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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 1
Fertigungstechnik I
06.01. Einführung 13.01. Oberflächenvorbehandlung
20.01. Härten/Nitrieren
27.01. chemische Verfahren/Galvanik
03.02. Ausblick
Vorlesungsplan FT I / Oberflächen- und Schichttechnik
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 2
Fertigungstechnik I
www.if.mw.tu-dresden.de Professur LOT-->Studium Menüpunkt Materialien Passwort: ft1-lot
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 3
Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten Stoffeigen- schaften ändern
Einordnung der Verfahren der Fertigungstechnik
Fertigungsverfahren DIN 8580
Einführung
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 4
Fertigungstechnik II Literatur
Literatur Müller, Klaus Peter: Lehrbuch Oberflächentechnik, Vieweg Verlag, ISBN 3-528-04953-7
Stahlinformationszentrum www.stahl-info.de; Merkblätter
Mertz/Jehn: Praxishandbuch Moderne Beschichtung Hansa Verlag, ISBN 3-446-21677-4
Hofmann/Spindler: Verfahren der Oberflächentechnik Fachbuchverlag Leipzig,ISBN 3-446-22228-6
Volkmar M. Schmidt „Elektrochemische Verfahrenstechnik – Grundlagen, Reaktionskinetik, Prozessoptimierung“ Wiley- VCH 2003 Beyer, E.: Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung Springerverlag 1998, ISBN 3-540-63224-7
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 5
Einführung
Wechselwirkung eines Körpers mit seiner Umwelt über seine Oberfläche
Schicht- und Oberflächentechnologien stellen eine Schlüsseltechnologie dar, deren Bedeutung z. Zt. vielfach unterschätzt wird.
- mechanisch
- optisch
- chemisch
- elektrisch
- thermisch
- physikalisch (z. B. Adhäsion)
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 6
Die Bedeutung der Oberfläche wächst bei kleiner werdenden Bauteilen !
Durch kleiner werdende Bauteile vergrößert sich das Verhältnis x
Die Oberflächentechnik gewinnt aufgrund des Zwanges, Ressourcen zu schonen, immer mehr an Bedeutung.
x =OberflächeVolumen
r1
r34
r4= xKugelz.B.
3
2
∝π
π
Einführung
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 7
Die Haut überträgt: • Druck • Temperatur • Schmerz • Tastsinne (Rauheit)
Die intelligentesten Oberflächen finden wir in der Natur. Ein Beispiel dafür ist die menschliche Haut.
Die Haut passt sich an: • Pigmente / Farbe • öffnet / schließt Poren • schwitzt • regeneriert
Einführung
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 8
Werkstoffoberfläche
Video
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 9
Die die Oberfläche bildenden Atome besitzen nicht abgesättigte Bindungszustände.
Als Folge davon findet zur Absättigung dieser Bindungen eine Wechselwirkung mit der Oberfläche statt. Die Umgebung beeinflusst und verändert somit die Oberfläche.
Werkstoffoberfläche
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 10
Störschicht durch Bearbeitung
Reaktionsschicht
Adsorptionsschicht
Grundwerkstoff
10 nm 10 – 100 nm
>10 µm
H2O, organische Substanzen, etc. Oxide, Sulfide, Carbonate, etc.
Mech. od. therm. Bearbeitung
Bei den Grundwerkstoffen muss zwischen Metallen, Kunststoffen, Keramiken und Gläsern unterschieden werden. Grundlegender Unterschied ist die Bindungsart. Bindungsart
Keramik Ionenbindung ca. 500 kJ/mol
Diamant Atombindung ca. 1000 kJ/mol
Kunststoff Atomketten c-c-c ca. 800 kJ/mol Molekülbindung ca.100 kJ/mol
Metall Metallbindung ca. 200 kJ/mol
H2O elektrostatische Wechselwirkung ca. 30 kJ/mol
Werkstoffoberfläche
Atomabstand Metall: < 1nm
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 11
Beispiele für Ionenbindungen nichtmetallischer organischer Werkstoffe sind z.B. Al2O3 Aluminiumoxid (Keramik) Zr O2 Zirkonoxid (Keramik) Si O2 Siliziumoxid (Glas)
Durch die elektrischen Felder um die Kationen bzw. Anionen bildet sich ein Ionengitter. Die Bindung eines Kations besteht gleichmäßig in alle Richtungen. Die Ionenbindung ist somit eine ungerichtete Bindung. Die Oberfläche zeigt ein starkes Bestreben zur Wechselwirkung mit geladenen Teilchen.
Nichtmetallische organische Werkstoffe
Keramiken, Gläser
- + -
+ - +
- + -
Oberfläche
Keramikvolumen
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 12
- + -
+ - +
- + -
Oberfläche
Keramikvolumen
Liegt die Elektronnegativitätsdifferenz ∆E unter 1,7, entsteht kein Ionengitter mehr. Es entstehen polarisierte Atombindungen wie z.B. bei SiC Siliziumcarbid WC Wolframcarbid Si3N4 Siliziumnitrid Auf der Oberfläche einer Keramik mit polarisierten Atombindungen wirken schwächere elektrostatische Kräfte.
