2013-6 - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität Bayreuth
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SS <strong>2013</strong><br />
Dr. Dieter Müller<br />
Renk AG, Augsburg<br />
24. Juni <strong>2013</strong><br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 1<br />
Block 6<br />
Beschichten<br />
Thermisches Spritzen<br />
PVD<br />
CVD<br />
Nasschemische Verfahren<br />
Brünieren<br />
Phosphatieren<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 2
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 3<br />
Einteilung der Beschichtungsverfahren<br />
Beschichten<br />
Dickschichtverfahren<br />
Dünnschichtverfahren<br />
Nasschemische<br />
Verfahren<br />
Thermisches Spritzen<br />
Plattieren<br />
Auftragsschweißen<br />
Aufpanzern<br />
PVD<br />
CVD<br />
Ionenimplantieren<br />
elektrochemische<br />
Verfahren<br />
alkalisch wässerige<br />
Verfahren<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 4
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 5<br />
Temperaturbelastung der<br />
Beschichtungsverfahren<br />
Beschichtungswerkstoff<br />
Schmelze<br />
Schmelztröpfchen<br />
aus<br />
Elektrolyt<br />
Dampfphase<br />
Dampfphase<br />
1000<br />
Substrattemperatur (°C)<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
Auftragsschweißen<br />
Thermisches<br />
Spritzen<br />
Galvanik PVD CVD<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 6
Einteilung thermisches Spritzen<br />
Thermisches<br />
Spritzen (TS)<br />
TS<br />
durch<br />
Strahl<br />
TS<br />
durch<br />
Flüssigkeit<br />
TS<br />
durch Gas<br />
TS durch<br />
elektrische<br />
Gasentladung<br />
Laserspritzen<br />
Schmelzbadspritzen<br />
Flammspritzen<br />
Pulverflammspritzen<br />
Detonationsspritzen<br />
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen<br />
(HVOF)<br />
Lichtbogenspritzen<br />
Plasmaspritzen<br />
Flüssigkeitsstabilisiertes<br />
Plasmaspritzen<br />
Drahtflammspritzen<br />
Plasmaspritzen in<br />
Kammern<br />
Atmosphärisches<br />
Plasmaspritzen<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 7<br />
Thermisches Spritzen - Prinzip<br />
Spritzpistole<br />
Erwärmen und<br />
Beschleunigen<br />
Energiequelle<br />
- Flamme<br />
- Lichtbogen<br />
- Plasma<br />
Substrat<br />
Spritzmaterial<br />
- Pulver<br />
- Drähte<br />
- Stäbe<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 8
Aufbau einer Spritzschicht<br />
Quelle: S.Siegmann et.al., Summer Workshop,<br />
Zürich, 1999<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 9<br />
Flammspritzen<br />
Drahtflammspritzen<br />
Foto: Leistner<br />
Pulverflammspritzen<br />
Quelle: Sulzer<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 10
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen<br />
(HVOF)<br />
Quelle: Sulzer<br />
Foto: Leistner<br />
Foto: GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 11<br />
Plasmaspritzen<br />
Quelle: Sulzer<br />
Foto: Leistner<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 12
Explosionsflammspritzen<br />
(1) Acetylen<br />
(2) Sauerstoff<br />
(3) Stickstoff<br />
(4) Spritzpulver<br />
(5) Zündeinrichtung<br />
(6) Austrittsrohr mit Wasserkühlung<br />
(7) Werkstück<br />
Quelle: GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 13<br />
Lichtbogenspritzen<br />
(1) Zerstäubergas<br />
(2) Drahtzuführung / Regulierung<br />
(3) Brennerkopf<br />
(4) Elektrisch leitender Draht<br />
(5) Werkstück<br />
Quelle: GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 14
Prozessparameter beim thermischen Spritzen<br />
Thermische<br />
Energie<br />
Schichteigenschaften<br />
Kinetische Energie<br />
Prozessgase<br />
Pulverwerkstoff<br />
Substratwerkstoff<br />
Kinematik<br />
Porosität<br />
Gefügeaufbau<br />
Dichte<br />
Phasenzusammensetzung<br />
Härte<br />
E-Modul<br />
Rauheit<br />
Eigenspannungen<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 15<br />
Thermisches Spritzen<br />
Temperatur - Partikelgeschwindigkeit<br />
Quelle: Schick<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 16
Haftfestigkeit Beschichtung<br />
Quelle: Castolin<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 17<br />
Dichte Beschichtung<br />
Quelle: Siegmann et.al, Zürich, 1999<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 18
Spritzwerkstoffe<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 19<br />
Zusatzwerkstoffe<br />
Draht:<br />
-Massivdraht<br />
-Fülldraht<br />
Falzdraht<br />
Röhrchendraht<br />
