VORLESUNG FERTIGUNGSTECHNIK I · Vorlesungen WS17/18 Fertigungstechnik I / Oberflächen- und Schichttechnik 11.01.2018 05.01. Einführung 12.01. Oberflächenvorbehandlung

VORLESUNG FERTIGUNGSTECHNIK I

11.01.2018 Fertigungstechnik I Folie 2 von 66

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Literatur

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§ 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

Literatur - Fertigungstechnik II

Fertigungstechnik I

Vorlesungen WS17/18

Fertigungstechnik I / Oberflächen- und Schichttechnik

11.01.2018

05.01. Einführung 12.01. Oberflächenvorbehandlung

19.01. Härten/Nitrieren

26.01. chemische Verfahren/Galvanik

02.02. Ausblick

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Einordnung der Verfahren der Fertigungstechnik

Einführung

Fertigungstechnik I

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Einführung

Fertigungstechnik I

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Einführung

Fertigungstechnik I

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Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten Stoffeigen- schaften ändern

Einordnung der Verfahren der Fertigungstechnik

Fertigungsverfahren DIN 8580

Einführung

Fertigungstechnik I

Beispiel: (Hybrider) Laserbearbeitungsprozess

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Einführung

Fertigungstechnik I

Wechselwirkung eines Körpers mit seiner Umwelt über seine Oberfläche

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Einführung

Fertigungstechnik I

- mechanisch - optisch - chemisch - elektrisch - thermisch - physikalisch (z. B. Adhäsion)


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Einführung

Fertigungstechnik I

[Heller]

[Baker Hughes] [Cast Coatings] [Lakshmi]

[Oleophob]

[All About Vision]


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Einführung

Fertigungstechnik I

[Heller]

[Oleophob]

[All About Vision]

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

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Bedeutung der Oberfläche wächst bei kleiner werdenden Bauteilen!

§ durch kleiner werdende Bauteile vergrößert sich das Verhältnis x:

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

x =OberflächeVolumen

r1

r34

r4= xKugelz.B.

3

2

µp

p

Einführung

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

§ die intelligentesten Oberflächen finden sich in der Natur à z. B. menschliche Haut.

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

Einführung

Fertigungstechnik I

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Video

Werkstoffoberfläche

Fertigungstechnik I

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§ die die Oberfläche bildenden Atome besitzen nicht abgesättigte Bindungszustände

§ Folge davon: zur Absättigung dieser Bindungen findet eine Wechselwirkung mit der Oberfläche statt

§ Umgebung beeinflusst und verändert somit die Oberfläche


Fertigungstechnik I

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§ bei Grundwerkstoffen Unterscheidung zwischen Metallen, Kunststoffen, Keramiken und Gläsern

§ grundlegender Unterschied: 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

Störschicht durch Bearbeitung

Reaktionsschicht

Adsorptionsschicht

Grundwerkstoff

10 nm 10 – 100 nm

>10 mm

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

Mech. od. therm. Bearbeitung

Atomabstand Metall: < 1nm


Fertigungstechnik I

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I. Zu den Primärbindungen gehören § 1. die Ionenbindung § 2. die Molekülbindung, oder auch Atombindung § 3. die Metall- oder metallische Bindung

II. Zu den Sekundärbindungen gehören § 4. die Wasserstoffbrückenbindung § 5. die Dipol-Dipol-Bindung § 6. die Van-der-Waals-Bindung

Chemische Bindungsarten

Nichtmetallische organische Werkstoffe

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

§ durch elektrische Felder um die Kationen bzw. Anionen bildet sich Ionengitter

§ Bindung eines Kations besteht gleichmäßig in alle Richtungen.

§ Ionenbindung ist somit eine ungerichtete Bindung § Oberfläche zeigt starkes Bestreben zur

Wechselwirkung mit geladenen Teilchen.

Keramiken, Gläser

- + -

+ - +

- + -

Oberfläche

Keramikvolumen


Fertigungstechnik I

- + -

+ - +

- + -

Oberfläche

Keramikvolumen

§ liegt Elektronnegativitätsdifferenz DE unter 1,7, entsteht kein Ionengitter mehr

§ es entstehen polarisierte Atombindungen wie z.B. bei

SiC Siliziumcarbid WC Wolframcarbid Si3N4 Siliziumnitrid § auf Oberfläche einer Keramik mit polarisierten

Atombindungen wirken schwächere elektrostatische Kräfte.

