Materialwissenschaften (Fach) / Verfahren der Oberflächentechnik (Lektion)

Verfahren der Oberflächentechnik

Diese Lektion wurde von Tobi08151 erstellt.

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• Benennen Sie das Ziel der Oberflächentechnik. Der ingenieurwissenschaftliche Ansatz der Werkstofftechnik beruht auf dem Prinzip,durch Einsatz der 6 Fertigungstechnologien nach DIN 8580 aus einem Material einenWerkstoff für eine konkrete, technische Anwendung herzustellen.
• Wodurch ist eine Phase charakterisiert? Jede Phase ist charakterisiert durch ihre chemische Zusammensetzung, die daraus resultierenden atomaren Wechselwirkungen und das sich daraus ergebende Potential.
• Wovon sind die Wechselwirkungen zwischen Phasen abhängig? Zwischen zwei Phasen kommt es an der Phasengrenze zu Wechselwirkung aufgrund unterschiedlicher Potentiale der Phasen. Phasengrenzreaktionen sind abhängig von den Umgebungsbedingungen.
• Nennen Sie die typischen Eigenschaften der Metallbindungen ▪ keine Vorzugsrichtung in der Bindung▪ Metallkristalle sind dicht gepackt (dichteste Kugelpackung krz, kfz)▪ gute elektrische Leitfähigkeit▪ hohe Wärmeleitfähigkeit▪ hohe plastische und elastische Verformbarkeit
• Beschreiben Sie die Ionenbindung. Ein Elektron wird an ein anderes Atom abgegeben.Die Atome erreichen dadurch eine Edelgaskonfiguration.Bindung entsteht durch kugelsymmetrische, elektrostatische Anziehung.Voraussetzung: Unterschiedliche Atomarten
• Nennen Sie die typischen Eigenschaften der Ionenbindung. ▪ keine Vorzugsrichtung in der Bindung▪ Ionenkristalle sind dicht gepackt▪ Reine Ionenkristalle haben keine elektrische Leitfähigkeit (isolierend)
• Beschreiben Sie die kovalente Bindung. Erhöhte Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen zwischen den Atomen.Atome „teilen“ sich die Elektronen („Elektronenpaarbindung“) und erreichendadurch Edelgaskonfiguration (geringe Beweglichkeit der Elektronen). typisch für Diamant, viele keramische Stoffe, Halbleiter Beispiel: Silizium
• Nennen Sie die typischen Eigenschaften einer kovalenten Bindung. ▪ ausgeprägte Bindungsrichtungen▪ hohe Bindungsenergie:feste Bindung, geringe Duktilität, spröde▪ geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit (Ausnahme Diamant)
• Beschreiben Sie die Van der Waals‘sche Bindung. Bindungen beruhen auf schwachen Wechselwirkungen zwischen elektrischen Dipolen(räumliche Trennung von positiven und negativen Ladungen im Atom).Beispiel: Wasser
• Nennen Sie die typischen Eigenschaften der Van der Waals‘schen Bindungen. ▪ relativ kleine Bindungsenergien(niedriger Schmelzpunkt)▪ schlechte elektrische Leiter
• Was besagt die spezifische Oberflächenenergie / Oberflächenspannung? Die spezifische Oberflächenenergie σ wird in [J/m²] oder [N/m] angegeben.▪ Die spezifische Oberflächenenergie σ wird auch Oberflächenspannung genannt.▪ Sie entspricht der reversiblen Arbeit, die benötigt wird, um ein Molekül aus deminneren einer Flüssigkeit an die Oberfläche zu befördern.Dabei wird die Oberfläche der Flüssigkeit vergrößert.
