Materialwissenschaften (Subject) / Verfahren der Oberflächentechnik (Lesson)

Verfahren der Oberflächentechnik

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• Warum soll der Hartchromprozess unter strengen Unweltschutzkonditionen durchgeführt werden? Weil u.a. Cr6+ in H2CrO4-Lösung krebserregend ist
• Welches Material dient häufig als Anoden bei der Hartchromabscheidung? Als Anoden dienen häufig unlösliche Bleilegierungen. Das Anodenmaterial ist hierwichtig, da das dreiwertige Chrom, das an der Kathode erzeugt wird, wieder zusechswertigem Chrom oxidiert werden muss. Dies geschieht besonders gut an denBleianoden, die sich mit einer Bleidioxidschicht überziehen. Das abgeschiedene Chromwird dem Elektrolyten als Chromsäureanhydrid (CrO3) wieder zugegeben. Um giftigenBleischlamm zu vermeiden, wird bei modernen Anlagen Blei durch platiniertes Titanersetzt.
• In vielen Hartchromschichten sind Mikrorisse vorhanden. Was ist der Grund für diese Rissbildung?  Starke Wasserstoffentwicklung (Gefahr der Wasserstoffversprödung von Stählen) Wasserstoff wird teilweise als Chromhydrid in die Schicht eingebaut bei Zerfall des Chromhydrids kommt es zur Schrumpfung Mikrorisse, sprödes Verhalten
• Die Mikrorisse können gezielt zur Verbesserung der Schichteigenschaften genutzt werden. Nennen Sie ein Beispiel? Durch geeignete Prozessreglung und zusätzlichen Einsatz wie von Oxid, Diamant könnenDispersionshartchromschichten hergestellt werden. Feine Hartstoffpartikel sitzen imMikrorissen und verbessern den Verschleißverhalten der Schichten
• Kann der bei der Abscheidung freigesetzte Wasserstoff das Substrat beeinträchtigen? Ja. Für manche Stähle als Substrat ist eine wasserstoffinduzierte Versprödung möglich.
• Warum werden Hartchromschichten auf Lager- und Dichtungssitzen abgeschieden? Weil sie zum einen den Verschleißwiderstand verbessern und zum andern die Reibungverringern können.
• Bis welchen Temperaturen sind Hartchromschichten sowie Nickelschichten einsetzbar? Hartchromschichten: 350°C Nickelschichten: 500°C
• Warum sind Nickelschichten häufig als Zwischenschicht für Hartchromschichten verwendet? Weil Nickelschichten sehr dicht hergestellt werden können. Diese dichte Zwischenschichtverhindert einen Kontakt zwischen dem Substrat und wässrigen Lösungen, damitverbessert sich das Korrosionsverhalten der Schichtsysteme.
• Welche Vorteile weisen die Ni-Dispersionsschichten im Vergleich zu Ni-Schichten auf? Durch eingelagerte Partikel wie SiC sowie PTFE in Ni-Matrix wird der Verschleißwiderstanderhöht und das Reibungsverhalten verbessert.
• Wie kann die Härte der Nickelschichten erhöht werden? Die Härte der Nickelschichten kann durch eine Wärmebehandlung bis auf 1000 HV erhöhtwerden.
• Sind hochglänzende Nickelschichten zum Korrosionsschutz geeignet? Nein. Weil sie Schwefel enthalten und dadurch korrosionsanfällig sind.
• Nennen Sie typische Anwendungen der Kupferschichten - Leiterbahnen - gasdichte Abdeckschichten - Zwischenschicht zum Korrosionsschutz fürs Verchromen
• Nennen Sie typische Anwendungen der Zinnschichten - Konservendosen - Verschlüsse - Verpackungen
• Welche Charakteristiken weisen Rhodiumschichten auf und im welchen Bereichen werden sie häufig eingesetzt? Die Rhodiumschichten sind normalerweise dünn abgeschieden und haben eine hellesilbrige Farbe und gute Korrosionsbeständigkeit. Daher werden sie alsDekorationsschichten auf Schmucken oder Uhren eingesetzt.
• Werden Multilayerschichten stromlos chemisch hergestellt? Nennen Sie zusätzlich drei Beispiele für die Multilayerschichtsysteme. Nein. Sie werden ausschließlich mit Galvanik hergestellt. Beispiele: Cu/Ag, Pt/Co, Pd/Co.
• Wofür sind MoS2, Graphit, PTFE in den Dispersionsschichten? Sie sind feste Schmierstoffe. In der Dispersionsschicht können sie die Reibungsverhaltenverbessern.
