Sommersemester 2012 Dr. Dieter Müller RENK AG, Augsburg 25. Juni 2012

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1 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Sommersemester 2012 RENK AG, Augsburg 25. Juni 2012 Block 6 Thermochemisches Randschichthärten korrosionsbeständiger Stähle Beschichten Thermisches Spritzen PVD CVD Nasschemische Verfahren Brünieren Phosphatieren Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 2 1

2 Verringerung der Korrosionsbeständigkeit von Cr-Stählen Ausscheidung von Cr-Karbiden und-nitriden Nitriden: Ausscheidungen bevorzugt an Korngrenzen; Verlust der Korrosionsbeständigkeit interkristalline Korrosion (Kornzerfall) Cr-Gehalt Cr 0 Cr Re Cr-Karbid bzw. -Nitridausscheidung Temperatur ( C) Hochtemperaturdiffusion SolNit Cr 2 N M 23 C 6 Tieftemperaturdiffusion Plasmanitrieren / Kolsterisieren 300 0,03 0,1 0, Glühdauer (h) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 4 2

3 Hochtemperaturdiffusion Eindiffusion von Stickstoff bei ca C und anschließendes Abschrecken Praktisch werden konventionelle Vakuumhärteanlagen verwendet; Prozessgas ist N 2 N erzeugt bei ferritischen Stählen eine austenitische Randschicht, welche beim Abschrecken martensitisch umwandelt Bei austenitischen Stählen kommt es gleichfalls zu einer allerdings geringen Härtesteigerung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 5 Dreistoffsystem Fe-Cr Cr-C C bzw. Fe-Cr Cr-N 30 F + M 2 N Cr-Gehalt (Gew.%) F + A F + M 23 C 6 F + A + M 23 C 6 A A + M 23 C 6 0 0,5 1,0 1,5 C-Gehalt (Gew.%) A + M 7 C 3 A + M 3 C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 6 2,0 F + A 0 0,5 1,0 1,5 N-Gehalt (Gew.%) A + M 2 N A + MN A + M 2 N + MN Isothermer Schnitt bei 1050 C Bei Cr-Gehalten zwischen 13 und 17% ist der Austenit-Bereich im System Fe-Cr-N erweitert (im Vergleich Zu FeCrC) SolNit (Solution Nitriding) A 2,0 Quelle: Zaugg, Edenhofer, Gräfen, Bouwman, Berns: HTM 60(2005)1 3

4 SolNit-M Härte HV X6Cr17 X14CrMoS17 X15Cr13 X20Cr13 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Abstand von der Oberfläche (mm) SolNit-M (Martensit) Ferritische und martensitische Stähle Erzeugung martensitischer Randschichten (vergleichbar mit Einsatzhärten) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 7 Tieftemperaturdiffusion Nur bei austenitischen Stählen möglich (und bedingt bei Duplex-Stählen) wegen mangelnder Löslichkeit im Ferrit N und C können eindiffundieren und bleiben im kfz Gitter gelöst; es entsteht ein übersättigter Austenit; expanded Austenite, S-Phase Behandlungstemperaturen um 400 C; entsprechend lange Zeiten und dünne Schichten Verwendete Prozesse Plasmanitrieren bzw. Plasmaaufkohlen Kolsterisieren Niederdruckaufkohlen (im Versuchsstadium) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 8 4

5 Tieftemperaturdiffusion Härte und Struktur Plasma-Carburiert: 500 C / 4h / K C = Plasma-Nitriert: 440 C / 18,5h / K N = X5CrNiMo Härte HV0, carburiert + nitriert carburiert nitriert kolsterisiert 10 µm Quelle: Bodycote Abstand von der Oberfläche (µm) 50 carburiert + nitriert 10 µm Quelle: Christiansen, Somers: HTM 60(2005)4 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 9 Thermische Stabilität 600 X5CrNiMo Temperatur ( C) Carburierung Nitrierung Behandlungsdauer (h) Quelle: Spies, Bell, Kolozsvary: HTM 65(2010)1 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 10 5

6 Tieftemperaturaufkohlen Anwendungen Dosierrad Pharmaindustrie Werkstoff: (AISI 316) Anforderungen: Korrosionsbeständigkeit Keine Maß- und Formänderung Verschleißfestigkeit Abfüllzylinder Nahrungsmittelindustrie Werkstoff: Anforderungen: Verschleißfest Keine Maß- und Formänderung Korrosionsfest Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 11 6

7 Einteilung der Beschichtungsverfahren Beschichten Dickschichtverfahren Dünnschichtverfahren Nasschemische Verfahren Thermisches Spritzen Plattieren Auftragsschweißen Aufpanzern PVD CVD Ionenimplantieren elektrochemische Verfahren alkalisch wässerige Verfahren Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 13 7

