Oberflächentechnik für den Maschinenbau (eBook, EPUB)

Tribologie, Korrosion, Konstruktion und Werkstofftechnik sind Wissensbereiche, die sich zun chst parallel entwickelt haben. Das gleiche gilt f r die verschiedenen Verfahren der Oberfl chentechnik. Heute wird es zunehmend wichtiger, interdisziplin re Ans tze zu finden, um die Problemstellungen der Zukunft, wie z.B. Umweltschutz oder Ressourcenschonung, gemeinsam zu l sen. Das Buch verfolgt den Ansatz, diese Wissensbereiche zu verkn pfen. Es beginnt mit einer Beschreibung technischer Oberfl chen hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und geometrischer Struktur. Technische Systeme des Maschinenbaus (Bauteile oder Werkzeuge) sind Umgebungseinfl ssen (Druck, Chemie, Temperatur) ausgesetzt, die zu Oberfl chensch den durch Verschlei und Korrosion f hren k nnen. Um Oberfl chen davor zu sch tzen, m ssen die Grundlagen der Tribologie (Lehre von Reibung und Verschlei ) und Korrosion zun chst verstanden sein, weshalb die wichtigsten Begriffe und Definitionen zu Beginn des Buches beschrieben werden. Schwerpunkt des Buches ist die Behandlung der Verfahren der Oberfl chentechnik, die im Maschinenbau Anwendung finden. Jedes Verfahren wird hinsichtlich Beschichtungsprozess, Anlagentechnik, Schichtwerkstoffen, typischen Schichtdicken, Beschichtungstemperaturen und Schichtwerkstoffen beschrieben und anhand von Anwendungsbeispielen vorgestellt. Wesentliches Element der Oberfl chentechnik ist die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe oder Werkstoffeigenschaften, um Volumen- und Oberfl cheneigenschaften getrennt voneinander entsprechend der Anwendung optimieren zu k nnen. Daher ist abschlie end eine sehr kurze Einteilung wichtiger Werkstoffe gegeben (Metalle, Keramiken, Polymere). Die Kombination aus Tribologie, Korrosion, Verfahren der Oberfl chentechnik und Werkstoffkunde erm glicht eine strukturierte Herangehensweise bei der Auslegung von Oberfl chen.

