Tribologie, Korrosion, Konstruktion und Werkstofftechnik sind Wissensbereiche, die sich zunächst parallel entwickelt haben. Das gleiche gilt für die verschiedenen Verfahren der Oberflächentechnik. Heute wird es zunehmend wichtiger, interdisziplinäre Ansätze zu finden, um die Problemstellungen der Zukunft, wie z.B. Umweltschutz oder Ressourcenschonung, gemeinsam zu lösen. Das Buch verfolgt den Ansatz, diese Wissensbereiche zu verknüpfen.
Es beginnt mit einer Beschreibung technischer Oberflächen hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und geometrischer Struktur. Technische Systeme des Maschinenbaus (Bauteile oder Werkzeuge) sind Umgebungseinflüssen (Druck, Chemie, Temperatur) ausgesetzt, die zu Oberflächenschäden durch Verschleiß und Korrosion führen können. Um Oberflächen davor zu schützen, müssen die Grundlagen der Tribologie (Lehre von Reibung und Verschleiß) und Korrosion zunächst verstanden sein, weshalb die wichtigsten Begriffe und Definitionen zu Beginn des Buches beschrieben werden. Schwerpunkt des Buches ist die Behandlung der Verfahren der Oberflächentechnik, die im Maschinenbau Anwendung finden. Jedes Verfahren wird hinsichtlich Beschichtungsprozess, Anlagentechnik, Schichtwerkstoffen, typischen Schichtdicken, Beschichtungstemperaturen und Schichtwerkstoffen beschrieben und anhand von Anwendungsbeispielen vorgestellt. Wesentliches Element der Oberflächentechnik ist die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe oder Werkstoffeigenschaften, um Volumen- und Oberflächeneigenschaften getrennt voneinander entsprechend der Anwendung optimieren zu können. Daher ist abschließend eine sehr kurze Einteilung wichtiger Werkstoffe gegeben (Metalle, Keramiken, Polymere). Die Kombination aus Tribologie, Korrosion, Verfahren der Oberflächentechnik und Werkstoffkunde ermöglicht eine strukturierte Herangehensweise bei der Auslegung von Oberflächen.
Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin studierte Maschinenbau an der TU Munchen und der RWTH Aachen und promovierte 1999 an der Fakultat fur Maschinenwesen der RWTH Aachen mit Auszeichnung. Im Anschluss war sie Oberingenieurin am Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffwissenschaften der RWTH Aachen. Seit 2005 leitet sie das Institut fur Oberflachentechnik an der RWTH Aachen University. Schwerpunkte in Forschung und Lehre liegen auf dem Gebiet der Beschichtungstechnik zum Oberflachenschutz vor Verschlei? und Korrosion, sowie zur Reibminderung und Warmedammung. Daruber hinaus werden Lotwerkstoffe zum Fugen von Hochleistungswerkstoffen erforscht und entwickelt.
Lateinische Formelzeichen xi
Griechische Formelzeichen xv
Konstanten xvii
Abkürzungsverzeichnis xix
1 Einführung in die Oberflächentechnik 1
1.1 Technische Oberflächen 2
1.1.1 Benetzung von Festkörperoberflächen durch Flüssigkeiten 7
1.1.2 Haftungsmechanismen zwischen Schicht und Grundwerkstoff 9
1.2 Funktionen von Oberflächen 12
1.3 Methodischer Ansatz zur Entwicklung beschichteter Produkte 15
1.4 Verfahren der Oberflächentechnik 17
2 Tribologie 23
2.1 Das tribologische System 24
2.1.1 Tribokontaktfläche 27
2.1.2 Die tribologische Beanspruchung 28
2.2 Reibung 32
2.2.1 Reibungszustände 33
2.2.2 Reibungsarten 36
2.3 Verschleiß 38
2.3.1 Verschleißmechanismen 39