8 Temperaturbelastung der Beschichtungsverfahren Beschichtungswerkstoff Schmelze Schmelztröpfchen aus Elektrolyt Dampfphase Dampfphase 1000 Substrattemperatur ( C) Auftragsschweißen Thermisches Spritzen Galvanik PVD CVD Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 15 Einteilung thermisches Spritzen Thermisches Spritzen (TS) TS durch Strahl TS durch Flüssigkeit TS durch Gas TS durch elektrische Gasentladung Laserspritzen Schmelzbadspritzen Flammspritzen Pulverflammspritzen Detonationsspritzen Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) Lichtbogenspritzen Plasmaspritzen Flüssigkeitsstabilisiertes Plasmaspritzen Drahtflammspritzen Plasmaspritzen in Kammern Atmosphärisches Plasmaspritzen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 16 8

9 Thermisches Spritzen - Prinzip Spritzpistole Erwärmen und Beschleunigen Energiequelle - Flamme - Lichtbogen - Plasma Substrat Spritzmaterial - Pulver - Drähte - Stäbe Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 17 Aufbau einer Spritzschicht Quelle: S.Siegmann et.al., Summer Workshop, Zürich, 1999 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 18 9

10 Flammspritzen Drahtflammspritzen Foto: Leistner Pulverflammspritzen Quelle: Sulzer Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 19 Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) Quelle: Sulzer Foto: Leistner Foto: GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.v Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 20 10

11 Plasmaspritzen Quelle: Sulzer Foto: Leistner Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 21 Explosionsflammspritzen (1) Acetylen (2) Sauerstoff (3) Stickstoff (4) Spritzpulver (5) Zündeinrichtung (6) Austrittsrohr mit Wasserkühlung (7) Werkstück Quelle: GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.v Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 22 11

12 Lichtbogenspritzen (1) Zerstäubergas (2) Drahtzuführung / Regulierung (3) Brennerkopf (4) Elektrisch leitender Draht (5) Werkstück Quelle: GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.v Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 23 Prozessparameter beim Thermischen Spritzen Thermische Energie Schichteigenschaften Kinetische Energie Prozessgase Pulverwerkstoff Substratwerkstoff Kinematik Porosität Gefügeaufbau Dichte Phasenzusammensetzung Härte E-Modul Rauheit Eigenspannungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 24 12

13 Beschichtung Quelle: Schick Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 25 Haftfestigkeit Beschichtung Quelle: Castolin Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 26 13

14 Dichte Beschichtung Quelle: Siegmann et.al, Zürich, 1999 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 27 Spritzwerkstoffe Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 28 14

15 Zusatzwerkstoffe Draht: -Massivdraht -Fülldraht Falzdraht Röhrchendraht Pulver Gasverdüst (z.b. Metallpulver) Geschmolzen/gebrochen (z.b. WC) Wasserverdüst ( Metallpulver) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 29 Quelle: Castolin Spritzschichten - Querschliff Zn Mo Al Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 30 15

16 Spritzschicht - ZrO Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 31 Spritzschicht - Nachbehandlung Vakuumglühen HIP Umschmelzen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 32 16

17 Spritzschicht - Nachbehandlung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 33 17

18 PVD-Beschichtungsverfahren PVD Sputtering Evaporation Diode Magnetron Ion beam Triode Resistive Arc Inductive e-beam Radio Frequency Pulsed Cathode DC-sputtering Steered Random Balanced Unbalanced Balanced Unbalanced Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 35 PVD-Beschichten - Verfahren Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 36 18

19 Elektronenstrahlverdampfen (Ion-Plating) Elektronenstrahlquelle Argon Reaktionsgas C Werkstück Werkstücke (-Bias) Vakuumpumpe Tiegel (Anode) Beschichtungsmaterial Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 37 Sputtern Elektronenstrahlquelle Argon Reaktionsgas C Werkstücke Planare Magnetron- Zerstäubungsquelle (Beschichtungsmaterial) Vakuumpumpe Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 38 19

20 Arc-Prozeß Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 39 PVD-Anlage Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 40 20

21 Chargierung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 41 Funktionelle PVD-Schichten Schichtmaterial TiN TiCN DLC WC/C CrN TiAlN TiAlN TiAlN + WC/C polykristall. Diamant Mikrohärte (HV 0,05) * Reibwert gegen Stahl (trocken) 0,4 0,4 0,15-0,2 0,5 0,4 0,4 0,15-0,2 Schichtdicke (µm) (anwendungsbez.) max. Anwendungstemperatur ( C) / * Schichtfarbe gold-gelb blau-grau silber-grau violett-grau schwarzgrau violettgrau dunkelgrau hell-grau Schichtaufbau Monolayer mehrlagig, gradiert lamellar Monolayer Multilayer Monolayer mehrlagig, lamellar polykristallin *bezogen auf TiAlN Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 42 21

