. Reine Metalle Legie- Leiter und Nichtleiter, ortl. anwendb. Innen- 100~-2000 pmlh Spritzen tungen, Cermets, Schwierigk. bei Werkst. beschicht. schwieriger

CVD Refraktare Metalle, Metalle oder Nichtmetalle, Gleichformige Besch. 7,5-.2300 wm/h

Keramiken hoher elektr. Leitfahigk.

u.a. Karbide, Silizide, welche hohen Tempera- auch komplexer Oxide, Nitride turen und dem Angriff Bauteile

durch Dampfe widerstehen

Verdampfen Reine Metalle viele Legier. Jede nicht ausgasende Substrat sollte in der 12,5-.4500 pm/h und Verbind. durch Oberflache: Papier, Dampfwolke bewegt reaktiv. Verdampfen Metalle, Glas werden

Sputtern Jedes Metall oder Jede nicht ausgasende Ausgezeichn. Gleich- 0,3-250 prnlhi Nichtmetall Oberflache formigk. schlechte Be-

deckung in tiefen Einschnitten

lonenplattier. Reine Metalle einige Kuhlung des mit Ionenstr. Bedeckungsgr. bei 5.1500 pm/h Legier. und Verbindungen beschossenen Substrats komplexen Bauteilen

schwierig zu erreichen ___ ~~ -

Haftung (Werkstoffabhangigkt. )

- 100 N/mm2

<SO N/mm2

-100 N/mm2

- 50 N/mm2 ohne Sputtern oder Tem- peraturerhohung des Substrates

100 N/mm2

>lo0 N/mmz ausreichend

2. Werkstofftech. 8, 22-32 (1977) Reinag zur Beschichtung von Metdlen 31

konnen sich die erhohten Kosten sowie erhohte Wandtem- peraturen des Substrats auswirken.

7.4. Rechnergesteuerte Schichtauslegung

Haufig ist das Aufbringen von Oberflachenschutzschich- ten durch neuzeitliche Beschichtungsverfahren rnit erhohten Kosten verbunden, so daR der Techniker im voraus planen sollte, welche Schichten mit welchem Verfahren aufgebracht werden sollen. Hier vermag eine uberschlagige Berech- nung erste Werte fur die Dimensionierung der Schicht zu

200c

O C

150C

3 c

1000 rn

+ 5

500

0

I =LO J / cm2 t = I m s

E 3 Vergutungsstahl

UIIII Nicketlegierung

a TiN

T i c

1 1 2 3 L 5 6 GW ' Beschichtungskombinationen jT57B.121

Abb. 12. Rechnergesteuerte Schichtdimensionierung; Warmeein- wirkzeit t = 1 ms; Wandbelastung J = 40 J/cm ; Randbedingung TStahl 400 OC.

2

geben, wie nachfolgend am Beispiel einer Warmedamm- schicht naher erlautert wird: Ausgehend von der Differen- tialgleichung der Warmeleitung ist es moglich, rnit Hilfe eines modifizierten Ansatzes, nach dem sogenannten Quellem verfahren (38), den Temperaturverlauf in Mehrschichten- Verbundwerkstoffen zu berechnen. Bei bekannter Energie- zufuhr und Wanneeinwirkzeit war zunachst die Oberfla- chentemperatur des zu schutzenden Werkstiicks unbekannt. Randbedingung war eine maximale Temperaturerhohung des Werkstiicks auf 400 OC. Mit Hilfe des Rechners wurden die thermophysikalischen Eigenschaften und damit also auch die Werkstoffe fur die Schutzschichten sowie ihre Dicke variiert und die Oberflachentemperaturen berechnet. Das Ergebnis ist in Abb. 12 dargestellt. Hieraus geht hervor, daR die Temperatur des Werkstoffs ohne Beschichtung auf unzulassig hohe Werte von uber 400 O C ansteigt. Eine Schutz- schicht aus einer Nickel-Basis-Legierung fiihrt aufgrund zu geringer Warmeableitung ebenfalls zu Temperaturen weit oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung. Dampft man eine 20 pm dicke Titan-Nitrid-Schicht reaktiv auf die Nickelbasislegierung auf, so fuhrt dies ebenfalls nicht zum Erfolg. Erst bei geeigneter Kombination von Titan-Nitrid- und Titan-Karbid-Schichten erhalt man die gewiinschte Warmedammung, wobei das Aufbringen von Nickel entfallt.