• Wie ist die gemittelte Rautiefe Rz definiert? Gemittelte Rautiefe Rz: Mittelwert aus den Einzelrautiefen (Rz1 … Rz5)fünf aufeinander folgender Einzelmessstrecken le Rz= 0,2*(Rz1+Rz2+Rz3+Rz3+Rz4+Rz5)
• Wie ist der arithmetische Mittenrauwert Ra definiert? Mittenrauwert Ra: arithmetischer Mittelwert aller Abweichungen des Rauheitsprofils Rvon der mittleren Bezugslinie innerhalb der Messstrecke lm
• Was beschreibt die Young‘sche Gleichung? Kräftegleichgewicht an der 3-Phasengrenze fest- flüssig-gasförmig σsv = σsl + σlv · cos β β: Kontaktwinkelσsv: Oberflächenspannung solid/vapourσsl: Grenzflächenspannung solid/liquidσlv: Oberflächenspannung liquid/vapour
• Wie ist der Begriff Spreiten definiert? Spreiten ist die vollständige Benetzung einer Festkörperoberfläche durch eine Flüssigkeit.Wechselwirkung zwischen Festkörper und Flüssigkeit (Adhäsionsenergie WA) istgrößer als zwischen den Teilchen der Flüssigkeit (Kohäsionsenergie WK). Spreitungskoeffizient S:S = WA – WKS = σsv – (σsl + σlv)Je größer S, desto bessert die Benetzung.
• Nennen Sie Beispiele aus der Natur, die Vorbild für technische Oberflächen dienen. - Lotusblätter - Haihaut
• Welche Funktionen können technische Oberfläche erfüllen? Werkstoffeigenschaften▪ chemische▪ physikalische▪ mechanische Barrierewirkung▪ Licht▪ elektrischer Strom▪ elektromagnetische Wellen▪ Wärme▪ Diffusion▪ Korrosion▪ Verschleiß Funktionsschichten▪ Informationsspeicher▪ elektrische Stromleiter▪ Energiegewinnung Oberflächeneigenschaften▪ Benetzung▪ Reibung▪ Haftung▪ Dekoration▪ Haptik
• Wie sind die betriebsbedingten Zerstörungsarten unterteilt? VerschleißschutzReibminderungKorrosionsschutzWärmedämmung
• Nennen Sie jeweils drei Beispiele für Schicht-, Verbund- und Systemeigenschaften. Schichteigenschaften▪ chemische Zusammensetzung▪ Phasenstruktur▪ Morphologie▪ Porosität▪ Schichtdicke▪ Duktilität▪ Zähigkeit▪ Elastizitätsmodul▪ thermische Leitfähigkeit▪ elektrische Leitfähigkeit Verbundeigenschaften▪ Ausbildung des Interface▪ Einfluss der Vorbehandlung auf das Interface▪ Haftung▪ Werkstoffkompatibilität▪ Stützwirkung des Grundwerkstoffs▪ Einfluss des Grundwerkstoffsauf die Schichtbildung▪ Einfluss des Beschichtungsprozessesauf den Grundwerkstoff▪ Verbundfestigkeit bzgl.Zug, Druck, Torsion, Biegung, Temperatur Systemeigenschaften▪ Korrosionsbeständigkeit- chemische- elektrochemische- metallphysikalische▪ Verschleißbeständigkeit- Abrasion- Adhäsion- Oberflächenzerrüttung- tribochemische Reaktion▪ Reibeigenschaften▪ Benetzungseigenschaften▪ Permeabilität
• Nach DIN 8580 gibt es 6 Hauptgruppen der Fertigungsverfahren. Nennen Sie diese. 1. Urformen (Zusammenhalt schaffen)Gießen, Sintern und elektrolytische Abscheidung (Aufbautechnik) …2. Umformen (Zusammenhalt beibehalten)Schmieden, Eindrücken, Walzen, Strangpressen, Falten, Sicken, Bördeln, Richten, Biegen, …3. Trennen (Zusammenhalt vermindern)Sägen, Feilen, Reiben, Stoßen, Drehen, Fräsen, Bohren, Läppen, Hobeln, Honen, Räumen,Schleifen, sowie thermisches Trennen, Scheren, Schneiden oder Elektroerodieren, …4. Fügen (Zusammenhalt vermehren)Montage, Verschrauben, Nieten, Clinchen, Schweißen, Kleben, Löten, …5. Beschichten (Zusammenhalt vermehren)Lackieren, elektrolytische Abscheidung, PVD, CVD, Thermisches Spritzen,Schmelztauchverfahren, Auftragschweißen, Auftraglöten, Plattieren, …6. Stoffeigenschaften ändernWärmebehandeln, Härten, Glühen, …
