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Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik Universität Paderborn www.lwf.upb.de

Vorlesung Grundlagen der Fertigungstechnik

Beschichtungstechnik Dozent [Ifm13] [NN12]

Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut M. Sc. Benedikt Uhe

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3. Beschichtungstechnik

3. Beschichtungstechnik 3.1 Grundlagen der Beschichtungstechnik 3.2 Oberflächenvorbehandlung 3.3 Korrosion 3.4 Verschleiß 3.5 Schmelztauchen 3.6 Elektrolytisches Abscheiden 3.7 Phosphatieren 3.8 CVD / PVD 3.9 Thermisches Spritzen

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3.1 Grundlagen der Beschichtungstechnik Definition Beschichten nach DIN 8580 Fertigen durch Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf ein Werkstück; maßgebend ist der unmittelbar vor dem Beschichten herrschende Zustand des Beschichtungsstoffes. Anmerkung Im allgemeinen Sprachgebrauch werden Verfahren, wie Plattieren, Aufkleben von Folien (Kaschieren) oder Furnieren, oft fälschlicherweise dem Beschichten zugeordnet. Da hierbei die Schicht jedoch nicht aus formlosem Stoff erzeugt, sondern als ein geometrisch bestimmter Körper durch Schweißen, Löten oder Kleben mit dem Werkstück verbunden wird, gehören solche Verfahren ebenso, wie z. B. das Tapezieren oder das Aufkleben von Fußbodenbelägen, zum Fügen. Motivation für das Beschichten  Korrosions- und/oder Verschleißschutz

Verschleißmindernde Beschichtung

 Verbesserung der Gleiteigenschaften  Dekoration bzw. Farbgebung (Signal, Tarnung, …)  Biokompatibilität, Sanitär, …

Optische Beschichtung

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3.1 Grundlagen der Beschichtungstechnik Fertigungsverfahren DIN 8580

Einordnung der Beschichtungstechnik Hauptgruppe 1

Hauptgruppe 2

Hauptgruppe 3

Hauptgruppe 4

Hauptgruppe 5

Hauptgruppe 6

Urformen

Umformen

Trennen

Fügen

Beschichten

Stoffeigenschaft ändern

Gruppe 5.1

Gruppe 5.2

Gruppe 5.3

Gruppe 5.4

Gruppe 5.6

Beschichten aus dem flüssigen Zustand

Beschichten aus dem plastischen Zustand

Beschichten aus dem breiigen Zustand

Beschichten aus dem körnigen oder pulverförmigen Zustand

Beschichten durch Schweißen1)

•

•

• • • •

Schmelztauchen Anstreichen/ Lackieren Emaillieren …

Spachteln

Putzen/ Verputzen

• •

•

Wirbelsintern Elektrostatisches Beschichten Beschichten durch thermisches Spritzen

•

Schmelzauftragschweißen

Gruppe 5.7

Gruppe 5.8

Beschichten Beschichten durch Löten2) aus dem gasoder dampfförmigen Zustand (Vakuumbeschichten) • •

Auftrag´Weichlöten AuftragHartlöten

• •

Vakuumbedampfen Vakuumbestäuben

Gruppe 5.9 Beschichten aus dem ionisierten Zustand

•

•

Galvanisches Beschichten …

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3.1 Grundlagen der Beschichtungstechnik Aufbau technischer Oberflächen Äußerer Schichtaufbau Verunreinigungen (Staub, Fett, etc.) 10 nm

Adsorptionsschicht (z. B. Gas)

10 – 100 nm

Reaktionsschicht (z. B. Oxide, Sulfide etc.)