8. Zusammenfassung

Der vorliegende Bericht gibt einen Uberblick iiber einige Entwicklungstendenzen auf dem Gebiet der konventionellen Beschichtungsverfahren sowie iiber einige neuere Methoden rnit Abscheiden aus der Dampfphase (CVD und PVD). Kon- ventionelle Beschichtungsverfahren werden weitgehend technisch beherrscht, so daR sich auf diesem Gebiet, z. B. beim Kunststoffbeschichten oder in der Galvanotechnik, Weiterentwicklungen im wesentlichen auf modifizierte Ver- fahrensablaufe beschranken. Hierzu gehoren u. a.: a) Hohere Abscheideraten durch Leistungssteigerung, b) gesteuerte ProzeRfiihrung und Automatisierung, c) Verbesserung der Schichteigenschaften wie Dichte und

d) Mehrlagenbeschichtungen, e) umweltfreundliche Systeme und f) bauteilangepagte Anlagen.

Die gleichen Bedingungen gelten fur die noch z. T. in der Entwicklung befindlichen Verfahren wie das PVD, CVD oder Drahtexplosionsbeschichten. Haufig stellt man daruber hinaus jedoch an diese Verfahren die Forderung nach gleichzeitig mehreren zu verbessernden Eigenschaften der Ober- flachen, wie erhohten VerschleiRwiderstand und Hochtem- peratur-, Korrosions- oder Zunderbestandigkeit. Hieraus resul- tieren im Aufbau komplizierte Schichten sowie Verfahrens- techniken, die z. T. noch kostenintensiv sind. Bevor daher solche Schichten hergestellt werden, sollte Klarheit uber ihre Dimensionierung bestehen. Am Beispiel eines warmedammen- den Schichtverbundes wurde aufgezeigt, daR rnit Hilfe von berechneten Temperaturverlaufen eine Werkstoffauswahl getroffen und Schichtdicken bestimmt werden konnen.

Haftung,

Allen Mitarbeitern des IFAM, die an den zum Ted beschrie- benen Untersuchungen mitgewirkt haben, sei hemlich ge- dankt, insbesondere Herrn Dr. Kollek fur die Unterstiitzumg bei der Abfassung des Ben'chtes uber die chemischen Ver- fahrenstec hniken.

Literatur

1. F. Kugler, Handbuch der Kunstgeschichte. Ebner und Seubert- Verlag 1872.

2. H. Meckbach, Korrosionsschutz durch Harze. Vortragsveran- std tung ,,Korrosionsschutz", Esslingen 19 7 5.

3. R. P. Carlett, The Electrostatic Deposition of Conducting and Semiconducting Powders. Science and Technology of Surface Coating, 52-59. Academic Press, London-New York 1974.

4. W. Brockmann, Die Qualitat folienkaschierter Bleche. Fachberichte fur Oberflachentechnik 13 (1975) 250-257.

5. N. N., Was bringt 1976 der Galvanotechnik? Galvanotechnik 67 (1976) 1/2.

6. A. Knbdler, Legierungsabscheidung. Jahrbuch Oberflachentech- nik Metall-Verlag Berlin 32 (1976) 175-183.

7 . N. N., AES-Project 35, Electroplating 6 2 (1975) 1083. 8. R. Dortzer, Oberflachenbeschichten durch galvanische Alum;-

niumabscheidung. VDI-Berichte 242 (1975) 43-56, VDI-Ver- lag, Dusseldorf 1975.

3. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 1976.

in der Elektronik. E. G. Leuze Verlag, Saulgau 1974.