• Was sind Konversionsverfahren? ▪ Konversionsschichten sind Überzüge, die durch die Redoxreaktioneiner metallischen Oberfläche mit der Umgebung entstehen,daher werden sie auch als Umwandlungsschichten bezeichnet.▪ Die Herstellung erfolgt mit angelegtem Außenstrom oder außenstromlos.▪ Es werden keine Schichten „aufgebracht“,vielmehr wachsen die Überzüge aus dem Grundmaterial auf. Kennzeichnend für Konversionsschichten sind:▪ geringe elektrische Leitfähigkeit▪ geringe Wärmeleitfähigkeit▪ Eigenfarbe▪ Schichtdicken im Bereich 0,1 – 40 μm
• Welche Arten von Konversionsverfahren lassen sich unterscheiden? - Anodisieren - Phosphatieren - Chromatieren - Brünieren
• Was ist kennzeichnend für Konversionsverfahren? ▪ geringe elektrische Leitfähigkeit▪ geringe Wärmeleitfähigkeit▪ Eigenfarbe▪ Schichtdicken im Bereich 0,1 – 40 μm
• Was ist Anodisieren? Anodisieren ist das elektrochemische Oxidieren von Metalloberflächen.(„Eloxieren“ von Eloxal: Elektrolytische Oxidation von Aluminium)▪ Dabei wird die Oberfläche des Metalls chemisch umgewandelt (Konversion).▪ Das erfolgt durch einen elektrochemischen Prozess durch angelegten Außenstrom.▪ Das Anodisieren wird vor allem für Aluminiumlegierungen angewandt.▪ Es entsteht eine sehr harte und kratzfeste Oxidoberfläche.▪ Die Oxidschicht kann dabei sehr einfach mit verschiedenen Farben eingefärbt werden.
• Was ist beim Anodisieren zu beachten? ▪ Verfahren sehr aufwendig▪ Entsorgung der Elektrolyte notwendig▪ lange Prozesszeiten durch das Verdichten der porösen Schichten
• Wie unterscheiden sich die natürliche Oxidschicht auf Aluminium und die Konversionsschicht beim Anodisieren/Eloxieren von Aluminium? ▪ natürliche Oxidschichten:Dicke der natürlich gewachsenen Oxidschicht typischerweise bis ca. s = 0,05 μm▪ Konversionsschichten:▪ Schichtdicke kann durch chemische Prozesse erhöht werden (s = 1 - 5 μm)▪ Elektrochemische Prozesse mit Außenstrom ermöglichen höhere Schichtdickena) porenfreie FormierungsschichtSchichtdicke nur ca. s = 1 μmEinsatz als Dielektrikum von Elektrolytkondensatorenleicht verletzbar  kein Schutz vor Korrosion oder Verschleißb) poröse Oxidschicht mit darunter liegender Sperrschichtübliche Schichtdicke für Aluminium s = 5 - 40 μm (bis zu s= 300 μm möglich)für Magnesium bis zu s = 80 μmdurch Nachverdichten als Korrosionsschutz geeignet
• Woraus setzen sich die wesentlichen Verfahrensschritte beim Anodisieren zusammen? 1. Bildung einer dünnen, völlig porenfreien Oxidschicht (Sperrschicht für Strom).Die Sperrschicht kann nur solange wachsen, solange durch den angelegten StromAl-Ionen durch das Oxid diffundieren können.Die Al-Ionen oxidieren unmittelbar an der Oberfläche des bereits gebildeten Oxids.2. Dieser Mechanismus schreitet in einem, das Oxid schwach angreifenden,elektrisch gut leitenden Elektrolyten (Schwefelsäure, Oxalsäure, Chromsäure) fort.Es finden zahlreiche elektrische Durchschläge statt, so dass Poren entstehen,auf deren Grund sofort wieder neues Oxid entsteht.3. Die die Poren umkleidende „alte“ Schicht reagiert mit dem Elektrolytenzu strukturlosem, fast wasserfreien Oxid.
