Herstellung, Umwandlungsverhalten und keramischer Polysilazanschichten auf Stahlsubstraten Eigenschaften

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• Publisher: Cuvillier Verlag
• Year: 2010
• eBook ISBN:
  9783736933026
• Print ISBN:
  9783869553023
• Edition: 1

Die Oberflächen- und Dünnschichttechnologie gehört zu den wachstumsstärksten Branchenin Deutschland und wird in vielen industriellen Bereichen eingesetzt. BedeutendeIndustriezweige wie die Automobilindustrie, die Umwelt- und Energietechnik, die LuftundRaumfahrt, die Mikrosystem- und Medizintechnik oder die Informations- und Kommunikationstechniksind z. T. sehr stark auf die Oberflächentechnologie angewiesen.Im Jahr 2002 betrug der geschätzte Jahresumsatz der Unternehmen der Oberflächenveredelungca. 10 Mrd. Euro. Die wichtigsten Verfahren stellten dabei das Lackieren, das Galvanisieren, die Vakuumtechnik sowie das thermische Spritzen dar. Die Aufgabenvon Beschichtungen sind sehr vielfältig und reichen von speziellen Gleiteigenschaftenbzw. hoher Verschleißbeständigkeit über den Korrosions- und Oxidationsschutz bishin zu bestimmten elektrischen, optischen oder dekorativen Eigenschaften [KOE08, MOH05].Vor dem Hintergrund stark gestiegener Rohstoffpreise insbesondere in den letzten Jahrenhat die Vermeidung von Korrosion, Oxidation und Verschleiß metallischer Bauteileenorm an Bedeutung gewonnen. Volkswirtschaftliche Schätzungen gehen davon aus, dass tribologisch bedingte Schäden ein Volumen von ca. 1 % des Bruttoinlandsproduktes(BIP) ausmachen. Der durch Korrosion und Oxidation entstandene volkswirtschaftlicheSchaden wird sogar auf in etwa 4 % des BIP beziffert [BAC05].Die Oberflächentechniken zum Schutz von Metallen lassen sich grob in BeschichtungsundWärmebehandlungsverfahren einteilen.Zum Korrosionsschutz werden am häufigsten Lacke oder Farben eingesetzt. Diese könnenüber einfache Lackierverfahren wie Tauchen oder Sprühen appliziert werden. Siesind jedoch in ihrer chemischen, mechanischen und thermischen Stabilität begrenzt.Oxidische sowie nichtoxidische keramische Schichten haben ein großes Potential zumSchutz von Metallen gegen Oxidation, Korrosion und Verschleiß. Diese Schichtsysteme, welche meist über die Vakuumtechniken (Physical Vapour Deposition (PVD) oderChemical Vapour Deposition (CVD)) bzw. durch thermische Spritzverfahren aufgebrachtwerden, besitzen eine gute chemische Beständigkeit und hohe Härtewerte. Nachteileder Verfahren stellen jedoch der große apparative und kostenintensive Aufwand sowiedie Porosität der Schichten (thermisches Spritzen) dar [BAC05].Bei Wärmebehandlungsverfahren wie Nitrieren, Carburieren oder Borieren wird derOberflächenbereich der Metalle durch eine diffusionsgesteuerte Reaktion mit bestimmtenElementen angereichert. Dies kann durch eine thermische Behandlung in den entsprechendenSpendermedien erreicht werden. Auf diese Weise lassen sich Schichtenmit guten tribologischen Eigenschaften und einer exzellenten Haftung erzeugen. Die oftschwierige Übertragbarkeit auf unterschiedliche Bauteilgeometrien sowie die gesundheits-und umweltschädlichen Stoffsysteme vieler Verfahren wirken sich jedoch negativaus.Eine Alternative zu den bereits etablierten Oberflächentechniken zur Erzeugung polymererund keramischer Schichten stellt die Verwendung von Precursoren dar. Seit densiebziger Jahren des letzten Jahrhunderts werden diese Vorstufen zur Herstellung vonKeramiken benutzt [VER73, YAJ78]. Wesentlicher Vorteil im Vergleich zu den pulverkeramischenVerfahren stellt dabei ihre kunststofftechnologische Verarbeitbarkeit dar. DiePrecursoren basieren überwiegend auf siliziumhaltigen Verbindungen, wobei Polysiloxane, Polycarbosilane und Poly(carbo)silazane am meisten verbreitet sind. Nach einergeeigneten thermischen Behandlung (Pyrolyse) resultieren daraus Keramiken im SystemSiCO (Siliziumoxycarbid), SiC (Siliziumcarbid), Si3N4 (Siliziumnitrid) bzw. SiCN (Siliziumcarbonitrid).Diese Keramiken zeichnen sich durch eine gute Temperaturwechselbeständigkeit, einehohe Kriechbeständigkeit, eine hohe thermische Stabilität sowie eine gute OxidationsundKorrosionsbeständigkeit aus [CHO00, JAC01, KOL04, NIC99, RIE06]. Die Bildungund das Wachstum einer schützenden und passivierend wirkenden SiO2-Schicht, welcheden geringsten Sauerstoffdiffusionskoeffizienten aller einfachen Oxide besitzt, stelltdabei den Hauptgrund für die hohe Oxidationsbeständigkeit der Si-basierten Keramikendar [AN04]. Polysilazanbasierte Keramiken weisen dabei im Vergleich zu polycarbosilan-und polysiloxanbasierten Systemen eine etwas höhere Oxidationsbeständigkeit auf.Dies liegt daran, dass die Aktivierungsenergie zur Oxidation einer Si-N-Bindung(Ea = 330-490 kJ/mol) im Vergleich zu Si-C-Bindungen (Ea = 90-140 kJ/mol) höher ist[CHO00].Die Herstellung precursorbasierter Beschichtungen lässt sich grob in die Schritte Polymersynthese, Beschichtung und thermische Behandlung unterteilen. Daher kann derProzess als eine Kombination aus Beschichtungs- und Wärmebehandlungsverfahrenangesehen werden. Die Vorteile der Herstellung keramischer Schichten über die Precursorroutesind vor allem die Applizierbarkeit der Schichten über einfache Lackierverfahrenwie Sprühen oder Tauchen, die Beschichtbarkeit von Bauteilen mit komplexenGeometrien, die niedrigen Keramisierungstemperaturen sowie die hohe thermische undchemische Stabilität der Schichten.Am Lehrstuhl Keramische Werkstoffe der Universität Bayreuth wird bereits seit mehrerenJahren auf dem Gebiet der Polysilazane gearbeitet. Speziell für die Herstellung keramischerBeschichtungen und Fasern wurde ein geeignetes präkeramisches Polymer(ABSE: Ammonolyseprodukt des Bis-Dichlormethylsilylethans) entwickelt, das bereitsim technischen Maßstab (ca. 50 kg) hergestellt werden konnte. Dieses organische Polycarbosilazanbesitzt einen hohen Kohlenstoffgehalt, sodass nach der Pyrolyse eineSiCN-Keramik mit einem freien Kohlenstoffanteil resultiert [MOT00, MOT02a, TRA01].Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass das kommerziell erhältliche PolysilazanPHPS (Perhydropolysilazan) ebenfalls sehr gut für eine Anwendung als Beschichtungsmaterialgeeignet ist [BAU05, BRA07b, GUE04]. Im Gegensatz zum ABSE stellt es einrein anorganisches Polysilazan mit einem Si-Überschuss dar [KRO00].