Materialwissenschaften (Subject) / Verfahren der Oberflächentechnik (Lesson)

Verfahren der Oberflächentechnik

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• Benennen Sie die vier Phasen des Verdampfungsprozesses im Lichtbogen-Verfahren (Niederdruck) 1. Lichtbogen 2. Verdampfung des Targetmaterials im Lichtbogenfusspunkt (= Kathodenspot) 3. Aufplatzen der Dampfblase, Freisetzen der Dampfteilchen (Atome, Ionen) 4. Schmelze fließt zur Seite, Droplets werden überwiegend mit Winkeln <45° emittiert
• Nennen Sie die Vorteile von gepulsten Plasmen im Beschichtungsprozess ➢ Erhöhung der Ionisation➢ Erhöhung der Metallionenanzahl
• Welche beiden rf Entladungsplasmen gibt es? Energieeintrag über ein hochfrequentes elektrisches Feld▪ Direkt über die Metallelektroden (CCP)▪ Durch einen im Plasma induzierten Strom (ICP)
• Nennen Sie typische Anwendungen für rf Plasmen ▪ Anwendungen:▪ Sputtern von Nichtleitern, aber sehr niedrige Sputterraten▪ PE-CVD, Oberflächenreinigung, Sterilisation
• Nennen Sie die wichtigsten Methoden zur Plasmadiagnostik ▪ Optische Spektroskopie▪ Massenspektroskopie▪ Langmuirsondendiagnostik
• Nennen Sie die Anwendungsgebiete der Plasmadiagnostik ▪ Bestimmung der Plasmaparameter▪ Modellverifikation▪ Regelung von Prozessen▪ Monitoring / Prozessüberwachung▪ Bestimmung des Einflusses von Prozessparametern auf Plasmaparameter
• Nennen Sie das Prinzip und die Vorgehensweise einer OES-Messung Spektrale Zerlegung von Licht(Wellenlänge λ)▪ Beugung am Gitter▪ In modernen Spektrographentypischerweise CCD-Chip stattAusgangsspalt
• Welche Plasmaparameter lassen sich durch die OES bestimmen? Aus dem Emissionsspektrum bestimmbare Plasmagrößen▪ Chemische Plasma-zusammensetzung▪ Ionisationsgrad η▪ Elektronentemperatur Te▪ Elektronendichte ne▪ Ionendichte n
• Nennen Sie die Einschränkungen der Massenspektroskopie ▪ Nur geladene Teilchen können detektiert werden▪ Neutralteilchen müssen nachionisiert werden, um diese detektieren zu können▪ Invasives Messverfahren▪ Evtl. Dissoziation der ursprünglichen Moleküle durch Nachionisation
• Welche Plasmaparameter können mit einem energiedispersen Massenspektrometer bestimmt werden? Bestimmbare Kenngrößen▪ Chemische Plasma-zusammensetzung▪ Partialdrücke der einzelnen Spezies▪ Ionisationsgrad η▪ Energieverteilung der Ionen
• Nennen Sie das Funktionsprinzip der Langmuirsondenmessung. Auswertung der Strom-Spannungs-Kennlinie des Plasmas
• Welche Plasmaparameter sind mit der Langmuirsondendiagnostik bestimmbar? ▪ Floatingpotential Φf▪ Plasmapotential Φp▪ Elektronendichte ne▪ Elektronentemperatur Te▪ Elektronenenergieverteilungsfunktion (EEDF) f(E)
• Nennen Sie Vor- und Nachteile der Langmuirsondenmessung + Lokal aufgelöste Messung möglich+ Sehr schnelle Messung- Invasives Verfahren
• Was wird bei einer thermochemischen Diffusionsbehandlung verändert? Bei einer thermochemischen Diffusionsbehandlung wird die chemische Zusammensetzung derRandschicht verändert
• Welche Umgebungsmedien werden für thermochemische Diffusionsprozesse genutzt und wozu werden diese benötigt? ▪ Pulver (feste Phase)▪ Flüssigkeiten▪ Gase➢ Umgebungsmedium stellt für Randschichtdiffusion notwendige Elemente zur Verfügung
