Materialwissenschaften (Fach) / Verfahren der Oberflächentechnik (Lektion)

Diese Lektion wurde von Tobi08151 erstellt.

Lektion lernen

zurück  |  weiter 8 / 9

• Was sind Anforderungen an Aktivlote? ▪ Gute Benetzung der Keramik▪ Hohe Duktilität▪ Möglichst niedrige Löttemperatur▪ Möglichst feste und zähe Verbindungen herstellbar
• Welche Benetzungsmechanismen laufen beim Aktivlöten ab? 1. Verstärkte Diffusion des im Aktivlot enthaltenen Aktivmetalls an die Keramikfügefläche2. Chemischen Reaktion des Aktivmetalls mit dem keramischen Substratz.B.: 2 Al2O3 + 3 Ti  4 Al + 3 TiO23. Die Reaktionsschicht besitzt höheren Anteil an metallischen Bindungen undermöglicht damit die Benetzung durch das metallische Lot.
• Was sind Charakteristika des Reactive Air Brazings? ▪ Lötprozess an Luft um T=1.000 °C▪ Lote auf Edelmetall-Metall(oxid)-Basis▪ Standard: Ag-CuO; Zugabe von Ti▪ in-situ-Bildung des Metalloxids während des Lötzyklus▪ Begünstigte Benetzung der Keramik
• Zu welchem Zweck werden Beschichtungen auf Bauteile aufgetragen? Beschichtungen dienen oft dem Schutz der Oberflächen, z.B. gegen▪ Verschleiß (z. B. Abrasion: harte Teilchen dringen in Körper ein → Materialabtrag)▪ Korrosion (z. B. elektrochemische Reaktion → Auflösen des Werkstoffes)
• Welche Aspekte spielen bei der Wahl einer geeigneten Beschichtung eine Rolle? ▪ Auswahl der Verfahren abhängig von Verschleißart und der notwendigen Schichtdicke▪ Schichtdicke: μm bis einige mm▪ Werkstoffe: Metalle, Keramiken, Verbundwerkstoffe
• Was sind die Bestandteile einer Lotsuspension zum Auftraglöten? Herstellung von Suspensionen1. Hartstoffe (z.B. Cr3C2, WC)2. Lotpulver (z.B. Ni-Basis-Lote Ni102, Ni106)3. organische Bind
• Wie werden die Lotpasten aufgetragen und welchen Vorteil hat das? Auftragung der Suspensiontauchen, pinseln, drucken, sprühen Vorteile: Schichtdicken: sD = 0,05 - (>) 0,8 mm Beschichtung komplexer Teile Beschichtung dünner oder dünnwandiger Teile hervorragende Abriebbeständigkeit nahezu porenfrei < 1%, hoher Hartstoffanteil > 60% (ca. 65 HRC)
• Was sind die Bestandteile der Lottapes? Herstellung von▪ Hartstoffvliesen (z.B. Cr3C2, WC)▪ Hartlotvliesen- 2% organischer Binder- haupts. Nickelbasislote (z.B. NiCrBSiFe)- pressen, walzen- schneidbar, stanzbar
• Wie werden die Lottapes verarbeitet? Durch Pressen und Walzen können variable Tape-dicken bis 3,5 mm erreicht werden. Die Lottapessind schneid- und stanzbar, so dass auch eineBeschichtung komplexer Formen möglich ist, dadas Tape exakt an die Geometrie angepasst werden kann.
• Wie läuft das Auftraglöten mit Lottapes ab? - Aufbringen des Hartstoff- und des Lottapesauf Grundwerkstoff (organ. Kleber)▪ Erwärmung (Schutzgasöfen, Induktion):▪ Verdampfen des organ. Binder→ Porosität im Hartstofftape▪ Lot schmilzt und füllt die Porosität um die Hartstoffpartikel
• Anzeige
• Wie können beschichtete Bauteile bezüglich ihrer Verschleißbeständigkeit getestet werden? Eine Möglichkeit, die Verschleißbeständigkeitzu testen, ist der Metall-Mineral-Verschleißtest.Die auftraggelöteten Proben sind deutlichbeständiger.