Nichtmetallische organische Werkstoffe
Keramiken, Gläser
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 13
- + -
+ - +
- + -
Keramiken sind nicht leitend, da keine freien Elektronen im Gitter vorhanden sind. Sie besitzen eine hohe Bindungsenergie, denn die Atome sind schwer gegeneinander verschiebbar. Keramiken sind hart, spröde und thermisch hoch belastbar.
Keramiken werden durch Sintern aus Pulver hergestellt. Sie sind porös. Einschlüsse von Gasen oder Flüssigkeiten raue Oberfläche Das Beschichten von Keramiken ohne Vorbehandlung kann beim Erwärmen zum Abheben der Schicht führen. gute Verzahnung der Schicht nötig Vorbehandlung erforderlich
Keramische Oberflächen
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 14
Gläser enthalten als bestimmenden Baustein SiO4.
Natrium
Silizium Sauerstoff
SiO4-Tetraeder im Bergkristall
Das SiO4-Tetraeder bildende Netzwerk kann durch den Einbau von Alkali- oder Erdalkali-Kationen gestört werden. Gläser besitzen im atomaren Bereich einen Nahordnungszustand, aber keine weitreichende Fernordnung. Gläser sind nicht kristallin, sie sind amorph.
Natron-Silikat-Glas
Glasoberflächen
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 15
Natron-Silikat-Glas
Das thermische, mechanische und elektrische Verhalten von Gläsern resultiert aus der Ionenbildung und dem amorphen Zustand. - Gläser besitzen eine sehr glatte Oberfläche geringe mechanische Haftung von Beschichtungen - Gläser sind widerstandsfähig gegen Chemikalien - Wasser wird von Glasoberflächen gebunden
Si O Si + H2O Si OH + HO Si
Auf der Glasoberfläche befindet sich eine so genannte permanente Wasserhaut. Diese muss vor dem Beschichten aus der Gasphase entfernt werden. Hierzu sind 450 – 500° erforderlich.
Glasoberflächen
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 16
Im Unterschied zu Metall-, Keramik- oder Glasoberflächen liegen bei der „Kunststoffoberfläche“ abgesättigte Bindungszustände vor. Kunststoffe bestehen hauptsächlich aus C- und H-Atomen.
H C C C C C C C C C C C C
H
H
Sie können u.a. N-, O-, S-Atome sowie Halogene enthalten. Bei Kunststoffen liegen Atombindungen vor mit einer Bindungsenergie von ca. 800 kJ/mol. Man unterscheidet: Thermoplaste: ungeordnetes fadenförmiges Makromolekül schwer zu beschichten Duroplaste: vernetztes Makromolekül leichter zu beschichten
Kunststoffe
Fransen-Micelle
……
Kunststoffe
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 17
+
E2 E1
Bindungs- energie
Epot
r
+
r1 r2 r3
Schalen
Schalen
Atom-
kern
e-
e- e-
e-
e-
e- e-
e-
e-
Die Elektronen umkreisen den positiv geladenen Atomkern auf definierten Schalen.
Atommodell
Die Bindungsenergie (Austrittsarbeit) entspricht der Energie, welche aufgewendet werden muss, um das Elektron vom Kern zu lösen (ionisieren).
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 18
Die Elektronen im Leitungsband sind nicht mehr fest an ein Atom gebunden. Sie können sich frei im Atomverbund (auf den Schalen) bewegen. Die Metallverbindung beruht auf der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen den positiven Metallrümpfen (Metallkationen) und den im Festkörperverbund frei beweglichen Elektronen. Die Metallverbindung zählt zu den schwächeren Hauptvalenzbindungen mit ca. 200 kJ/mol.
+ +
Epot
+ + e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e- e-
e- e- e- e-
e- e-
e- e- e- e-
Gitterabstand
Metallbindung
Bändermodell
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 19
Die Bindungen der Atom-rümpfe sind an der Ober-fläche sowie im oberflächen-nahen Bereich nicht abge-sättigt. Sie verfügen über bindungs-fähige Elektronenzustände (freie Oberflächenenergie).
Wechselwirkung der freien Metalloberfläche mit anderen Medien
Metall- oberfläche
Grund- werkstoff
+ + +
+ + +
+ + +
-
e-
e-
e-
e- e-
e-
e-
e-
e-
e-
e- e-
Umgebung
Metallbindung
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 20
O H H
-
+
H2O-Molekül Wasser wird als Dipol-molekül an der Oberfläche zunächst elektrostatisch gebunden.