Keramiken, Gläser


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- + -

+ - +

- + -

§ Keramiken sind nicht leitend, da keine freien Elektronen im Gitter

§ sie besitzen hohe Bindungsenergie, denn Atome sind schwer gegeneinander verschiebbar

§ Keramiken: hart, spröde und thermisch hoch belastbar

§ Keramiken werden durch Sintern aus Pulver hergestellt und sind porös à Einschlüsse von Gasen oder Flüssigkeiten

à raue Oberfläche § Beschichten von Keramiken ohne Vorbehandlung kann

beim Erwärmen zum Abheben der Schicht führen à gute Verzahnung der Schicht nötig à Vorbehandlung erforderlich Bsp.: Ariane V

Keramische Oberflächen



Präzisions-Laserauftragschweißen ➀ à verbesserte Anhaftung der TBC ➁

source: Rolls-Royce

➀

➁

➁

➀

3D-Interface auf Triebwerkskomponenten zur verbesserten Stabilität thermisch gespritzter Wärmedämmschichten (TBC)



Vorbereitung von Oberflächen Beispiel: Substrat-Strukturierungen

Laser-Remote-Schneiden

Laser-Remote-Schweißen 3D-Strukturierungen

Laserstrukturen / therm. Spritztechnik


Gläser enthalten als bestimmenden Baustein SiO4.

Natrium

Silizium Sauerstoff

§ SiO4-Tetraeder bildende Netzwerk kann durch 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 SiO4-Tetraeder im Bergkristall

Glasoberflächen

Natron-Silikat-Glas

§ thermisches, mechanisches und elektrisches Verhalten von Gläsern resultiert aus der Ionenbildung und dem amorphen Zustand - Gläser besitzen eine sehr glatte Oberfläche à geringe mechanische Haftung von Beschichtungen

- Gläser sind widerstandsfähig gegen Chemikalien - Wasser wird von Glasoberflächen gebunden

Si O Si + H2O à Si OH + HO Si

§ auf Glasoberfläche befindet sich eine so genannte permanente Wasserhaut § diese muss vor dem Beschichten aus der Gasphase entfernt werden § hierzu sind 450 – 500° erforderlich


Glasoberflächen


§ im Unterschied zu Metall-, Keramik- oder Glasoberflächen liegen bei „Kunststoffoberfläche“ abgesättigte Bindungszustände vor

§ Kunststoffe bestehen hauptsächlich aus C- und H-Atomen.

§ 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 à schwer zu beschichten

Duroplaste: vernetztes Makromolekül à leichter zu beschichten

Fransen-Micelle

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

H

H

……

Kunststoffe


+

E2 E1

Bindungs- energie

Epot

r

+

r1 r2 r3

Schalen

Schalen

Atom-

kern

e-

e- e-

e-

e-

e- e-

e-

e-

§ Elektronen umkreisen den positiv geladenen Atomkern auf definierten Schalen

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

Atommodell


§ Elektronen im Leitungsband sind nicht mehr fest an ein Atom gebunden, können sich frei im Atomverbund (auf den Schalen) bewegen

§ Metallverbindung beruht auf der elektrostatischen

Wechselwirkung zwischen positiven Metallrümpfen (Metallkationen) und Festkörperverbund frei beweglichen Elektronen

§ 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

Bändermodell

Metallbindung


§ Bindungen der Atomrümpfe sind an der Oberfläche sowie im oberflächennahen Bereich nicht abgesättigt

§ verfügen über bindungsfähige

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


O H H

-

+

H2O-Molekül

§ Wasser wird als Dipolmolekül 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-

32

OHOAL

ALOOAL

HOOH

OAL

EE

0,2

EEE

4,1

EEE

2

2

Þ

D>D=

-=D=

-=D

Elektronegativität E:

Oberflächenbindung an Metall


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


bei Metallbindungen handelt es sich um ungerichtete Bindungen à hohe Packungsdichte in einem Volumenelement à 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


Defekte beeinflussen Haftfestigkeit von Beschichtungen, Korrosionsverhalten sowie mechanisches Verhalten und Leitfähigkeit

§ Punktdefekte (Leerstellen, Zwischengitteratom, Fremdatom) Liniendefekte (Versetzungen)

§ Flächendefekte (Korngrenzen, Phasengrenzen, u.a.)

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

Korngrenze Korngrenzen- ausscheidung

Fremdphase (Einschluss)

Ausscheidungen Stufen- versetzung

Zwischen- gitter- atom

Fremd- atom

Leer- stelle

Schrauben- versetzung

Elementar- zelle

Metallbindungen


Bearbeitung von 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 Oberflächenprofiles (Reibung, Verschleiß, Haftung von

Schichten)

Metallische Oberfläche


§ 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 mm

Fett- od. Ölfilm

0,1 – 100mm

Adsorptions- u. Reaktionsschicht Übergangszone

innere Grenzschicht

ungestörtes Metallgefüge

Metallische Oberfläche


§ Beschichtungswerkstoffe können in fester, flüssiger oder gasförmiger Form vorliegen § man spricht von: Adhäsion à Wechselwirkung fest - fest Benetzung à Wechselwirkung fest - flüssig Adsorption à Wechselwirkung fest - gasförmig

§ ist der Beschichtungsprozess abgeschlossen, liegt nur noch Adhäsion vor.