9. D'Ans-Lax, Taschenbuch fur Chemiker und Physiker, 1057,

10. A. F. Bogenschiitz, Oberflachentechnik und Galvanotechnik

11. H. Niederpriim, Chemische Vemickelung. Angew. Chemie, 8 7

12. L. Winkler, Oberflachenveredelung durch stromlose und galvanische Nickelabscheidung. VDI-Berichte 242 (1975), 35. VDI- Verlag, Dusseldorf 1975.

(1975) 652-658.

32

13. 14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

H. Wiegand

N. N., Sylek 201, Mittlg. E. J. Dupont de Nemours & Co. W. Metzger, Galvanische und stromlose Abscheidung von Nickeldispersionsschichten. VDI-Bericht 242, 39-42, VDI- Verlag, Diisseldorf 1975. D. Loeffler, Dispersionsiiberziige, Verfahren zur galvanischen Herstellung von Graphit enthaltenden Nickel- und Eisenuber- ziigen. Galvanotechnik 65 (1974) 360-363. W. Metzger u. Th. Florian, Herstellung und Verwendung von dispersionsgeharteten galvanischen Uberzugen. Oberflachen- technik 52 (1975) 45-52. R. Priimmer, Zum gegenwartigen Stand des SprengschweiRens in der Anwendung. DVS-Berichte 38, 114-1 18, DVS-Verlag Diisseldorf 1975. R. W. Meyerhoff, Use of Explosive Welding in the Manufacture and Installation of a Superconducting Electric Power Transmission Line. Proc. 5th Int. Conf. High Energy Rate Fabrication, Denver Colorado, June 1975. R. Priimmer, Die Verdichtung von Keramik und Metallpulvern sowie deren Mischungen durch Explosivdruck. Ber. der Deutsch. Keram. Ges. 50 (1973) 75-81. H.-D. Steffens und H. Griitzner, Neue Entwicklungen auf dem Gebiet des thermischen Spritzens. Oberflachentechnik, 32 246-256, Metall-Verlag, Berlin 1976. H.-D. Steffens, K. N. Muller und H. Griitzner, Untersuchungen zum EinfluR der Spritzparameter auf die Giitewerte plasmage- soritzer Schichten. SchweiRen u. Schneiden 28 (1976) 92-95.

2. Werkstofftech. 8, 32-36 (1977) Over lag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim, 1977

Decomposition of Organo metallic Compounds. Proc. of the 5th CVD-Electroch. SOC., Princeton, N. Y. USA.

27. L. Schintlmeister und 0. Packer, Titankarbid und -nitrid fur hochverschleififeste und dekorative Schichten. 8. Plansee- Seminar Reutte 1974. Vortrag Nr. 37.

VDI-Berichte 242, 21-24, VDI-Verlag, Diisseldorf 1975.

Vapor Deposition of Refractory Metals. J. Vac. Sci. Technol.

28. D. Hacman, Oberflachenbeschichten nach dem CVD-Verfahren.

29. M. A. Sherman, R. F. Bunshah und A. Blale, High-Rate Physical

12 (1975) 697-703. 30. S. Schiller et. al., Industrial Electron Beam Evaporation

Coatings of Strip Steel. 3rd Electron Beam Proc. Seminar, Marz 1974, S. 2d1, Universal Technology Corp., Dayton Ohio, USA.

Techniques. 3. Electron Beam Proc. Seminar, S. 201-219. Marz 1974, Universal Technology Corporation.

32. N. N., Der Elektronenstrahl in der Aufdampftechnik. Prospekt der Fa. Leybold-Heraeus.

33. 0. Sager, Arbeitsweise von Gleichspannungs- und Hochfrequenz- zerstaubung, Katodenzerstauben. Vortragsseminar Techn. Akad. Esslingen, Februar 1976.

Sputtering, Katodenzerstauben. Vortragsseminar Techn. Akad. Esslingen, Februar 1976.

