Oberflachentechnik fur den Maschinenbau

Kirsten Bobzin

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2013
• ISBN drucken: 9783527330188
• eBook-ISBN: 9783527681495
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Chemie- & Biochemietechnik

Tribologie, Korrosion, Konstruktion und Werkstofftechnik sind Wissensbereiche, die sich zunächst parallel entwickelt haben. Das gleiche gilt für die verschiedenen Verfahren der Oberflächentechnik. Heute wird es zunehmend wichtiger, interdisziplinäre Ansätze zu finden, um die Problemstellungen der Zukunft, wie z.B. Umweltschutz oder Ressourcenschonung, gemeinsam zu lösen. Das Buch verfolgt den Ansatz, diese Wissensbereiche zu verknüpfen.

Es beginnt mit einer Beschreibung technischer Oberflächen hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und geometrischer Struktur. Technische Systeme des Maschinenbaus (Bauteile oder Werkzeuge) sind Umgebungseinflüssen (Druck, Chemie, Temperatur) ausgesetzt, die zu Oberflächenschäden durch Verschleiß und Korrosion führen können. Um Oberflächen davor zu schützen, müssen die Grundlagen der Tribologie (Lehre von Reibung und Verschleiß) und Korrosion zunächst verstanden sein, weshalb die wichtigsten Begriffe und Definitionen zu Beginn des Buches beschrieben werden. Schwerpunkt des Buches ist die Behandlung der Verfahren der Oberflächentechnik, die im Maschinenbau Anwendung finden. Jedes Verfahren wird hinsichtlich Beschichtungsprozess, Anlagentechnik, Schichtwerkstoffen, typischen Schichtdicken, Beschichtungstemperaturen und Schichtwerkstoffen beschrieben und anhand von Anwendungsbeispielen vorgestellt. Wesentliches Element der Oberflächentechnik ist die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe oder Werkstoffeigenschaften, um Volumen- und Oberflächeneigenschaften getrennt voneinander entsprechend der Anwendung optimieren zu können. Daher ist abschließend eine sehr kurze Einteilung wichtiger Werkstoffe gegeben (Metalle, Keramiken, Polymere). Die Kombination aus Tribologie, Korrosion, Verfahren der Oberflächentechnik und Werkstoffkunde ermöglicht eine strukturierte Herangehensweise bei der Auslegung von Oberflächen.

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Einführung in die Oberflächentechnik

Rund zwei Drittel aller technologischen Innovationen gehen auf Werkstoffentwicklungen zurück, da oft die herkömmlich eingesetzten Werkstoffe den steigenden Anforderungen nicht mehr gewachsen sind. Damit sind neue Werkstoffe mit erweiterter Funktionalität und Leistungsgrenze in zahlreichen Branchen die treibende Kraft für neue Produkte und Schlüssel für eine bessere Wettbewerbsfähigkeit. Die Möglichkeiten der Oberflächentechnik, Volumen- und Oberflächeneigenschaften von Werkstoffen getrennt voneinander zu optimieren, hat sich in vielen Bereichen der Ingenieurwissenschaften als ebenso nützlich wie notwendig erwiesen, um den Anforderungen moderner Spitzentechnologie gerecht zu werden. Die Oberflächentechnik ist eine Querschnittstechnologie. Verfahren der Oberflächentechnik finden sich in allen Branchen des produzierenden Gewerbes. Bedeutende Industriezweige wie die Automobilindustrie, die Luftfahrt oder die Energietechnik sind heutzutage auf moderne Verfahren der Oberflächentechnik angewiesen. Ebenso hätten jüngere Industriezweige wie die Medizintechnik, Mikrosystemtechnik und Kommunikationstechnik ohne die Verfahren der Oberflächentechnik nicht so stark wachsen können.

Treibende Kraft bei der Verbreitung von Oberflächentechnologien ist die Ressourcenschonung, der Umweltschutz und steigende Anforderungen an die Sicherheit. Die Wertschöpfung durch die Oberflächen- und Beschichtungsindustrie allein in Deutschland wird jährlich auf 20 Mrd. € geschätzt [1], dennoch geht man davon aus, dass insgesamt lediglich 10–15 % des eigentlichen Potentials an beschichtbaren Produkten ausgeschöpft wird. Die Ansprüche, die an technische Oberflächen gestellt werden, sind vielfältig. In einer Umfrage der Forschungsagenda Oberfläche wurden die verschiedenen Forderungen aus Industrie und Forschung erfasst und ausgewertet. In Tabelle 1.1 sind die TOP 10 dieser Umfrage aufgeführt.

