Erzeugung hochbeanspruchbarer Randschichten auf Aluminiumwerkstoffen durch Randschichtlegieren und Nitrieren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des Forschungsvorhabens war die Erzeugung hochbeanspruchbarer Randschichten auf Aluminiumlegierungen durch Elektronenstrahl(EB)-Umschmelzlegieren und Plasmanitrieren. Neben der umfassenden Charakterisierung von Struktur und Gefüge wurden die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Randschichtverbunde untersucht. Folgende wesentliche über den bisherigen Stand des Wissens hinausgehende Erkenntnisse wurden gewonnen: Mittels EB-Randschichtbehandlung (optimierte EB-Parameter, schnelle Strahlablenkung, integriertes Vorwärmen) können riss- und porenfreie Randschichten mit hohen Eisen (Fe)- und Chrom (Cr)- Gehalten auf Al-Guss- und Knetlegierungen erzeugt werden. Mit den Kriterien Porenarmut, Rissfreiheit sowie homogene Verteilung der Zusatzstoffe, d.h. die Vermeidung z.B. von ungelösten eisen- und chromhaltigen Partikeln, ist das erreichbare Härteniveau innerhalb der legierten Randschichten auf maximal 200-300 HV 0,1 begrenzt. Dies entspricht einer bis zu 3fachen Härtesteigerung gegenüber den Al-Basislegierung. Al-Legierungen mit hohen Fe- und Cr-Gehalten sind nitrierbar, d.h. auf mit Fe bzw. Cr legierten Randschichten können dichte, fest haftende Nitridschichten mit Schichtdicken bis ca. 5 µm erzeugt werden. Entsprechend den bestehenden Erkenntnissen zum Nitridschichtwachstum bei konventionellen Al-Guss- bzw. Knetlegierungen sind auch für legierte Randschichten die Nitridschicht-Wachstumsraten abhängig vom Oberflächenzustand und von der chemischen Zusammensetzung. Die Nitrierbarkeit der mit Fe bzw. mit Cr legierten Randschichten kann insbesondere für Al-Gusslegierungen, welche aufgrund der erhöhten Si-Gehalte ein deutlich verzögertes Nitridschichtwachstum aufweisen, unter gezielter Verwendung von Mg-haltigen Zusatzstoffen deutlich verbessert werden. Im Vergleich zu den Al-Basislegierungen wurde keine Verbesserung der Nitrierbarkeit durch das Einlegieren von Fe in die Randschicht erreicht. Eine innere Nitrierung findet nicht statt, da die intermetallischen FexAly-Phasen geringe Gehalte an Si aufweisen. Die metallurgische Kompatibilität der Prozesse EB-Umschmelzlegieren und Plasmanitrieren wurde bestätigt. Diesbezüglich weisen Fe- und Cr-legierte Randschichten eine sehr gute thermische Stabilität auf. Aufgrund der durch das EB-Umschmelzlegieren erzeugten intermetallischen Phasen wie (Fe, Si)xAly bzw. AlxCry bleibt nach dem thermischen Zyklus der Plasmanitrierung (470 °C/ 12 h) die Randschichthärte bis um das 2-3 fache der Kernhärte der jeweiligen Al- Basislegierung erhalten. Der Härteverlust der legierten Randschichten beträgt durchschnittlich 10 %. Eine merkliche Vergröberung der intermetallischen Phasen tritt nicht ein, jedoch kommt es aufgrund des Temperatureinflusses während des Plasmanitrierens innerhalb des die intermetallischen Phasen umgebenden Matrixgefüges zu Ausscheidungen und Umlagerungs- bzw. Diffusionsprozessen. Der durch die Kombinationsbehandlung EB-Umschmelzlegieren und Plasmanitrieren erzeugte Randschichtverbund weist eine im Vergleich zur nitrierten Al-Basislegierung deutlich erhöhte Verschleißbeständigkeit auf. Der Verschleißkoeffizient der EB-umschmelzlegierten und plasmanitrierten Randschichtverbunde verringerte sich um den Faktor 50 (bei geringer Flächenpressung) bzw. Faktor 300 (bei erhöhten Flächenpressungen). Die im Rahmen dieses Projektes gewonnenen technologischen, experimentellen und inhaltlichen Erkenntnisse bieten eine sehr gute Grundlage für weitere Arbeiten auf dem Gebiet der Randschichttechnik von Al-Werkstoffen, vor allem hinsichtlich des Potentials der Kombination verschiedener Randschichttechnologien. Bereits im Jahr 2011 wurde das DFG-Forschungsprojekt „Erzeugung verschleißbeständiger Randschichten auf sprühkompaktierten Al-Legierungen durch Plasmanitrieren und/oder Elektronenstrahl-Flüssigphasenbehandlungen“ begonnen. Einsatzfelder für derartige Kombinations-Technologien werden z.B. bei der Umsetzung von Leichtbaukonzepten im motorischen Bereich, z.B. für Pumpennocken, Nockenwellen für Kleinmotoren oder Ventile, bzw. für eine Reihe technischer Einsatzfälle zur Reduzierung der Anti- Haft-Wirkung der Oberfläche z.B. für Gleitelemente im Maschinenbau, Komponenten im Gerätebau und der Messtechnik, sowie im medizinischen Bereich oder für Sportgeräte gesehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Nitrided iron aluminide – A new material for hot working tools. 1st International Conference on Heat Treatment and Surface Engineering of Tools and Dies. 08.-11.06.2005, Pula/ Croatia, 2005
Fischer, A., Spies, H.-J., Biermann, H.; Staia, M.