> 10 µm

Störschicht durch Bearbeitung Grundwerkstoff  Unterscheidung zwischen Metallen, Kunststoffen, Keramiken und Gläsern aufgrund unterschiedlicher Bindungsarten notwendig

Innerer Schichtaufbau

geometrische Oberfläche

wahre Oberfläche

wirksame Oberfläche

[Hab09]

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3.1 Grundlagen der Beschichtungstechnik Schichtabscheidung Die abzuscheidenden Schichtwerkstoffe können im Ausgangszustand sowohl im festen, im flüssigen oder gasförmigen Zustand vorliegen. In Abhängigkeit vom Aggregatzustand erfolgt die Bezeichnung der Grenzflächeneffekte: 

Adhäsion:

Wechselwirkung fest - fest



Benetzung:

Wechselwirkung fest - flüssig



Adsorption:

Wechselwirkung fest - gasförmig

Grundbegriffe bei der Abscheidung aus der gasförmigen Phase

Adsorptiv Adsorpt Adsorpt

Nach Abschluss des Beschichtungsprozesses liegt nur noch Adhäsion vor.

Adsorbens [Hof10] ® Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik Universität Paderborn Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn

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3.1 Grundlagen der Beschichtungstechnik Mechanische Adhäsion:

Mechanische Verklammerung

Spezifische Adhäsion:

Physikalische Wechselwirkung (Sekundärbindungen)

Chemische Wechselwirkung (Primärbindungen)

Mechanische Adhäsion Zurückzuführen auf mechanische Verklammerungen oder Verankerungen durch das Eindringen des Klebstoffes in Oberflächenvertiefungen (Poren, Hinterschneidungen, Kapillaren). Spezifische Adhäsion Zurückzuführen auf physikalische Wechselwirkungen (Sekundärbindungen) und chemische Bindungen (Primärbindungen).

[Hab09]

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3.2 Oberflächenvorbehandlung Einteilung der Oberflächenvorbehandlungen Oberflächenvorbehandlung Verändern des Oberflächenreliefs

Reinigen

mechanisch

• Abwischen • Waschen • Ultraschallreinigung • Abspritzen • …

* **

Chemischphysikalisch

• Entfetten • Glühen • Entladungen • …

mechanisch

• • • • • • •

Bürsten Schleifen Polieren Strahlen Aufrauen Mattieren …

Reaktionszonen in der Randzone

Chemischphysikalisch

• • • • • •

Beizen* Ätzen** Brennen Elektrolyse Plasma …

• • • • •

Entmetallisieren Passivieren Diffusion CVD …

Behandlung der gesamten Bauteiloberfläche Lokaler Oberflächenabtrag (Geometrieerzeugung)

[Wie07]

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3.2 Oberflächenvorbehandlung Schematische Darstellung der Oberflächenspannung

Oberflächenspannung: An einer flüssigen oder festen Oberfläche wirkende Spannung, die bestrebt ist, die Oberfläche zu verkleinern, um die energetisch günstigste Form (Kugel) anzunehmen.

Definition der Oberflächenspannung durch Randwinkel α α gegen 0° vollständige Benetzung

α

90° > α > 0° gute Benetzung

α > 90° schlechte Benetzung

α

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3.2 Oberflächenvorbehandlung Beispiele für Oberflächenvorbehandlungen Quelle: www.bs-metallbearbeitung.de

Gleitschleifen: Spanendes Fertigungsverfahren zur Beseitigung von Oberflächenfehlern und Erzeugung bestimmter Oberflächeneigenschaften

Corona-Entladung: Zur Reinigung und Aktivierung vor allem von Kunststoffoberflächen

Quelle: www.plasmatreat.de

Atmosphärendruckplasma: Zur Oberflächenaktivierung von Kunststoffen und Feinreinigung von Kunststoffen und Metallen [Wie07] ® Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik Universität Paderborn Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn

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3.3 Korrosion Definition nach DIN EN ISO 8044 Physikochemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu einer Veränderung der Eigenschaften des Metalls führt und die zur erheblichen Beeinträchtigung der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese einen Teil bilden, führen kann. ANMERKUNG: Diese Wechselwirkung ist oft elektrochemischer Natur.

www.fertan.de

 Werkstoff

(Zusammensetzung, Gefügezustand, Oberflächenbeschaffenheit)

 Medium

(Zusammensetzung, Verunreinigungen, Strömungsverhältnisse)

 Belastung

(Belastungsgeschwindigkeit, Eigenspannungen, Betriebsbelastung)

[NN09]

Einflussgrößen auf die Korrosion

Einfluss des Korrosionsmediums und des Werkstoffes auf die Korrosionsgeschwindigkeit

 Temperatur

[Roo08]

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3.3 Korrosion Korrosion von Eisen (Belüftungselement)

Eisen(III)Oxidhydrat: Fe(OH)2 1

Reduktion des Sauerstoffs erfolgt an Stelle seiner höchsten Konzentration. Oxidation des Metalls erfolgt an Stelle niedrigster Sauerstoffkonzentration.