Al Al
Al Al
e-
Al
Al
e-
e-
e- e-
e- e- e-
Aufgrund der stärkeren Bindungsneigung von Sauerstoff zu Aluminium als zu Wasserstoff entsteht an der Oberfläche die starke ionische Bindung AL2O3.
Al
Al
e-
Al
Al
e-
Al
Al
e-
e- e- e-
Oberflächenbindung an Metall
32
OHOAL
ALOOAL
HOOH
OAL
EE
0,2
EEE
4,1
EEE
2
2
⇒
∆>∆=
−=∆=
−=∆
Elektronegativität E:
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 21
Ausschnitt aus dem Periodensystem der Elemente, Bezeichnung der für harte Schutzschichten auf der Basis von Plasma-Beschichtungsverfahren wichtigsten Elemente III IV V VI
Periode
2
3
4
5
6
B C
Al Si
Ti V Cr
Y Zr Nb Mo
N O
Hf Ta W
5
2
2,36
13
1,5
2,7
39
1,3
4,5
6
2,5
2,25
7
3,0
8
3,5
14
1,8
2,33
22
1,5
4,6
23
1,6
6,1
24
1,6
7,14
40
1,4
6,44
41
1,6
8,58
42
1,8
9,01
72
1,3
13,3
73
1,5
16,6
74
1,7
19,3
26,98
23,8
660
12,01 0,6- 4,3
>3550
14,007 15,999
28,09
2,64
1412
47,90
8,9
1668
50,94
7,8
1905
57,996 5,7- 8,3
1903
88,91
a)
1502
91,22
b)
1852
92,91
7,2
2468
95,04
4,5
2620
178,46
6
2220
180,95
6,6
3000
183,85
4,4
3380
10,81
8,3
2150
1
3
5
2
4
6 X
1 Ordnungszahl 2 relative Atommasse 3 Elektronegativität 4 thermischer Ausdehnungs- koeffizient in10-6 K-1 5 Massendichte in g cm-3 6 Schmelztemperatur in °C
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 22
Bei Metallbindungen handelt es sich um ungerichtete Bindungen hohe Packungsdichte in einem Volumenelement Gitterstrukturen • kubisch raumzentriert • kubisch flächenzentriert • tetragonal Das „Reale Gitter“ besitzt eine Reihe von Gitterdefekten, die für die Oberflächentechnik von entscheidender Bedeutung sind: • Punktdefekte • Liniendefekte • Flächendefekte • Volumendefekte
Metallbindungen
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 23
Korngrenze Korngrenzen- ausscheidung
Fremdphase (Einschluss)
Ausscheidungen Stufen- versetzung
Zwischen- gitter- atom
Fremd- atom
Leer- stelle
Schrauben- versetzung
Elementar- zelle
Die Defekte beeinflussen die Haftfestigkeit von Beschichtungen, das Korrosionsverhalten sowie das mechanische Verhalten und die Leitfähigkeit.
• Punktdefekte (Leerstellen, Zwischen- gitteratom, Fremdatom)
• Liniendefekte (Versetzungen)
• Flächendefekte (Korngrenzen, Phasen- grenzen, u.a.)
• Volumendefekte (Einschlüsse, Ausscheidungen, Schraubenversetzung, u.a.)
Metallbindungen
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 24
Jede Bearbeitung eines Metalls führt zu nachhaltigen Veränderungen von Struktur und Gefüge der Oberfläche.
Metallische Oberfläche
Bei einer spanenden Bearbeitung sind neben der Formgebung folgende Faktoren zu berücksichtigen: • Änderung des elektrochemischen Potentials (Korrosion)
• Verfestigung (Eigenspannung)
• anisotropes Verhalten der Metalle mit Textur (ätzen)
• Änderung des Oberflächenprofiles (Reibung, Verschleiß,
Haftung von Schichten)
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 25
Jede Bearbeitung eines Metalls führt zu nachhaltigen Veränderungen von Struktur und Gefüge der Oberfläche. Bei einer spanenden Bearbeitung sind neben der Formgebung folgende Faktoren zu berücksichtigen: • Änderung des elektrochemischen Potentials (Korrosion) • Verfestigung (Eigenspannung) • anisotropes Verhalten der Metalle mit Textur (ätzen) • Änderung des Oberflächenprofils (Reibung, Verschleiß, Haftung)
Bearbeitungsrichtung
0,01 – 1 µm
Fett- od. Ölfilm
0,1 – 100µm
Adsorptions- u. Reaktionsschicht
Übergangszone
innere Grenzschicht
ungestörtes Metallgefüge
Metallische Oberfläche
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 26
Beschichtungswerkstoffe können in fester, flüssiger oder gasförmiger Form vorliegen. Man spricht von Adhäsion Wechselwirkung fest - fest Benetzung Wechselwirkung fest - flüssig Adsorption Wechselwirkung fest - gasförmig
Adsorptiv Adsorpt
Adsorbat
Adsorbens
Ist der Beschichtungsprozess abgeschlossen, liegt nur noch Adhäsion vor.
