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Montag, 30 November 2020 13:00

Leichtbau und Galvanikprobleme - Teil 1

von Dr.-Ing. habil. Jürgen N. M. Unruh
Geschätzte Lesezeit: 7 - 13 Minuten

Metallische Werkstoffe bieten einen guten Kompromiss zwischen Härte und Duktilität: Bevor sie brechen, verformen sie sich zunächst. Das stellt wiederum die Beschichtung vor gewisse Herausforderungen.

Jedes Bauteil muss irgendeine Kraft übertragen, und wenn es nur die eigene Gewichtskraft ist.

gt 2020 11 0100

Dazu benötigt es eine bestimmte Festigkeit, die sich aus dem Produkt von spezifischer Festigkeit (Härte, Elastizität E bzw. Zugfestigkeit σ bzw. Rm) und dem jeweiligen Querschnitt ergibt.

gt 2020 11 0101

Leichtbau bedeutet nun, die gleiche Funktion mit weniger Werkstoffmasse zu realisieren. Dazu müssen die Querschnitte des Bauteils verkleinert werden. Bei gleicher Kraft folgt

gt 2020 11 0102

Wird der Querschnitt um den Faktor C verringert, d.h. A1 = C • A2, so muss sich die Festigkeit um den gleichen Faktor erhöhen, d.h σ2 = C • σ1

Der Vorteil der metallischen Werkstoffe besteht nun darin, dass jedes Metall einen bestimmten Kompromiss zwischen Festigkeit und Duktilität bietet. Im Gegensatz zu spröden Werkstoffen, die bei Überbelastung sofort brechen, verformt sich ein Metallbauteil zunächst plastisch. Dabei erhöht sich im Allgemeinen seine Festigkeit und es hält länger stand. Das gibt die Zeit, den Schaden zu verhüten.

Für den Leichtbau muss man also die Werkstoffe fester und weniger duktil machen. Welche Mechanismen stehen der Metallurgie dazu zur Verfügung?

Plastische Verformung heißt ja, dass sich das Werkstück verformt, ohne dass die Bindungen als Gesamtheit reißen (Bruch). Bei der Verformung dürfen sich nur immer einzelne Bindungen lösen und andere dafür schließen, damit die Festigkeit des Körpers erhalten bleibt. Wie kann das gehen?

Je glatter Flächen sind, umso leichter lassen sie sich gegeneinander verschieben. Im Kristall sind die Gleitflächen die Flächen mit der dichtesten Kugelpackung, weil sie die „glattesten“ sind. Vergleicht man die Spannungen, die sich aus der Berechnung dieser Verschiebung ergeben mit experimentellen Ergebnissen (in der Tab. 1 „Versetzungen“), so stellt man fest, dass sie sich um etwa drei Größenordnungen unterscheiden (Tab. 1) [1].

Tab. 1: Schubspannungen der Deformation [nach 1]
Werkstoff Gleitebene τ Versetzung τ

σb

 

GPa MPa MPa
α-Fe

2,6

27,5

150

Ni

2,6

3,2

121

Cu

1,4

0,49

51

A1

0,9

0.78

30

Es muss also einen Mechanismus geben, der bei geringeren Kräften wirkt. Als Beispiel möge die Verschiebung eines Teppichs auf ebenem Untergrund dienen. Will man ihn im Ganzen verschieben, benötigt man eine große Kraft. Verschiebt man ihn aber über eine Welle (Falte), so genügt eine wesentlich geringere Kraft (Abb. 1).

Abb. 1: Verschieben eines Teppichs über eine Falte (ohne die Gleitfläche insgesamt zu verschieben)Abb. 1: Verschieben eines Teppichs über eine Falte (ohne die Gleitfläche insgesamt zu verschieben)

Das entspricht im Metall der Wanderung einer Versetzung.

Für ihre Wanderung wird demnach wesentlich weniger Energie verbraucht, als für die Verschiebung der gesamten Gleitebene (etwa drei Größenordnungen). Die Hauptmethode zur Erhöhung der Festigkeit ist, die Wanderung der Versetzungen zu blockieren.

Die Schlussfolgerung aus Tabelle 1 ist, dass sich zunächst nur die Versetzungen bewegen. Sind sie alle blockiert, so kann sich bei entsprechend hoher Spannung eine Gleitebene verschieben. Diese sind übrigens beim Biegen besonders deutlich zu erkennen; am Außenbogen entstehen Stufen zwischen den Gleitebenen.

Bei der Wanderung der Stufenversetzungen (Abb. 2) muss nur immer eine Reihe von Bindungen umklappen. Infolgedessen ist die notwendige Kraft relativ gering.

Abb. 2: Stufenversetzung [2]Abb. 2: Stufenversetzung [2]

In der Abbildung 2 sind die Spannungsfelder einer Stufenversetzung mit dargestellt. Im Bereich der zusätzlichen Halbebene herrscht Druckspannung, im Bereich darunter Zugspannung.

Stoßen die Spannungsfelder bei der Wanderung einer Versetzung an andere, so blockieren sie sich gegenseitig. Die Umformung kann auf diesem Wege nicht mehr fortschreiten. Härte bzw. Festigkeit haben sich entsprechend erhöht.