2

Anodenreaktion: Fe → Fe2+ + 2eKathodenreaktion: H2O + ½ O2 + 2e- → 2OH- (Sauerstoffkorrosion)

3

Sekundär werden Fe2+-Ionen direkt durch Luftsauerstoff zu Eisen(III)-Oxidhydrat oxidiert.

[Ass08]

Entspricht Konzentrationszelle mit unterschiedlichen O2-Konzentrationen.

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3.3 Korrosion Korrosionsarten Angriffsmittel zerstörte Schicht

Allgemeinkorrosion (gleichmäßiger Abtrag)

Lochfraßkorrosion

Interkristalline Korrosion

Werkstoff gesund

praktisch gleichmäßiger Oberflächenabtrag, verhältnismäßig ungefährlich

punktförmige Korrosion, gefährlich, Narben  Durchlöcherung

Korrosion durch Kornzerfall, sehr gefährlich [Hof10]

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3.3 Korrosion Optimaler Korrosionsschutz als Komplexaufgabe

Projektierung

Konstruktion

Ursache ausschalten - Kondensation vermeiden - Wasser entlüften, neutralisieren

Betriebstechnologie

Technische Kontrolle

Werkstoff legieren - Aufbau von Passivschichten fördern 18-8-CrNi, Titanlegierungen

Werkstoffflächen beschichten - Farbanstrich, Bitumen - Kunststoffbeschichtung - Metallische Überzüge - Anodische Oxidation (Eloxal) Alternative Werkstoffe - Glas - Porzellan - Steinzeug - Hochpolymere Kunststoffe

Kathodischer Schutz - Opferanode (Mg, Zn) - Inerte Anode mit Stromquelle [Wie07]

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3.4 Verschleiß Definitionen nach GfT-Arbeitsblatt 7 (GfT: Gesellschaft für Tribologie) Verschleiß Verschleiß ist der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d. h. Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers.

Tribologische Beanspruchung

1) Grundkörper 2) Gegenkörper 3a) Zwischenmedium 3b) Umgebungsmedium

4) 5) 6)

Belastung Bewegung Temperatur

Die Beanspruchung der Oberfläche eines festen Körpers durch Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörper wird als tribologische Beanspruchung bezeichnet. Unter tribologischer Beanspruchung ist dabei die Gesamtheit der auf die Elemente des Verschleißsystems von außen einwirkenden Beanspruchungsgrößen zu verstehen. [Som10] [GfT02]

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3.4 Verschleiß Beispiele für tribologische Systeme

Bolzen/Lagerschale geschmiertes Gleitsystem

1: Grundkörper

Schaufel/Gestein Abrasionssystem

2: Gegenkörper

3a: Zwischenstoff

Zyklon/Trübe Erosionssystem

3b: Umgebungsmedium

[Som10]

Tribologische Kontaktstelle

Merke In der Technik ist Verschleiß normalerweise unerwünscht, d. h. wertmindernd. In Ausnahmefällen, wie z. B. bei Einlaufvorgängen, können Verschleißvorgänge jedoch auch technisch erwünscht sein. Bearbeitungsvorgänge als wertbildende technologische Vorgänge gelten nicht als Verschleiß, obwohl im Kontaktbereich zwischen Werkstück und Werkzeug tribologische Prozesse ablaufen. ® Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik Universität Paderborn Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn

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3.4 Verschleiß Beispiele für Verschleißschutz im Automobil- und Motorenbau  Vorteile:  Selbstschmierend  Widerstand gegen Verschleiß durch Abschleifen, Haftung und Korrosion

 „Diamantartige Beschichtung“  Auftragung von Dünnschichtfilmen aus Graphit im Bedampfungsverfahren (PVD oder CVD)

