Erzeugung verschleißbeständiger Randschichten auf sprühkompaktierten Al-Legierungen durch Plasmanitrieren und/oder Elektronenstrahl-Flüssigphasenbehandlungen (NIEBAL)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Gesamtvorhabens war die Erzeugung beanspruchungsgerechter, gegenüber adhäsivem und abrasivem Verschleiß bei geringen und hohen Flächenlasten beständiger Schichten bzw. Schichtverbunde auf sprühkompaktierten Al-Legierungen. Entgegen dem bis dato existierenden Wissensstand, dass hohe Si-Gehalte die Nitrierbarkeit deutlich verschlechtern, konnte bei sprühkompaktierten Al-Legierungen mit Si-Gehalten zwischen 15…23 Gew.-% eine gute Nitrierbarkeit nachgewiesen werden. Im Rahmen des Projektes erfolgte die grundlegende Erforschung der technologischen und werkstoffspezifischen (Si-, Mg-, Cu-haltige Al-Werkstoffe) Auswirkungen auf die Nitridschichtbildung, den Schichtbildungsmechanismus und die damit generierten Eigenschaftspotenziale und -limitierungen, insbesondere in Bezug auf das Verschleißverhalten. Das Plasmanitrieren der sprühkompaktierten Al-Legierungen ist bereits ab einer Temperatur von 400°C möglich, jedoch bei ca. 475°C in einer effizienten Zeit realisierbar. Während bisher davon ausgegangen wurde, dass die erzeugbare Nitridschichtdicke eine Funktion der effektiven Nitrierdauer ist, haben die projektspezifischen Untersuchungen ergeben, dass insbesondere die Zeit bis zum Erreichen der Sollvorgabe des Tastverhältnisses τ (Puls-ON/ Puls-OFF) entscheidend ist. Je länger diese ist, desto kompakter wird die Nitridschicht. Als praktikabler Endwert für τ2 hat sich 0,5 erwiesen. Infolge des Nitrierens kommt es generell zu einer Erhöhung der Oberflächenrauheit im Vergleich zur Ausgangsrauheit des Grundwerkstoffs. Diese ist umso größer, je geringer die Ausgangsrauheit und je besser das werkstoffspezifische Nitrierverhalten, d.h. je größer die Nitridschichtdicke ist. Tendenziell wird für rauere Ausgangsoberflächen eine leicht erhöhte Nitridschichtdicke gemessen. Umfangreiche Untersuchungen zum Nitriermechanismus mittels REM, XRD und XPS ergaben folgende Erkenntnisse: Die AlN-Keimbildung erfolgt bevorzugt im Bereich des Al-Mischkristalls und bestimmter intermetallischer Phasen, wie z.B. Fe, Mn-haltige Phasen des Grundwerkstoffs. Primärsiliziumausscheidungen bleiben unbedeckt und werden mit fortschreitendem Nitridschichtwachstum überwachsen. Das Nitridwachstum erfolgt stengelförmig senkrecht zur Oberfläche in Paketen, deren Größe den jeweiligen Bereichen des α-Al oder der intermetallischen Phasen entsprechen. In der Nitrierschicht konnten neben AlN diverse Oxide, wie z.B. Al2O3, MgO, Cu2O detektiert und bis ins Interface nachgewiesen werden. In diesem Bereich wurden zusätzlich auch Oxide, wie Fe2O3, MnO und NiO gefunden. Die Elemente Al, Mg, Cu diffundierten aus dem Grundwerkstoff hinaus in die Nitrierschicht, wohingegen für Si, Fe, Ni, Mn keine Diffusion nachweisbar war. Bei den Si-haltigen sprühkompaktierten Al-Werkstoffen ist die Oberflächenbedeckung nach dem Plasmanitrieren von der Größe und Menge der Primärsiliziumausscheidungen und der Nitridschichtdicke abhängig. Ab einer Nitridschichtdicke von ca. 3 µm wird eine nahezu vollständige Oberflächenbedeckung erreicht. Das korreliert ebenfalls mit den Verschleißergebnissen (Kugel-Scheibe; 100Cr6, ungeschmiert, RT), wonach mit zunehmender Nitridschichtdicke bis 3 µm der Verschleißkoeffizient sinkt, jedoch ≥ 5 µm wieder deutlich zunimmt. Letzteres resultiert aus einer Verschlechterung der Schichtanbindung an den Grundwerkstoff aufgrund der diffusionsbedingten Porenbildung im Interface zwischen Grundwerkstoff und AlN-Schicht. In einem definierten Prüfkraftbereich, in dem die legierungsspezifischen AlN-Schichten wirksam sind, bewirken Nitridschichten mit einer optimalen Schichtdicke von 3 µm legierungsabhängig eine Reduzierung des Verschleißkoeffizienten k um das 40fache (S270: FN < 5 N), 50…200fache (S232: FN = 1…20 N) bzw. >200fache (S542: FN ≤ 12 N) gegenüber dem unbehandelten Grundwerkstoff. Erste Untersuchungen zu Kombinationsbehandlungen mit einem vorherigen Elektronenstrahl-Umschmelzlegieren (EBUL+PN) sowie einer nachträglichen Volumenwärmebehandlung (PN+T6) generierten eine 1,5- (T6) bzw. 3-fache (EBUL) Härtesteigerung des Substratwerkstoffs. Diese führte zu einer verbesserten Abstützung der harten, dünnen AlN- Schicht, was sich in einer Steigerung der Verschleißbeständigkeit niederschlägt. Die AlN- Schichten haben eine Martenshärte von 10-15 GPa und befinden sich damit im unteren Härteniveau von PVD-Schichten. Applikationsbedarf für derartige Behandlungstechnologien und deren Kombinationen besteht beispielsweise für Ventiltriebkomponenten aus sprühkompaktierten Al-Werkstoffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Plasma nitriding of spray-formed aluminium alloys. In: 19th IFHTSE Congress, Proc. IFHTSE 2011 (17.-20.10.2011, Glasgow/UK)
Buchwalder, A.; Dalke, A.; Spies, H.-J.; Zenker, R.
- Influence of technological parameters on nith triding behavior of spray formed Al alloys. In: 20 IFHTSE Congress, Proc. IFHTSE 2012 (23.- 25.10.2012, Beijing/China)
Buchwalder, A.; Dalke, A.; Spies, H.-J.; Zenker, R.
- Influence of technological parameters on nitriding behavior of spray formed Al alloys. In: Surface and coatings 236(2013), 63-69
Buchwalder, A.; Dalke, A.; Spies, H.-J.; Zenker, R.
- Plasma nitriding of spray-formed aluminium alloys. In: Advanced Engineering Materials 15(2013), S. 558-565
Buchwalder, A.; Dalke, A.; Spies, H.-J.; Zenker, R.