• Worauf ist bei der Vorbehandlung des Werkstücks zu achten, wenn nicht das ganze Werkstück beschichtet werden soll? ▪ Nicht zu beschichtendeOberflächen werden geeignetabgedeckt▪ Maskierung von Flächen durchAbdecklacke, Klebebänder o. ä.▪ Verschluss von Bohrungen undHohlräumen durch Stopfen
• Wie sieht die schematische Prozessroute beim Anodisieren/Eloxieren aus? ▪ Vorbehandlung▪ Erzeugung einer sauberen (fett- und ölfreien) Oberfläche▪ Mechanisch (Bürsten, Drehen, Fräsen, Schleifen, Strahlen etc.)▪ Maskieren von nicht zu beschichtenden Bereiche▪ chemisch (Entfetten, Spülen, Beizen, Ätzen etc.)▪ Hauptbehandlung▪ Schichtherstellung in Elektrolytbädern▪ Werkstück wird als Anode geschaltet▪ Nachbehandlung▪ Nachverdichtung▪ Versiegelung▪ Einlagerung von speziellen Wirkstoffen
• Welche Möglichkeiten existieren zur Nachbehandlung von anodisierten/eloxierten Schichten? Nachbehandlung:▪ Verschluss der Poren durch Nachverdichtung--> verbessert die Korrosionsschutzwirkung der Oberflächenschicht▪ Dichtung der Poren mit Dichromat-, Silikat-, Metallsalz, (Nickel-, Kobaltsalz)-Lösungen--> verbessert die Korrosionsschutzwirkung der Oberflächenschicht▪ Einlagerung von Partikeln (Imprägnierung)--> verbessert die Gleit- und Haftreibeigenschaften der Oberflächenschicht▪ Einlagerung von Farbstoffen (absorptiv, elektrolytisch)--> optimiert die dekorativen Eigenschaften der OberflächenschichtNachbehandlung:▪ Verschluss der Poren durch Nachverdichtung--> verbessert die Korrosionsschutzwirkung der Oberflächenschicht▪ Dichtung der Poren mit Dichromat-, Silikat-, Metallsalz, (Nickel-, Kobaltsalz)-Lösungen--> verbessert die Korrosionsschutzwirkung der Oberflächenschicht▪ Einlagerung von Partikeln (Imprägnierung)--> verbessert die Gleit- und Haftreibeigenschaften der Oberflächenschicht▪ Einlagerung von Farbstoffen (absorptiv, elektrolytisch)--> optimiert die dekorativen Eigenschaften der Oberflächenschicht
• Wodurch ist die plasmaelektolytische Oxidation (PEO) charakterisiert? Veränderungen zum konventionellen Anodisieren:▪ Plasmachemischer Prozess durch elektrische Entladung bei hohen Potentialen,Funkenentladung▪ Substrat wird kurzfristig punktuelle aufgeschmolzen, reagiert mit dem aktiviertenSauerstoff --> lokaler, thermisch unterstützter chemischer Prozess▪ Bildung von amorphen Oxidschichten, welche kristalline Bereiche enthalten.
• Was sind die Vorteile der plasmaelektrolytischen Oxidation? ▪ Umweltfreundliche Elektrolyte (chromfrei), z. B.: Fluoride, Borate, Phosphate in wässriger Lösung▪ Neben Al auch Behandlung von Mg und Ti▪ Harte Schichten (500 – 2.000 HV) eröffnen neue tribologische Anwendungen▪ Schnelleres Schichtwachstum als beim Anodisieren
• Was ist Phosphatieren? ▪ Auch bekannt unter verschiedenen Markennamen wie Bondern® oder Parkerisieren®▪ Phosphatierlösung: Phosphorsäure H3PO4 mit weiteren Zusätzen▪ Herstellung von in Wasser schwerlöslichen Metallphosphatüberzügen auf Metallen
• Zu welchen Zwecken wird Phosphatierung vorwiegend eingesetzt? - Korrosionsschutz und Haftgrund - Reibminderung und Verschleißschutz
• Welche Arten der Phosphatierung lassen sich unterscheiden? - Nicht-schichtbildende Phosphatierung - Schichtbildende Phosphatierung