Lateinische Formelzeichen xi

Griechische Formelzeichen xv

Konstanten xvii

Abkürzungsverzeichnis xix

1 Einführung in die Oberflächentechnik 1

1.1 Technische Oberflächen 2

1.1.1 Benetzung von Festkörperoberflächen durch Flüssigkeiten 7

1.1.2 Haftungsmechanismen zwischen Schicht und Grundwerkstoff 9

1.2 Funktionen von Oberflächen 12

1.3 Methodischer Ansatz zur Entwicklung beschichteter Produkte 15

1.4 Verfahren der Oberflächentechnik 17

2 Tribologie 23

2.1 Das tribologische System 24

2.1.1 Tribokontaktfläche 27

2.1.2 Die tribologische Beanspruchung 28

2.2 Reibung 32

2.2.1 Reibungszustände 33

2.2.2 Reibungsarten 36

2.3 Verschleiß 38

2.3.1 Verschleißmechanismen 39

2.3.1.1 Adhäsion 39

2.3.1.2 Tribochemische Reaktionen 41

2.3.1.3 Abrasion 42

2.3.1.4 Oberflächenzerrüttung 44

2.3.2 Verschleißarten 46

2.4 Schmierung 46

2.4.1 Flüssigschmierstoffe 48

2.4.2 Schmierfette 50

2.4.3 Additive 50

2.4.4 Festschmierstoffe 52

2.4.4.1 Festschmierstoffe mit Schichtgitterstruktur 54

2.4.4.2 Festschmierstoffe auf Basis von Oxiden, Fluoriden und Sulfaten 57

2.4.4.3 Festschmierstoffe auf Basis von Weichmetallen 58

2.4.4.4 Festschmierstoffe auf Basis von Polymeren 58

2.5 Tribologische Prüfung 59

2.5.1 Verschleißmessgrößen 59

2.5.2 Tribologische Prüfmethoden 60

3 Korrosion 65

3.1 Elektrochemische Korrosion 69

3.1.1 Elektrochemische Reaktionen 69

3.1.2 Deckschichtbildung (Passivität) 76

3.1.3 Erscheinungsformen der elektrochemischen Korrosion 78

3.1.3.1 Gleichmäßige Korrosion 79

3.1.3.2 Örtliche Korrosion ohne mechanische Belastung 80

3.1.3.3 Örtliche Korrosion mit mechanischer Belastung 88

3.1.4 Korrosionsschutzmaßnahmen bei elektrochemischer Korrosion 92

3.1.4.1 Aktiver Korrosionsschutz 93

3.1.4.2 Passiver Korrosionsschutz 96

3.2 Hochtemperaturkorrosion 97

3.2.1 Thermodynamische Grundlagen der Oxidation 98

3.2.2 Kinetische Grundlagen der Oxidation 101

3.2.2.1 Diffusion 102

3.2.2.2 Metalldiffusion und Sauerstoffdiffusion in Oxidschichten 107

3.2.2.3 Zeitgesetze der Oxidation 109

3.2.3 Besonderheiten der Aufkohlung, Aufstickung, Aufschwefelung 113

3.2.4 Heißgaskorrosion 114

3.2.4.1 Niedertemperatur-Heißgaskorrosion (Typ II) 116

3.2.4.2 Hochtemperatur-Heißgaskorrosion (Typ I) 117

3.2.4.3 Chlorinduzierte Heißgaskorrosion 118

3.2.5 Korrosionsschutzmaßnahmen zur Hochtemperaturkorrosion 120

3.3 Metallphysikalische Korrosion 125

4 Elektrochemische Metallabscheidung 131

4.1 Thermodynamische Grundlagen der Elektrochemie 134

4.2 Kinetische Grundlagen der Elektrochemie 139

4.3 Galvanische Metallabscheidung 143

4.4 Chemische Metallabscheidung 147

4.4.1 Ionenaustauschverfahren (Tauchverfahren) 148

4.4.2 Kontaktverfahren 148

4.4.3 Reduktionsverfahren 149

4.5 Schichtsysteme der elektrochemischen Metallabscheidung 150

4.5.1 Chromschichten 151

4.5.2 Nickelschichten 154

4.5.3 Dispersionsschichten 156

5 Konversionsverfahren 159

5.1 Anodisieren 160

5.2 Phosphatieren 165

5.3 Chromatieren 169

5.4 Vergleich des Chromatierens und Phosphatierens 172

5.5 Brünieren 173

6 Thermochemische Diffusionsverfahren 177

6.1 Carburieren (Einsatzhärten) 179

6.2 Nitrieren 182

6.3 Nitrocarburieren 190

6.4 Borieren 192

6.5 Chromieren 195

6.6 Alitieren 197

6.7 Silizieren 201

6.8 Sheradisieren 202

7 Physical Vapor Deposition (PVD) 207

7.1 Erzeugen der Gasphase / des Plasmas 209

7.2 Teilchentransport 214

7.3 Kondensation Schichtwachstum 215

7.4 PVD-Verfahren 219

7.4.1 Kathodenzerstäuben (MSIP Magnetron Sputter Ion Plating) 221

7.4.2 Lichtbogenverdampfen (AIP Arc Ion Plating) 223

7.4.3 Niedervoltbogenentladung (NVB) 224

7.4.4 Elektronenstrahlverdampfen (EB Electron Beam) 225

7.5 PVD-Werkzeugbeschichtung 226

7.6 PVD-Bauteilbeschichtung 228

7.7 PVD-Wärmedämmschichten 230

8 Chemical Vapor Deposition (CVD) 235

8.1 Thermodynamik der chemischen Reaktion 237

8.2 Reaktionschemie 240

8.3 Kinetik der Schichtabscheidung 243

8.4 CVD-Verfahren 245

8.4.1 Hochtemperatur-CVD 247

8.4.2 Plasma-CVD 248

8.4.3 Hot-Filament-CVD-Verfahren 250

8.5 CVD-Werkzeugbeschichtung 252

