Erhöhung der tribologischen Beanspruchbarkeit von Aluminiumwerkstoffen durch die Kombination von Randschichtumschmelzlegieren und Nitrieren
-
Anke Dalke
Kurzfassung
Der Oberfläche von Bauteilen aus Aluminiumlegierungen werden durch ein Plasmanitrieren erheblich verbesserte tribologische Eigenschaften verliehen. Die dünnen, harten Aluminiumnitridschichten versagen jedoch bei hohen Flächenpressungen durch die plastische Verformung des weichen Al-Substrates. Um nitrierte Al-Legierungen auch für tribologisch hohe Beanspruchungen nutzbar zu machen, sind zusätzliche Maßnahmen zur Abstützung der Nitridschicht notwendig. Dafür eignen sich hervorragend thermische Elektronenstrahl(EB)-Flüssigphasenbehandlungen wie das EB-Umschmelzlegieren (EBUL). Dabei werden durch das lokale Einlegieren eines geeigneten Zusatzstoffes die chemische Zusammensetzung der Randschicht modifiziert und neuartige, beanspruchungsgerechte Randschichten erzeugt. Die Kombination des EBUL mit dem Plasmanitrieren verbindet eine tief reichende Randschichtverfestigung mit der Erzeugung einer dünnen, harten Schicht und ermöglicht so die Herstellung gradierter Randschichtverbunde.
Diese Verfahrenskombination, bestehend aus EB-Umschmelzlegieren mit Kupfer-, Nickel- und Eisen-Basis-Zusatzstoffen und Plasmanitrieren, wurde am Beispiel einer Al-Guss- (AlSi10Mg) bzw. Knetlegierung (AlMg4,5Mn0,7) untersucht. Der Fokus der Untersuchungen lag dabei auf der Bewertung der metallurgischen Kompatibilität beider Prozesse im Hinblick auf die thermische Stabilität der EBUL-Schichten bei Nitriertemperatur (470 °C) und deren Eignung für die Erzeugung einer Nitridschicht durch das nachfolgende Plasmanitrieren. Die durchgeführten Verschleißversuche verdeutlichen das Potenzial dieser Duplexbehandlung für Al-Legierungen.
Abstract
The surface of components made of Al alloys can gain considerably improved tribological properties by means of plasma nitriding. However, the thin hard aluminum nitride (AlN) layers fail in case of higher loads due to the plastic deformation of the soft Al substrate. The usage of the superior nitride layer properties even in case of higher tribological loads requires additional measures to improve the supporting effect. Therefore, thermal electron beam (EB) liquid phase treatments like EB alloying (EBA) are excellently useable. By means of local EBA using applicable additives the chemical composition of the surface layer can be modified resulting in new load specific surface layers. The combination of EB alloying and plasma nitriding combines the deep hardening of the near surface region and the formation of a thin hard coating. Thus, graded surface compounds can be generated.
This duplex technology, combining EBA with copper, nickel and iron based additives and subsequent plasma nitriding, was demonstrated on a cast (AlSi10Mg) and wrought Al alloy (AlMg4.5Mn0.7). The focus of the investigations was the evaluation of the metallurgical compatibility of both processes regarding the thermal stability of EBA layers at nitriding temperature (470 °C) and their nitridability. The performed wear tests prove the potential of such a duplex treatment for Al alloys.