• Worin unterscheiden sich die nicht-schichtbildende und die schichtbildende Phosphatierung? ▪ Nicht-schichtbildende Phosphatierung▪ Wässrige phosphorsaure Alkaliphosphatlösungenbeinhalten keine eigenen Metallkationen, die am Schichtaufbau beteiligt sind.▪ Kationen zur Schichtbildung stammen aus dem Grundmaterial.▪ Prozess kommt zum Erliegen sobald das Werkstück mit Phosphatierung überzogen ist.▪ sehr dünne Schichten: s = 0,3 – 1 μm (0,3 – 0,8 g/m2)▪ Der sehr langsame Prozess erfordert hohe Temperaturen (T > 95 °C).▪ Schichtbildende Phosphatierung▪ wässrige Lösungen aus Phosphationen und zusätzliche Metallkationen(Mn2+, Zn2+, Fe2+, Ca2+, Ni2+, Cu2+)▪ Metallkationen der Lösung nehmen am Schichtaufbau teil,damit deutlich schnellerer, diffusions- bzw. transportkontrollierter Prozess.▪ Zusätzlich können Kationen aus dem Grundmaterial zur Schichtbildung beitragen.▪ Schichtdicken: s = 5 - 15 μm (8 – 12 g/m2 ), teilweise bis zu s = 30 μm
• Wodurch ist die Eisenphosphatierung gekennzeichnet? (Nennen Sie abgeschiedene Phosphatphasen, Schichteigenschaften und Anwendungen) Abgeschiedene Phosphatphasen (Schichtbildende Kationen: Fe2+)▪ auf Eisen: Fe5H2(PO4)4 · 4H2O▪ auf Zink: Zn3(PO4)2 · 4H2O , Zn2Fe(PO4)2 · 4H2O, Fe5H2(PO4)4 · 4H2OSchichteigenschaften▪ Schichtdicke s = 0,2 – 0,7 μm (0,3 – 0,8 g/m2)▪ blaue Farbe, bedingt durch Interferenz▪ amorphe Schicht, dicht und porenarmAnwendung▪ Korrosionsschutz (kurzfristig)▪ Haftgrund für Lackschichten kostengünstiges Verfahren Anwendung durch Besprühen oder Tauchen
• Wodurch ist die Zinkphosphatierung gekennzeichnet? (Nennen Sie abgeschiedene Phosphatphasen, Schichteigenschaften und Anwendungen) Abgeschiedene Phosphatphasen (Schichtbildende Kationen: Zn2+)▪ auf Eisenlegierungen: Zn2Fe(PO4)2 · 4 H2O und Zn3(PO4)2 · 4 H2O (Phosphophyllit)▪ auf Zink: Zn3(PO4)2 · 4 H2OSchichteigenschaften▪ Schichtdicke s > 2 μm (2 – 30 g/m2)▪ graue Schichten▪ gut haftende, grob- bis feinkristalline SchichtenAnwendung▪ Korrosionsschutz (evtl. + Konservierung)▪ Haftmittelschicht für Lackschichten▪ elektrische Isolationsschicht▪ als Gleitschicht bei Kaltumformung− Umformung von Rohren− Ziehen von Drähten− Tiefziehen Anwendung durch Besprühen oder Tauchen
• Wodurch ist die Manganphosphatierung gekennzeichnet? (Nennen Sie abgeschiedene Phosphatphasen, Schichteigenschaften und Anwendungen) Abgeschiedene Phosphatphasen (Schichtbildende Kationen: Mn2+)▪ auf Eisen: (Mn,Fe)H2(PO4)4 · 4 H2O und Fe5H2(PO4) · 4 H2O▪ auf Zink: Zn3(PO4)2 · 4 H2O und Mn5H2(PO4)4 · 4 H2OSchichteigenschaften▪ Schichtdicke > 2 μm (5 g/m2)▪ dunkle bis schwarze Schichten▪ gut haftende, feinkristalline SchichtenAnwendung▪ Korrosionsschutz (Steigerung durch zus. Konservierung)▪ Haftmittelschicht für Lackschichten▪ als Gleitschicht für− Maschinenteile− Motor,- Getriebeteile− Gewinde Anwendung ausschließlich durch Tauchen
• Was ist Chromatieren? ▪ Chromatierlösung: Chromsäure H2CrO4 mit weiteren Zusätzen▪ Sulfate, Chloride, Nitrate, Fluoride, Acetate beeinflussen Farbe und Härte der Schicht▪ Herstellung von Metallchromatüberzügen auf Metallen
• Welche Arten der Chromatierung lassen sich unterscheiden? Verfahrensvarianten:▪ Transparent-, Blauchromatieren▪ Gelbchromatieren▪ Oliv-, Grünchromatieren▪ Schwarzchromatieren
• Wie kann die Farbgebung von Chromatierschichten eingestellt werden? 1. Transparent- und Blauchromatierung:Die Farbe hängt nur von der Eigenfarbe und damitder Schichtdicke ab. Eigenfärbung der Schicht wirddurch Interferenzfarben hervorgerufen.2. Gelb-, Oliv- und Schwarzchromatierungen:Farbe durch den Einbau verschiedener Verbindungen:− Gelb: Chromationen− Olivgrün: Anionen der Phosphorsäure− Schwarz: SilberchromatZusätzlich ist ein Einfärben der Schichten möglich. Dazuwerden die Schichten in wässrigen Lösungen eingefärbt.Geeignet sind Alizarin-, Diazofarbstoffe und Eloxalfarben.
