Oberflächenbehandlung

Mit der lokalen Oberflächenmodifikation (Randschichtbehandlung) können in ausgewählten Bereichen auf der Oberfläche von metallischen Bauteilen veränderte Eigenschaften durch verschiedene Prozesse (Härten, Umschmelzen, Konturieren etc.) erzeugt werden. Mit dem exakt steuerbaren Elektronenstrahl wird innerhalb sehr kurzer Zeiten genau die Wärmemenge eingetragen, die für einen bestimmten Prozess nötig ist. Dabei werden nur oberflächennahe Zonen umgewandelt (0,1 – 1 mm; manchmal auch mehr), das Massiv des Bauteils bleibt unbeeinflusst. Und der minimale Wärmeeintrag hat auch einen minimalen Bauteilverzug zur Folge.

Hervorstechendes Merkmal (außer der o. g. lokalen Begrenzung) bei der EB-OFM ist der Verzicht auf jegliche Fremdabkühlung; es genügt der Wärmeabfluss ins Bauteilmassiv.

Die Anwendungsmöglichkeiten liegen praktisch in allen Bereichen des Maschinenbaus, Automobilbaus, der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrttechnik u. a. m.

NC-Achsen

NC-Achsen im Prozess: Rotation, Fokus, Ablenkung

51CtV

51CtV: 4 ovale Nockenbahnen, Härtetiefe > 0,4mm

Verfahrensvarianten

Die Elektronenstrahl-Oberflächenmodifikation

Die Prozessmöglichkeiten sind überaus vielfältig. In dem folgendem Diagramm sehen Sie eine Einteilung der möglichen EB-Oberflächenmodifikationen. Wesentlich zu unterscheiden sind Prozesse, die in der Festphase ablaufen (also ohne jedes Anschmelzen der Oberfläche, welche zuvor sogar geschliffen sein kann) und Prozesse, die über den oberflächennahen Schmelzfluss gehen und damit deutlich stärkere Eigenschaftsänderungen ermöglichen (meist aber auch eine Nachbearbeitung erfordern).

OFM Oberflächenmodifikation FEST

Härten

Bei Stählen wird durch die EB-Energie oberflächennah zunächst Austenit erzeugt, aus dem dann durch die extrem schnelle Selbstabschreckung bei ausreichendem C-Gehalt sehr harter Martensit gebildet wird. Die Härtezone ist keine Auftragsschicht, sondern geht allmählich in den unveränderten Grundwerkstoff über.

Das EB-Härten kann auch kombiniert werden mit einem zuvor durchgeführten thermo-chemischen Verfahren, z. B. Nitrieren.

Bsp.: Ausschnitt Querschliff

Härteprofil von Oberfläche bis
Grundmaterial gemessen HV 0,3

Umwandeln

Bei geeigneter „Dosierung“ des EB-Energieeintrags kann man auch Oberflächenbereiche in der Festphase lokal (örtlich begrenzt) umwandeln. Die Art und der Grad der Umwandlung sind abhängig von den metallurgischen Eigenschaften des Bauteilwerkstoffes. Ein Beispiel bei Stählen ist das Anlassen; dieses kann bei Bedarf auch bei EB-gehärteten Oberflächen angewendet werden, um eine bestimmte Maximalhärte zu begrenzen.

OFM Oberflächenmodifikation FLÜSSIG

Texturieren

Durch punktweise EB-Einwirkung wird die Oberfläche in kleinsten Bereichen aufgeschmolzen; sie bildet bei Erstarren Unebenheiten (Näpfchen o. ä.). Diese relativ einfachen Texturen geben der Oberfläche z. B. einen definierten Grip (z. B. bei Walzen usw.).

Aufwändigere Einwirkmuster (mit der schnellen Strahlablenkung) führen zum gezielten Abdampfen, Aufwerfen und Umverteilen von Material, so dass sich komplexe Strukturen erzeugen lassen – maßgeschneidert für bestimmte Anforderungen.

Bilder von Merkmalen, die nach dem Surfi-Sculpt®-Verfahren hergestellt wurden, mit freundlicher Genehmigung von TWI Ltd

Bilder von Merkmalen, die nach dem Surfi-Sculpt®-Verfahren hergestellt wurden, mit freundlicher Genehmigung von TWI Ltd

Härten

Um große Einhärtetiefen (einige Millimeter) in Eisenwerkstoffen zu erreichen, kann man die Oberfläche lokal aufschmelzen. Infolge Selbstabschreckung ergibt sich eine Gefügeveränderung (z. B. Martensit oder Ledeburit) mit der entsprechenden Härtesteigerung.

Bedingt durch den Schmelzvorgang wird die Bauteiloberfläche uneben und muss im Allgemeinen nachbearbeitet werden. Durch Anwendung von Streifen- oder Punktrastern im EB-Prozess kann man vermeiden, dass zu große zusammenhängende Bereiche aufgeschmolzen und zu starke Unebenheiten erzeugt werden.

Umwandeln

Ähnlich wie beim Flüssigphasen-Härten bei Eisenwerkstoffen können lokale Strukturänderungen auch im Gefüge anderer Werkstoffe erreicht werden. Insbesondere bei Gusswerkstoffen mit ihrer typisch grobkristallinen Struktur lässt sich so eine Kornverfeinerung erreichen, welche vergleichsweise bessere Verschleißeigenschaften bewirkt.

Bsp.: Al-Si-Kolbenlegierung

links: Gussgefüge, rechts: EB-Umschmelzgefüge (im selben Maßstab)

Einbetten von Hartstoffen

Insbesondere Hartstoffe können zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit in die Oberfläche eines Bauteils lokal eingebettet werden, wenn diese mit dem EB umgeschmolzen wird. Bei mäßigem Energieeintrag bleiben die Hartpartikel in der Umschmelzzone erhalten, bei höherem Energieeintrag werden sie aufgespalten und fein verteilt oder sogar einlegiert.

eingebettete Wolframkarbide

angeschmolzene Wolframkarbide

Legieren

Durch Zugabe von anderen Werkstoffen (z. B. als Draht oder Auftragsschicht) in einen EB-Umschmelzvorgang hinein lässt sich der behandelte Oberflächenbereich definiert auflegieren. Dadurch ist eine gezielte Eigenschaftsänderung möglich.

Oberflächenbehandlung