Handbuch Wärmebehandeln und Beschichten

Die meisten Erzeugnisse (z. B. Werkstoffe, Bauteile, Anlagen) müssen neben den allgemeinen Forderungen der Konstruktion und Technologie bestimmte Anforderungen an ihre Oberfläche erfüllen. Dazu zählen ein ausreichender Schutz vor Korrosion und Verschleiß sowie die Erfüllung besonderer funktionaler Eigenschaften wie thermische oder elektrische Leitfähigkeit, elektromagnetische und optische, physiologische und haptische Eigenschaften und natürlich die dekorative Wirkung (Abb. 1.1).

Es lassen sich praktisch alle Grundwerkstoffe beschichten und zumeist stehen hierfür mehrere Verfahren zur Auswahl. Häufig kann die geforderte Oberflächeneigenschaft nur durch eine Kombination mehrerer Schichten (z. B. Phosphatschicht, Elektrotauchlack und Decklack) oder durch kombinierte Überzüge (z. B. Kupfer mit Klarlack) erfüllt werden.

Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen, Werkzeugen oder Verpackungen aus dem gasförmigen Zustand gehören zu den modernsten Technologien zur Aufbringung optischer, korrosionsbeständiger oder verschleißarmer Schichten. Auf Grund der in der Regel höchstens wenige μm dicken Schichten zählt man diese Verfahren zur sogenannten Dünnschichttechnik. Die Abscheidung aus der Gasphase unter Ausnutzung chemischer Reaktionen (CVD – chemical vapor deposition) stellt hier eine wichtige Gruppe dar, ohne die moderne Hartmetall-Zerspa-nungswerkzeuge nicht ihre hohe Leistungsfähigkeit erlangen würden. Ebenso große Bedeutung haben die physikalischen Abscheideverfahren, die durch „Kondensation“ einer Dampfphase auf dem Substrat (PVD – physical vapor deposition), meist mit Unterstützung magnetischer oder elektrischer Felder dünne Schichten außergewöhnlicher Eigenschaften erzeugen können. Letztere finden sich in zahlreichen Großserien-Bauteilen wieder, deren Oberflächen ganz spezielle tribologische Eigenschaften verliehen werden.

Lackieren kann als das bedeutendste Verfahren zum Auftrag einer Beschichtung auf industriellen Produktions-gütern angesehen werden. Diente die Lackierung vormals überwiegend dekorativen Zwecken, so gewann mit der allgemeinen Industrialisierung deren protektive Wirkung mehr und mehr an Bedeutung. Heute wird von Beschichtungen an Gebäuden, Anlagen oder Gebrauchs-gegenständen die Erfüllung dekorativer und funktioneller Anforderungen zugleich erwartet (Biethan 1979).

Die galvanische Metallisierung durch elektrolytische oder chemische Abscheidung ist das bedeutendste Verfahren der Oberflächentechnik. Die Veredlung mit den Methoden der Galvanotechnik spielt eine entscheidende Rolle in vielen Industrien und nahezu allen Lebensbereichen, indem sie spezifische Oberflächeneigenschaften herstellt oder optimiert, z. B. den Korrosionsschutz, die Verschleißbeständigkeit, die elektrische Kontaktierung oder ein ansprechendes Design. Mit Hilfe maßgeschneiderter Schichtsysteme können multifunktionale Oberflächen produziert werden, die sich sowohl durch eine besondere mechanische und chemische Beständigkeit als auch durch eine bestimmte Optik (Farbe, Glanz) und Haptik auszeichnen.

Pulverlacke werden seit den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts in größerem Umfang zur Beschichtung industrieller Produktionsgüter verwendet. Jedoch wurden thermoplastische Kunststoffpulver bereits in den fünfziger Jahren mittels Wirbelsinterverfahren auf vorgewärmte metallische Werkstücke mit Luft oder im Fluidbett aufgebracht. Demgegenüber öffneten sich der Pulverbeschichtung erst mit der Entwicklung geeigneter Duroplastpulver sowie des elektrostatischen Pulversprühens große Anwendungsfelder.

Das Beschichten eines Werkstückes oder Halbzeugs durch Schweißen wird Auftragschweißen genannt. Die Zuordnung des Auftragschweißens ist in DIN 8580 geregelt und erfolgt nach dem Gesichtspunkt der Artgleichheit des Auftragwerkstoffes. Wird ein artgleicher Schweißzusatzwerkstoff verwendet, so erfolgt die Einteilung in den Gruppen 1.2 Urformen aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand sowie 4.4 Fügen durch Urformen. Unterscheidet sich der Zusatzwerkstoff vom Grundwerkstoff, so wird das Auftragschweißen in die Gruppen 5.2 Beschichten aus dem flüssigen, breiigen oder pastenförmigen Zustand und 5.4 Beschichten aus dem festen (körnigen oder pulvrigen) Zustand eingeordnet (DIN 8580).