• Was muss beim Auftraglöten mit Lottapes zu Reparaturzwecken beachtet werden? Das Auftraglöten mittels Lottapes wird auch zuReparaturzwecken eingesetzt. Nach dem Auflöten der Lottapes muss die Oberfläche nachbearbeitet werden, um den Ausgangszustand einzustellen. Beachtet werden muss, dass das Verhältnis zwischen Lot- und Hartstoffvlies so gewählt wird, dass ein Lotüberschuss vermieden wird, da sonst sowohl Haftung als auch Verschleißeigenschaften negativ beeinflusst werden.
• Welche Probleme können beim Einsatz konventionell hergestellter Hüftimplantate auftreten? ▪ Hohe mechanische Belastungen▪ Große Implantate erfordern großvolumigenKnochenabtrag▪ Metallische Materialkombinationen verursachen Abrieb→ Entzündungen → erneute OP Lösung:Entwicklung eines biokompatiblen Lotes auf Ti-Co-Basis fürkleinere Al2O3-Pfannen (geringere Reibung)
• Welche Anforderungen werden an Hüftimplantate gestellt? ▪ Gute Haftung an der Keramik▪ Gezielte Einstellung der Porosität (gering an der Keramik,hoch am äußeren Rand) → Einwachsen des Knochens▪ Formstabilität der bioaktiven Partikel▪ Biokompatibilität des gesamten Systems
• Wozu dienen CaP-basierte Bioadditive in auftraggelöteten Hüftgelenkspfannen? CaP-basierte Bioadditive behaltenwährend des Lötens ihre Form→ Vermeidung des Kerbeffekts→ Unterstützung desKnochenwachstums Komplexerer Aufbau des Lötguts imInterface zu CaP▪ deutliche Diffusion von P in Lötgut▪ Veränderung des CaP im Interface →kristalline Phase
• Welche Anforderungen werden an Auftragschweißungen gestellt? ▪ geringe Aufmischung▪ Gleichmäßigkeit von Schichtdicke und Einbrand▪ ebene Oberfläche mit geringer Rautiefe ohne Einbrandkerben▪ homogene Schichtbildung▪ Vermeidung von Hartstoffzersetzung und Auflösung von Legierungsbestandteilen▪ Vermeidung von zu hohen Eigenspannungen in der Schicht Grundsätzlich sind alle Schweißverfahren zum Auftragschweißen geeignet
• Welche Zusatzwerkstoffe werden für den Verschleißschutz eingesetzt? ▪ Hartlegierungen auf Ni-, Co-, Fe-Basis▪ Pseudolegierungen
• Welche Zusatzwerkstoffe werden für den Korrosionsschutz eingesetzt? ▪ Ferritische bis martensitische Cr-Stähle▪ Weichmartensitische Cr-Ni-Stähle▪ Austenitisch-ferritische Cr-Ni-Duplex-Stähle▪ Austenitische Cr-Ni-Stähle
• Was zeichnet Pufferschichten aus? ▪ Mehrlagige Schichten mit Eigenschaftsgradienten▪ z.B. Vermeiden von Haftproblemen bei Hartphasenbildung▪ z.B. Anpassen von Wärmeausdehnungskoeffizienten
• Beim Schweißen ist es erforderlich, die heiße Schweißzone gegenüber Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff aus der Atmosphäre zu schützen, um hochqualitative Schichten ohne Poren und Oxide zu erzeugen. Gleichzeitig sollen ggf. vorliegende Hartstoffe nicht zersetzt werden. Wie können die Schweißverfahren nach dem Schutz der Schweißzone eingeteilt werden? ▪ Offene Verfahren: Gasflamme▪ Schutzgasverfahren: MIG, WIG, Plasma▪ Verfahren mit Abdeckung der Schmelze:▪ Elektroschlackeschweißen▪ Unterpulverschweißen
• Wie funktioniert das Flammauftragschweißen? ▪ Kombination aus Gasschmelzschweißen und Flammspritzen▪ Flamme erhitzt und schützt Substrat gegenüber Atmosphäre▪ Schweißzusatz und zusätzliches Pulver (z.B. Hartstoffe) werden (an-)geschmolzen und bilden auf dem Substrateine Schicht
• Was sind Vor- und Nachteile des Flammauftragschweißens? + Unkomplizierte, mobile Technik (Handgeräte)− Geringe Abschmelzleistung (1 kg/h)− Hohe, schlecht kontrollierbare Aufmischung (15 – 30 %)− Nur kleine Flächen beschichtbar