2.3.1.1 Adhäsion 39
2.3.1.2 Tribochemische Reaktionen 41
2.3.1.3 Abrasion 42
2.3.1.4 Oberflächenzerrüttung 44
2.3.2 Verschleißarten 46
2.4 Schmierung 46
2.4.1 Flüssigschmierstoffe 48
2.4.2 Schmierfette 50
2.4.3 Additive 50
2.4.4 Festschmierstoffe 52
2.4.4.1 Festschmierstoffe mit Schichtgitterstruktur 54
2.4.4.2 Festschmierstoffe auf Basis von Oxiden, Fluoriden und Sulfaten 57
2.4.4.3 Festschmierstoffe auf Basis von Weichmetallen 58
2.4.4.4 Festschmierstoffe auf Basis von Polymeren 58
2.5 Tribologische Prüfung 59
2.5.1 Verschleißmessgrößen 59
2.5.2 Tribologische Prüfmethoden 60
3 Korrosion 65
3.1 Elektrochemische Korrosion 69
3.1.1 Elektrochemische Reaktionen 69
3.1.2 Deckschichtbildung (Passivität) 76
3.1.3 Erscheinungsformen der elektrochemischen Korrosion 78
3.1.3.1 Gleichmäßige Korrosion 79
3.1.3.2 Örtliche Korrosion ohne mechanische Belastung 80
3.1.3.3 Örtliche Korrosion mit mechanischer Belastung 88
3.1.4 Korrosionsschutzmaßnahmen bei elektrochemischer Korrosion 92
3.1.4.1 Aktiver Korrosionsschutz 93
3.1.4.2 Passiver Korrosionsschutz 96
3.2 Hochtemperaturkorrosion 97
3.2.1 Thermodynamische Grundlagen der Oxidation 98
3.2.2 Kinetische Grundlagen der Oxidation 101
3.2.2.1 Diffusion 102
3.2.2.2 Metalldiffusion und Sauerstoffdiffusion in Oxidschichten 107
3.2.2.3 Zeitgesetze der Oxidation 109
3.2.3 Besonderheiten der Aufkohlung, Aufstickung, Aufschwefelung 113
3.2.4 Heißgaskorrosion 114
3.2.4.1 Niedertemperatur-Heißgaskorrosion (Typ II) 116
3.2.4.2 Hochtemperatur-Heißgaskorrosion (Typ I) 117
3.2.4.3 Chlorinduzierte Heißgaskorrosion 118
3.2.5 Korrosionsschutzmaßnahmen zur Hochtemperaturkorrosion 120
3.3 Metallphysikalische Korrosion 125
4 Elektrochemische Metallabscheidung 131
4.1 Thermodynamische Grundlagen der Elektrochemie 134
4.2 Kinetische Grundlagen der Elektrochemie 139
4.3 Galvanische Metallabscheidung 143
4.4 Chemische Metallabscheidung 147
4.4.1 Ionenaustauschverfahren (Tauchverfahren) 148
4.4.2 Kontaktverfahren 148
4.4.3 Reduktionsverfahren 149
4.5 Schichtsysteme der elektrochemischen Metallabscheidung 150
4.5.1 Chromschichten 151
4.5.2 Nickelschichten 154
4.5.3 Dispersionsschichten 156
5 Konversionsverfahren 159
5.1 Anodisieren 160
5.2 Phosphatieren 165
5.3 Chromatieren 169
5.4 Vergleich des Chromatierens und Phosphatierens 172
5.5 Brünieren 173
6 Thermochemische Diffusionsverfahren 177
6.1 Carburieren (Einsatzhärten) 179
6.2 Nitrieren 182
6.3 Nitrocarburieren 190
6.4 Borieren 192
6.5 Chromieren 195
6.6 Alitieren 197
6.7 Silizieren 201
6.8 Sheradisieren 202
7 Physical Vapor Deposition (PVD) 207
7.1 Erzeugen der Gasphase / des Plasmas 209
7.2 Teilchentransport 214
7.3 Kondensation Schichtwachstum 215
7.4 PVD-Verfahren 219
7.4.1 Kathodenzerstäuben (MSIP Magnetron Sputter Ion Plating) 221
7.4.2 Lichtbogenverdampfen (AIP Arc Ion Plating) 223
7.4.3 Niedervoltbogenentladung (NVB) 224
7.4.4 Elektronenstrahlverdampfen (EB Electron Beam) 225
7.5 PVD-Werkzeugbeschichtung 226
7.6 PVD-Bauteilbeschichtung 228
7.7 PVD-Wärmedämmschichten 230
8 Chemical Vapor Deposition (CVD) 235
8.1 Thermodynamik der chemischen Reaktion 237
8.2 Reaktionschemie 240
8.3 Kinetik der Schichtabscheidung 243
8.4 CVD-Verfahren 245
8.4.1 Hochtemperatur-CVD 247
8.4.2 Plasma-CVD 248
8.4.3 Hot-Filament-CVD-Verfahren 250