Kolben und Diamond-Like-Carbon (DLC)-beschichteter Bolzen

 Typ. Schichtdicken bei 2-4 μm  Schichthärten bei 1600-2500 HV (bei 2 μm Schicht)

Beschichtete Sonderteile

Beschichtete Nockenwelle

[Bog07]

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3.5 Schmelztauchen Verfahren  Schmelztauchschicht durch Tauchen eines metallischen Werkstücks in die Schmelze eines geeigneten Schichtwerkstoffs  Bindung zwischen Werkstückoberfläche und Metallschicht entsteht durch Legierungsbildung infolge Diffusion vom Werkstück in die Schicht und umgekehrt Technisch verwendete Schmelztauchschichten  Zink und Zinklegierungen auf unlegierten und niedriglegierten Stählen und Gusseisen

 Aluminium und Aluminiumlegierungen auf niedriglegierten Stählen und Gusseisen

Durch Schmelztauchen verzinkte Schrauben.

[Kal06]

 Zinn oder Blei-Zinn-Legierungen auf niedriglegiertem Stahl, auf Kupfer, Messing und Bronze,

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3.5 Schmelztauchen Verfahrensablauf des Stückverzinkens

Entfernen von Öl- und Fettresten durch alkalische oder saure wässrige Lösungen

Mit Wasser

Entfernen Mit von RostWasser und Zunderschichten durch verdünnte Mineralsäure (meist Salzsäure)

Aufbringen von Flussmittel (NH4Cl: Ammonium-chlorid (Ammoniumsalz der Salzsäure), ZnCl2: Zinkchlorid) durch Tauchen in wässrige Lösungen oder Aufsprühen bzw. Aufbringen in Pulverform

Schmelztemperatur: 419 °C

An Luft oder in Wasser

Verzinkungsbad: 440 - 460 °C 530 - 560 °C (Hochtemperaturverzinken)

[Hof10]

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3.5 Schmelztauchen Feuerverzinkungsgerechtes konstruieren (nach DIN ES ISO 12944-3) ungeeignet

geeignet

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3.5 Schmelztauchen Beispiele für Feuerverzinkungen aus dem Automobilbau

Karosserie Mercedes-Benz S-Klasse Baureihe 222 seit 06/2013

Langzeitkorrosionsschutz neuer Leichtbaukarosserien unter anderem durch Vollverzinkung der Stahlbauteile (C)

[Kel13] ® Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik Universität Paderborn Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn

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3.6 Elektrolytisches Abscheiden Galvanisieren  Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht  Verbesserung der Gleiteigenschaften  Beschichten von nahezu allen Metallen  Beschichten von Kunststoffen und anderen nicht elektrisch leitenden Werkstoffen nach Metallisierung möglich (z. B. durch PVD- oder CVD-Verfahren)  Typische Schichtwerkstoffe beim Galvanisieren:  Chrom  Blei  Nickel  Kobalt  Bronze  Zinn  Edelmetalle (Gold oder Silber)

Quelle: HDO

Quelle: HDO

3-fach-Nickelbeschichtung: Substrat // Cu / Halbglanz-Ni / Glanz-Ni / PNS/MPS-Ni / Cr

Mattnickelbeschichtung: Kupfer / Nickel / Chrom

 Schichtdicken: 1 - 50 µm (bei besonderen Anwendungen bis zu 500 µm) [Kal06] ® Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik Universität Paderborn Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn

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3.6 Elektrolytisches Abscheiden Elektrolytisches Abscheiden mit Außenstrom

 Metallabscheidung durch Zuführung von elektrischer Energie  Entladung der im Elektrolyt vorhandenen Kationen unter Ausbildung einer Schicht an der Katode bei gleichzeitiger Zersetzung des Elektrolyten  Außer reinen Metallen lassen sich auch Metalllegierungen galvanisch abscheiden.

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3.6 Elektrolytisches Abscheiden Elektrolytisches Abscheiden mit Außenstrom  Abscheidung der Metallschicht auf der Realoberfläche nicht gle...