• Wie funktioniert das Metall-Schutz-/Inert-/Aktivgas-Schweißen (MSG/MIG/MAG)? Was sind Vor- und Nachteile? ▪ Lichtbogen schmilzt Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff auf▪ Zusatzstoff wird kontinuierlich als Draht mit variablerGeschwindigkeit zugeführt▪ Gas (MAG: oft CO2 für Stahl, MIG: Argon für NE-Metalle)schützt vor Oxidation und beeinflusst Schweißprozess aktiv + Manueller bis automatisierter Betrieb+ Hohe Abschmelzleistung+ Vielfältig einsetzbar+ Hohe Schichtdicken erreichbar− Hohe Aufmischung (15 – 25 %)− Nur kleine Flächen beschichtbar
• Wie funktioniert das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG)? Was sind Vor- und Nachteile? ▪ Wie MIG-Schweißen ohne abschmelzende Elektrode▪ Unabhängige Zufuhr des Zusatzwerkst + Verschiedenste Werkstoffe durch Einsatzvon Wechsel- bzw. Impulsstrom schweißbar+ Einsparung an Zusatzwerkstoff durchEntkopplung von Strom- und Drahtzufuhr+ Hohe Schweißgüten+ Geeignet für komplexere Geometrien− Geringe Abschmelzleistung (1 kg/h)− Hohe, schlecht kontrollierbare Aufmischung (15 – 30 %)− Nur kleine Flächen beschichtbar
• Wie funktioniert das Plasma-Transferred-Arc-Schweißen? Was sind Vor- und Nachteile? ▪ Ggf. Zündung eines Pilotlichtbogens zwischenWolframelektrode und Cu-Düse▪ Hauptlichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück▪ Lichtbogen schmilzt Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff + Hohe Oberflächengüte+ Geringe Aufmischung+ Homogenes Gefüge− Komplexere Strom- und Gasversorgung
• PTA-Beschichtungen werden häufig zum Verschleißschutz eingesetzt. Hierbei muss der Zusatzwerkstoff so ausgewählt werden, dass er der zu erwartenden Beanspruchung der Oberfläche widerstehen kann. Eingesetzt werden häufig Legierungen auf Fe-, Ni- oder Co-Basis. Worauf basiert der Verschleißschutz der PTA-Schichten? ▪ Bildung arteigener Hartphasen (Karbide, Nitride…)▪ Einlagerung in zähe Matrix▪ Verschleißwiderstand abhängig von Größe, Verteilung und Ausbildung
• Wie funktioniert das Laser-Auftragschweißen? Was sind Vor- und Nachteile? ▪ Lokales Aufschmelzen des Substratmaterials undZusatzwerkstoffes durch Laser▪ Schnelle Abkühlung bei Fortbewegung des Lasers + Homogenes, feines Gefüge+ Geringe Aufmischung− Hohe Anschaffungs- und Betriebskosten− Nur kleine Fläche beschichtbar− Eher geringe Schichtdicken− Geringe Auftrag− Bildung von (intermetallischen) Phasen im Interface→ ungünstige Eigenschaften
• Mg hat viele Vorteile (hohe Festigkeit, geringes Gewicht), aber auch Nachteile (geringe Korrosions- und Verschleißbeständigkeit). Wie können Mg-Legierungen oberflächentechnisch geschützt werden? ▪ Beschichtung des Mg mit AlSi20▪ Dichte, homogene Schicht▪ Mg2Si-Schicht am Interface zum Substrat durch Aufschmelzen
• Wie können beim Auftragschweißen Beschichtungen mit gezielt eingestellter Morphologie erzeugt werden? Um z.B. die negativen Auswirkungen der unerwünschten Phasenbildung im Interface zureduzieren, können mittels Laser Cladding gradierte Beschichtungen aufgebrachtwerden, deren Eigenschaften sich graduell ändern.Hier: Gefügeänderung→ Härteabnahme von außen Richtung Substrat
• Welche kombinierten Verfahren sind bzgl. des Auftragschweißens möglich? Kombinierte Prozesse, wie beispielsweise das Laser unterstützte (LA) WIG-Schweißen, werden für anspruchsvolle Aufgaben wie z.B. das Fügen von Mg-Legierungen eingesetzt, bei denen die einzelnen Verfahren Nachteile aufweisen.