Pulver<br />
Gasverdüst (z.B. Metallpulver) Geschmolzen/gebrochen (z.B. WC) Wasserverdüst ( Metallpulver)<br />
Quelle: Castolin<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 20
Spritzschichten - Querschliff<br />
Zn<br />
Mo<br />
Al<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 21<br />
Spritzschicht - ZrO<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 22
Spritzschicht - Nachbehandlung<br />
Vakuumglühen<br />
HIP<br />
Umschmelzen<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 23<br />
Spritzschicht - Nachbehandlung<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 24
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 25<br />
PVD-Beschichtungsverfahren<br />
PVD<br />
Sputtering<br />
Evaporation<br />
Diode<br />
Magnetron Ion beam Triode<br />
Resistive<br />
Arc Inductive e-beam<br />
Radio Frequency<br />
Pulsed Cathode<br />
DC-sputtering<br />
Steered<br />
Random<br />
Balanced<br />
Unbalanced<br />
Balanced<br />
Unbalanced<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 26
PVD-Beschichten - Verfahren<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 27<br />
Sputtern<br />
Elektronenstrahlquelle<br />
Argon<br />
Reaktionsgas<br />
150 - 250°C<br />
Werkstücke<br />
Planare Magnetron-<br />
Zerstäubungsquelle<br />
(Beschichtungsmaterial)<br />
Vakuumpumpe<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 28
Elektronenstrahlverdampfen (Ion-Plating)<br />
Elektronenstrahlquelle<br />
Argon<br />
Reaktionsgas<br />
450 - 500°C<br />
Werkstück<br />
Werkstücke<br />
(-Bias)<br />
Vakuumpumpe<br />
Tiegel (Anode)<br />
Beschichtungsmaterial<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 29<br />
Arc-Prozeß<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 30
PVD-Anlage<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 31<br />
Chargierung<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 32
Funktionelle PVD-Schichten<br />
Schichtmaterial<br />
TiN<br />
TiCN<br />
DLC<br />
WC/C<br />
CrN<br />
TiAlN<br />
TiAlN<br />
TiAlN<br />
+ WC/C<br />
polykristall.<br />
Diamant<br />
Mikrohärte<br />
(HV 0,05)<br />
2’300<br />
3’000<br />
1’000<br />
1’750<br />
3’000<br />
3’500<br />
3’000*<br />
8‘000-<br />
10‘000<br />
Reibwert gegen<br />
Stahl (trocken)<br />
0,4<br />
0,4<br />
0,15 - 0,2<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,4<br />
0,15 - 0,2<br />
Schichtdicke<br />
(µm)<br />
(anwendungsbez.)<br />
max.<br />
Anwendungstemperatur<br />
(°C)<br />
1 - 2<br />
3 - 4<br />
600<br />
1 - 2<br />
3 - 4<br />
400<br />
1-4<br />
300<br />
1 - 2<br />
3 - 4 / 10<br />
700<br />
1 - 2<br />
3 - 5<br />
800<br />
1 - 2<br />
3 - 4<br />
800<br />
1 - 3<br />
4 - 6<br />
800*<br />
6-20<br />
800<br />
Schichtfarbe<br />
gold-gelb<br />
blau-grau<br />
silber-grau<br />
violett-grau<br />
schwarzgrau<br />
violettgrau<br />
dunkelgrau<br />
hell-grau<br />
Schichtaufbau<br />
Monolayer<br />
mehrlagig,<br />
gradiert<br />
lamellar<br />
Monolayer<br />
Multilayer<br />
Monolayer<br />
mehrlagig,<br />
lamellar<br />
polykristallin<br />
*bezogen auf TiAlN<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 33<br />
Funktionelle PVD-Schichten<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 34
Tribologische Schichten<br />
Carbon based Nitrides Sulfides<br />
Me-C:H DLC a-C a-C/Me CrN TiN MoS 2 MoS 2 /Me<br />
Technology PVD/PACVD PACVD PVD PVD PVD PVD PVD PVD<br />
Hardness [GPa] 8 - 22 15 -40 20 – 40 15 – 25 12 – 24 20 – 26 5 5 – 16<br />
C.O.F. 0.1 – 0.2 0.02 – 0.1 0.02 – 0.1 0.05 – 0.1 0.4 – 0.6 0.5 – 0.7 0.05 0.1 – 0.2<br />
Thickness [µm] 1 – 10 0.5 – 3 1 – 3 1 – 5 1 – 50 1 – 8 1 – 10 1 – 5<br />
Max. temp. [°C] 350 400 450 450 750 500 400 400<br />
Ind. experience +++ + - - +++ +++ + +<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 35<br />
PVD-Beschichten - Morphologie<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 36
Einteilung der kohlenstoffbasierten Schichten<br />
Diamond-like-carbon (DLC) films<br />
Kristalline C-Schichten<br />
crystalline carbon films<br />
Diamantschichten<br />
Doping<br />
elements<br />
hydrogen free<br />
hydrogen containing<br />
metall metall Non-metall<br />
undoped<br />
doped<br />
Structure sp 2 sp 3 sp 2 sp 2 / sp 3 sp 3<br />
sp 2<br />
sp 3<br />
Shortcut a-C ta-C a-C:Me a-C:H ta-C:H a-C:H:Me a-C:H:X<br />
(Me = W, Ti, (X = Si, O,<br />
...) N, F, B)<br />
Other<br />
designations<br />
DLC<br />
DLC<br />
i-C<br />
Diamant<br />
DLC<br />
DLC<br />
Me-DLC<br />
Me-C:H<br />