• Nennen Sie drei Anwendungsbeispiele für dünne Beschichtungen im Bereich des Verschleißschutzes. - Solarzellen - Motorzylinder
• Nennen Sie drei Anwendungsbeispiele für dünne Beschichtungen im Bereich der optischen Technologien. - Kamera - CD/DVD - Schutzbrillen
• Nennen Sie drei Anwendungsbeispiele für dünne Beschichtungen im Bereich der Elektronik - Smartphone  - TV - Platinen
• Nennen Sie drei Anwendungsbeispiele für dünne Beschichtungen im Bereich des Diffusions- und Korrosionsschutzes. - Verpackungen - Aludosen - Turbinen
• Nennen Sie drei Anwendungsbeispiele für dünne Beschichtungen im Bereich der Dekoration. - Wasserhähne - Brillen - Uhren (Schmuck) 
• Was versteht man unter dem Begriff “Galvanotechnik“ ? 1. Galvanik: Elektrochemische Metallabscheidung mit AußenstromElektronen werden durch eine externe Stromquelle zur Verfügung gestellt.2. Chemische Metallabscheidung: Außenstromlose MetallabscheidungElektronen werden durch Potentialgefälle zwischen den Metallen erzeugt oderElektronen werden durch ein Reduktionsmittel im Elektrolyten bereitgestellt
• Nennen Sie typische Einsatzgebiete der galvanischen Schichten.  dekorative Schichten Korrosionsschutzschichten Verschleißschutzschichten elektrische Kontaktierungen
• Was ist eine Elektrode und ein Elektrolyt? Eine Elektrode ist ein Elektronenleiter (z.B. Metall, Graphit) eingetaucht in einen Elektrolyten. Ein Elektrolyt ist ein Ionenleiter, aber kein Elektronenleiter (z.B. Wasser, Säuren, Basen).
• Was ist die Triebkraft einer elektrochemischen Reaktion? Das Bestreben der Reaktanden einen thermodynamisch stabileren Zustand einzunehmenverursacht die Reaktion, durch die ein Ausgleich von Potentialunterschieden erreichtwird.
• Was beschreibt das Faraday´s Gesetz? Nach Faraday sind die abgeschiedene Metallmasse Δm [g] unddie transportierte Ladung Q [A·s] zueinander proportional.Faraday’sches Gesetz: Δ m = (M*Q)/(z*F) z: Ladungszahl des TeilchensF: Faraday‘sche KonstanteM: Atommasse des abgeschiedenen Metalls
• Was kann beim Schichtwachstum über die Stromzufuhr beeinflusst werden? Die Geschwindigkeit, Keimbildung, Morphologie und Zusammensetzung können über dieStromzufuhr eingestellt werden.
• Welche Vorteile haben die gepulsten Prozesse? Durch abwechselndes Schalten des Stroms in den kathodischen oder den anodischenBereich wird die Schicht periodisch abgeschieden. Dadurch können Mehrlagenschichtenmit unterschiedlichen Eigenschaften und gradierte Schichten abgeschiedenen werden.
• Was sind die Prozessmerkmale bei der Abscheidung mit unlöslicher Anode? Nebenreaktionen führen zu gasförmigen Nebenprodukten an der Anode Badzusammensetzung verändert sich: - Lösung verarmt an Metallsulfat - Konzentration an Schwefelsäure nimmt zu
• Was sind die Voraussetzungen für eine galvanische Metallabscheidung? Werkstück muss elektrisch leitfähig sein oder leitend gemacht werden Galvanisiergerechte Konstruktion
• Was muss gemacht werden, wenn der Schichtwerkstoff unedler als der Substratwerkstoff ist? Wird vor Einbringen der Werkstücke in den Elektrolyten der Stromkreis geschlossen, um zu verhindern, dass sich die Werkstücke mit Kontakt zum Elektrolyten anodische auflösen und der Elektrolyt verunreinigt wird.
