Unter Metalloberflächenbehandlung versteht man Prozesse, die moderne Techniken der Physik, Chemie, Metallurgie und Wärmebehandlung nutzen, um den Oberflächenzustand und die Eigenschaften von Bauteilen zu verändern. Diese Prozesse zielen darauf ab, die Kombination von Oberflächen- und Kernmaterialien zu optimieren, um die erforderlichen Leistungsspezifikationen zu erfüllen.
Funktionen der Oberflächenbehandlung:
Verbessern Sie die Korrosions- und Verschleißfestigkeit der Oberfläche, verlangsamen, beseitigen und reparieren Sie Oberflächenveränderungen und -schäden.
Versehen Sie gewöhnliche Materialien mit Oberflächen, die besondere Funktionen haben.
Sparen Sie Energie, senken Sie Kosten und verbessern Sie die Umweltbelastung.
Klassifizierung von Metalloberflächenbehandlungsprozessen:
Oberflächenbehandlung: Bei dieser Methode werden die Oberflächenmorphologie, die Phasenzusammensetzung, die Mikrostruktur, der Defektzustand und der Spannungszustand des Materials durch physikalische oder chemische Prozesse verändert, um die erforderlichen Oberflächeneigenschaften zu erreichen. Die chemische Zusammensetzung des Materials bleibt unverändert.
Oberflächenmodifikationstechnologie: Bei dieser Methode werden mithilfe physikalischer Methoden zusätzliche Materialien in das Substrat eingebracht und so eine legierte Schicht gebildet, um die gewünschten Oberflächeneigenschaften zu erzielen.
Oberflächenlegierungstechnologie: Bei diesem Prozess werden chemische Methoden eingesetzt, um die hinzugefügten Materialien mit dem Substrat reagieren zu lassen und eine Transformationsschicht zu bilden, um die gewünschten Oberflächeneigenschaften zu erzielen.
Oberflächenumwandlungsbeschichtungstechnologie: Bei diesem Prozess werden physikalische und chemische Methoden angewendet, um Beschichtungen wie Plattieren oder Beschichten auf dem Substrat zu erzeugen, um die erforderlichen Oberflächeneigenschaften zu erreichen, ohne das Substrat in die Beschichtungsbildung einzubeziehen.
I. Oberflächenmodifikationstechnologien
Oberflächenhärtung Oberflächenhärtung ist eine Wärmebehandlungsmethode, bei der die Oberfläche des Stahls schnell auf die Austenitumwandlungstemperatur erhitzt und dann abgeschreckt wird, ohne die chemische Zusammensetzung des Stahls oder die Kernstruktur zu verändern. Zu den Hauptmethoden der Oberflächenhärtung gehören Flammhärten und Induktionserwärmung unter Verwendung von Wärmequellen wie Acetylen- oder Oxypropanflammen.
Laser-Oberflächenhärtung Bei der Laser-Oberflächenhärtung wird ein Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert. In sehr kurzer Zeit wird die Oberflächenschicht über ihre Transformationstemperatur oder ihren Schmelzpunkt erhitzt und anschließend schnell abgekühlt. Durch diesen Prozess wird die Oberfläche gehärtet und verstärkt. Die Wärmeeinflusszone ist klein, die Verformung minimal und das Verfahren einfach zu handhaben. Es wird hauptsächlich zur lokalen Verstärkung von Komponenten wie Stanzformen, Kurbelwellen, Nocken, Nockenwellen, Keilwellen, Präzisionsinstrumentenschienen, Schnellarbeitsstahlwerkzeugen, Zahnrädern und Motorzylinderlaufbuchsen verwendet.
Kugelstrahlen Beim Kugelstrahlen wird eine große Anzahl von Hochgeschwindigkeitskugeln auf die Oberfläche des Werkstücks geschossen, ähnlich wie winzige Hämmer, die auf die Metalloberfläche schlagen. Dadurch kommt es zu einer plastischen Verformung der Oberflächen- und Untergrundschichten, wodurch das Bauteil gestärkt wird. Vorteile: Erhöht die mechanische Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Es wird zum Mattieren von Oberflächen, zum Entfernen von Oxidablagerungen und zum Beseitigen von Eigenspannungen in Gussteilen, Schmiedestücken und Schweißnähten verwendet.
Rollieren Beim Rollieren wird bei Raumtemperatur mit harten Rollen oder Polierwerkzeugen Druck auf die rotierende Werkstückoberfläche ausgeübt, wodurch die Oberfläche plastisch verformt und gehärtet wird, um eine glatte, polierte und feste Oberfläche mit spezifischen Mustern zu erhalten. Anwendungen: Geeignet für Komponenten mit einfachen Formen wie zylindrischen, konischen und flachen Oberflächen.
Drahtziehen Beim Drahtziehen wird das Metall unter äußerer Kraft durch eine Matrize gedrückt, wodurch die Querschnittsfläche des Metalls verringert wird, um die gewünschte Form und Abmessungen zu erreichen. Dabei erfährt das Metall eine Verformung. Anwendungen: Mit dem Verfahren können verschiedene dekorative Oberflächen wie gerade Linien, Zufallsmuster, Wellen und Spiralmuster erzeugt werden.
Polieren Polieren ist ein Oberflächenbearbeitungsverfahren, bei dem die Oberfläche so bearbeitet wird, dass ein glattes Finish erzielt wird. Die Maßhaltigkeit wird dadurch zwar nicht verbessert oder aufrechterhalten, aber je nach Vorbearbeitungsbedingungen können polierte Oberflächen Ra-Werte von 1,6 μm bis 0,008 μm erreichen.