• Wodurch zeichnet sich das Korrosionsverhalten einer Zinkchromatierung aus? ▪ SelbstheilungseffektCr(VI)-Ionen bilden an Beschädigungen unmittelbar neue schwerlösliche, schützendeChromatverbindungen (im Gegensatz zu galvanisch oder durch PVD, CVD, TShergestellten Chromschichten)▪ Kathodische Schutzwirkung des ZinksSchutz des Eisen: Zn/Zn2+: Zn --> Zn2+ + 2e-Fe/Fe2+: Fe2+ + 2e- --> Fe
• Was ist Brünieren? ▪ Brünierüberzüge sind Eisenoxidschichten zum Korrosionsschutz.▪ Gezielte Umwandlung des Eisens an der Oberfläche eines Bauteils zu Fe2O3 (Hämatit)und FeO (Wüstit) „Rost“ in sauren oder alkalischen Lösungen bzw. in Salzschmelzen.
• Welche Verfahrensvarianten können beim Brünieren unterschieden werden? Verfahrensvarianten:▪ Inoxidation des Eisens mittels Wasserdampfs bei Temperaturen von T = 700 °C – 1.000 °C ingeschlossenen Retorten▪ Einbrennverfahren, d.h. Erhitzen des Eisens nach dem Auftragen von Schwärzungsmittel▪ Anodische Oxidation in heißen Elektrolyten▪ Behandlung der zu schützenden Werkstücke in oxidierend wirkenden Salzschmelzen(meist verwendetes Verfahren, DIN 50938)
• Nach welchen Prozessschritten läuft ein Brünierprozess im Zweibadverfahren ab? - Entfetten - Spülen - Beizen - Spülen - Brünieren 1 - Spülen - Brünieren 2 - Spülen - Spülen - Beölen
• Das Plasma wird auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Nennen und beschreiben Sie die vier Aggregatzustände Festkörper: feste Bindung der Ionen und Atome an Gitterplätzen Flüssigkeit: lose gebundene Moleküle und Atome immer noch starke Wechselwirkung Gas: hohe Verdünnung und praktisch keine Wechselwirkung zwischen den Teilchen Plasma: ein Teil der Atome ist in Ionen und Elektronen zerfallen. Elektrische Leitfähigkeit, kollektive Effekte treten auf
• Welche Stoßprozesse können im Plasma auftreten? Elementarprozessein einem Plasma:▪ Anregung▪ Elektronenionisation▪ Photonenionisation▪ Dissoziation
• Welche Umkehrprozesse treten nach der Anregung / Ionisation auf? Umkehrprozessein einem Plasma:▪ Relaxation▪ Rekombination
• Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen der Wellenlänge des abgestrahlten Lichts und der chemischen Zusammensetzung des Plasmas. Die Energiebeträge der Elektronenübergänge sind charakteristisch für das jeweilige Atom. DerEnergiebetrag korreliert mit der Wellenlänge des abgegebenen Photons.
• Wie ist die mittlere freie Weglänge definiert und von welchen Parametern ist diese im Plasma abhängig? --> Die mittlere freie Weglänge ist die Flugstrecke, die ein Teilchen im Plasma im Mittel zwischen zweiKollisionen zurücklegen kann.--> Abhängig ist die freie Weglänge von der Teilchendichte (Druck) und dem Stoßquerschnitt σ derTeilchen. 
• Plasmen lassen sich aufgrund ihrer spezifischen Energie (Temperatur) der Teilchen unterteilen. Nennen Sie die drei Kategorien bei dieser Unterteilungsmethode - thermisches Plasma - nichtthermisches Plasma - Hochtemperaturplasma
• Benennen Sie die einzelnen Bereiche einer Glimmentladung Von Kathode zu Anode: - Kathodenglimmlicht - Kathoden-Dunkelraum - Negatives Glimmlicht - Faradayscher Dunkelraum - Positive Säule - Positives Glimmlicht
• Benennen und beschreiben Sie die drei Phasen des PVD-Prozesses Phasen im PVD-Beschichtungsprozess1. Überführung des Targetmaterials in die Gasphase2. Teilchentransport3. Kondensation / Schichtwachstum

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