35. B. Edenhofer, Physikalische und metallkundliche Vorgange

31. H. Smith, Coating Applications of Electron and Ion Beam

34. B. NavinSek, Deposition of Protective Layers by Cathode

- - T. Suhara. Coatine bv Wire Exdosion Soravine. 11. ADD^. Mechs. beim Nitrieren im Plasma einer Glimmentladung. Harterei- - , I &

Kyushu University 22 (1975) ?O, Marz i 9 i 5 . A. J. Zuerew und I . J. Miro&iCenko, Ispol’zovanie javlenija detonacii dlja nanesenija pokrytij. Porogkavaja Metallurgija I 1

E. Poeschel und G. Weiser, Die Anwendung des CVD-Verfahrens bei der Entwicklung von Verbundwerkstoffen. DGM-Bericht

techn. Mittlgn. 29 (1974) 105-112.

Technol. 10 (1973) 47.

Application. New Industries and Applications for Advances Materials Technology, 19th SAMPE-Symposium, S. 453, 1974.

38. K.-H. Drake, SchweiRen und Schneiden mit Laserstrahlen. Dip1.- Arbeit am Institut fur Angew. Physik, TU Hannover, Februar 1976.

36. D. M . Mattox, Fundamentals of Ion Plating. J. of Vac. Sci.

37. J. A. Thornton, Designing the Surface for the Job-Thin Film (1972) 36-47.

1974, 126-167. 25. K. H. Bloss, H. Lukas und W. Kissing, Application of the Low-

Temperature CVD Process. Proc. of the 5th CVD-Conf. 1975. S. 136-146. The Electroch. SOC., Princeton, N. Y. USA.

26. K. Sugiyama, S. Pac, Y. Takahushi und S. Motojina, Low Temperature Depositon of Metal Nitrides by Thermal

Anschrift: Dr.-lng. G. Sepold IFAM, Lesumer Heerstr. 36, 2820 Bremen 77 und Prof. Dr.-Ing. H.-D. Steffens, Institut f i r physik. Fertigungsverfahren, 4600 Dortmund 50.

Werkstoff - Konstruktion - Fertigung Material - Design - Production

Eine Berichtsreihe zur angewandten Werkstoffkunde fur Studium und Praxis

H. Wiegand, Darmstadt

3.6.4.2. Die Werkzeugstahle

Die bisherigen Betrachtungen zu den in den verschieden- artigsten Werkzeugen wirkenden Beanspruchungen recht- fertigen die ubliche Einteilung der Werkzeugstahle in zwei Gruppen namlich in: 1. Kaltarbeitsstahle, 2. Warmarbeitsstahle.

Kaltarbeitsstahle sind solche Werkzeugstahle, die unter Raum- oder etwas erhohten Temperaturen zur spanenden und spanlosen Formung von Konstruktionsteilen, zur Mon- tage von Konstruktionen und zum Messen benutzt werden.

Als Warmarbeitsstahle werden Werkzeugstahle bezeich- net, die bei Temperaturen wie sie zum Walzen, Schmieden, Warmpressen, SpritzgieBen und anderen Umformarbeiten

bei verschiedenartigen Werkstoffen notwendig sind, ausrei- chende Standzeiten ergeben.

Der Begriff Standzeit sol1 besagen, daK die Werkzeug- Werkstoffe bei ausreichender Warmfestigkeit und Warmharte fur eine wirtschaftlich-vertretbare Zeitdauer keine unzu- lassigen bleibenden Formanderungen und VerschleiB erlei- den durfen.

SchlieBlich ist von allen Werkzeugstahlen aus Grunden genugender Bruchsicherheit eine gewisse Zahigkeit im ge- harteten Zustand zu verlangen. Im Vergleich zum Zahig- keitsbegriff bei Konstruktionsstahlen sind im vorliegenden Fall gewisse Einschrankungen zu machen. Ein z. B. bei 600 OC angelassener Vergiitungsstahl mit etwa 0,4% C be- sitzt bei Raumtemperatur ein gutes Formanderungsvermo- gen (Zahigkeit). Er ist in der Lage, beim ortlichen (2 . B.

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Beitrag zur Beschichtung von Metallen