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Nitrieren von intermetallischem Eisenaluminid. AWT-Fachausschuss 24, Arbeitskreis Leichtbau, 18.05.2005, AC-Tech GmbH, Freiberg
Fischer, A., Spies, H.-J.
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Duplex surface engineering of aluminium alloys: Electron beam surface alloying and plasma nitriding. 15th IFHTSE and SMT 20, 25.-26.09.2006, Wien/ Austria, 2006
Fischer, A., Spies, H.-J., Biermann, H.
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Duplex surface engineering of aluminium alloys: Electron beam surface alloying and plasma nitriding. In: Proceedings of the 15th IFHTSE and SMT 20, Wien/ Austria, 2006
Fischer, A., Spies, H.-J., Biermann, H.
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Duplex surface layer treatment of Al alloy: electron beam alloying and plasma nitriding. International Heat Treatment and Surface Engineering. 3 (2009), No.4, S. 147-152
Dalke, A.; Buchwalder, A.; Zenker, R.; Biermann, H.
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Duplex surface treatment of aluminium alloys using electron beam surface alloying and nitriding. 9th Int. Conf. on Electron Beam Technologies (EBT 2009), 01.-04.06.2009, Varna/ Bulgaria, 2009
Dalke, A., Jung, A., Hagymási, L., Buchwalder, A., Spies, H.-J., Biermann, H.
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Duplex surface treatment of aluminium alloys using electron beam surface alloying and nitriding. In: Proceedings of the 9th Int. Conf. on Electron Beam Technologies (EBT 2009), Varna/Bulgaria, 2009, S. 128-131
Dalke, A., Jung, A., Hagymási, L., Buchwalder, A., Spies, H.-J., Biermann, H.
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Randschichtlegieren und Nitrieren von Al-Legierungen. Europäische Tagung für Wärmebehandlung 2010 - Nitrieren und Nitrocarburieren, 29.-30.04.2010, Aachen, 2010
Dalke, A., Spies, H.-J., Biermann, H.
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EB surface alloying and plasma nitriding of different Al alloys. In: Materials Science Forum Vol. 690 (Light Metals Technology V) (2011), trans tech publications inc., Switzerland, 2011, S. 91-94
Dalke, A.; Buchwalder, A.; Spies, H.-J.; Biermann, H.; Zenker, R.
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EB surface alloying and plasma nitriding of different Al-alloys. 5th Int. Light Metals Technology Conf. 19.- 22.07.2011, Lüneburg, 2011
Dalke, A.; Buchwalder, A.; Spies, H.-J.; Biermann, H.; Zenker, R.
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Eigenschaften von mit dem Elektronenstrahl umschmelzlegierten und plasmanitrierten Randschichten von Al-Legierungen. 67. Kolloquium für Wärmebehandlung, Werkstofftechnik, Fertigungs- und Verfahrenstechnik, 12-14.10.2011, Wiesbaden, 2011
Dalke, A.; Zenker, R.; Spies, H.-J.; Biermann, H.
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Plasmanitrieren von Aluminiumlegierungen. HTM - Journal of Heat Treatment and Materials. 2 (2011), S. 116-123
Dalke, A.; Spies, H.-J.; Biermann, H.