8.5 CVD-Werkzeugbeschichtung 252
8.6 CVD-Bauteilbeschichtung 254
9 Sol-Gel-Deposition 257
9.1 Das Sol als Ausgangswerkstoff 258
9.2 Der Sol-Gel-Übergang 258
9.2.1 Partikuläre Sole und Gele 258
9.2.2 Nasschemische Sol-Gel-Bildungssysteme 259
9.3 Beschichtungen mit Sol-Gel-Verfahren 261
9.4 Anwendungsbeispiele für Sol-Gel-Beschichtungen 263
10 Schmelztauchverfahren 265
10.1 Feuerverzinken 267
10.1.1 Deckschichtbildung beim Feuerverzinken 269
10.1.2 Diskontinuierliche Verfahren der Feuerverzinkung 272
10.1.3 Kontinuierliche Verfahren der Feuerverzinkung 275
10.1.4 Korrosionsschutz durch Feuerverzinken 281
10.2 Feueraluminieren 286
10.3 Feuerverzinnen 288
10.4 Feuerverbleien 289
11 Thermisches Spritzen 293
11.1 Verfahrensprinzip des Thermischen Spritzens 294
11.2 Schichtbildung beim Thermischen Spritzen 296
11.3 Schichthaftung thermisch gespritzter Schichten 299
11.4 Verfahren des Thermischen Spritzens 301
11.4.1 Flammspritzen 302
11.4.2 Hochgeschwindigkeitsflammspritzen 304
11.4.3 Kaltgasspritzen 308
11.4.4 Lichtbogenspritzen 310
11.4.5 Plasmaspritzen 312
11.5 Schichtwerkstoffe und Anwendungsbeispiele des Thermischen Spritzens 316
12 Löten 323
12.1 Grundlagen des Lötens 324
12.2 Einteilung der Lötverfahren und Lotwerkstoffe 328
12.3 Auftraglöten von Hartstoff-Hartlot-Verbundsystemen 332
12.3.1 Suspensionsverfahren zum Auftraglöten 332
12.3.2 Vliesverfahren zum Auftraglöten 334
12.4 Auflöten von Panzerungen 337
12.4.1 Löten metallisierter Keramiken 338
12.4.2 Aktivlöten von Keramikwerkstoffen 339
12.4.3 Löten von Hartmetall 340
12.4.4 Anwendungsbeispiele für aufgelötete Panzerungen 341
13 Auftragschweißen 345
13.1 Werkstoffverbunde durch Auftragschweißen 346
13.2 Verfahren des Auftragschweißens 347
13.3 Schichtwerkstoffe und Anwendungsbeispiele des Auftragschweißens 352
14 Plattieren 355
14.1 Kaltwalzplattieren 358
14.2 Warmwalzplattieren 361
14.3 Sprengplattieren 363
15 Werkstoffe 367
15.1 Grundlagen der Materialkunde 368
15.1.1 Beeinflussung von Festigkeitseigenschaften 369
15.1.2 Beeinflussung des Werkstoffverhaltens bei erhöhten Temperaturen 373
15.1.2.1 Diffusion 373
15.1.2.2 Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum 374
15.1.2.3 Kriechen und Spannungsrelaxation 374
15.1.2.4 Warmfestigkeit und thermomechanische Ermüdung 376
15.2 Metallische Werkstoffe 378
15.2.1 Leichtmetalle 379
15.2.1.1 Aluminium und Aluminiumlegierungen 380
15.2.1.2 Magnesium und Magnesiumlegierungen 383
15.2.1.3 Titan und Titanlegierungen 386
15.2.2 Kupfer und Kupferlegierungen 389
15.2.3 Eisen und Eisenlegierungen 391
15.2.3.1 Gusseisen 392
15.2.3.2 Stahl 394
15.2.4 Hartlegierungen 399
15.2.5 Superlegierungen 402
15.2.6 Refraktärmetalle 404
15.2.7 Intermetallische Verbindungen 406
15.3 Nichtmetallische anorganische Werkstoffe 409
15.3.1 Aufbau von Hartstoffen 409
15.3.2 Ingenieurkeramik 411
15.3.2.1 Oxidkeramiken 412
15.3.2.2 Nichtoxidkeramik 412
15.3.2.3 Silikatkeramik 413
15.4 Organische Werkstoffe 413
15.4.1 Thermoplaste 415
15.4.2 Duroplaste 416
15.4.3 Elastomere 417
15.5 Verbundwerkstoffe 418
15.5.1 Polymer-Matrix-Composite (PMC) 420
15.5.2 Ceramic-Matrix-Composite (CMC) 420
15.5.3 Metal-Matrix-Composite (MMC) 421
15.5.3.1 mmc für den Leichtbau 422
15.5.3.2 mmc für maximale Verschleißbeständigkeit 424
Stichwortverzeichnis 431