MeC:H<br />
DLC<br />
X-DLC<br />
Si-DLC<br />
- -<br />
PCD, PD, CVD-diamant<br />
Deposition<br />
process<br />
PVD PVD PVD PA-CVD<br />
PVD<br />
PVD<br />
PA-CVD<br />
PVD<br />
PA-CVD<br />
PVD<br />
PA-CVD<br />
activated CVD<br />
VDI Richtlinie 2840<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 37<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Folie 37<br />
Struktur W-DLC-Schicht<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 38
Diamant-Beschichtung<br />
Quelle: TU Dresden<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 39<br />
Diamant-Beschichtung<br />
Quelle: Uni Siegen<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 40
Multilayer-Beschichtungen<br />
Quelle: Munz<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 41<br />
Prüfung der Schichthaftung<br />
Scratch-Test<br />
Rockwell-Test<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 42
Prüfung der Schichtstärke<br />
Kalottenschliff<br />
Näherungsformel:<br />
Quelle: Êifeler<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 43<br />
Beschichtete Komponenten<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 44
Anwendungen<br />
TiN TiCN TiAlN CrN CrCN ZrN Me-C:H<br />
Zerspanung X (Mono) X X<br />
Stanzen X (Mono) X X<br />
Umformung X (Mono) X X X<br />
Kunststoffverarbeitung X (Mono) X X<br />
Feinschneiden X (Multi) X<br />
Fräsen X X X<br />
Fräsen<br />
(vergütetes Material)<br />
Gußeisen<br />
Hochgeschwindigkeitszerspanung<br />
Hochtemperaturanwendungen<br />
X<br />
Zerspanung von Ti u. Al X X<br />
Extrusion X X<br />
Zerspanung von Kunststoffen<br />
und Faserverbund X X<br />
X<br />
X<br />
X<br />
X<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 45<br />
Korrosion<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 46
Reibungswerte<br />
COF [µ]<br />
1,2<br />
1,1<br />
1<br />
0,9<br />
0,8<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0<br />
PVD CrN<br />
CVD TiC/TiN<br />
PVD TiCN<br />
a-C:H (RF)<br />
a-C:H:Me<br />
a-C:H (MF)<br />
a-C:H:Si<br />
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 m<br />
Sliding distance<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 47<br />
Beschichtungsanlage<br />
HTC - 1200<br />
Cr<br />
WC<br />
WC<br />
Cr<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 48
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 49<br />
CVD<br />
CVD:<br />
Chemical Vapour Deposition<br />
Chemische Abscheidung aus der Dampfphase<br />
z.B. TiC- Herstellung<br />
TiCl 4 + CH 4<br />
→ TiC + 4HCl<br />
Energiequellen:<br />
-Thermisch<br />
-Widerstands – oder Induktionsheizung<br />
-Wolfram Glühfaden<br />
-Optisch<br />
-UV<br />
-Laser<br />
-Plasma (PACVD)<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 50
CVD - Schichtsysteme<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 51<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 52
Nasschemische Verfahren - Brünieren<br />
Unter Brünieren versteht man die Erzeugung von<br />
schwarzen Überzügen auf Stahl und Gußeisen. Hierbei<br />
handelt es sich um Oxidschichten zur Verbesserung der<br />
Optik und Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit<br />
(geringer Effekt).<br />
Die Herstellung erfolgt durch Tauchen der Teile in<br />
alkalisch-oxydierende Bäder. Dabei entstehen<br />
Mischoxide aus FeO und Fe 2 O 3<br />
Heidenauer Galvanik<br />
MP Härterei<br />
Härterei Rau<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 53<br />
Nasschemische Verfahren - Phosphatieren<br />
Unter Phosphatieren (Bondern) versteht man die Erzeugung von<br />
Metallphosphatschichten (Konversionsschichten) auf metallischen<br />
Grundwerkstoffen durch Spritzen oder Tauchen in wässrige Phosphatlösungen.<br />
Je nach Lösung und Grundwerkstoff bilden sich auf der Oberfläche graue Fe-,<br />
Zn- oder Mn-Phosphatschichten.<br />
Eigenschaften:<br />
Temporärer Korrosionsschutz<br />
Gute Gleiteigenschaften (Maschinenelemente, Schmierstoff für<br />
Kaltumformung)<br />
Elektrisch isolierend (Elektrobleche)<br />
Haftvermittlung für Lacke<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 54
Nasschemische Verfahren - Phosphatieren<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 55<br />
Nasschemische Verfahren - Phosphatieren<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 56
Nasschemische Verfahren - Phosphatieren<br />
Die Wärmebehandlung metallischer <strong>Werkstoffe</strong> Dr. Dieter Müller Folie 57
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