Literatur
1. Reinhold, B.; Naumann, J.; Spies, H.-J.: Einfluss von Zusammensetzung und Bauteilgeometrie auf das Nitrierverhalten von Aluminiumlegierungen. HTM Haerterei-Techn. Mitt.53(1998), S. 329–336.Search in Google Scholar
2. Spies, H.-J.; Höck, K.; Larisch, B.: Duplex-Randschichten der Verfahrenskombination Nitrieren-Hartstoffbeschichten - Erzeugung und Eigenschaften. HTM Haerterei-Techn. Mitt.51(1996)4, S. 222–231.Search in Google Scholar
3. Spies, H.-J.; Friedrich, S.; Buchwalder, A.: Elektronenstrahlbehandlung von PVD-Hartstoffschichten. Mat.-wiss. u. Werkst.34(2003)1, S. 128–135.10.1002/mawe.200390004Search in Google Scholar
4. Zenker, R.: Electron Meets Nitrogen. Combination Electron Beam Hardening and Nitriding. Int. Heat Treatment and Surface Engineering3(2009)4, S. 141–146.10.1179/174951409X12542264514248Search in Google Scholar
5. Luft, U.; Bergmann, W.; Mordike, B. L.: Laser surface melting of aluminium alloys. Fachberichte für Metallbearbeitung64(1987)2, S. 173–178.Search in Google Scholar
6. Bergmann, H. W.; Gundel, P. H.; Kalinitchenko, A. S.: Laser surface alloying of AlSi12 and AlCr2,5Zr2,5 with transition metals Si. Opto-Elektronik-Magazin4(1988)5, S. 510–517.Search in Google Scholar
7. Zenker, R.; Frenkler, N.; John, W.; Günther, U.: Flüssigphasen-Randschichtbehandlung mit dem Elektronenstrahl. HTM Haerterei-Techn. Mitt.47(1992)3, S. 153–159.Search in Google Scholar
8. Vanhille, P.; Tosto, S.; Pelletier, J. M.; Issa, A.; Vannes, A. B.; Criqui, B.: Electron beam and laser surface alloying of Al-Si base alloys. Surf. Coat. Technol.50(1992), S. 295–303.10.1016/0257-8972(92)90014-2Search in Google Scholar
9. Weisheit, A.; Oldörp, F.; Mordike, B. I.; Haude, R.: Randschichtbearbeitung von Aluminiumwerkstoffen mit Hilfe eines gepulsten Nd:YAG-Lasers. Aluminium72(1996), S. 522–529.Search in Google Scholar
10. Heigl, R.: Herstellung von Randschichten auf Aluminiumgusslegierungen mittels Laserstrahlung. Dissertation, Universität Stuttgart, 2004.Search in Google Scholar
11. Zenker, R.; Buchwalder, A.; Klemm, M.: Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der thermischen Elektronenstrahl-Randschichtbehandlung von Aluminium-Legierungen. HTM J. Heat Treatm. Mat.64(2009), S. 208–214.Search in Google Scholar
12. Fu, Y.; Batchelor, A. W.: Laser alloying of aluminium alloy AA 6061 with Ni and Cr. Part 2. The effects of laser alloying on the fretting wear resistance. Surf. Coat. Technol.102(1998), S. 119–126.10.1016/S0257-8972(97)00572-0Search in Google Scholar
13. Takeda, T.; Adachi, K.; Hisada, H.: Laser alloying of aluminium alloy substrate. Proc. Int. Conf. on Laser Advanced Materials Processing, LAMP’92, 07.-12.06.92, Nagaoka/Japan; High Temperature Soc. of Japan, Osaka, 1992, S. 795–800.Search in Google Scholar
14. Vissutipitukul, P.; Aizawa, T.; Kuwahara, H.: Precipitate-accomodated plasma nitriding for aluminum alloys. Cailiao-rechuli-xuebao25(2004)5, S. 334–337.Search in Google Scholar
15. Fischer, A.: Aluminium, der dominierende Werkstoff für Motorblöcke und Zylinderköpfe bei PKW-Motoren. In: Werkstoffe im Wettbewerb–Chancen für die Automobilindustrie der Zukunft, Tagungsband 9. EUROFORUM-Werkstofftagung für die Automobilindustrie, 27.-28.11.01, Freising, 2001, S. 6.0–6.16.Search in Google Scholar
16. Dalke, A.; Spies, H.-J.; Biermann, H.: Plasmanitrieren von Aluminiumlegierungen. HTM J. Heat Treatm. Mat.66(2011)2, S. 116–123.Search in Google Scholar
