Materialwissenschaften (Subject) / Verfahren der Oberflächentechnik (Lesson)

Verfahren der Oberflächentechnik

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• Nennen Sie die wichtigsten mechanischen Eigenschaften der zwei-lagigen Randzone die während des Nitrierens entstehen. ▪ Diffusionszone: hohe Festigkeit▪ Verbindungsschicht: guter Korrosions- und Verschleißschutz
• Was sind typische Vor-und Nachteile der Plasmaverfahren? Vorteile:▪ Partielle Behandlungen möglich▪ Sehr gute Optimierungsmöglichkeiten des Schichtaufbaus hinsichtlich der Beanspruchung.- dünne Verbindungsschichten bei großer Nitrierhärtetiefe- verbindungsschichtfreies Nitrieren▪ Sehr gute Reproduzierbarkeit und enge Toleranzen im Behandlungsergebnis▪ Umweltfreundlichkeit▪ Größere Vielfalt an nitrierbaren Werkstoffen▪ Geringere Rauheiten im Vergleich zur Behandlung im Salzbad und Gas▪ Kompakte, dichte VerbindungsschichtenNachteile:▪ Plasmaprozesse erfordern, bis auf wenige Ausnahmen, ein definiertes Chargierender zu behandelnden Teile.▪ Da das Plasma nicht in Spalte kleiner 0,6 - 0,8 mm eindringt, ist die Behandlung von Schüttgutnicht möglich.
• Was versteht man unter einem Duplexverfahren beim Plasmanitrieren? Kombinierter Prozess: Plasmanitrieren und anschließend PVD- oder PECVD Beschichtung
• Was passiert bei Nitrocarburieren bzw. Carbonitrieren? Welche Werkstoffe werden damit behandelt? ▪ Gasverfahren:Ammoniak und Kohlenwasserstoffe bei 600°C▪ Badverfahren:Cyanide oder Cyanate mit Luftsauerstoff zersetzt + CO und N2 bei 750°C – 900°C - Werkstoffe: niedriglegierte Stähle
• Wie dick ist die Verbindungsschicht und die Diffusionsschicht beim Nitrocarburieren? ▪ Verbindungsschicht 15 μm aus ε-Carbonitrid darunter 1 mm Diffusionszone
• Nitrocarburieren: Wie lang ist die Behandlungszeit? Wie wird abgeschreckt und was für Phasen entstehen in den Schichten? ▪ Behandlungszeit t < 10 h, häufig 2 - 3 h anschließend abschrecken▪ Durch Abschrecken in Öl oder Wasser--> martensitische Diffusionszone unter der ε-Verbindungsschicht
• Welche zwei Verfahren des Nitrocarburierens werden unterschieden und bei welchen Prozesstemperarturen finden diese statt? ▪ Gasverfahren:Ammoniak und Kohlenwasserstoffe bei 600°C▪ Badverfahren:Cyanide oder Cyanate mit Luftsauerstoff zersetzt + CO und N2 bei 750°C – 900°C
• Welchen Nachteil besitzen Carbonitridschichten? ▪ Vergrößerung der Bauteilmaße➢ Nachbehandlung sollte unterlassen werden, damit Verbindungschichten intakt bleibt und derSchutz gegen Adhäsion und Abrasion gewährleistet
• Was ist das Ziel des Borierens? Ziel: Sehr hohe Härtewerte führen zu gutem abrasivem Verschleißschutz
• Borieren: Wie hoch ist die Randhärte bei legierten Stählen? ▪ Stahl: ~ 1.600 – 2.000 HV
• Welche Werkstoffe werden typischerweise boriert? ▪ Stähle, Ni-Basis-Legierungen, Titan
• Welche Verfahrensvariationen gibt es beim Borieren? ▪ Gas-, Pulver-, Paste- und Badverfahren
• Wie hoch sind die typischen Temperaturen während des Borierens? ▪ Prozesstemperatur zwischenT = 800 – 1.050 °C
• Wie hoch sind die üblichen Behandlungszeiten eines Borierprozesses? ▪ Behandlungszeiten ca. tB = 1 - 12 h
• Warum werden borierte Oberflächen bei Presstempeln in der Glasflaschenproduktion eingesetzt? ▪ Anhaften der heißen Glasmasse am Pressstempel wird durch borierte Oberfläche verhindert