8.6 CVD-Bauteilbeschichtung 254

9 Sol-Gel-Deposition 257

9.1 Das Sol als Ausgangswerkstoff 258

9.2 Der Sol-Gel-Übergang 258

9.2.1 Partikuläre Sole und Gele 258

9.2.2 Nasschemische Sol-Gel-Bildungssysteme 259

9.3 Beschichtungen mit Sol-Gel-Verfahren 261

9.4 Anwendungsbeispiele für Sol-Gel-Beschichtungen 263

10 Schmelztauchverfahren 265

10.1 Feuerverzinken 267

10.1.1 Deckschichtbildung beim Feuerverzinken 269

10.1.2 Diskontinuierliche Verfahren der Feuerverzinkung 272

10.1.3 Kontinuierliche Verfahren der Feuerverzinkung 275

10.1.4 Korrosionsschutz durch Feuerverzinken 281

10.2 Feueraluminieren 286

10.3 Feuerverzinnen 288

10.4 Feuerverbleien 289

11 Thermisches Spritzen 293

11.1 Verfahrensprinzip des Thermischen Spritzens 294

11.2 Schichtbildung beim Thermischen Spritzen 296

11.3 Schichthaftung thermisch gespritzter Schichten 299

11.4 Verfahren des Thermischen Spritzens 301

11.4.1 Flammspritzen 302

11.4.2 Hochgeschwindigkeitsflammspritzen 304

11.4.3 Kaltgasspritzen 308

11.4.4 Lichtbogenspritzen 310

11.4.5 Plasmaspritzen 312

11.5 Schichtwerkstoffe und Anwendungsbeispiele des Thermischen Spritzens 316

12 Löten 323

12.1 Grundlagen des Lötens 324

12.2 Einteilung der Lötverfahren und Lotwerkstoffe 328

12.3 Auftraglöten von Hartstoff-Hartlot-Verbundsystemen 332

12.3.1 Suspensionsverfahren zum Auftraglöten 332

12.3.2 Vliesverfahren zum Auftraglöten 334

12.4 Auflöten von Panzerungen 337

12.4.1 Löten metallisierter Keramiken 338

12.4.2 Aktivlöten von Keramikwerkstoffen 339

12.4.3 Löten von Hartmetall 340

12.4.4 Anwendungsbeispiele für aufgelötete Panzerungen 341

13 Auftragschweißen 345

13.1 Werkstoffverbunde durch Auftragschweißen 346

13.2 Verfahren des Auftragschweißens 347

13.3 Schichtwerkstoffe und Anwendungsbeispiele des Auftragschweißens 352

14 Plattieren 355

14.1 Kaltwalzplattieren 358

14.2 Warmwalzplattieren 361

14.3 Sprengplattieren 363

15 Werkstoffe 367

15.1 Grundlagen der Materialkunde 368

15.1.1 Beeinflussung von Festigkeitseigenschaften 369

15.1.2 Beeinflussung des Werkstoffverhaltens bei erhöhten Temperaturen 373

15.1.2.1 Diffusion 373

15.1.2.2 Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum 374

15.1.2.3 Kriechen und Spannungsrelaxation 374

15.1.2.4 Warmfestigkeit und thermomechanische Ermüdung 376

15.2 Metallische Werkstoffe 378

15.2.1 Leichtmetalle 379

15.2.1.1 Aluminium und Aluminiumlegierungen 380

15.2.1.2 Magnesium und Magnesiumlegierungen 383

15.2.1.3 Titan und Titanlegierungen 386

15.2.2 Kupfer und Kupferlegierungen 389

15.2.3 Eisen und Eisenlegierungen 391

15.2.3.1 Gusseisen 392

15.2.3.2 Stahl 394

15.2.4 Hartlegierungen 399

15.2.5 Superlegierungen 402

15.2.6 Refraktärmetalle 404

15.2.7 Intermetallische Verbindungen 406

15.3 Nichtmetallische anorganische Werkstoffe 409

15.3.1 Aufbau von Hartstoffen 409

15.3.2 Ingenieurkeramik 411

15.3.2.1 Oxidkeramiken 412

15.3.2.2 Nichtoxidkeramik 412

15.3.2.3 Silikatkeramik 413

15.4 Organische Werkstoffe 413

15.4.1 Thermoplaste 415

15.4.2 Duroplaste 416

15.4.3 Elastomere 417

15.5 Verbundwerkstoffe 418

15.5.1 Polymer-Matrix-Composite (PMC) 420

15.5.2 Ceramic-Matrix-Composite (CMC) 420

15.5.3 Metal-Matrix-Composite (MMC) 421

15.5.3.1 mmc für den Leichtbau 422

15.5.3.2 mmc für maximale Verschleißbeständigkeit 424

Stichwortverzeichnis 431

Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin studierte Maschinenbau an der TU München und der RWTH Aachen und promovierte 1999 an der Fakultät für Maschinenwesen der RWTH Aachen mit Auszeichnung. Im Anschluss war sie Oberingenieurin am Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffwissenschaften der RWTH Aachen. Seit 2005 leitet sie das Institut für Oberflächentechnik an der RWTH Aachen University. Schwerpunkte in Forschung und Lehre liegen auf dem Gebiet der Beschichtungstechnik zum Oberflächenschutz vor Verschleiß und Korrosion, sowie zur Reibminderung und Wärmedämmung. Darüber hinaus werden Lotwerkstoffe zum Fügen von Hochleistungswerkstoffen erforscht und entwickelt.