Metallische Werkstoffe, vorzugsweise Legierungen, haben in unserer technischen Welt nach wie vor eine sehr große Bedeutung, nicht zuletzt wegen der Vielfalt ihrer Eigenschaften. Diese werden zum einen durch die Legierungselemente bestimmt und zum anderen durch geeignete und angepasste Wärmebehandlungsverfahren eingestellt. Dadurch ist es möglich, Festigkeit, Härte, Zähigkeit und viele weitere Eigenschaften auf den jeweiligen Fertigungsschritt bzw. die jeweilige Bauteilbeanspruchung abzustimmen. Um das Werkstoffpotenzial ausschöpfen zu können, ist es notwendig, die grundlegenden Mechanismen der Abläufe und Mikrostrukturentwicklung im Werkstoff zu kennen und zu verstehen. Dabei gilt es zunächst den mikroskopischen Aufbau mit der Art, Größe und Verteilung von Gefügeelementen und die im submikroskopischen Bereich ablaufenden Mechanismen auf atomarer Ebene zu begreifen. Mit dieser Grundlage lassen sich anschließend nahezu alle Wärmebehandlungsprozesse von den diffusionsgesteuerten Prozessen, den diffusionslosen Umklappvorgängen bis hin zu thermochemischen Randschichtbehandlungen und Ausscheidungsvorgängen verstehen.

Das Wärmebehandeln verfolgt als Stoffeigenschaft änderndes Verfahren die Ziele, entweder in einem Bauteil oder einer Bauteilrandschicht als Endwärmebehandlung die gewünschten Gebrauchseigenschaften oder als Zwischenschritt in der Prozesskette die erforderlichen Verarbeitungseigenschaften einzustellen.

Wärmebehandlungsanlagen bzw. Industrieöfen haben zum Einen die Aufgabe Produkte mit optimalen Werkstoff-bzw. Materialeigenschaften zu erzeugen und stehen zum Anderen im aktuellen Spannungsfeld von z. B. steigenden Energiepreisen, Erhöhung der Anlageneffizienz und der CO₂-Diskussionen.

Der Werkstoffzustand, in dem Bauteile und Werkzeuge aus Stahl hergestellt und bearbeitet werden, erfüllt nur selten gleichzeitig auch die Anforderungen, die sich aus dem Verwendungszweck ergeben. Es ist daher notwendig, den Werkstoffzustand durch Wärmebehandeln so zu verändern, dass z. B. die Härte, die Festigkeit, die Zähigkeit oder der Verschleißwiderstand den unterschiedlichen Bedingungen der jeweiligen Anwendung oder weiterer Fertigungsprozesse optimal angepasst sind.

Für die Gebrauchseigenschaften von Werkstücken aus Eisenbasis-Gusswerkstoffen haben Wärmebehandlungen unterschiedliche Bedeutung. Gießen bietet von allen herkömmlichen Fertigungsverfahren dem Konstrukteur die weitestgehende Freizügigkeit, ein Bauteil zu gestalten. Formguss ermöglicht die Herstellung endabmessungsnaher Bauteile. Durch diesen Fertigungsschritt erspart man sich Temperatur beeinflusste Behandlungsschritte, wie z. B. Schweißen, und aufwändige durchgreifende Wärme-behandlungen.

Die Werkstoffstrukturen und damit die Eigenschaften von Nichteisenmetalllegierungen können ebenso wie bei Stählen und Gusseisenwerkstoffen in weitem Rahmen durch geeignete Wärmebehandlungsverfahren gezielt beeinflusst werden. Technisch relevante Nichteisenmetalllegierungen stellen dabei vor allem Leichtmetalllegierungen dar, wie z. B. Aluminium-, Titan- und Magnesium-legierungen, die insbesondere im Verkehrsmittelbau mit dem Ziel des Leichtbaus eingesetzt werden. Im Gegensatz zu Stählen und Gusseisenwerkstoffen, die alle zumindest teilweise auf dem Legierungssystem Eisen-Kohlenstoff basieren, existieren für Nichteisenmetalllegierungen zahlreiche, teilweise sehr unterschiedliche technisch relevante Legierungssysteme, die die Bandbreite der Wärmebehandlungsverfahren stark erhöhen. Die thermischen Wärmebehandlungsverfahren für Nichteisenmetalllegierungen können unterteilt werden in Verfahren zur Einstellung von Verarbeitungseigenschaften und Verfahren zur Einstellung von Gebrauchseigenschaften.

In der technischen Praxis stellt vielfach die Randschicht eines Bauteils den höchstbeanspruchten Bauteilbereich dar. Mechanische Oberflächenverfestigungsverfahren werden daher genutzt, um diesen Bauteilbereich durch das Einbringen von inhomogenen plastischen Verformungen und somit durch Druckeigenspannungen und Kaltverfestigung zu verstärken und damit die Lebensdauer bei schwingender Beanspruchung des Bauteils zu erhöhen. Außer dem Eigenspannungs- und dem Verfestigungszustand wird allerdings auch die Oberflächentopographie durch die mechanische Oberflächenverfestigung verändert.

Mechanische Oberflächenverfestigungsverfahren gehören nach DIN 8580 („Fertigungsverfahren: Begriffe, Einteilung“) in die Hauptgruppe 6: „Stoffeigenschaften ändern“ und können dort der Gruppe 6.1: „Verfestigen durch Umformen“ zugeordnet werden. Alle Oberflächenverfestigungsverfahren basieren dabei auf einer elastisch-plastischen Kaltverformung der Randzone des zu bearbeiteten Bauteils. Diese Verformung kann auf unterschiedlichen Wegen erzeugt werden, wodurch sich die Verfahren und entsprechend die resultierende Randschicht unterscheiden. Dabei können die Verfahren nach (Schulze 2006) einerseits in statische und dynamische Arbeitsweisen, anderseits nach der relativen Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück eingeteilt werden (vgl. Tab. 2.1).