• Welche Eigenschaften besitzen borierte Bauteile? ▪ Sehr hohe Härte▪ Geringe Kaltschweißneigung▪ Gute Temperaturbeständigkeit▪ Hohe Warmhärte
• Wie sieht der Schichtaufbau nach dem Borieren aus? Von Oberfläche in das Material hinein: - FeB-Schicht - Fe2B-Schicht - Diffusionsschicht - Grundwerkstoff Gute Verzahnung der Boridschicht mit demGrundwerkstoff über Diffusionszone: Gefügemit fein verteilten globularen Boriden ()
• Wovon sind beim Borieren Schichtdicken und –härten abhängig? Schichtdicken und –härten sind abhängig vom▪ Werkstoff▪ Behandlungsdauer▪ Behandlungstemperatur
• Was ist das Ziel des Chromieren? Ziel: Steigerung derKorrosionsbeständigkeit und desVerschleissschutzes von Stählen
• Welche Werkstoffe werden typischerweise chromiert? ▪ Stähle und hochwarmfeste Werkstoffe,meist austenitische Stähle
• Welche Verfahrensvariationen gibt es beim Chromieren? ▪ Gasphasenverfahren undPulververfahren
• Welche Gefahr birgt der Chromier- Prozess? Verzugsgefahr beim Prozess
• Wie hoch ist die Randhärte beim Chromieren (Steigerung der Veschleißbeständigkeit)? Wie hoch ist die Schichtdicke? ▪ Härten von 1.400 bis 2.000 HV0,2 erreichbar ▪ Bis zu s = 50 μm dicke chromhaltige Schichten
• Chromieren: Welche Schichten entstehen in der Randschicht? ▪ Chrom bildet an der Oberfläche eine schützende stabile Cr2O3-Schicht ▪ Bei kohlenstoffreichen Stählen (C > 0,45 Gew.-%) bildet sichChromcarbid (Cr,Fe)7C3 und auch (Cr,Fe)23C6 in der Randschicht
• Welcher Effekt wird beim Chromieren ausgenutzt, um die Festigkeit einer Legierung zu steigern? Mischkristallbildung
• Bis zu welcher Temperatur bietet das Chromieren Korrosionsschutz bei hoher Temperatur (Stahlsubstrat, Ni- bzw. Co-Basis-Legierung)? ▪ Oxidationsschutz bis T = 800 °C auf Stahlsubstraten,Oxidations- und Korrosionsschutz bis T = 850 °C auf Ni- bzw. Co-Basis-Legierungen
• Wie hoch ist die Schichtdicke nach dem Chromieren für auf Stahlsubstraten und Ni- Werkstoffen? ▪ Auf Nickel-Werkstoffen bilden sich chromhaltige Schichten miteiner Dicke von s = 25 - 100 μm, auf Stahlwerkstoffen s > 100 μm
• Was versteht man ganz allgemein unter Alitieren? ▪ Anreicherung von Aluminium in der Randzone von Metallen
• Was ist das Ziel des Alitieren? Ziel: Korrosionsschutz (Oxidation und Heißgaskorrosion) bei hohen Temperaturen
• Welche Werkstoffe werden typischerweise alitiert? ▪ Stahl oder hochwarmfeste Ni- bzw. Co-Basis-Legierungen
• Alitieren: Welche Verfahrensvariationen gibt es? ▪ Gasphasenverfahren und Pulververfahren möglich
• Was passiert bei einem hohen Aluminiumanteil? ▪ hoher Aluminiumanteil führt zur Bildung von Al2O3 in oxidierender Atmosphäre
• Durch welchen Mechanismus erhalten alitierte Bauteile eine höher Beständigkeit in aggressiven Umgebungen bei höheren Temperaturen? ▪ Bildung einer Passivierungsschicht aus Al2O3 auf der Oberfläche
• In welche drei Phasen kann das Alitieren unterteilt werden? ▪ Abscheidung von Aluminium auf der Oberfläche des Werkstücks▪ Diffusion von Aluminium in das Bauteil (Low Temperature Process) bzw. Diffusion desGrundwerkstoffs in den Schichtwerkstoff (High Temperature Process)▪ Reaktion des Aluminiums mit dem Grundwerkstoff unter Bildung der intermetallischen Phase NiAlund CoAl