17. Dalke, A.; Buchwalder, A.; Spies, H.-J.; Biermann, H.; Zenker, R.: EB Surface Alloying and Plasma Nitriding of Different Al Alloys. Mater. Scie. Forum690(2011), S. 91–94.10.4028/www.scientific.net/MSF.690.91Search in Google Scholar
18. Buchwalder, A.: Beitrag zur Flüssigphasenrandschichtbehandlung von Bauteilen aus Aluminiumwerkstoffen mittels Elektronenstrahl. Dissertation, Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2007.Search in Google Scholar
19. Franke, R.; Haase, I.; Klemm, M.; Zenker, R.: Friction and Wear Behaviour of Electron Beam Surface Treated Aluminium Alloys AlSi10Mg(Cu) and AlSi35. Wear269(2010)11–12, S. 921–929.10.1016/j.wear.2010.08.002Search in Google Scholar
20. Autorenkollektiv: Aluminium-Taschenbuch. 16. Aufl., Aluminium Verlag, Düsseldorf, 2002.Search in Google Scholar
© 2012, Carl Hanser Verlag, München
Articles in the same Issue
- Kurzfassungen/Abstracts
- Kurzfassungen/Abstracts
- Veranstaltungen/Events
- Veranstaltungen in Zusammenarbeit mit der AWT®
- HTM Praxis
- Produkte, Dienstleistungen, Verfahren
- Inhalt/Contents
- Inhalt/Contents
- Vorwort
- Vorwort
- Fachbeiträge/Technical Contributions
- Lokales Werkstoffengineering zur Modifizierung der Randschichteigenschaften von Aluminiumlegierungen mittels moderner Elektronenstrahl-Ablenktechniken*
- Erhöhung der tribologischen Beanspruchbarkeit von Aluminiumwerkstoffen durch die Kombination von Randschichtumschmelzlegieren und Nitrieren
- Elektronenstrahl-Mehrprozesstechnik – Schweißen mit integrierter Wärmebehandlung
- Ermittlung der Härte-Zähigkeits-Beziehung für kurze Wärmebehandlungszyklen
- Modeling the relationship between hardness and spray cooling parameters for pinion shafts using a neuro-fuzzy model strategy
- Einfluss von CO und CO2 als Kohlenstoffspender auf den Verbindungsschichtaufbau beim Nitrocarburieren legierter Stähle*
- Längere Lebensdauer mit reineren Einsatzstählen – was lohnt sich und wie rein ist rein?*
- Systematische Untersuchung verschiedener Einflussgrößen auf die Maß- und Formänderungen von einsatzgehärteten Stirnrädern*
- Tribologische Betrachtung moderner Chargiergestelle*
Articles in the same Issue
- Kurzfassungen/Abstracts
- Kurzfassungen/Abstracts
- Veranstaltungen/Events
- Veranstaltungen in Zusammenarbeit mit der AWT®
- HTM Praxis
- Produkte, Dienstleistungen, Verfahren
- Inhalt/Contents
- Inhalt/Contents
- Vorwort
- Vorwort
- Fachbeiträge/Technical Contributions
- Lokales Werkstoffengineering zur Modifizierung der Randschichteigenschaften von Aluminiumlegierungen mittels moderner Elektronenstrahl-Ablenktechniken*
- Erhöhung der tribologischen Beanspruchbarkeit von Aluminiumwerkstoffen durch die Kombination von Randschichtumschmelzlegieren und Nitrieren
- Elektronenstrahl-Mehrprozesstechnik – Schweißen mit integrierter Wärmebehandlung
- Ermittlung der Härte-Zähigkeits-Beziehung für kurze Wärmebehandlungszyklen
- Modeling the relationship between hardness and spray cooling parameters for pinion shafts using a neuro-fuzzy model strategy
- Einfluss von CO und CO2 als Kohlenstoffspender auf den Verbindungsschichtaufbau beim Nitrocarburieren legierter Stähle*
- Längere Lebensdauer mit reineren Einsatzstählen – was lohnt sich und wie rein ist rein?*
- Systematische Untersuchung verschiedener Einflussgrößen auf die Maß- und Formänderungen von einsatzgehärteten Stirnrädern*
- Tribologische Betrachtung moderner Chargiergestelle*
