Herstellung, Umwandlungsverhalten und keramischer Polysilazanschichten auf Stahlsubstraten Eigenschaften (eBook)

Martin G& #xFC; nthner (Autor)

eBook Download: PDF

2010 | 1. Auflage
139 Seiten
Cuvillier Verlag
978-3-7369-3302-6 (ISBN)

Infos

Die Oberflächen- und Dünnschichttechnologie gehört zu den wachstumsstärksten Branchen in Deutschland und wird in vielen industriellen Bereichen eingesetzt. Bedeutende Industriezweige wie die Automobilindustrie, die Umwelt- und Energietechnik, die Luftund Raumfahrt, die Mikrosystem- und Medizintechnik oder die Informations- und Kommunikationstechnik sind z. T. sehr stark auf die Oberflächentechnologie angewiesen. Im Jahr 2002 betrug der geschätzte Jahresumsatz der Unternehmen der Oberflächenveredelung ca. 10 Mrd. Euro. Die wichtigsten Verfahren stellten dabei das Lackieren, das Galvanisieren, die Vakuumtechnik sowie das thermische Spritzen dar. Die Aufgaben von Beschichtungen sind sehr vielfältig und reichen von speziellen Gleiteigenschaften bzw. hoher Verschleißbeständigkeit über den Korrosions- und Oxidationsschutz bis hin zu bestimmten elektrischen, optischen oder dekorativen Eigenschaften [KOE08, MOH05]. Vor dem Hintergrund stark gestiegener Rohstoffpreise insbesondere in den letzten Jahren hat die Vermeidung von Korrosion, Oxidation und Verschleiß metallischer Bauteile enorm an Bedeutung gewonnen. Volkswirtschaftliche Schätzungen gehen davon aus, dass tribologisch bedingte Schäden ein Volumen von ca. 1 % des Bruttoinlandsproduktes (BIP) ausmachen. Der durch Korrosion und Oxidation entstandene volkswirtschaftliche Schaden wird sogar auf in etwa 4 % des BIP beziffert [BAC05]. Die Oberflächentechniken zum Schutz von Metallen lassen sich grob in Beschichtungsund Wärmebehandlungsverfahren einteilen. Zum Korrosionsschutz werden am häufigsten Lacke oder Farben eingesetzt. Diese können über einfache Lackierverfahren wie Tauchen oder Sprühen appliziert werden. Sie sind jedoch in ihrer chemischen, mechanischen und thermischen Stabilität begrenzt. Oxidische sowie nichtoxidische keramische Schichten haben ein großes Potential zum Schutz von Metallen gegen Oxidation, Korrosion und Verschleiß. Diese Schichtsysteme, welche meist über die Vakuumtechniken (Physical Vapour Deposition (PVD) oder Chemical Vapour Deposition (CVD)) bzw. durch thermische Spritzverfahren aufgebracht werden, besitzen eine gute chemische Beständigkeit und hohe Härtewerte. Nachteile der Verfahren stellen jedoch der große apparative und kostenintensive Aufwand sowie die Porosität der Schichten (thermisches Spritzen) dar [BAC05]. Bei Wärmebehandlungsverfahren wie Nitrieren, Carburieren oder Borieren wird der Oberflächenbereich der Metalle durch eine diffusionsgesteuerte Reaktion mit bestimmten Elementen angereichert. Dies kann durch eine thermische Behandlung in den entsprechenden Spendermedien erreicht werden. Auf diese Weise lassen sich Schichten mit guten tribologischen Eigenschaften und einer exzellenten Haftung erzeugen. Die oft schwierige Übertragbarkeit auf unterschiedliche Bauteilgeometrien sowie die gesundheits- und umweltschädlichen Stoffsysteme vieler Verfahren wirken sich jedoch negativ aus. Eine Alternative zu den bereits etablierten Oberflächentechniken zur Erzeugung polymerer und keramischer Schichten stellt die Verwendung von Precursoren dar. Seit den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts werden diese Vorstufen zur Herstellung von Keramiken benutzt [VER73, YAJ78]. Wesentlicher Vorteil im Vergleich zu den pulverkeramischen Verfahren stellt dabei ihre kunststofftechnologische Verarbeitbarkeit dar. Die Precursoren basieren überwiegend auf siliziumhaltigen Verbindungen, wobei Polysiloxane, Polycarbosilane und Poly(carbo)silazane am meisten verbreitet sind. Nach einer geeigneten thermischen Behandlung (Pyrolyse) resultieren daraus Keramiken im System SiCO (Siliziumoxycarbid), SiC (Siliziumcarbid), Si3N4 (Siliziumnitrid) bzw. SiCN (Siliziumcarbonitrid). Diese Keramiken zeichnen sich durch eine gute Temperaturwechselbeständigkeit, eine hohe Kriechbeständigkeit, eine hohe thermische Stabilität sowie eine gute Oxidationsund Korrosionsbeständigkeit aus [CHO00, JAC01, KOL04, NIC99, RIE06]. Die Bildung und das Wachstum einer schützenden und passivierend wirkenden SiO2-Schicht, welche den geringsten Sauerstoffdiffusionskoeffizienten aller einfachen Oxide besitzt, stellt dabei den Hauptgrund für die hohe Oxidationsbeständigkeit der Si-basierten Keramiken dar [AN04]. Polysilazanbasierte Keramiken weisen dabei im Vergleich zu polycarbosilan- und polysiloxanbasierten Systemen eine etwas höhere Oxidationsbeständigkeit auf. Dies liegt daran, dass die Aktivierungsenergie zur Oxidation einer Si-N-Bindung (Ea = 330-490 kJ/mol) im Vergleich zu Si-C-Bindungen (Ea = 90-140 kJ/mol) höher ist [CHO00]. Die Herstellung precursorbasierter Beschichtungen lässt sich grob in die Schritte Polymersynthese, Beschichtung und thermische Behandlung unterteilen. Daher kann der Prozess als eine Kombination aus Beschichtungs- und Wärmebehandlungsverfahren angesehen werden. Die Vorteile der Herstellung keramischer Schichten über die Precursorroute sind vor allem die Applizierbarkeit der Schichten über einfache Lackierverfahren wie Sprühen oder Tauchen, die Beschichtbarkeit von Bauteilen mit komplexen Geometrien, die niedrigen Keramisierungstemperaturen sowie die hohe thermische und chemische Stabilität der Schichten. Am Lehrstuhl Keramische Werkstoffe der Universität Bayreuth wird bereits seit mehreren Jahren auf dem Gebiet der Polysilazane gearbeitet. Speziell für die Herstellung keramischer Beschichtungen und Fasern wurde ein geeignetes präkeramisches Polymer (ABSE: Ammonolyseprodukt des Bis-Dichlormethylsilylethans) entwickelt, das bereits im technischen Maßstab (ca. 50 kg) hergestellt werden konnte. Dieses organische Polycarbosilazan besitzt einen hohen Kohlenstoffgehalt, sodass nach der Pyrolyse eine SiCN-Keramik mit einem freien Kohlenstoffanteil resultiert [MOT00, MOT02a, TRA01]. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass das kommerziell erhältliche Polysilazan PHPS (Perhydropolysilazan) ebenfalls sehr gut für eine Anwendung als Beschichtungsmaterial geeignet ist [BAU05, BRA07b, GUE04]. Im Gegensatz zum ABSE stellt es ein rein anorganisches Polysilazan mit einem Si-Überschuss dar [KRO00].

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 6.4.2010
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik
• ISBN-10: 3-7369-3302-9 / 3736933029
• ISBN-13: 978-3-7369-3302-6 / 9783736933026