Handbuch Oberfl¤chentechnik

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  • Handbuch Oberflchentechnik

    auf Grundlage des im Rahmen des Programms Qualifizierung, Arbeit, Technik, Reorganisation QUATRO des Landes Nordrhein-Westfalen durchgefhrten Projektes

    Qualifizierung Oberflchentechnik und -analytik (gefrdert mit Mitteln des Landes NRW und der EU)

    Kontakt: SGS Institut Fresenius GmbH Joseph-von-Fraunhofer-Strae 13 44227 Dortmund

    Internet: www.sgs-auto.de Tel.: +49(0) 231 - 9742 7300 FAX: +49(0) 231 - 9742 7349

    Autoren: Dr.-Ing. Katrin Richter Dr. Detlef Fahauer Dr.-Ing. Ilka Handreg

    Unter Zuhilfenahme der Referatstexte von: Dr. Ingo Barzen, EITEC GmbH & Co. KG, Bochum Dr.-Ing. Manfred Baumgrtner, FEM, Schwbisch Gmnd Herr Horst Erbel, PERO KG, Knigsbrunn Dr. Herbert Feld, OFG Analytik GmbH, Mnster Dr. Thomas Fries, Fries Research & Technology GmbH, Bergisch Gladbach Dr. Mathias Frlich, Akademie Fresenius GmbH, Dortmund Dr. Wolfgang Gloede, Institut Fresenius Angewandte Festkrperanalytik GmbH, Dortmund Herr Klaus Gradtke, Ewald Doerken AG, Herdecke Dr.-Ing. Ilka Handreg, Institut Fresenius Angewandte Festkrperanalytik GmbH, Dortmund Dipl.-Phys. Wilfried Hedderich, RKW Nordrhein-Westfalen e.V., Dsseldorf Dr. Heinz Dieter Hesse, Daimler-Benz AG, Stuttgart Dr. Michael Hilt, Daimler-Benz AG, Sindelfingen Herr Bernhard Kock, Akademie Fresenius GmbH, Dortmund Dr. Lutz Mayer, Institut Fresenius Angewandte Festkrperanalytik GmbH, Dortmund Dr. Andreas Mucha, MAT GmbH, Dresden Herr Christoph Neuer, Akademie Fresenius GmbH, Dortmund Dr. Manfred Paul, TU Bergakademie Freiberg Dr.-Ing. Katrin Richter, Institut Fresenius Angewandte Festkrperanalytik GmbH, Dortmund Dipl.-Phys. Thomas Scholz, Institut Fresenius Angewandte Festkrperanalytik GmbH, Dresden Herr Jrgen Tomaszewski, TE STRAKE GmbH, Solingen Dipl.-Ing. Randolf Wnsch, Institut Fresenius Angewandte Festkrperanalytik GmbH, Dortmund

    Herausgeber: Dr. Wolfgang Gloede

  • Handbuch Oberflchentechnik

    auf Grundlage des im Rahmen des Programms Qualifizierung, Arbeit, Technik, Reorganisation QUATRO des Landes Nordrhein-Westfalen durchgefhrten Projektes

    Qualifizierung Oberflchentechnik und -analytik (gefrdert mit Mitteln des Landes NRW und der EU)

    Laufzeiten 01. August 1997 - 31. Dezember 1997 01. April 1998 - 31. Oktober 1999

    Kontakt: SGS Institut Fresenius GmbH Joseph-von-Fraunhofer-Strae 13 44227 Dortmund Tel.: +49(0) 231 - 9742 7300 E-mail: olaf.guennewig@sgs.com Information: www.sgs-auto.de

    Oberflchen-

    Analyse

    Festkrper-

    Analyse

    Dnnschicht-

    Analyse

    3 nm

    Oxidation

    Korrosion

    Passivierung

    > 300 nm

    Rauheit

    Glanz

    30 nm

    Diffusion

    Korrosion

    0,3 nm

    Haftung

    Katalyse

    Benetzbarkeit

    Biovertrglichkeit

  • I:\QUATRO\handbuch\gliederung.doc 1

    Handbuch zum Quatro-Projekt Oberflchentechnik

    - Gliederung -

    Seite

    1 Einfhrung

    1.1 Inhalt und Ziele des Quatro-Projektes

    1.1.1 Ausgangslage fr das Projekt A) Existenzbedrohung von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) der

    Metall- und Elektroindustrie durch Technologie- und Know-how-Defizite B) Oberflchen und dnne Schichten - praktische Bedeutung in der Industrie C) Verfahren zur Oberflchenmodifizierung und beschichtung D) Mglichkeiten der Oberflchenanalytik

