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 [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

 

 

Verfahrensauswahl nach der Beanspruchungstiefe

Tiefenwirkung von Beanspruchungen

Tiefenwirkung von Beanspruchungen

 

Ausgewählte Verfahren und deren Tiefenwirkung

Ausgewählte Verfahren und deren Tiefenwirkung