Adsorptiv Adsorpt Adsorbat

Adsorbens

Grenzschichtverhalten


§ als Maß für die Oberflächenenergie gilt der Benetzungswinkel Q

Q sf

ss sfs

Q

§ 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

sf Oberflächenenergie der Flüssigkeit ss Oberflächenenergie des Substrates sfs Energiedifferenz Oberflächenspannung = spez. Oberflächenenergie



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

Beispiele

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


Lotusblatt

Lotuseffekt Video



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

Übersicht: Verfahren der Oberflächentechnik


Einordnung der Verfahren zur Oberflächentechnik

Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten Stoffeigenschaften ändern

Einführung

durch Einbringen von Stoffteilchen - Gaslegieren - Schmelzlegieren - Umschmelzen

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

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

Randschichttechnik




Glätten - Strahlen - Laser - Ätzen

Strukturieren - Bürsten - Schleifen - Honen - Polieren - Läppen

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

Abtragen/ Vorbehandlung

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

Einführung


Quelle: Wikipedia

Verdichter Brennkammer Turbine Düse

Ansaugen Kompression Verbrennung Entspannung Ausstoßen (Luft) (kontinuierlich)

Lycoming T53

Leitfaden Turbine: Aufbau und Wirkungsweise

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


Leitfaden Turbine: Werkstoffe/Temperaturen


Beschichtungen in Flugzeugturbinen

Leitfaden Turbine: Beschichtungsbereiche


Quelle: T. Cosack, MTU München

Leitfaden Turbine: Beschichtungsbereiche


www.mtu.de/ Bürgel/Sierack

Leitfaden Turbine: Beschichtungsbeispiele

http://www.mtu.de/




Oberflächen- vorbehandlung

Chemische Verfahren

Umwandlungshärten Laser- und Induktionshärten

Einführung


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

Radial-Inflow-Turbine Motor

Quelle: Wikipedia

Gasturbine industriell

Leitfaden Turbine: Typologie


Thermische Barriereschichten

Wirkfaktoren: Veränderung des Gefüges bzw. Materialzerstörung durch Langzeit-Temperaturwirkung Verfahren: Thermisches Spritzen Schichtmaterial z.B. CrO2 , Al2O3, ZrO2 Schichtwirkung Temperaurbeständigkeit von Oberflächen, Ermöglichung hoher Temperaturgradienten

Anwendungsbeispiel: Turbinenschaufeln

Beispiele


Verschleißmindernde Oberflächenbehandlung

Wirkfaktoren: komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß Verfahren Martensitisches Umwandlungshärten Schichtmaterial substrateigene Oberfläche Wirkung Senkung der Verschleißrate

ND-Stufe 80 MW-Turbine

Härtungsprozess 1300 MW-Schaufel

Laserstrahlhärten von Turbinenschaufeln

Anwendungsbeispiel

Foto: Hansa Verlag

Beispiele


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

§ Strahlformung durch reflektive Optiken

§ Strahloszillationen mit Frequenzen > 200 Hz

-> quasi-stationäre Temperaturfelder

§ Typische Scanwinkel < 8 °

Laserstrahlhärten

Video


Anwendungsbeispiel: Gleitlager

Reibungsmindernde Beschichtungen

Wirkfaktor Reibung infolge Relativbewegung einander berührender Festkörperoberflächen Verfahren: CVD, PVD Schichtmaterial z.B. MoS2, DLC Schichtwirkung Senkung von Reibung und Verschleiß und damit Erhöhung der Lebensdauer

Beispiele


Reibungsmindernde Beschichtungen

Video

Wirkfaktor Reibung infolge Relativbewegung einander berührender Festkörperoberflächen Verfahren: CVD, PVD Schichtmaterial z.B. MoS2, DLC Schichtwirkung Senkung von Reibung und Verschleiß und damit Erhöhung der Lebensdauer

Material- u. Anwendungsbeispiele



Wirkung Senkung der Verschleißrate

Schichtmaterial Verstärkung der Oberfläche durch Hartstoffe, Hartlegierungen

Verfahren Legieren, Dispergieren und Auftragschweißen

Wirkfaktoren komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß

Anwendungsbeispiel Panzern durch Pulverauftragschweißen

Beispiele


Verschleißmindernde Beschichtungen

Foto: Hansa Verlag

Wirkfaktoren: komplexe Verschleißprozesse: Adhäsion, Abrasion und Ermüdung Verfahren: CVD, PVD Schichtmaterial z.B. TiCN, DLC Schichtwirkung Senkung der Verschleiß- rate und Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit

Anwendungsbeispiel: Zerspanwerkzeuge

Beispiele


Optische Beschichtungen

Wirkfaktor: Reflexion von Licht beim Übergang zwischen Medien unterschiedlichen Brechungsindex Verfahren: PVD Schichtmaterial z.B. TiO2, Al2O3 Schichtwirkung Verbesserung des Lichtdurchganges

Anwendungsbeispiele

Quelle: www.bulinks.de/fenster

Beispiele



Anwendungsbeispiel: Fensterglas

www.baulinks.de/fenster

Wirkfaktor: Reflexion von Licht beim Übergang zwischen Medien unterschiedlichen Brechungsindex Verfahren: PVD Schichtmaterial z.B. TiO2, Al2O3 Schichtwirkung Verbesserung des Lichtdurchganges

Beispiele



Wirkfaktor: Reflexion von Licht beim Übergang zwischen Medien unterschiedlichen Brechungsindex Verfahren: PVD Schichtmaterialz.B. TiO2, Al2O3 Schichtwirkung Verbesserung des Lichtdurchganges

Video



Dekorative Beschichtungen

Foto: Hansa Verlag

Wirkfaktor: Bewertung von Oberflächen durch den Menschen nach ästhetischen Kategorien Verfahren: CVD, PVD Schichtmaterial: TiN Schichtwirkung ästhetischer Effekt verbunden mit Korrosionminderung und enormen Goldeinsparungen

Beispiele


Korrosionsmindernde Beschichtungen

Wirkfaktoren: Bildung von Oxidschichten auf Metallen durch Einwirkung von Sauerstoff und Wasser Verfahren: CVD, PVD Schichtmaterial z.B. CrC, DLC Schichtwirkung Senkung der Korrosionsgeschwindigkeit und damit Erhöhung der Zahl der möglichen Rasuren



Korrosionsmindernde Beschichtungen

Wirkfaktoren: Bildung von Oxidschichten auf Metallen durch Einwirkung von Sauerstoff und Wasser Verfahren: CVD, PVD Schichtmaterial z.B. CrC, DLC Schichtwirkung Senkung der Korrosionsgeschwindigkeit und damit Erhöhung der Zahl der möglichen Rasuren

Anwendungsbeispiel: Rasierklingen

Beispiele



komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß Verfahren Strukturieren, Laserabtragen Schichtmaterial Substratmaterial wird lokal abgetragen Wirkung Verringerung der Verschleißrate

Video

Verfahrensbeispiele



Durchmesser: 26 cm

400

300

200

100

0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Höhe

/ m

m

Tiefe in Laufbuchse / mm

Härt

etie

fe

mitt

lere

r Mas

seve

rlust

Laserstrahlhärten von Zylinderlaufbuchsen

Anwendungsbeispiel Wirkfaktoren: komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß Verfahren: martensitisches Umwandlungshärten Schichtmaterial substrateigene Oberfläche Wirkung Senkung der Verschleißrate

Beispiele


Wirkfaktoren: komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß Verfahren: martensitisches Umwandlungshärten Schichtmaterial substrateigene Oberfläche Wirkung Senkung der Verschleißrate


Zylinderlaufbuchsen für Dieselmotor www.m-juergensen.com

Anwendungsbeispiel

Beispiele


magnetische Übertragung von Informationen zwischen Magnetspeicher und Leser

Informations- träger für Rechentechnik

Reinst- metalle

magnetische Informations- speicherung

magnetisierbare Schicht

Tonkopf

Ag

elektrische über 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

Beispiele für Sonderverfahren


photosensitive Transformation der Photonenenergie in elektrische Energie

Solarzellen

Si

Verbindung von hinreichender Photosensitivität mit preiswerter Herstellung

Photoneneinfall

elektr. Spannung

Schichtwirkung

Anforderungen

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



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

F(t)

Schichtwirkung

Anforderungen

Anwendungs- fall

Schicht- material



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

Übersicht: Verfahren der Oberflächentechnik


Anhang: Begriffe und Definitionen


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 MeIonen 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


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 Plasmabehandlung ) notwendig.

Dispergieren: ist das Einlagern von grobkörnigen Hartstoffen in eine dünne Randzone des Werkstücks (vorzugsweise 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 Verschönerung von Gegenständen) Galvanotechnik unterschieden.



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.



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. 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 Partikelgeschwindigkeit 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



Ende der Vorlesung „Einführung“

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VORLESUNG FERTIGUNGSTECHNIK I · Vorlesungen WS17/18 Fertigungstechnik I / Oberflächen- und Schichttechnik 11.01.2018 05.01. Einführung 12.01. Oberflächenvorbehandlung