Grenzschichtverhalten
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 27
Als Maß für die Oberflächenenergie gilt der Benetzungswinkel Θ
Θ σf
σs σfs
Θ
Grenzschichtverhalten
Eine gute Benetzung (kleiner Benetzungswinkel) entsteht, wenn die nicht abgesättigten Bindungen an der Oberfläche in der Lage sind, entgegen den Anziehungskräften im Flüssigkeitsvolumen den Tropfen zu spreizen.
σf Oberflächenenergie der Flüssigkeit σs Oberflächenenergie des Substrates σfs Energiedifferenz Oberflächenspannung = spez. Oberflächenenergie
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 28
Beispiele
Anti-adhäsive Beschichtungen
Antihafteffekt, Benetzung
Schichtwirkung
Schichtmaterial z.B. PTFE
Wirkfaktoren infolge physikalisch-chemischer Prozesse entstehen haftfeste Verbindungen zwischen verschiedenen Materialien
Anwendungsbeispiel: Bratpfannen
Verfahren CVD, PVD
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 29
Grenzschichtverhalten
Lotusblatt
Lotuseffekt Video
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 31
Einordnung der Verfahren zur Oberflächentechnik
Einführung
Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten Stoffeigenschaften ändern
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 32
durch Einbringen von Stoffteilchen - Gaslegieren - Schmelzlegieren - Umschmelzen
durch Ausson-dern von Stoff-teilchen - Härten - Anlassen
durch Umlagern von Stoffteilchen - Nitrieren - Borieren - C-Nitrieren
Randschichttechnik
aus dem gas- od. dampfförmigen Zustand - PVD - CVD
aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand - Solgel - Lackieren
aus dem ionisier. Zustand durch elektrolytisches oder chemisches Abscheiden - Galvanik
aus dem festen (körnigen oder pulverigen) Zustand - Auftrag- schweißen - Spritzen
Einordnung der Verfahren zur Oberflächentechnik
Glätten - Strahlen - Laser - Ätzen
Strukturieren - Bürsten - Schleifen - Honen - Polieren - Läppen
Reinigen - Strahlen - Beizen - U-Schall - Laser - Walzen
Abtragen/ Vorbehandlung
Einführung
Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten Stoffeigenschaften ändern
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 33
Leitfaden Turbine: Aufbau und Wirkungsweise
Quelle: MTU
Funktionsweise einer Fluggasturbine am Beispiel eines Strahltriebwerkes
Lycoming T53 Quelle: Wikipedia
Verdichter Brennkammer Turbine Düse
Ansaugen Kompression Verbrennung Entspannung Ausstoßen (Luft) (kontinuierlich)
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 34
Leitfaden Turbine: Werkstoffe/Temperaturen
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 35
Leitfaden Turbine: Beschichtungsbereiche
Beschichtungen in Flugzeugturbinen
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 36
Leitfaden Turbine: Beschichtungsbereiche
Quelle: T. Cosack, MTU München
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 37
Leitfaden Turbine: Beschichtungsbeispiele
www.mtu.de/ Bürgel/Sierack
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 38
Einordnung der Verfahren zur Oberflächentechnik
Einführung
Urformen Umformen Trennen Fügen Beschichten Stoffeigenschaften ändern
Oberflächen- vorbehandlung
Chemische Verfahren
Umwandlungshärten Laser- und Induktionshärten
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 39
Leitfaden Turbine: Typologie
Turbinen-Typologie kompressible Fluide (thermische Strömungsmaschine) - Gasturbinen - Dampfturbinen - Strahltriebwerke Inkompressible Fluide (hydraulische Strömungsmaschine) - Wasserturbinen
Gasturbine industriell
Radial-Inflow-Turbine Motor Quelle: Wikipedia
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 40
Beispiele
Thermische Barriereschichten
Temperaurbeständigkeit von Oberflächen, Ermöglichung hoher Temperaturgradienten
Schichtwirkung
Schichtmaterial z.B. CrO2 , Al2O3, ZrO2
Wirkfaktoren: Veränderung des Gefüges bzw. Materialzerstörung durch Langzeit-Temperaturwirkung
Verfahren Thermisches Spritzen
Anwendungsbeispiel: Turbinenschaufeln
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 41
Beispiele
Verschleißmindernde Oberflächenbehandlung
Wirkung Senkung der Verschleißrate
Verfahren martensitisches Umwandlungshärten
Wirkfaktoren: komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß
ND-Stufe 80 MW-Turbine
Härtungsprozess 1300 MW-Schaufel
Laserstrahlhärten von Turbinenschaufeln
Anwendungsbeispiel
Foto: Hansa Verlag
Schichtmaterial substrateigene Oberfläche
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 42