• Anzeige
• Wie funktioniert das Unter-Pulver-Auftragschweißen? ▪ Einsatz von Bändern bis 300 mm Breite als Schweißelektrode▪ Band ist von grobem, mineralischem Schweißpulver umgeben▪ Lichtbogen zwischen Ende des Bandes und dem Werkstück▪ Lichtbogen schmilzt Pulver → Bildung einer Kaverne mit ionisiertem Gas▪ Lichtbogen brennt in Kaverne → Material schmilzt und tropft vom Band▪ flüssiges Pulver schwimmt als Schlacke auf dem Metall▪ Metall erstarrt geschützt vor Umgebung als Schweißraupe▪ Entfernung des Pulvers und der SchlackeDer Strom fließt nur durch eine Strecke von 30 –50 mm, so dass Stromstärken über 3000 A undSpannungen bis 50 V möglich sind. Folge sind hoheAbschmelzleistungen. Zusammen mit dem hohentherm. Wirkungsgrad schmilzt sehr viel Material auf,was u. A. zu einer hohen Aufmischung führt.
• Was sind Vor- und Nachteile des Unter-Pulver-Schweißens? + Emissionsfrei durch Abdeckung+ Hoher Wirkungsgrad durch Abdeckung+ Industriell für lange, breite Nähte einsetzbar+ Hohe Abschmelzleistung− Reaktion zwischen Metall und Schlackemöglich− Schlacke muss im Anschluss entfernt werden− Höhere Kosten− Hohe Aufmischung
• Unter welchen Aspekten wird der Einsatz leichter Werkstoffe bei der Auslegung bewegter Teile zunehmend wichtiger? Umwelt- und Ressourcenschonung
• Wie wird eine ressourceneffiziente bzw. umweltschonende Oberflächentechnik definiert? Nennen Sie dabei zwei konkrete Beanspruchungsarten. ▪ Definition: Schutz der Werkstoffe vor steigenden Belastungen bei zunehmenderLeistungsdichte in energieeffizienten Prozessen.▪ Verschleiß (mechanische Beanspruchungsart)▪ Korrosion (chemisch, elektrochemisch und metallphysikalisch)
• Welche Maßnahmen sind beim Werkstoffschutz zur Steigerung der energetischen Effizienz zu beachten? ▪ Reibminderung zur Verminderung des Verschleißes▪ Wärmedämmung zur Verstärkung der Schutzmaßnahmen bei höheren Temperaturen
• In der Natur kommen Werkstoffe in stabilen Zuständen vor. Warum können diese stabilen Zustände nicht technisch genutzt werden? Nennen Sie ein Beispiel. ▪ Begrenzte Leistungsfähigkeit der Naturstoffe (Erze, Mineralien), Einschränkung dertechnischen Nutzbarkeit▪ Leistungssteigerung ist durch Festigkeitssteigerung, was mit einer Potentialerhöhungeinher geht → Nutzung metastabiler Zustände Bsp.: Reaktion von Eisen an feuchter Luft zu Hämatit (Fe2O3)Bei Normalbedingungen (T = 25°C, p= 105 Pa) läuft die Reaktion spontan ab (ΔGR < 0).
• Wie wird der Begriff Festigkeit beschrieben? Unter dem Begriff Festigkeit versteht man den Widerstand eines Werkstoffes,den er aufgrund seiner atomaren Struktur und seines Gefüges einer Formänderungentgegensetzt. (Unterscheidung in elastische und plastische Formänderung.)
• Worauf basiert eine plastische Verformung? Plastische Verformung basiert auf Versetzungswanderungen.
• Wie können die mechanische Eigenschaften von Werkstoffen beeinflusst werden? Durch ihre chem. Zusammensetzung und den Gefügezustand, d.h. Kristallstruktur, Korngröße, Art und Dichte der Gitterbaufehler.