22 Funktionelle PVD-Schichten Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 43 Tribologische Schichten Carbon based Nitrides Sulfides Me-C:H DLC a-c a-c/me CrN TiN MoS 2 MoS 2/Me Technology PVD/PACVD PACVD PVD PVD PVD PVD PVD PVD Hardness [GPa] C.O.F Thickness [µm] Max. temp. [ C] Ind. experience Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 44 22

23 PVD-Beschichten - Morphologie Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 45 Einteilung der kohlenstoffbasierten Schichten Doping elements hydrogen free Diamond-like-carbon (DLC) films hydrogen containing metall metall Non-metall Kristalline C-Schichten crystalline carbon films Diamantschichten undoped doped Structure sp 2 sp 3 sp 2 sp 2 / sp 3 sp 3 sp 2 sp 3 Shortcut a-c ta-c a-c:me a-c:h ta-c:h a-c:h:me a-c:h:x (Me = W, Ti, (X = Si, O,...) N, F, B) Other designations DLC DLC i-c Diamant DLC DLC Me-DLC Me-C:H MeC:H DLC X-DLC Si-DLC - - PCD, PD, CVD-diamant Deposition process PVD PVD PVD PA-CVD PVD PVD PA-CVD PVD PA-CVD PVD PA-CVD activated CVD VDI Richtlinie 2840 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 46 23

24 Struktur W-DLC-Schicht Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 47 Diamant-Beschichtung Quelle: TU Dresden Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 48 24

25 Diamant-Beschichtung Quelle: Uni Siegen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 49 Multilayer-Beschichtungen Quelle: Munz Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 50 25

26 Prüfung der Schichthaftung Scratch-Test Rockwell-Test Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 51 Prüfung der Schichtstärke Kalottenschliff Näherungsformel: Quelle: Êifeler Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 52 26

27 Beschichtete Komponenten Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 53 Anwendungen TiN TiCN TiAlN CrN CrCN ZrN Me-C:H Zerspanung X (Mono) X X Stanzen X (Mono) X X Umformung X (Mono) X X X Kunststoffverarbeitung X (Mono) X X Feinschneiden X (Multi) X Fräsen X X X Fräsen (vergütetes Material) Gußeisen Hochgeschwindigkeitszerspanung Hochtemperaturanwendungen X Zerspanung von Ti u. Al X X Extrusion X X Zerspanung von Kunststoffen und Faserverbund X X X X X X Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 54 27

28 Korrosion Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 55 Reibungswerte COF [µ] 1,2 PVD CrN 1,1 CVD TiC/TiN 1 PVD TiCN 0,9 a-c:h (RF) 0,8 a-c:h:me 0,7 a-c:h (MF) 0,6 a-c:h:si 0,5 0,4 0,3 0,2 0, m Sliding distance Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 56 28

29 Beschichtungsanlage HTC Cr WC WC Cr Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 57 29

30 CVD CVD: Chemical Vapour Deposition Chemische Abscheidung aus der Dampfphase z.b. TiC- Herstellung TiCl 4 + CH 4 TiC + 4HCl Energiequellen: -Thermisch -Widerstands oder Induktionsheizung -Wolfram Glühfaden -Optisch -UV -Laser -Plasma (PACVD) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 59 CVD - Schichtsysteme Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 60 30

31 Nasschemische Verfahren - Brünieren Unter Brünieren versteht man die Erzeugung von schwarzen Überzügen auf Stahl und Gußeisen. Hierbei handelt es sich um Oxidschichten zur Verbesserung der Optik und Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit (geringer Effekt). Die Herstellung erfolgt durch Tauchen der Teile in alkalisch-oxydierende Bäder. Dabei entstehen Mischoxide aus FeO und Fe 2 O 3 Heidenauer Galvanik MP Härterei Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 62 Härterei Rau 31

32 Nasschemische Verfahren - Phosphatieren Unter Phosphatieren (Bondern) versteht man die Erzeugung von Metallphosphatschichten (Konversionsschichten) auf metallischen Grundwerkstoffen durch Spritzen oder Tauchen in wässrige Phosphatlösungen. Je nach Lösung und Grundwerkstoff bilden sich auf der Oberfläche graue Fe-, Zn- oder Mn-Phosphatschichten. Eigenschaften: Temporärer Korrosionsschutz Gute Gleiteigenschaften (Maschinenelemente, Schmierstoff für Kaltumformung) Elektrisch isolierend (Elektrobleche) Haftvermittlung für Lacke Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 63 Nasschemische Verfahren - Phosphatieren Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 64 32

33 Nasschemische Verfahren - Phosphatieren Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 65 Nasschemische Verfahren - Phosphatieren Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 66 33