Alleine das Anforderungsspektrum, welches aus diesen zehn genannten Oberflächeneigenschaften resultiert, zeigt eine große und facettenreiche Varianz auf. Es wird auch deutlich, dass der Oberfläche in Zukunft mehr Funktionalität zugesprochen wird als jemals zuvor. Dieses Potential, welches in technischen Oberflächen steckt, ist der Grund für das stetig wachsende Interesse an Oberflächentechnologien und dem steigenden Marktschöpfungswert.

Tabelle 1.1 Die TOP 10 der Anforderungen an technische Oberflächen der Zukunft [1]

Eigenschaften	Nennung
Selbstreinigende Eigenschaften	100 %
Sensorik	71 %
Tribologische Eigenschaften	65 %
Kratzfestigkeit	63 %
Härte, Elastizität	62 %
Umweltverträglichkeit	57 %
Verarbeitbarkeit/ Applizierbarkeit	56 %
Langzeitstabilität	56 %
Chemische Beständigkeit	49 %
Optische Eigenschaften	48 %

1.1 Technische Oberflächen

Alles was wir sehen ist Oberfläche. Oberflächen reflektieren Licht- und Schallwellen, sie bilden die Grenze zwischen zwei Phasen. Wechselwirkungen zwischen den angrenzenden Phasen werden als Phasengrenzreaktionen bezeichnet. Bei Phasengrenzreaktionen zwischen Festkörpern und einer angrenzenden flüssigen oder gasförmigen Phase spricht man auch von Oberflächenreaktionen. Infolge von Phasengrenzreaktionen unterscheiden sich die Eigenschaften der Oberflächen aller fester und flüssiger Phasen von den Eigenschaften im Inneren des Volumens. Die Oberfläche ist im technischen Sinne nicht als 2-dimensionale Fläche zu verstehen. Insbesondere bei festen Phasen bestehen die Randbereiche häufig aus mehreren Zonen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und physikalischer Eigenschaften. Die Oberflächeneigenschaften können mit den Methoden der Oberflächentechnik verändert werden, um bestimmte Funktionen zu übernehmen.

Die chemischen und physikalischen Phasengrenzreaktionen an Oberflächen basieren auf atomaren Wechselwirkungen. Jede Phase, die fest, flüssig oder gasförmig sein kann, lässt sich durch ihre chemische Zusammensetzung, die wirkenden Bindungskräfte und ihre Struktur charakterisieren. Der Zusammenhalt der einzelnen Atome innerhalb einer Phase basiert auf chemischen Bindungen (Abb. 1.1). Man unterscheidet metallische Bindungen, Ionenbindungen und kovalente Bindungen (Elektronenpaarbindung) mit in dieser Reihenfolge steigender Bindungskraft. Viel schwächer als diese drei Bindungsarten sind die zwischenmolekularen Bindungen (van-der-Waals-Kräfte), die den Zusammenhalt zwischen Molekülen in einem Kristallgitter (z.B. festem Kohlendioxid) oder in einer Flüssigkeit (z.B. Wasser) bewirken [2].

In Abhängigkeit der Zustandsgrößen Druck und Temperatur stellen sich die Aggregatzustände fest, flüssig oder gasförmig ein. Dieses Phänomen ist darauf zurückzuführen, dass jede Phase bestrebt ist, einen thermodynamischen Gleichgewichtszustand zu erreichen. Durch Materietransport, wie z.B. Diffusionsvorgänge, wird innerhalb einer Phase das kleinstmögliche Energieniveau erreicht. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften im Inneren einer Phase unterscheiden sich von denen an der Phasengrenze. Die Phasengrenze erstreckt sich immer über eine Tiefe von mehreren Atom- oder Moleküldurchmessern. Die hier vorliegenden Teilchen unterliegen nicht einer allseitig gleichmäßigen Krafteinwirkung wie die Teilchen im Phaseninneren, was ein Minimum potentieller Wechselwirkungsenergie zur Folge hat (Abb. 1.2). Daraus folgt, dass Phasengrenzen immer energiereichere Gebiete sind. Sind die Teilchen einer kondensierten Phase wie bei Flüssigkeiten frei beweglich, werden sich immer Kugeln ausbilden: die geometrische Form mit der kleinsten Oberfläche.