• Nennen Sie drei 0-dimensionale sowie zwei 1-dimensionale Gitterbaufehler des Gefüges. 0-Dimensional:▪ Leerstellen▪ Zwischenplatzfremdatom▪ Substitutionsfremdatom 1-Dimensional:▪ Schraubenversetzung▪ Stufenversetzung
• Nennen Sie zwei Versetzungsarten und erläutern Sie warum die kritische Schubspannung bei Idealkristallen ca. 3 Größenordnungen größer als beim Realkristall ist? - Schraubenversetzung und Stufenversetzung- Beim Realkristall vorhandene Gitterbaufehler sind vor allem Schrauben- undStufenversetzungen. Reale Kristalle wachsen mit Versetzungen, die sich zusätzlichwährend der plastischen Deformation vermehren („Frank-Read-Quellen“).
• Wie wird die Festigkeitssteigerung im realen Bauteil erzielt? 1. Verminderung der Versetzungsdichte und Annährung an den Idealkristall(z.B. Faser- und Whisker Verstärkungsphasen < 1μm in Faserverbundwerkstoffen)2. Erschwerung der Versetzungswanderungen durch Einbau von Hindernissen--> Erschwerung der Translation (also Abgleiten):KaltverformungMischkristallbildungUmwandlungshärtung (Martensitumwandlung)--> Einbau mehrdimensionaler Hindernisse:Korngrenzen,Ausscheidungen,Fremdpartikel (z.B. Dispersionen und Faserverstärkung
• Durch thermisch aktivierte Prozesse können die eingebrachten Gefügeveränderungen zur Festigkeitssteigerung wieder aufgelöst werden. Nennen Sie sechs thermisch aktivierte Prozesse. - Diffusion▪ Erholung, Rekristallisation, Kornwachstum▪ Kriechen, Spannungsrelaxation,▪ Thermomechanische Ermüdung
• Wie wird die Warmfestigkeit definiert? Durch welche Methode ist sie zu steigern? ▪ Warmfestigkeit ist die bei höherer Temperatur vorhandene Festigkeit eines Werkstoffes.▪ Steigerung der Schmelztemperatur▪ Ausscheidungshärtung▪ Dispersionshärten▪ Warm-Kaltverformung▪ Verkleinerung der Korngrenze▪ Vermeidung von Phasenumwandlungen allotroper Werkstoffe
• Welche drei thermodynamischen Zustandsgrößen bestimmen den Zustand einer Phase? ▪ Druck▪ Temperatur▪ Chemische Zusammensetzung
• Definieren Sie das thermische Werkstoffverhalten. Nennen Sie zwei Beispiele Werkstoffverhalten bei Zufuhr thermischer Energie:Ausdehnung, Diffusion, Erholung, Rekristallisation, Ausscheidung, Schmelzen, Sublimation
• Nennen Sie zwei Vorteile der gezielten Wärmebehandlung von Werkstoffen mit dazugehörigem Wärmebehandlungsverfahren. ▪ Wärmebehandlung zum Spannungsabbau Rekristallisationsglühen▪ Wärmebehandlung zur Festigkeitssteigerung Umwandlungshärtung (Martensitumwandlung) Feinkornhärten Ausscheidungshärten
• Nennen Sie drei negative Werkstoffeigenschaften durch ungünstige Wärmebehandlung. ▪ Lösen der Verfestigungsmechanismen wie:Kaltverfestigung, Mischkristall, PhasenumwandlungFeinkorngefüge, Ausscheidungen, Dispersionen▪ VersprödungBildung unerwünschter Ausscheidungen (Sprödphasen)▪ Schmelzen, Sublimieren
• Wie unterteilen sich die chemischen Oberflächenmodifikationen in Abhängigkeit vom Medium? Elektrolyt --> elektrochemische Reaktion (bei Metallen)heiße Gase --> thermisch aktivierte chemische ReaktionMetallschmelze --> metallphysikalische Reaktion
• Nennen Sie die beiden Hauptgruppen der elektrochemischen Metallabscheidung. ▪ Chemische (Verfahren ohne Außenstrom)▪ Galvanische (Verfahren mit Außenstrom)

zurück  |  weiter 8 / 9