Elektronenstrahl-Universalanlage

• Fachliche Zuordnung: Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung in 2007
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 49987990

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mit der installierten Elektronenstrahl(EB)-Universalanlage des Institutes für Werkstofftechnik der TU Bergakademie Freiberg wurden und werden unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. R. Zenker seit der Inbetriebnahme im Januar 2009 zahlreiche Forschungsprojekte und Industrieaufträge von 8-10 Wissenschaftlern auf dem Gebiet der thermischen EB-Technologien, wie - EB-Randschichtbehandlung (Fest-/Flüssigphasenprozesse) - EB-Schweißen (Schweißen, Löten, Lötschweißen) - EB-Abtragen (Gravieren, Profilieren, Strukturieren) bearbeitet. Dazu konnten bisher Drittmittel für ca. 15 Projekte der öffentlichen Forschungsförderung und eine Reihe von industriellen Forschungsaufträgen namhafter Unternehmen eingeworben werden. Die anspruchsvollen Aufgabenstellungen sind die Basis für mehrere, derzeit bearbeiteten Promotionsthemen sowie Studien-, Projekt- und Diplomarbeiten. Die Verfahren der EB-Randschichtbehandlung stellen schon seit längerem die Hauptarbeitsrichtung dar. Auf diesem Gebiet nimmt das Institut für Werkstofftechnik eine Spitzenposition in der internationalen Forschungslandschaft ein und kann auf zahlreiche Neuentwicklungen bis hin zu industriellen Applikationen verweisen. Neben den bekannten Festphasenprozessen (Härten, Glühen) stehen vor allem auch Kombinationen dieser Technologien mit anderen Randschicht-Behandlungsverfahren, wie z. B. dem Nitrieren bzw. Beschichtungsverfahren (PVD, CVD) mit äußerst interessanten Perspektiven im Mittelpunkt aktueller Untersuchungen. Es konnte sicher nachgewiesen werden, dass es möglich ist, mittels nachträglicher EB-Behandlung durch Nitrier- bzw. Hartstoffschichten hindurch harte Stützschichten in Stahlwerkstoffen zu erzeugen, ohne diese Schichten zu schädigen. Fokus der Arbeiten dsbzgl. liegt derzeit auf der Modifikation von TiAlN-Schichten sowie den Substratwerkstoffen, verschiedene Kalt- und Warmarbeitsstähle. Ebenso wird an der Entwicklung verschiedener Flüssigphasentechnologien (Umschmelzen, Legieren, Dispergieren, Auftragen) zur Verbesserung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit u.a., insbesondere für Leichtmetalle, wie Aluminium- und Magnesiumlegierungen gearbeitet. Im Zusammenhang mit der Vielfalt der verwendeten Fe-, Ni-, Cu-, Co-Basis-Zusatzstoffe und unter Berücksichtigung der möglichen Parametervariationen ergibt sich ein weites Feld der legierungstechnischen Möglichkeiten sowie Eigenschaftsspektren. Diese Ergebnisse, insbesondere im Fall von thermisch- und verschleißbeständigen, Schichten, werden aktuell auch in diesem Bereich für Kombinationsbehandlungen im Zusammenhang mit dem Plasmanitrieren verwendet. Im diesem Zusammenhang konnte im Rahmen eines DFG-Projektes zusätzlich ein schnelles Temperaturmesssystem (Pyrometer) beschafft und in der EB-Kammer installiert werden. Unter Nutzung der anlagenspezifischen schnellen EB-Ablenkung (≤ 100 kHz) wird an der Entwicklung innovativer Strahlführungstechniken, sogenannter Mehrspot-/Mehrprozesstechniken gearbeitet, die sowohl für die Randschichtbehandlung als auch das Schweißen zur Anwendung kommen. Diese gestatten es beispielsweise, ein gleichzeitiges Vorwärmen/Reinigen und Nachwärmen/Glätten der Umschmelzzone in Verbindung mit einer Flüssigphasenbehandlung (z. B. Randschichtumschmelzlegieren/-dispergieren) als hochproduktiven einstufigen Prozess zu realisieren. Auf dem Gebiet des Fügens (Schweißen, Löten), liegt gegenwärtig der Schwerpunkt beim Schweißen von Mischverbindungen, wie z.B. Gusseisen/Stahl; Titan/Aluminium, Magnesium/Aluminium. Im Bereich der Abtragverfahren (Profilieren, Gravieren, Strukturieren) laufen derzeit Arbeiten im Rahmen der sächsischen Exzellezinitiative zum Strukturieren von Hartstoffschichten auf WC-Hartmetall und Si-Waffern. Im Rahmen eines SAB-Forschungsprojektes wird an der Entwicklung einer in die Arbeitskammer integrierten Drahtzuführeinheit zum Auftragen von verschleiß- bzw. korrosionsbeständigen Schichten gearbeitet. Auch hier spielt die EB-Mehrspottechnik zum Aufschmelzen von gleichzeitig 3 Drähten eine große Rolle.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Electron Beam Surface Treatment of Components of Aluminium Alloys – Microstructure, Properties and Distortion. Journal of the Japan Society for Heat Treatment 49 (2009) Vol. 1 - NETSU SHORI (Special Issue) (ISSN: 0288-0490) as Proceedings of the 17th IFHTSE Congress, Kobe, 27.- 30.10.2008, S. 173-176
  Klemm, M.; Franke, R., Haase, I.; Rose, A.; Zenker, R.
  