Abb. 1.1 Aufbau und Eigenschaften atomarer Bindungen [3]

Abb. 1.2 Schematische Darstellung zwischenmolekularer Wechselwirkungen im Inneren und an der Oberfläche einer Phase [4]

Die Wechselwirkungen an der Phasengrenze zur Umgebung sind in der Praxis häufig nicht klar voneinander zu unterscheiden. Die Übergänge von physikalischer Adsorption, Chemisorption, chemischer oder elektrochemischer Reaktionen sind oft fließend. Bei Festkörpern mit hochenergetischen Oberflächen, vor allem bei Metallen und Ionenbindungen, bleibt der Adsorptionsvorgang häufig nicht auf der Stufe der physikalischen Adsorption stehen. Die Wirkung der starken Metallbindungs- oder Coulomb-Kräfte auf die Adsorbatteilchen führt vielmehr dazu, dass ihre intermolekularen Bindungen stark deformieren und teilweise gelöst werden [4]. Im chemisorbierten Zustand liegen die Teilchen des Adsorbats in einer Form vor, die einer Oberflächenverbindung nahekommt.

Der Übergang von Physisorption zur Chemisorption erfordert eine höhere Aktivierungsenergie E_A^Chs, wodurch der Vorgang bei niedrigen Temperaturen stark gehemmt werden kann. Die starken Bindungskräfte im Chemisorptionskomplex haben andererseits eine weitgehende Irreversibilität des Vorgangs zur Folge. Ein Chemisorptions-Desorptionsgleichgewicht stellt sich daher höchstens bei hohen Temperaturen ein. Die Energieverhältnisse beim Übergang eines Teilchens zunächst in den Physisorptionszustand und aus diesem in den Zustand der Chemisorption ist am Beispiel der Adsorption von Sauerstoff O₂ an einer Metalloberfläche (Abb. 1.3) schematisch dargestellt.

Die bei einer Chemisorption auftretenden Deformationen der Elektronenhülle der chemisorbierten Teilchen führen dazu, dass diese unter anderem leichter mit anderen Verbindungen reagieren können. Reine hochenergetische Festkörperoberflächen, besonders von Metallen, sind praktisch nur im Ultrahochvakuum und durch spezielle Verfahren, z.B. der Ionenstrahltechnologie, zu erhalten. Schon bei tiefen Temperaturen werden geringste Spuren gasförmiger Verbindungen einschließlich der permanenten Gase adsorbiert. Bereits bei normalen Temperaturen bilden sich fast immer aus den geschlossenen Chemisorptionsschichten echte Verbindungsschichten, wie z.B. Oxid- oder Nitridschichten.

Neben diesen atomaren Wechselwirkungen, die zu stofflichen Abweichungen an der Werkstoffoberfläche führen, weichen alle technischen Oberflächen herstellungsbedingt auch von der idealen geometrischen Gestalt ab. Nach DIN 4760 [14] werden Gestaltabweichungen 1. bis 6. Ordnung unterschieden. Die Gestaltabweichungen 1. bis 4. Ordnung (Abb. 1.4) überlagern sich in der Regel...

Inhaltsverzeichnis

• Decken
• Inhaltsverzeichnis
• Titelseite
• Autor
• Urheberrecht
• Lateinische Formelzeichen
• Griechische Formelzeichen
• Konstanten
• Abkürzungsverzeichnis
• 1 Einführung in die Oberflächentechnik
• 2 Tribologie
• 3 Korrosion
• 4 Elektrochemische Metallabscheidung
• 5 Konversionsverfahren
• 6 Thermochemische Diffusionsverfahren
• 7 Physical Vapor Deposition (PVD)
• 8 Chemical Vapor Deposition (CVD)
• 9 Sol-Gel-Deposition
• 10 Schmelztauchverfahren
• 11 Thermisches Spritzen
• 12 Löten
• 13 Auftragschweißen
• 14 Plattieren
• 15 Werkstoffe
• Stichwortverzeichnis