Quelle:
„Optimierung des Gebrauchsverhaltens von Bauteilen durch Randschichtbehandlung“
H.-J. Spies
Institut für Werkstofftechnik, TU Bergakademie Freiberg – 26.-28.9.1995
Verfahren mit Änderung der Mikrostruktur ohne Änderung der chemischen Zusammensetzung
– Thermische Behandlung
– Erwärmen durch Induktion, Konduktion, Flammen, Lichtbogen, Laser, Elektronenstrahl
– Randschichtumschmelzen, Randschichhärten
– Mechanische Behandlung
– Kugelstrahlen, Rollen, Glattwalzen
Verfahren mit Änderung von Mikrostrukur & chemischer Zusammensetzung
– Thermochemische Diffusionsbehandlung
– Aufkohlen, Nitrieren, Borieren, Oxidieren
– Physikalisch gestützte Diffusionsbehandlung
– Plasmadiffusion, Plasmaimmersion, Ionenplantieren
– Umschmelzlegieren
Verfahren zur Beschichtung mit einem anderen Werkstoff
– Physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD)
– Chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD)
– Elektrochemische Beschichtung
– Chemische Beschichtung (stromlos)
– Emaillierung
– Schmelztauchbeschichtung
– Thermisch Spritzen
– Auftragsschweißen
– Plattierung
– Auftragen und Einbetten mit energiereicher Strahlung
Verfahrensauswahl nach der Beanspruchungsart
Die Beanspruchung von Randschichten läßt sich stark vereinfacht durch drei Schädigungsmechanismen charakterisieren:
Korrosion – Verschleiß (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
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
Verfahrensauswahl nach der Beanspruchungstiefe
Tiefenwirkung von Beanspruchungen
Ausgewählte Verfahren und deren Tiefenwirkung