    1.1.2 Zielsetzung des Projektes

    5

    5 5 5 5 6 7 7

    1.2 Die Institut Fresenius Gruppe und das IF Angewandte Festkrperanalytik

    (IFAF) GmbH Dortmund [V17]* 1.3 Beteiligte Unternehmen

    1.4 Hinweise zum Handbuch

    8 10 10

    2 Oberflchen und dnne Schichten - Grundlagen und praktische

    Bedeutung

    13

    2.1 Technische Bedeutung von Oberflchen und dnnen Schichten

    13

    2.2 Physikalische Betrachtungen [V2]* 2.2.1 Oberflchenenergie 2.2.2 Bindung und Haftfestigkeit 2.2.3 Oberflchendiffusion und Schichtwachstum

    17 17 18 20

    2.3 Oberflchenchemie und Korrosion [V7]* 2.3.1 Definition, Ursachen und Erscheinungsformen der Korrosion 2.3.2 Elektrochemische Korrosionsvorgnge 2.3.3 Kontakt- und Spaltkorrosion als Beispiel fr Korrosionsmechanismen 2.3.4 berblick ber die Manahmen des Korrosionsschutzes

    21 21 22 23 24

    2.4 Verschleimechanismen und deren Erscheinungsformen [V10]*

    26

    2.5 Materialbruch [V20]*

    28

    2.6 Topografie, Rauheit und Kontur [V26]* 31

    * V: siehe Vortragsliste, Tab. 1.1, S. 11f

  • 0 Gliederung des Handbuchs zum Quatro-Projekt Oberflchentechnik

    I:\QUATRO\handbuch\gliederung.doc 2

    Seite

    3 Oberflchentechnologien

    32

    3.1 Beschichtungsgerechte Konstruktion und Fertigung [V7,V8]* 3.1.1 Einflussfaktoren auf die Bauteilqualitt am Beispiel einer Korrosionsschutz-

    Beschichtung A) Korrosionsbestndigkeit des Beschichtungswerkstoffes B) Qualitt der Beschichtungsfertigung C) Beschichtungsfhigkeit des Bauteils

    3.1.2 Korrosionsschutzgerechte Gestaltung zur Vermeidung von Spalt- und Kontakt- korrosion

    3.1.3 Kriterien fr die Auswahl eines Oberflchenschutzverfahrens

    32 32 32 33 33 33 33

    3.2 Oberflchenreinigung [V4,V5] 3.2.1 Kriterien fr die Auswahl eines Reinigungsmediums und/oder systems 3.2.2 Verfahren zur Reinigung in wssrigen Systemen 3.2.3 Entfetten mit organischen Lsungsmitteln 3.2.3.1 Kohlenwasserstoffe 3.2.3.2 Chlorkohlenwasserstoffe 3.2.4 Plasmaverfahren 3.2.5 Prfung des Reinigungsergebnisses

    35 35 36 38 38 38 39 40

    3.3 Oberflchenvernderung des Grundwerkstoffes

    3.3.1 Thermische Verfahren Oberflchenhrten von Stahl 3.3.1.1 Flammhrten 3.3.1.2 Induktionshrten 3.3.1.3 Elektronenstrahlhrten und Laserhrten 3.3.2 Thermochemische Verfahren 3.3.2.1 Einsatzhrten von Stahl 3.3.2.2 Nitrieren von Stahl 3.3.2.3 Carbonitrieren von Stahl 3.3.2.4 Borieren 3.3.2.5 Oxidieren 3.3.3 Ionenstrahlbehandlung

    41 41 42 42 42 43 43 44 44 44 45 45

    3.4 Beschichten des Grundwerkstoffes [V6,V10,V18,V22,V25]* 3.4.1 Abscheidung aus der Gasphase 3.4.1.1 PVD-Verfahren 3.4.1.2 CVD-Verfahren 3.4.2 Verfahren der elektrolytischen Abscheidung metallischer berzge 3.4.2.1 Auenstromlose Metallabscheidung

    Chromatieren am Beispiel einer chromatierten Zinkbeschichtung 3.4.2.2 Elektrochemische Abscheidung

    Elektrochemische Beschichtung von Kunststoffen Anodische Oxidation von Aluminium Verchromen