• Laserstrahlhärten mit unterschiedlichen Lasertypen: CO2-, Scheiben-, Faser-, Diodenlaser
• Strahlformung durch reflektive Optiken
• Strahloszillationen mit Frequenzen > 200 Hz
-> quasi-stationäre Temperaturfelder
• Typische Scanwinkel < 8 °
Laserstrahlhärten
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 43
Anwendungsbeispiel: Gleitlager
Beispiele
Reibungsmindernde Beschichtungen
Wirkfaktor Reibung infolge Relativbewegung einander berührender Festkörperoberflächen
Schichtwirkung
Schichtmaterial z.B. MoS2, DLC
Senkung von Reibung und Verschleiß und damit Erhöhung der Lebensdauer
Verfahren CVD, PVD
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 44
Material- u. Anwendungsbeispiele
Reibungsmindernde Beschichtungen
Video
Wirkfaktor Reibung infolge Relativbewegung einander berührender Festkörperoberflächen
Schichtwirkung
Schichtmaterial z.B. MoS2, DLC
Senkung von Reibung und Verschleiß und damit Erhöhung der Lebensdauer
Verfahren CVD, PVD
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 46
Schichtwirkung Senkung der Verschleiß- rate und Erhöhung der Bearbeitungs- geschwindigkeit
Schichtmaterial z.B. TiCN, DLC
Beispiele
Verschleißmindernde Beschichtungen
Foto: Hansa Verlag
Wirkfaktoren: komplexe Verschleißprozesse: Adhäsion, Abrasion und Ermüdung
Verfahren
CVD, PVD
Anwendungsbeispiel: Zerspanwerkzeuge
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 47
Beispiele
Optische Beschichtungen
Verbesserung des Lichtdurchganges
Schichtwirkung
Schichtmaterial
z.B. TiO2, Al2O3
Wirkfaktor: Reflexion von Licht beim Übergang zwischen Medien unterschiedlichen Brechungsindex
Verfahren PVD
Anwendungsbeispiele
www.bulinks.de/fenster
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 48
Beispiele
Optische Beschichtungen
Anwendungsbeispiel: Fensterglas
www.baulinks.de/fenster
Verbesserung des Lichtdurchganges
Schichtwirkung
Schichtmaterial
z.B. TiO2, Al2O3
Wirkfaktor: Reflexion von Licht beim Übergang zwischen Medien unterschiedlichen Brechungsindex
Verfahren PVD
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 50
ästhetischer Effekt verbunden mit Korrosionminderung und enormen Goldeinsparungen
Schichtwirkung
Schichtmaterial TiN
Beispiele
Dekorative Beschichtungen
Foto: Hansa Verlag
Wirkfaktor: Bewertung von Oberflächen durch den Menschen nach ästhetischen Kategorien Verfahren CVD, PVD
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 51
Material- u. Anwendungsbeispiele
Korrosionsmindernde Beschichtungen
Senkung der Korrosions- geschwindigkeit und damit Erhöhung der Zahl der möglichen Rasuren
Schichtwirkung
Schichtmaterial z.B. CrC, DLC
Wirkfaktoren: Bildung von Oxidschichten auf Metallen durch Einwirkung von Sauerstoff und Wasser
Verfahren CVD, PVD
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 52
Beispiele
Korrosionsmindernde Beschichtungen
Senkung der Korrosions- geschwindigkeit und damit Erhöhung der Zahl der möglichen Rasuren
Schichtwirkung
Schichtmaterial z.B. CrC, DLC
Wirkfaktoren: Bildung von Oxidschichten auf Metallen durch Einwirkung von Sauerstoff und Wasser
Anwendungsbeispiel: Rasierklingen
Verfahren CVD, PVD
www.nassrasur.com
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 53
Verfahrensbeispiele
Verschleißmindernde Oberflächenbehandlung
Wirkung Verringerung der Verschleißrate
Verfahren Strukturieren Laserabtragen
komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß
Video
Schichtmaterial
Substratmaterial wird lokal abgetragen
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 54
Beispiele
Verschleißmindernde Oberflächenbehandlung
Durchmesser: 26 cm
400
300
200
100
0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Hö
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/ mm
Tiefe in Laufbuchse / mm
Här
teti
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Laserstrahlhärten von Zylinderlaufbuchsen
Anwendungsbeispiel
Wirkung Senkung der Verschleißrate
Verfahren martensitisches Umwandlungshärten
Wirkfaktoren: komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß
Schichtmaterial substrateigene Oberfläche
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 55
Wirkfaktoren: komplexe Verschleißprozesse: Adhäsions-, Abrasions- und Ermüdungsverschleiß
Beispiele
Verschleißmindernde Oberflächenbehandlung
Zylinderlaufbuchsen für Dieselmotor www.m-juergensen.com
Anwendungsbeispiel
Senkung der Verschleißrate
Schichtmaterial substrateigene Oberfläche
Verfahren martensitisches Umwandlungshärten