• Was für eine Folge haben die Feldspitzen an Kanten- und Ecken? an den Kanten -> Schicht dicker an Ecken -> dünnere Schicht
• Nennen Sie typische Prozessschritte bei einer galvanischen Metallabscheidung.  Reinigen Entfetten Beizen / Ätzen / chemisch aktivieren Vorbeschichten (teilweise außenstromlos) Beschichten (evtl. mehrere Schichten) Spülen Trocknen Nachbehandlung
• Was ist die Voraussetzung zur Bildung einer Schicht beim Ionenaustauschverfahren? Wann stoppt die Abscheidung? - Nur in schwach angreifenden Atmosphären einsetzbar z.B. trockene Räume, Innenseiten von Geräten - Vorliegen von edleren Metallionen (Cu2+) im Elektrolyten  Abscheidung stoppt wenn Werkstück vollständig bedeckt ist
• Welche Metallüberzüge werden typischerweise durch Ionenaustauschverfahren hergestellt? Wie dick sind die Schichten üblicherweise? Nennen Sie vier Einsatzgebiete der Überzüge. Kupfer, Zinn, Nickel, Silber 1-300 µm - Dekoration - Elektrotechnik - Korrosionsschutz - Schmierschichtenbildung mit Kupfer
• Was ist der Vorteil des Ionenaustauschverfahren? Alle Oberflächen werden gleichmäßig beschichtet
• Wie beeinflusst die Temperatur die Abscheidegeschwindigkeit bei dem Ionenaustauschverfahren? Wenn T steigt, steigt die Abscheidegeschwindigkeit
• Sind die durch das Ionenaustauschverfahren hergestellten Überzüge auch für Korrosionsschutz geeignet? Ja
• Wie wird ein metallisches Werkstück, das nicht unedel genug ist, außenstromlos beschichtet? Kontaktverfahren
• Wann stoppt die Abscheidung bei einem Kontakverfahren? Abscheidung stoppt, sobald Werkstück bedeckt ist
• Was sind die Prozessmerkmale des Reduktionsverfahrens? Welche Überzüge werden typisch dadurch hergestellt? ▪ Reduktionsmittel werden zur Reduktion der Metallionen verwendet.▪ Oberfläche des Werkstücks muss „katalytisch aktiv“ sein.▪ Der Überzug ist ebenfalls katalytisch.▪ Während der Reduktion setzt heftige Wasserstoffentwicklung ein.▪ Die Elektrolyte müssen mit Salzen kontinuierlich angereichert werden.▪ Gleichmäßiger Schichtdicke auch bei komplizierten Geometrien.Typische Überzüge sind aus Nickel, Kupfer, Silber und Gold.
• Warum werden Hartchromschichten häufig zum Verschleißschutz verwendet? Hartchromschichten sind mit Härtewerten von 800-1000 HV sehr hart, und damitverschleißfest. Zusätzlich weisen sie einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf. Daherwerden sie zum Verschleißschutz eingesetzt.
• Warum wird den Korrosionsschutz von Hartchromschichten durch eine Zwischenschicht verbessert? Da die Mikrorisse in Hartchromschichten den Zugang des Korrosionsmediums zumSubstrat begünstigen und eine dichte Zwischenschicht das behindern kann, verbessertdie Zwischenschicht den Korrosionsschutz
• Werden Hartchromschichten außenstromlos hergestellt? Was wird typisch als Chromionenträger in Elektrolyten zur Verchromung verwendet? Nein. H2CrO4 wird typisch als Chromionenträger verwendet
• Wodurch unterscheidet sich eine Hartchromschicht von einer dekorativen Chromschicht? Durch die Schichtdicke. Die dekorativen Chromschichten sind weniger als 1 μm dick.
• Warum ist der Wirkungsgrad bei einer Hartchromabscheidung gering? Weil viel Energie für die Nebenreaktion zur Wasserstoffbildung verbraucht wird.

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