    3.4.2.3 Einflsse von Elektrolytzusammensetzung und Abscheidebedingungen auf das Gefge galvanisch abgeschiedener berzge

    3.4.2.4 Gesamt-Verfahrenstechnik 3.4.3 Metallspritzen 3.4.4 Lackierverfahren 3.4.5 Beschichtung von Festkrpern durch Sol-Gel-Verfahren

    46 46 47 48 48 49 52 52 54 55 55 56 57 57 58 60

  • 0 Gliederung des Handbuchs zum Quatro-Projekt Oberflchentechnik

    I:\QUATRO\handbuch\gliederung.doc 3

    Seite

    4 Anwendungsbeispiele moderner Beschichtungssysteme

    62

    4.1 Einsatz umweltfreundlicher Vakuumtechnologien zur

    Oberflchenbeschichtung [V6]* 4.1.1 Hartstoff- und Verschleischutzschichten 4.1.2 Metallisierung von Kunststoffen 4.1.3 Spezialbeschichtungen von der Medizintechnik bis zum Supraleiter

    62 62 65 65

    4.2 Korrosionsschutz von Bauteilen durch Zink- und Zinklegierungssysteme

    [V8]* 4.2.1 Verbesserter Korrosionsschutz durch Nachbehandlungen und Zink-Legierungen 4.2.1.1 Versiegelungen 4.2.1.2 Zink-Nickel-Legierung 4.2.1.3 Zink-Eisen-Legierung 4.2.1.4 Duplex-Schichtsysteme 4.2.2 Vergleich der Schichtsysteme 4.2.2.1 Korrosionsschutzwirkung 4.2.2.2 Fhigkeit zu katodischem Schutz

    66 66 66 66 66 67 67 67 69

    4.3 Emissionsarme Lackiersysteme in der Automobilindustrie [V9]*

    70

    4.4 Moderne Beschichtungssysteme mit Multifunktionseigenschaften

    Erfolgreiche Anwendungsbeispiele in der Automobilindustrie [V23, V25]*

    70

    5 Verfahren der Oberflchenanalytik

    71

    5.1 Begriffsbestimmung Oberflchenanalytik

    71

    5.2 Analytik mit Mikrosonden

    72

    5.2.1 Elektronenstrahlmikrosonden [V3,V11]* 5.2.1.1 Wechselwirkung von Elektronen mit Festkrpern 5.2.1.2 Signale und Informationen 5.2.1.3 Elektronenstrahl-Mikroanalyse (ESMA) und Rasterelektronenmikroskop (REM)

    A) Prinzip der Rntgenspektralanalyse B) Analysemethoden C) Probenprparation

    5.2.1.4 Augerelektronenspektrometrie - AES (SAM) 5.2.1.5 Energieverlustspektroskopie (EELS) 5.2.1.6 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

    A) Abbildung im TEM B) BRAGGsche Beugung am Kristallgitter

    78 78 80 82 82 85 87 88 89 90 91 92

    5.2.2 Ionenstrahlmikrosonden [V3,V13]* 5.2.2.1 Methoden der Sekundrionen-Massenspektroskopie SIMS und TOF-SIMS 5.2.2.2 Sekundrneutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) 5.2.2.3 Glimmlampenemissions-Spektralanalyse (GDOS) 5.2.2.2 Glimmentladungsmassenspektrometrie (GDMS) 5.2.2.3 Rutherford-Rckstreuspektroskopie (RBS)

    94 94 97 99 100 101

  • 0 Gliederung des Handbuchs zum Quatro-Projekt Oberflchentechnik

    I:\QUATRO\handbuch\gliederung.doc 4

    Seite 5.2.3 Lichtsonden

    5.2.3.1 Abbildung mittels Lichtmikroskopie 5.2.3.2 Infrarot Reflexions Absorptionsspektroskopie (IRRAS) 5.2.3.3 Laser-Mikrosonden-Massenanalyse (LAMMA oder LIMS) 5.2.3.4 Gepulste Photothermische Spektroskopie (PTS) 5.2.3.5 Totalreflexionsrntgenfluoreszenzanalyse (TRFA oder TXRF) 5.2.3.6 Rntgenphotoelektronen-Spektroskopie (XPS) 5.2.3.7 Rntgendiffraktometrie (XRD)

    102 102 107 108 109 110 111 112

    5.2.4. Sonderverfahren der Sondentechnik [V11,V26]* 5.2.4.1 Rasterkraftmikroskopie (AFM)

    Rastersondenmikroskopie (SPM) 5.2.4.2 Akustischer Nahfeldeffekt (FRT)

    116 116 117 117

    5.3 Verfahre