Wirkung
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 56
Beispiele für Sonderverfahren
magnetische Übertragung von Informationen zwischen Magnetspeicher und Leser
Informations- träger für Rechentechnik
Reinst- metalle
magnetische Informations- speicherung
magnetisierbare Schicht
Tonkopf
Ag
elektrische über die Oberfläche zweier sich berührender Festkörper fließt ein Strom
Steckverbinder für mikro- elektronische Baugruppen
gutes Kontaktverhalten (bei Einsparung von Edelmetallen)
Kontaktelement
Schichtwirkung Anforderungen
Anwendungs- fall
Schicht- material
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 57
Beispiele für Sonderverfahren
photosensitive Transformation der Photonenenergie in elektrische Energie
Solarzellen
Si
Verbindung von hinreichender Photosensitivität mit preiswerter Herstellung
Photoneneinfall
elektr. Spannung
Schichtwirkung Anforderungen
Anwendungs- fall
Schicht- material
atomare Teilchen atomarer Dimensionen stäuben durch Auftreffen auf eine Festkörperoberfläche Atome und/oder Moleküle ab
Kernreaktor- teile
TiB2
Senkung der Abstäuberaten und dadurch Erhöhung der Lebensdauer von Teilen
atomare Teilchen
Atome, Moleküle
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 58
Beispiele für Sonderverfahren
biomedizinische Reaktionen des Gewebes auf Eigenschaften der Substratoberfläche
Implantate
TiO2 DLC
Verbesserung der Verträglichkeit von Implantaten Substrat
Gewebe
mechanische äußere periodische Kräfte rufen Schwingungen hervor
Diaphragma von Lautsprechern
Kohlen- stoff
Verbesserung des Schwingungs- verhaltens und damit der Tonwiedergabe
F(t)
Schichtwirkung Anforderungen
Anwendungs- fall
Schicht- material
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 59
Übersicht: Verfahren der Oberflächentechnik
Dünnschichtverfahren:
CVD Chemische Abscheidung aus der Dampfphase
PVD Physikalische Abscheidung aus der Dampfphase
Ionenimplantation Einbringen von Teilchen in die Oberfläche durch Ionenbeschuss
Dickschichtverfahren:
Thermisches Spritzen Plasmaspritzen, Flammspritzen,
Plasmaauftragschweißen
Laserverfahren Pulver-Auftragsschweißen, Legieren, Dispergieren
Randschichtverfahren: Induktion, Laser, Plasma Umwandlungshärten, Diffusionshärten Abtragen / Reinigen: Strahlen, Ätzen, Verdampfen, Sputtern
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 60
Einführung
Ende der Vorlesung „Einführung“
Anhang: Begriffe und Definitionen
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Fertigungstechnik I Einführung
Folie 61
Abscheiden, chemisch oder elektrolytisch: Abscheidung von Schichten aus Flüssigkeiten, im allgemeinen aus wässrigen Lösungen. Man unterscheidet die galvanische Abscheidung unter äußerem elektrischen Stromfluss und die chemische Abscheidung (kein äußerer elektrischer Strom). Ein industriell etabliertes Verfahren, mit dem sehr dicke Schichten - verglichen mit CVD und PVD- erreichbar sind. Es ist vergleichsweise kostengünstig, jedoch in vielen Fällen ökologisch problematisch.
Abscheiden, elektrochemisch: Abscheidung aus einem meist wässrigen Elektrolyten durch Stromdurchgang. Das Substrat ist entweder als Kathode geschaltet (Abscheidung von Metallen) oder als Anode (anodische Oxidation).
Anodisieren allg.:Teil einer Redoxreaktion bzw. einer Elektrolyse, speziell: elektrisches Oxidieren einer Metalloberfläche, die dabei chem. umgewandelt wird. Mit in Lösung gehenden Me-Ionen bildet sich eine schwer lösliche Verbindung, die eine anodische Auflösung verhindert. Das Oxid ist hart u. chemisch sehr beständig sowie gut einfärbbar. Anwendung vorwiegend bei Aluminium (--> Eloxieren), Magnesium und Titan.
Aufkohlen (Carburieren) Thermochemisches Verfahren; Eindiffusion von Kohlenstoff in das Werkstück aus der Gasphase, einer Salzschmelze oder aus einem Pulver unter Temperatureinwirkung, zusammen mit anschließendem Abschrecken: Einsatzhärten. Ermöglicht Härten der Oberfläche niedriglegierter Stähle bei zähbleibendem Werkstückkern.
Auftragschweißen Beim Auftragschweißen werden Schichten geschmolzener Metalllegierungen auf angeschmolzene Werkstückoberflächen aufgetragen. Durch Auftragschweißen können sehr dicke Schichten von etwa 0,1 bis zu über 3 mm erzeugt werden. Typische Beschichtungswerkstoffe sind Aufschweißlegierungen auf Eisen-, Nickel- oder Cobaltbasis. Diese Auftragschweißlegierungen liegen in Pulver-, Draht-, Stab-, Band- oder Pastenform vor. Auftragschweißen eignet sich gut für Reparaturen vor Ort.