• Duplex surface layer treatment of Al alloy: electron beam alloying and plasma nitriding. International Heat Treatment & and Surface Engineering 3(2009), 4, S. 147-152
  Dalke, A.; Buchwalder, A.; Zenker, R.; Biermann, H.
  
• Duplex Treatment of Tools and Components: Previous or Subsequent Electron Beam Hardening of Thermochemically-Treated and PVD Hard-Coated Steels for Tools and Components. Materials and Manufacturing Processes 24 (2009), S. 800-805
  Sacher, G.; Zenker, R.; Spies, H.-J.
  
• Electron Beam Technologies for Surface Treatment and Welding of Mg Alloys. Magnesium Alloys and their Applications: 8th Conference on Magnesium Alloys and Their Applications: 26.-29.10.2009, Weimar, Germany / K.U. Kainer (Hrsg.), Weinheim: Wiley-VCH, 2009, S. 927-933
  Zenker, R.; Klemm, M.
  
• Electron Meets Nitrogen. Combination Electron Beam Hardening and Nitriding. International Heat Treatment & Surface Engineering 3(2009), 4, S. 141-146
  Zenker, R.
  
• Investigations Relating to Electron Beam Welding of Dissimilar Metal Welds Based on Cast Iron. Proceedings of the 1st International Electron Beam Welding Conference, Chicago, 17.-18.11.2009, CD (paper 25)
  Rüthrich, K.; Mangler, M.; Zenker, R.
  
• Kombinierte Randschichtwärmebehandlung – PVD-Hartstoffbeschichtung in Verbindung mit dem Elektronenstrahl- oder Laserstrahlhärten. HTM - Journal of Heat Treatment and Materials 64(2009) 1, S. 20-27
  Sacher, G.; Zenker, R.; Frenkler, N.; Kimme, T.
  
• Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der thermischen Elektronenstrahl-Randschichtbehandlung von Aluminium-Legierungen. HTM Journal of Heat Treatment and Materials (formerly HTM Zeitschrift für Werkstoffe, Wärmebehandlung, Fertigung) 64(2009), 4, S. 208-214
  Zenker, R.; Buchwalder, A.; Klemm, M.
  
• Electron Beam Liquid Phase Surface Technologies for Components made from High-Loaded Aluminium Materials. Proceedings of the 12th International Conference on Aluminium Alloys, September 5-9, 2010, Yokohama, Japan
  Buchwalder, A.; Zenker, R.
  
• Friction and Wear Behaviour of Electron Beam Surface Treated Aluminium Alloys AlSi10Mg(Cu) and AlSi35. Wear (Int. Journal on the Science and Technology of Friction, Lubrication and Wear) 269 (2010) 11-12, 2010, S. 921-929
  Franke, R.; Haase, I.; Klemm, M.; Zenker, R.
  
• Electron Beam Surface Engineering of Spray-formed Aluminium-Silicon Alloys. Materials Science Forum Vol. 690 (Light Metals Technology V) (2011), trans tech publications inc., Switzerland, 2011, S. 79-82
  Zenker, R.; Klemm, M.; Buchwalder, A.
  
• Results of Basic Investigations on Duplex and Triplex Surface Treatments of Steels used for Forming and Injection Moulding Tools. Proceedings of the 3rd International IFHTSE Conference on “Heat and Surface Engineering of Tools and Dies, Wels: 23.-25. March 2011, S. 65-73
  Zenker, R.; Grumbt, G.; Spies, H.-J.; Jung, A.