• In welchen Temperaturbereichen finden die thermochemischen Diffusionsprozesse statt? T = 320-1150°C
• In welche zwei Kategorien können thermochemische Diffusionsverfahren unterteilt werden? ▪ Mit Wärmebehandlung▪ Ohne Wärmebehandlung
• Wann wird eine Wärmebehandlung notwendig? ▪ Temperaturen während der Diffusionsprozesse zu hoch➢ Gefügeveränderungen im Grundwerkstoff
• Was kann durch die Wärmebehandlung im Anschluss an den Diffusionsprozess erreicht werden? ▪ Gewünschten Gefügezustand des Grundwerkstoffs wieder einstellen
• Welche thermochemischen Diffusionsverfahren ohne nachfolgende Wärmebehandlung gibt es ? - Chromieren - Borieren - Nitrieren
• Nennen Sie die wichtigsten Prozessschritte von thermochemischen Diffusionsverfahren. ▪ Substrat wird Atmosphäre (Umgebungsmedium) ausgesetzt, welche Diffusionsmaterial enthält➢ Material wird aufgebracht▪ Eindiffusion bei hohen Temperaturen▪ Nachfolgende Wärmebehandlung (optional)
• Durch welche Einflussgrößen wird die Diffusionsgeschwindigkeit im Prozess bestimmt? ▪ Temperatur und Druck▪ Konzentrationsgradienten▪ Diffusionskoeffizienten (Material)
• Nennen Sie einen Vorteil der thermochemischen Diffusionsverfahren beim Härten von Oberflächen ▪ Hohe Maßhaltigkeit der Bauteile
• Welche Eigenschaften sollte die Randzone eines Bauteils besitzen, welche durch eine abrasive Beanspruchung belastet wird? ▪ Hohe Härte▪ Ausreichende Zähigkeit
• Welche Eigenschaften sollte die Randzone eines Bauteils besitzen, durch die Adhäsion im Reibkontakt mit einem Reibpartner reduziert wird? ▪ Artfremde Randschicht auf dem Bauteil applizieren.▪ Randzone mit geringer Reaktionsneigung gegenüber dem Reibpartner erzeugen.
• Welche Reaktionsabläufe bei thermochemischen Diffusionsverfahren gibt es? ▪ Transport der Reaktanzenan die Werkstoffoberfläche▪ Adsorption an der Oberfläche▪ Durchdringung der Oberfläche(Absorption)▪ Diffusion in das Werkstoffinnere
• Wovon sind Diffusionsvorgänge abhängig? Entscheidend ist:▪ Atomradius▪ Konzentration▪ Temperatur▪ Zeit
• Was ist das Ziel des Carburierens bzw. Einsatzhärtens? Steigerung der Härte und Festigkeit von Bauteilen und Werkzeugen aus Stahl
• Wie hoch ist die Randhärte? Randhärte ~ 700 - 800 HV
• Welche Verfahrensvariationen gibt es und wie hoch sind die Schichtdicken pro Stunde? ▪ Verfahrensvarianten: − Pulveraufkohlen 0,15 mm/h − Gasaufkohlen 0,4 mm/h − Salzbadaufkohlen 0,23 mm/h
• Aus welchen Verfahrensschritten setzt sich das Carburieren, auch Einsatzhärten genannt, zusammen? Aufkohlen (=Einsetzen): Einbringen des Werkstücks in eine kohlenstoffhaltige Atmosphäre mitkonstanter Zusammensetzung, sowie Eindiffundieren von C in das Werkstück bei hohenTemperaturen.▪ Härten: Anschließende Abschreckung des aufgekohlten Bauteils in Wasser oder Öl, um dieUmwandlung der Gitterstrukturen zu erreichen.▪ Anlassbehandlung zum Abbau der höchsten Spannungen im Gefüge
• Nennen Sie typische Temperaturbereiche des Einsatzhärtens? 850 - 970°C
• Auf welcher Gitterumwandlung beruht das Einsatzhärten? kfz --> krz ????????