Verfahren des Beschichtens und Stoffeigenschaftänderns
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Borieren Thermochemisches Verfahren; Eindiffusion von Bor in die Werkstück-Randzone aus der Gasphase, der schmelzflüssigen Phase oder aus aufgebrachtem Pulver bei Temperaturen von 850 bis 950°C. Erzeugung harter, verschleißmindender Randschichten aus FeB, Fe²B. Die Härte (1600-2800 HV) und die Dicke der Boridschicht (bis 100µm) hängen vom Grundwerkstoff (Stahl) ab.
CVD CVD (Chemical Vapour Deposition): Das Schichtausgangsmaterial, welches in Form einer leicht flüchtigen Verbindung vorliegt, wird gemeinsam mit den Reaktionspartnern in die Dampfphase gebracht. Durch eine thermisch oder plasmatechnisch angeregte chemische Reaktion aus der Dampfphase schlagen sich Atome oder Moleküle am Substrat nieder und bilden die wachsende Schicht. Es sind hohe Beschichtungstemperaturen (typisch 1000°C bzw. 400°C bei Plasmabehand- lung ) notwendig.
Dispergieren ist das Einlagern von grobkörnigen Hartstoffen in eine dünne Randzone des Werkstücks (vorzugs- weise Leichtmetall) mit dem Ziel, einen gleichmäßigen Verbund aus Hartstoffen und Metall mit möglichst geringer Auflösung der Hartstoffe zu erzeugen. Typische Zusatzwerkstoffe: WC, TiC, TiB2,, Cr3C2
Eloxieren siehe Anodisches Oxidieren von Aluminium
Emaillieren Aufbringen eines Emails (nichtkristallines, glasartiges Material) auf ein festes Substrat (meist Stahlblech) zur Erhöhung der Härte, Abriebfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit. Nass- oder Pulveremailauftrag mit anschließendem Einbrand bei 800-900C.
Galvanisieren oder Galvanotechnik: Abscheidung von metallischen Schichten aus einer flüssigen Phase . Dies kann entweder durch das Anlegen eines elektrischen Stromes erfolgen (elektrochemische Abscheidung) oder durch eine chemische Reaktion (chemische Abscheidung). Generell wird zwischen funktionaler (für den Korrosions- und Verschleißschutz, zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit oder in der Katalyse ) und dekorativer (vorwiegend zur Verschöne- rung von Gegenständen) Galvanotechnik unterschieden.
Verfahren des Beschichtens und Stoffeigenschaftänderns
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Glühen Unter Glühen versteht man die Behandlung eines Werkstückes bei einer bestimmten Temperatur, mit einer bestimmten Haltedauer und einer nachfolgend, der Erzielung der angestrebten Werkstoffeigenschaften angepassten Abkühlung. Man unterscheidet folgende wichtige Glühverfahren: Normalglühen, Spannungsarmglühen Weichglühen, Grobkornglühen, Diffusionsglühen, Rekristallisationsglühen, Lösungsglühen
Ionenimplantation Ionenstrahlverfahren: Einbau von hochenergetischen Teilchen (keV bis MeV) durch Beschuss der Substratoberfläche. Einsatz z.B. in der Mikroelektronik zum Dotieren von Halbleitern
Lackieren Unter Lackiertechnik versteht man die Maßnahmen zur Erzielung von Lackschichten mit schützenden, dekorativen oder speziellen technischen Eigenschaften. Die Lackmaterialien werden in flüssigem oder pulverförmigem Zustand auf die Werkstücke aufgetragen; sie können je nach Art der Bindemittel organische Lösemittel und/oder Wasser enthalten oder auch frei davon sein. Lackiertechnik ist demzufolge eine Querschnittswissenschaft. Lackierungen werden auf der Basis einer großen Vielfalt an Lackformulierungen für nahezu alle festen Untergründe angewandt. Je nach Anwendungsgebiet kommen typische, branchenspezifische Verarbeitungsverfahren zum Einsatz, wobei moderne Lackierprozesse bei zunehmenden Qualitätsanforderungen auch bedeutenden Umwelt- und Arbeitsschutzauflagen gerecht werden müssen.
Legieren allg. ist das Einbringen von Legierungselementen in eine dünne Randzone des Grundmaterials mit dem Ziel einer möglichst vollständigen Vermischung von Grund- und Zusatzmaterial über das Aufschmelzen oder Auflösen aller beteiligten Werkstoffkomponenten.