II. Oberflächenlegierungstechnologien
Chemische Oberflächenwärmebehandlung Der typische Prozess der Oberflächenlegierungstechnologie ist die chemische Oberflächenwärmebehandlung. Bei diesem Verfahren werden Werkstücke in ein bestimmtes Medium gelegt und erhitzt, damit aktive Atome aus dem Medium in die Oberfläche eindringen und die chemische Zusammensetzung und Struktur des Werkstücks verändern, um seine Eigenschaften zu verbessern.
Im Vergleich zur Oberflächenhärtung verändert die chemische Oberflächenwärmebehandlung nicht nur die Oberflächenmikrostruktur, sondern auch die chemische Zusammensetzung. Zu den gängigen Arten chemischer Wärmebehandlungen gehören Aufkohlen, Nitrieren, Co-Diffusion mehrerer Elemente und andere Arten von Elementdiffusionsbehandlungen. Der chemische Wärmebehandlungsprozess umfasst drei Hauptschritte: Zersetzung, Absorption und Diffusion.
Schwärzen: Hierbei handelt es sich um einen Prozess, bei dem Stahl oder Stahlteile in einer Luft-Dampf- oder chemischen Lösung erhitzt werden, um einen schwarzen oder blauen Oxidfilm auf der Oberfläche zu bilden. Dieser Vorgang wird auch als „Bläuen“ bezeichnet.
Phosphatieren: Beim Phosphatieren wird ein Werkstück (aus Stahl, Aluminium oder Zink) in eine Phosphatierungslösung getaucht, wobei sich auf der Oberfläche eine kristalline Phosphatumwandlungsschicht bildet, die in Wasser unlöslich ist.
Eloxieren: Unter Eloxieren versteht man in erster Linie den Eloxalprozess für Aluminium und seine Legierungen. Dabei werden Aluminiumteile in ein saures Elektrolytbad getaucht und mit elektrischem Strom beaufschlagt. Die Oberfläche bildet eine dauerhafte Oxidschicht, die Korrosionsbeständigkeit, ästhetische Oberflächen, elektrische Isolierung und Verschleißfestigkeit bietet. Anwendungen: Wird häufig zur Schutzbehandlung von Automobil- und Luftfahrtkomponenten sowie zur dekorativen Behandlung von Haushaltsgegenständen und Hardware verwendet.
III. Oberflächenbeschichtungstechnologien
Thermisches Spritzen Beim thermischen Spritzen werden Metalle oder Nichtmetalle bis zu ihrem geschmolzenen Zustand erhitzt und mit Druckluft auf ein Substrat gesprüht. Dadurch entsteht eine Beschichtung, die fest mit dem Grundmaterial verbunden ist und ihm die gewünschten physikalischen und chemischen Eigenschaften wie Verschleiß-, Korrosions- und Hitzebeständigkeit sowie elektrische Isolierung verleiht. Anwendungen: Wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Kernenergie, Elektronik und mehr.
Vakuumbeschichtung Vakuumbeschichtung ist ein Oberflächenbehandlungsverfahren, bei dem dünne Metall- und Nichtmetallfilme unter Vakuumbedingungen durch Techniken wie Verdampfen oder Sputtern auf Substraten abgeschieden werden. Vorteile: Die Vakuumbeschichtung ermöglicht dünne Schichten mit hervorragender Haftung, hoher Geschwindigkeit und minimaler Kontamination.
Galvanisieren Galvanisieren ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem ein Metall aus einer Lösung, die Metallionen enthält, auf einem Substrat abgeschieden wird. Beispielsweise wird beim Vernickeln das Metallwerkstück in eine Nickelsalzlösung (NiSO4) getaucht und einem Gleichstrom ausgesetzt, wodurch sich das Nickel auf dem Werkstück ablagert. Anwendungen: Wird häufig sowohl für dekorative als auch funktionelle Beschichtungen verwendet, z. B. zur Korrosionsbeständigkeit und zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften.
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eine Methode zur Abscheidung dünner Filme auf Materialien durch Einbringen gasförmiger chemischer Verbindungen, die sich auf der Oberfläche des Substrats zersetzen. Der resultierende Film kann je nach Art der Abscheidung aus Metall- oder Verbundschichten bestehen. Anwendungen: CVD wird häufig in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Elektronik- und Energieindustrie zur Herstellung verschleißfester, korrosionsbeständiger, hitzebeständiger und elektrisch leitfähiger Beschichtungen eingesetzt.
Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) PVD ist eine Vakuumbeschichtungstechnik, bei der Material in atomare oder molekulare Form verdampft und dann auf einem Substrat abgeschieden wird. Es umfasst Methoden wie Vakuumverdampfung, Sputtern und Ionenplattieren. PVD-Beschichtungen sind für ihre starke Haftung, gleichmäßige Dicke und Haltbarkeit bekannt.
Anwendungen: PVD-Beschichtungen werden in Branchen wie dem Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt, der Elektronik, der Optik und der Leichtindustrie verwendet, um dünne Filme mit Verschleiß-, Korrosions-, Hitzebeständigkeit und anderen besonderen Eigenschaften wie elektrischer Leitfähigkeit, Isolierung und Magnetismus zu erzeugen.
