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VORLESUNG FERTIGUNGSTECHNIK I
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 2 von 66
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Literatur
25.01.2019 Folie 3 von 66
§ 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 WS18/19
Fertigungstechnik I / Oberflächen- und Schichttechnik
25.01.2019
14.12. Einführung 11.01. Oberflächenvorbehandlung
18.01. Härten/Nitrieren
25.01. chemische Verfahren/Galvanik
01.02. Ausblick
25.01.2019 Folie 5 von 66
Einordnung der Verfahren der Fertigungstechnik
Einführung
Fertigungstechnik I
25.01.2019 Folie 6 von 66
Einführung
Fertigungstechnik I
25.01.2019 Folie 7 von 66
Einführung
Fertigungstechnik I
25.01.2019 Folie 8 von 66
Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten Stoffeigen- schaften ändern
Einordnung der Verfahren der Fertigungstechnik
Fertigungsverfahren DIN 8580
Einführung
Fertigungstechnik I
Beispiel: (Hybrider) Laserbearbeitungsprozess
25.01.2019 Folie 9 von 66
Einführung
Fertigungstechnik I
Wechselwirkung eines Körpers mit seiner Umwelt über seine Oberfläche
25.01.2019 Folie 10 von 66
Einführung
Fertigungstechnik I
- mechanisch - optisch - chemisch - elektrisch - thermisch - physikalisch (z. B. Adhäsion)
Wechselwirkung eines Körpers mit seiner Umwelt über seine Oberfläche
25.01.2019 Folie 11 von 66
- mechanisch - optisch - chemisch - elektrisch - thermisch - physikalisch (z. B. Adhäsion)
Einführung
Fertigungstechnik I
[Heller]
[Baker Hughes] [Cast Coatings] [Lakshmi]
[Oleophob]
[All About Vision]
Wechselwirkung eines Körpers mit seiner Umwelt über seine Oberfläche
25.01.2019 Folie 12 von 66
- mechanisch - optisch - chemisch - elektrisch - thermisch - physikalisch (z. B. Adhäsion)
Einführung
Fertigungstechnik I
[Heller]
[Oleophob]
[All About Vision]
Schicht- und Oberflächentechnologien stellen eine Schlüsseltechnologie dar, deren Bedeutung z. Zt. vielfach unterschätzt wird.
25.01.2019 Folie 13 von 66
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
Fertigungstechnik I
25.01.2019 Folie 14 von 66
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
25.01.2019 Folie 15 von 66
Video
Werkstoffoberfläche
Fertigungstechnik I
25.01.2019 Folie 16 von 66
§ 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
Werkstoffoberfläche
Fertigungstechnik I
25.01.2019 Folie 17 von 66
§ 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
Werkstoffoberfläche
Fertigungstechnik I
25.01.2019 Folie 18 von 66
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
Fertigungstechnik I
25.01.2019 Folie 19 von 66
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
Nichtmetallische organische Werkstoffe
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
Nichtmetallische organische Werkstoffe
25.01.2019 Folie 20 von 66 Fertigungstechnik I
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 21 von 66
- + -
+ - +
- + -
§ 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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 22 von 66
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)
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 23 von 66
Keramische Oberflächen
Vorbereitung von Oberflächen Beispiel: Substrat-Strukturierungen
Laser-Remote-Schneiden
Laser-Remote-Schweißen 3D-Strukturierungen
Laserstrukturen / therm. Spritztechnik
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 24 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 25 von 66
Glasoberflächen
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 26 von 66
§ 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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 27 von 66
+
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 28 von 66
§ 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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 29 von 66
§ 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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 30 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 31 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 32 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 33 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 34 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 35 von 66
§ 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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 36 von 66
§ 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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 37 von 66
§ 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
Grenzschichtverhalten
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 38 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 39 von 66
Lotusblatt
Lotuseffekt Video
Grenzschichtverhalten
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 40 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 41 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 42 von 66
Einordnung der Verfahren zur Oberflächentechnik
Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten Stoffeigenschaften ändern
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 43 von 66
Quelle: Wikipedia
Verdichter Brennkammer Turbine Düse
Ansaugen Kompression Verbrennung Entspannung Ausstoßen (Luft) (kontinuierlich)
Lycoming T53
Leitfaden Turbine: Aufbau und Wirkungsweise
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 44 von 66
Leitfaden Turbine: Werkstoffe/Temperaturen
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 45 von 66
Beschichtungen in Flugzeugturbinen
Leitfaden Turbine: Beschichtungsbereiche
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 46 von 66
Quelle: T. Cosack, MTU München
Leitfaden Turbine: Beschichtungsbereiche
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 47 von 66
www.mtu.de/ Bürgel/Sierack
Leitfaden Turbine: Beschichtungsbeispiele
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 48 von 66
Einordnung der Verfahren zur Oberflächentechnik
Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten Stoffeigenschaften ändern
Oberflächen- vorbehandlung
Chemische Verfahren
Umwandlungshärten Laser- und Induktionshärten
Einführung
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 49 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 50 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 51 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 52 von 66
§ 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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 53 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 54 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 55 von 66
Verschleißmindernde Oberflächenbehandlung
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 56 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 57 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 58 von 66
Optische Beschichtungen
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 59 von 66
Optische Beschichtungen
Wirkfaktor: Reflexion von Licht beim Übergang zwischen Medien unterschiedlichen Brechungsindex Verfahren: PVD Schichtmaterialz.B. TiO2, Al2O3 Schichtwirkung Verbesserung des Lichtdurchganges
Video
Material- u. Anwendungsbeispiele
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 60 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 61 von 66
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
Material- u. Anwendungsbeispiele
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 62 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 63 von 66
Verschleißmindernde Oberflächenbehandlung
komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß Verfahren Strukturieren, Laserabtragen Schichtmaterial Substratmaterial wird lokal abgetragen Wirkung Verringerung der Verschleißrate
Video
Verfahrensbeispiele
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 64 von 66
Verschleißmindernde Oberflächenbehandlung
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 65 von 66
Wirkfaktoren: komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß Verfahren: martensitisches Umwandlungshärten Schichtmaterial substrateigene Oberfläche Wirkung Senkung der Verschleißrate
Verschleißmindernde Oberflächenbehandlung
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Anwendungsbeispiel
Beispiele
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 66 von 66
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
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 67 von 66
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
Beispiele für Sonderverfahren
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 68 von 66
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
Beispiele für Sonderverfahren
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 69 von 66
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
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Anhang: Begriffe und Definitionen
25.01.2019 Fertigungstechnik I Folie 71 von 66
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
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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.
Verfahren des Beschichtens und Stoffeigenschaftänderns
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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.
Verfahren des Beschichtens und Stoffeigenschaftänderns
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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.
Verfahren des Beschichtens und Stoffeigenschaftänderns
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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
Verfahren des Beschichtens und Stoffeigenschaftänderns
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Ende der Vorlesung „Einführung“