Abkürzungs- und Symbolverzeichnis ............................. vii
1 Motivation und Zielsetzung der Arbeit ...................... 1
2 Stand der Wissenschaft und Technik ......................... 2
2.1 Aluminium-Werkstoffe ....................................... 2
2.1.1 Einteilung und physikalisch-thermophysikalische
Eigenschaften ....................................... 2
2.1.2 Tribologische Eigenschaften ......................... 3
2.1.3 Randschichttechnologien für AI-Werkstoffe ........... 5
2.2 Flüssigphasen-Randschichtbehandlung mittels
Elektronenstrahl ........................................... 6
2.2.1 Grundlagen der Elektronenstrahlbehandlung ........... 6
2.2.2 Binäre AlFe-Legierungen ............................ 10
2.2.3 Eigenschaftsprofil Fe-Iegierter Randschichten
technischer AI-Legierungen ......................... 11
2.3 Nitrieren von Aluminium-Werkstoffen ....................... 15
2.3.1 Aluminiumnitrid .................................... 15
2.3.2 Thermodynamische und kinetische Betrachtungen ...... 15
2.3.3 Konventionelles Plasmanitrieren mit gepulstem
Gleichstrom ........................................ 18
2.3.4 Wechselwirkungen zwischen Plasmasaum und
Substratoberfläche ................................. 22
2.3.5 Grenzflächenreaktionen, Diffusionsprozesse
und Schichtbildungsmechanismus ..................... 23
2.3.6 Einfluss der chemischen Zusammensetzung der
AI-Legierung ....................................... 26
2.3.7 Eigenschaftsprofil nitrierter Randschichten auf
AI-Werkstoffen ..................................... 28
2.4 Thermodynamische Betrachtungen zu AI-Mehrstoffsystemen .... 29
2.4.1 Al-Fe-Mg-Si ........................................ 29
2.4.2 Al-Cu-Fe-Si ........................................ 30
2.4.3 Al-Cu-Fe-Mg ........................................ 31
2.5 Präzisierte Aufgabenstellung und Lösungsweg ............... 32
2.5.1 Präzisierte Aufgabenstellung ....................... 32
2.5.2 Lösungsweg ......................................... 32
3 Experimentelles ........................................... 34
3.1 Grundwerkstoffe ........................................... 34
3.2 Zusatzstoffe .............................................. 35
3.3 Technologie und Parameter der Elektronenstrahl-
Randschichtbehandlung ..................................... 36
3.3.1 Zusatzstoff-Deponierschichtsysteme ................. 36
3.3.2 Strahlführungstechniken und
Elektronenstrahlparameter .......................... 37
3.4 Technologie und Parameter der Plasmanitrierbehandlung ..... 38
3.4.1 Anlagentechnik und Plasmanitrier-Technologie ....... 38
3.4.2 Plasmanitrierparameter ............................. 39
3.4.3 Plasmadiagnostik ................................... 40
3.5 Charakterisierungsmethoden ................................ 42
3.5.1 Struktur- und Gefügeuntersuchungen ................. 43
3.5.2 Mechanische Eigenschaften .......................... 45
4 Untersuchungen zum Elektronenstrahl-Umschmelzlegieren ..... 48
4.1 Einfluss der Zusatzstoffe und der Deponierschichtsysteme .. 48
4.2 Einfluss der Strahlführungstechnik ........................ 52
4.2.1 Vergleichende Bewertung der angewendeten
Strahlführungstechniken ............................ 52
4.2.2 Einfluss der Vorwärmung und des
Oszillationskreisdurchmessers ...................... 56
4.3 Gefüge- und Phasenausbildung infolge des
EB-Umschmelzlegierens ..................................... 58
4.4 Anlassbeständigkeit der EBUL-Schichten .................... 62
4.5 Zusammenfassende Bewertung der EBUL-Ergebnisse ............ 63
5 Untersuchungen zum Plasmanitrieren ........................ 65
5.1 Nitrierverhalten der Grundwerkstoffe ...................... 65
5.1.1 Einfluss der Plasmanitrier-Parameter auf die
AIN-Schichtdicke ................................... 65
5.1.2 Einfluss des Grundwerkstoffs auf
schichtcharakterisierende Eigenschaften ............ 67
5.2 Nitrierbarkeit der EBUL-Schichten ......................... 71
5.2.1 Einfluss des Fe-Legierens auf die
Oberflächenrauheit und die AIN-Schichtdicke ........ 71
5.2.2 Einfluss der Elemente Mg und Si in der EBUL-
Schicht auf die AIN-Bildung ........................ 72
5.2.3 Einfluss des Fe-Zulegierungsanteils auf die
Oberflächenbedeckung ............................... 77
5.2.4 Einfluss der Phasen-Morphologie auf die AIN-
Schichtanbindung ................................... 81
5.2.5 AIN-Schichtbildung auf dem unmittelbaren Bereich
neben der EBUL-Spur ................................ 84
5.3 Ergebnisse der Plasmadiagnostik ........................... 86
5.4 Vorstellungen zum Schichtbildungsmechanismus .............. 91
5.5 Vergleichende Bewertung der Behandlungsergebnisse des
Nitrierens ................................................ 93
6 Untersuchungen zum Reibungs- und Verschleißverhalten ...... 96
6.1 Reibungs- und Verschleißverhalten der
Grundwerkstoffe ........................................... 96
6.2 Reibungs- und Verschleißverhalten der AIN-
Schichten ................................................. 97
6.2.1 Verschleißverhalten der nitrierten
Grundwerkstoffe .................................... 97
6.2.2 Verschleißverhalten der nitrierten EBUL-
Schichten ......................................... 101
6.2.3 Einfluss der Werkstoff- bzw. Verbundhärte ......... 103
6.3 Zusammenfassende Bewertung der Verschleißergebnisse ...... 108
7 Übergreifende Diskussion der Ergebnisse .................. 110
8 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen ..................... 113
Literaturverzeichnis .......................................... 115
Abbildungsverzeichnis ......................................... 126
Tabellenverzeichnis ........................................... 132
Lebenslauf .................................................... 140
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