• Nennen Sie drei Vorteile, die das Einsatzhärten bietet. ▪ Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (Festigkeitssteigerung und Erhöhung derDruckeigenspannungen)▪ Erhöhter Verschleißwiderstand▪ Robustes Verfahren▪ Lokale Härtung von einzelnen Bereichen durch Abdeckung möglich
• In welchen Medien kann das Abkühlen bzw. Abschrecken beim Einsatzhärten laut DIN 17210 stattfinden? ▪ Abkühlen: Wasser, Öl, Luft▪ Abschrecken: Wasser und Öl
• Was sind die beiden Ziele des Nitrierens? Ziel 1: Steigerung der Härte, Verbesserung der Dauerfestigkeit und Wechselfestigkeitbei Ti-Legierungen und StählenZiel 2: Steigerung der Korrosionsbeständigkeit bei niedriglegierten Stählen
• Wie hoch ist die Randhärte bei legierten Stählen? Randhärte ~ 1.300 HV bei legierten Stählen (Ausscheidungs- und Mischkristallhärtung)
• Welche Werkstoffe werden typischerweise nitriert? - Titan-Werkstoffe, alle Stähle, Gusseisen▪ Niedriglegierte (Nitrier-) Stähle mit Al, V, Mo, außerdem Cr, Mn, W
• Welche Verfahrensvariationen gibt es beim Nitrieren? - Salzbadnitireren - Gasnitrieren - Plamanitrieren - Pluvernitrieren
• Ist beim Nitrieren ein Abschrecken notwendig? Was wäre ein Nachteil des Abschreckens? ▪ Kein Abschrecken wie beim Einsatzhärten notwendig --> Potenzielle Rissbildung
• Wie hoch sind die Nitrierzeiten bei niedrigen Temperaturen? ▪ Bei niedrigen Temperaturen sehr lange Nitrierzeiten t = 40 - 90 h
• Wie heißen die entstandenen Zonen nach dem Nitrieren? Wie dick sind diese? Von Oberfläche in das Material hinein:Porensaumporöse ε-Phase wird meist entfernt▪ Verbindungszoneca. 25 μm dick aus γ‘-Nitriden,▪ Diffusionszone100 – 800 μm dick mit interstitielleingelagerten N-Atomen
• Was passiert bei langsamer und schneller Abkühlung beim Nitrieren?  bei langsamer Abkühlung erfolgt nahezuvollständige Ausscheidung γ‘-Nitriden bei schneller Abkühlung liegt ein an Nübersättigter Ferrit MK vor, mit sehr feinensubmirkoskopischen α‘‘-Nitride
• Wie hoch sind die Temperaturen während des Nitrierprozesses? Was bieten diese Temperaturen im Vergleich zum Einsatzhärten für einen Vorteil? - Nitriertemperaturen bei T = 350 – 600 °C - Bei geringeren Temperaturen muss nicht abgeschreckt werden ???????
• Nennen Sie drei Vorteile des Nitrierens? ▪ Sehr hohe Härten erreichbar▪ Keine Abschreckung des Materials notwendig, Rissbildung am Bauteil wird vermieden▪ Preiswertes Verfahren
• Aus welchen Effekten resultiert die Härtesteigerung beim Nitrieren? ▪ Ausscheidungshärtung: Bildung von Nitriden▪ Mischkristallhärtung: Lösung des Stickstoffs im Eisen-MK
• Welche Aufgabe hat die Glimmentladung physikalisch beim Plasmanitrieren? ▪ Glimmentladung dissoziiert und ionisiertden Stickstoff
• Wie hoch ist die Schichteindringtiefe einer plasma- und gasnitrierten Schicht? Schichteindringtiefen:▪ Gasnitrierte Schichten 100 – 800 μm▪ Plasmanitrierte Schichten 30 – 300 μm
• Was kann durch das Pulsen beim Nitrieren erreicht werden? Die Energieeinbringung während des Prozesses kann reduziert werden. Mit der Senkung desEnergieeintrags geht gleichzeitig eine Homogenisierung der Temperaturverteilung in der Chargeeinher.
• Nennen Sie die wichtigsten Zonen eines nitrierten Bauteils. ▪ Grundgefüge▪ Diffusionsschicht▪ Verbindungsschicht

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