Hinweise zur Verfahrensauswahl

Viele Benspruchungen sind auf den Randbereich der Bauteile oder Werkzeuge konzentriert. Deshalb ist es sinnvoll, deren Randbereich zu optimieren. Bei der Verfahrensauswahl ist zu beachten, dass das gewählte Verfahren einerseits mit seiner Eindringtiefe den beanspruchten Bereich ausreichend schützt und andererseits eine beanspruchungsgerechte Randschicht erzeugt.

Eindringtiefe ausgewählter Randschichtverfahren

Tiefenwirkungen von Beanspruchungen
Tiefenwirkungen von Beanspruchungen
Ausgewählte Verfahren
Ausgewählte Verfahren

Erklärung zu den gewählten Verfahrensbeispielen:
Ionenimplantieren (Diffusionsbehandlung)
PVD (Physikalische Abscheidung aus der Gasphase)
CVD (Chemische Abscheidung aus der Gasphase)
Nitrieren
Aus der obigen Übersicht wird verständlich, dass allein bedingt durch die Schichtdicken PVD, CVD oder andere Dünnschichtverfahren nicht genutzt werden können, um z.B. einer Randschichtermüdung mit großer Eindringtiefe wirkungsvoll entgegen zu wirken. Unabhängig von der Eindringtiefe der Verfahren müssen natürlich die verfahrensspezifischen Eigenschaftsänderungen mit berücksichtigt werden.

Die Beanspruchung von Randschichten läßt sich stark vereinfacht durch drei Schädigungsmechanismen charakterisieren:

KorrosionVerschleiß (abrasiv, adhäsiv) – Randschichtermüdung

Schädigungsmechanismen treten in der Regel selten allein, sondern meist mit komplexen Wechselwirkungen auf. Damit kann die obige Übersicht lediglich eine erste Orientierung geben. Nach Spies [1] ergeben sich entsprechend der jeweiligen Beanspruchungsart nachstehende Anforderungen an die Eigenschaften der Randschicht um die Beanspruchung optimal zu ertragen:

Abrasion:

– hohe Härte bei ausreichender Zähigkeit, harte Phasen in einer sich verfestigenden Matrix

Adhäsion:

– geringe adhäsive Bindungskräfte, artfremde Randschichten (Vermeidung metallischer Paarungen), Werkstoffe mit heterogenem Gefüge, geringe Deformationsneigung, hohe Härte

Korrosion:

– reaktionsbeständige Schichten

Randschichtermüdung:

– hohe Festigkeit bei möglichst hoher Zähigkeit, Vermeidung gefügebedingter Spannungskonzentrationen, d.h. hohe Gefügehomogenität, Druckeigenspannungen im Randbereich

Thermische Ermüdung:

-hohe Warmfestigkeit, homogenes Gefüge, thermisch stabile Druckeigenspannungen, Verringerung der Beanspruchung durch Wärmedämmschichten
Spies schlägt in [1] folgende verfahrensübergreifende Systematisierung für Randschichten vor:

(1) dünne arteigene, verfestigte Randschichten erhöhter Beständigkeit gegenüber Abrasion und Adhäsion.
(2) dünne artfremde Schichten hoher Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit
(3) dicke artfremde Schichten hoher Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie Wärmedeämmung
(4) dicke arteigene, verfestigte Randschichten erhöhter Beständigkeit gegenüber Randschichtermüdiung und thermischer Ermüdung
(5) Duplex-Randschichten, z.B. dünne artfremde Schichten (2) auf dicken arteigenen Schichten (4)

Unter Berücksichtigung der Eindringtiefe ergibt sich:

Beanspruchungsgerechte Randschichten und Verfahrensbeispiele [1]

(geforderte Schichteigenschaften

Schichtaufbau
Verfahrensbeispiel)

1 – erhöhte Beständigkeit gegenüber Abrasion und Adhäsion, geringer zulässiger Abtrag

dünne arteigene, verfestigte Randschichten
Nitrieren, Einsatzhärten

2 – erhöhte Beständigkeit gegenüber Abrasion, Adhäsion und Korrosion, geringer zulässiger Atabtrag

dünne artfremde Schichten
CVD, PVD, galvanische Verfahren, Nitrieren, Oxidieren

3 – erhöhte Beständigkeit gegenüber starker Abrasion, Adhäsion und Korrosion; Wärmedämmung, größerer
zulässiger Abtrag

dicke artfremde Schichten
therm. Spritzen, Auftragsschweißen

4 – erhöhte Beständigkeit gegenüber Randschichtermüdung, Abrasion, thermischer Ermüdung, hohe Tiefenwirkung
der Beanspruchung

dicke arteigene, verfestigte Randschichten
therm. Randschichthärtung, Einsatzhärten, Nitrieren, Kaltverfestigen

5 – erhöhte Beständigkeit gegenüber extrem komplexer Beanspruchung, z.B. (2) und (4)

Duplex-Schichten, z.B. dünne artfremde Schichten auf dicken arteigenen Schichten
Nitrieren plus PVD/CVD; Nitrieren plus thermisch Spritzen – PVD

[1] H.J. Spies
Optimierung des Gebrauchsverhaltens von Bauteilen durch Randschichtbehandlung
Techn. Universität Bergakademie Freiberg, 26.-28.9.1995