Nitrieren Diffusionsbasiertes Legieren einer Oberfläche mit Stickstoff zur Erhöhung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie Warmfestigkeit durch Nitridbildung. Verfahren: Gasnitrieren, Plasmanitrieren, Vakuumnitrieren mit Zusatz von Kohlenstoff: Gasnitrocarburieren, Plasmanitrocarburieren, Salzbadnitrocarburieren Werkstoffe mit nitridbildenden Elementen (z.B. Chrom, Molybdän, Vanadium, Aluminium) weisen eine höhere Nitrierhärte auf, jedoch reduziert sich die mögliche Stickstoffeindringtiefe mit zunehmendem Legierungsgehalt.
Verfahren des Beschichtens und Stoffeigenschaftänderns
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PVD PVD (Physical Vapour Deposition): Mittels physikalischer Prozesse (Verdampfen, Beschuss mit hochenergetischen Teilchen etc.) wird ein Ausangsmaterial (Target) im Vakuum abgetragen. Das Material scheidet sich aus der Dampfphase auf ein in einiger Entfernung vom Target befindliches Substrat ab. Nur sehr dünne (< 1µm) Schichten sind realisierbar, eine Vielzahl von Materialien sind zur Beschichtung möglich.
Rapid Prototyping Ist eine Methode, schnell und unkompliziert Prototypen und Modelle bereits in der Planungsphase zu fertigen. Grundlage der Erzeugung dreidimensionaler Prototypen sind die dreidimensionalen CAD-Daten, die für die Nachfolgeprozesse (z.B. Stereolithographie, selektives Lasersintern) übernommen und aufgearbeitet werden. 3D-CAD-Konstruktionen werden in Volumendaten im CAD-System konvertiert. Das 3D-Volumenmodell wird anschließend im PC in Querschnitte (0,1- 0,2mm Dicke) aufgeteilt. Nach dem Übertragen der Daten auf eine Rapid Prototyping - Maschine wird die ursprüngliche Form Schicht für Schicht aufgebaut.
Schmelztauchen Verfahren des chemischen Metallisierens. Werkstück bzw. Band/Flacherzeugnis wird in geschmolzenes Metall (z. B. Zink, Zinn, Aluminium, Blei oder deren Legierungen) getaucht und dadurch mit diesem überzogen. Material muss temperaturbeständig sein, um Verbrennen und Verzug zu vermeiden.
Sol-Gel-Technik Mittels eines nasschemischen Verfahrens werden organische Verbindungen hydrolisiert und teilkondensiert und in verschiedenen Lösungsmitteln gelöst. Diese Lacke können mittels üblicher Verfahren wie Tauchbeschichten, Spin-Coating oder Sprühen aufgebracht werden, bilden eine Gelschicht und werden in einem Folgeprozess mittels UV- bzw. IR-Strahlung zu z.B. einer Keramikschicht versintert oder ausgehärtet.
Verfahren des Beschichtens und Stoffeigenschaftänderns
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Ein großer Vorteil des Verfahrens ist die Einfachheit. Man benötigt keine aufwendigen und teuren Anlagen; die Herstellung erfolgt im Reagenzglas. Es lassen sich auf Anwendungen bezogene, maßgeschneiderte Werkstoffe herstellen.
Thermisches Spritzen Die als Pulver oder als Draht vorliegenden Beschichtungsmaterialien werden in einer energiereichen Wärmequelle erschmolzen und durch geeignete Mittel als Tröpfchen auf das Substrat aufgesprüht. Die Energieträger sind derzeit die Brenngas-Sauerstoff-Flamme, der elektrische Lichtbogen, der Plasmastrahl und der Laserstrahl. Die kinetische Energie, gekoppelt an die Partikel- geschwindigkeit beeinflusst die Dichte der Schicht, die Haftzugfestigkeit der Spritzschicht in sich und die Haftzugfestigkeit der Schicht zum Grundwerkstoff. Verfahrensbeispiele sind Plasmaspritzen. Flammspritzen, Lichtbogenspritzen.
Umschmelzen Das( Wieder-)Aufschmelzen einer Oberfläche mit dem Ziel einer Glättung nach vorheriger anderer Behandlung (z.B. spurweises Beschichten) oder des Einschmelzen eines vorher aufgebrachten artfremden Materials z.B. beim Siebrucken oder beim Legieren. Auch das oberflächenbegrenzte Umwandlungshärten ist prinzipiell ein Umschmelzprozess.
Umwandlungshärten Unter Härten versteht man eine Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in der Regel in Martensit erfolgt. Nach dem Härten besteht das Gefüge sogenannter übereutekoider Stähle üblicherweise aus Martensit + Restaustenit + Carbid. Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit werden maßgeblich vom Gefügezustand nach dem Härten beeinflusst. Im Prinzip ist jeder Stahl mehr oder weniger gut härtbar, die Härtbarkeit ist aber entscheidend von der chemischen Zusammensetzung des Stahls abhängig
Verfahren des Beschichtens und Stoffeigenschaftänderns
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