• Wo ist der Unterschied zwischen einem Low Temperature Process und einem High Temperature Process? - Low Temperature Process: Aluminium diffundiert in das Bauteil; hohe Al- Aktivität▪ High Temperature Process : Diffusion des Grundwerkstoffs in den Schichtwerkstoff; niedrigeAl-Aktivität
• Was sind die Unterschiede des Alitierens mit hoher und niedriger Al-Aktivität? Hohe Al-Aktivität: Niedrige Al-Aktivität: Unterscheidung zwischen zwei Verfahren:Hohe Al-Aktivität:▪ Aluminium diffundiert hauptsächlich ins Substrat▪ Werkstoff nimmt an Volumen zu▪ Aluminiumreiche Oberfläche ist spröde und muss wärmebehandeltwerde, um Sprödigkeit abzubauen▪ Negativer Einfluss auf die Hochtemperaturfestigkeit Niedrige Al-Aktivität:▪ Legierungselemente aus dem Substrat diffundierennach außen und reagieren mit dem Aluminium▪ Schichtbildung▪ Gute Hochtemperaturfestigkeit
• Was für Phasen entstehen beim Alitieren als Korrosionsschutz bei Turbinenschaufeln aus Ni- Basis-Legierungen? Wie hoch ist der Schmelzpunkt in der β-Phase? ▪ Bildung von Nickelaluminid in der Randschicht beim Alitieren: NiAl, Ni3Al, Ni2Al3▪ Schmelzpunkt β-NiAl: T=1.650 °C
• Was bildet Al im Einsatz an der Oberfläche? ▪ Im Einsatz bildet Al an der Oberfläche stabiles Al2O3, NiAl Randschicht besitzt Nickelüberschuss
• Alitieren: Gegen welche Art von Gasen ist das Schutzschichtsystem auch resistent? Schichtsystem bietet guten Schutz gegen Hochtemperaturkorrosion auch bei schwefelhaltigenVerbrennungsgasen
• Was sind typische Anwendungsgebiete für das Alitieren? ▪ Chemische, petrochemische Industrie, Diffusionsschutzschichten etc
• Was ist das Ziel des Silizieren? Ziel: Steigerung der Korrosionsbeständigkeit gegen Säuren
• Welche Werkstoffe werden typischerweise siliziert? ▪ Niedrig legierte Stähle, Titan- und Molybdän-Legierungen
• Silizieren: Welche Dicke weist die Diffusionsschicht auf? ▪ s = 100 – 250 μm dicke Diffusionsschicht möglich
• Wie wird die versprödete Randschicht nach dem Silizieren behandelt? ▪ Durch Silizieren versprödet die Randschicht --> Wärmenachbehandlung
• Silizieren: Was sind typische Anwendungsgebiete? ▪ Typische Anwendungen sind Pumpenteile, Ventile und Förderbänder
• Welche Vorteile bringt Silizium in der Randschicht bei hohen Temperaturen mit sich? Silizium aus der Randschichtbildet bei hohen Temperatureneine dichte, gut haftendeOxidschicht, die sehr beständiggegen Säuren ist.
• Warum werden Turbinenschaufeln aus Titanaluminid siliziert? Turbinenschaufeln aus Titanaluminidwerden zum Hochtemperaturschutzgegen Oxidation und Heißgaskorrosionsiliziert.
• Nach welcher Art werden PVD-Verfahren unterteilt? ▪ PVD-Verfahren, werden nach Art der Teilchenerzeugung unterteilt- Thermisches Verdampfen- Zerstäuben (Sputtern)
• Wie lauten die 3 Phasen aller PVD-Verfahren? ▪ Alle PVD-Verfahren lassen sich in 3 Phasen unterteilen1. Erzeugung einer Gasphase oder eines Plasmas2. Teilchentransport3. Kondensation, Schichtwachstum
• Wie können innerhalb der PVD-Verfahren Teilchen erzeugt werden? Thermisches Verdampfen: Sputterverfahren: Hybridverfahren: ▪ Thermisches Verdampfen- Elektrischer Strom- Elektronenstrahl- Laserstrahl- Lichtbogen▪ Sputterverfahren- Magnetron Sputtern- Ionenstrahl Sputtern▪ Hybridverfahren- IBAD- ABS

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