Die Festigkeit eines metallischen Werkstoffes ist eine Funktion

  • der Bindungsverhältnisse in dessen Kristallgitter und
  • der Beweglichkeit der Fehlordnungen, insbesondere der Stufenversetzungen.

Welche Möglichkeiten besitzt die Metallurgie zur Erhöhung der Festigkeit?

Die Erhöhung der Festigkeit des Metalls geht mit einer Erhöhung der Fehlordnungen gegenüber dem idealen Kristall einher. Fehlerarten im Kristall sind in Tabelle 2 zusammengefasst:

Die Defekte führen zur Vorbelastung der Bindungen im Kristall durch Stauchung (Druckspannung) oder Dehnung (Zugspannung).

In den Abbildungen 3 bis 6 sind die Punktdefekte mit ihren Spannungsfeldern dargestellt.

 Abb. 3:  Fehlstelle mit ZugspannungsbereichAbb. 3: Fehlstelle mit Zugspannungsbereich

 Abb. 4: Einlagerungskristall (Zwischengitteratom)  mit Druckspannungsbereich  Abb. 4: Einlagerungskristall (Zwischengitteratom) mit Druckspannungsbereich

 

Abb. 5:  Substitution durch ein kleineres Atom  mit ZugspannungsbereichAbb. 5: Substitution durch ein kleineres Atom mit Zugspannungsbereich

 Abb. 6: Substitution durch ein größeres Fremdatom  mit DruckspannungsbereichAbb. 6: Substitution durch ein größeres Fremdatom mit Druckspannungsbereich

Eine Fehlstelle im Gitter kann auch in einem superreinen Einkristall auftreten. Sie ist ein Stapelfehler ohne Beteiligung von Fremdatomen.

Einlagern können sich nur kleine Atome, die härten oder zum Härten eingesetzt werden: Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff.

Sitzt ein kleineres Atom auf einem Gitterplatz, so entstehen Zugspannungen wie bei der Fehlstelle, nur in geringerer Größe.

Bei einem größeren Atom auf einem regulären Gitterplatz entstehen Druckspannungen, die in der Regel geringer als bei der Besetzung eines Zwischengitterplatzes sind.

In jedem Fall weichen die Bindungslängen zwischen den Atomen vom Normalwert ab; sie sind gestaucht oder gestreckt. Das bedeutet, sie enthalten mehr Energie als die ungestörte Umgebung.

Für den anodischen Prozess (Korrosion, Ätzbehandlung) bedeutet das:

Zunächst steigt die Metallauflösungsgeschwindigkeit mit der eingebrachten Energie E = k • K1 an

gt 2020 11 0103

bzw. elektrochemisch

gt 2020 11 0104

Das bedeutet, bei stärkerer Verformung verläuft der Beiz-/Ätzprozess schneller. Die höher verformten Bereiche des Werkstückes werden bevorzugt angegriffen. Das heißt aber auch andererseits, an diesen härteren Stellen sind die Wasserstoffversprödung und die Tendenz zur Blasenbildung etwas höher. Dazu ein praktisches Beispiel. Gestanzte Lochbleche wurden verzinkt. Über den Löchern bildeten sich Blasen. An diesen Stellen war das Material stärker verformt. Bei der galvanischen Behandlung, insbesondere bei der Vorbehandlung, aber auch beim Verzinken, verweilte der Wasserstoff an diesen Stellen (kleine horizontale Fläche) etwas länger und konnte in größerem Umfang eindringen. Die Vorbelastung mit Wasserstoff durch die Metallurgie war an allen Stellen praktisch gleich. Sie war aber doch so hoch, dass die geringe Mehrbelastung an diesen Stellen dazu führte, dass dort Blasen entstanden.

Welche Methoden stehen der Metallurgie zur Verfügung, um den Leichtbau realisieren zu können?

 

Die Methoden zur Erhöhung der Festigkeit beruhen fast alle auf einer Behinderung der Beweglichkeit der Versetzungen. Festigkeitserhöhende Maßnahmen sind:

  1. Kaltumformung: damit wird die Versetzungsdichte und damit die innere Energie des Kristallgitters erhöht. Diese muss bei einer Umformung zusätzlich zur Verschiebungsenergie einer Stufenversetzung (Peierlsspannung =~ 5•104 Pa) aufgebracht werden.
    Elektrochemisch ist die Auswirkung so, dass der „Lösungsdruck“ erhöht wird. Das Potential wird negativer.
  2. Mischkristallverfestigung: Durch Einbau eines Fremdatoms in das Gitter (Dotierung; Legierung) wird das ursprüngliche Gitter verspannt und damit seine innere Energie erhöht. Bezüglich der Stelle, an der das Fremdatom sitzt, muss man zwischen Substitutions-Mischkristall (regulärer Gitterplatz) und Einlagerungsmischkristall (Zwischengitterplatz) unterscheiden. Die Fremdatome besitzen dabei die Tendenz, sich als „Wolken“ um die Versetzungen herum anzulagern. So behindern sie deren Bewegung zusätzlich. Elektrochemisch ist die Auswirkung so, dass sich für dieses Gebiet entsprechend der Konzentrationen der Legierungsbestandteile und ihrer Normalpotentiale ein Mischpotential ausbildet, das vom Nachbargebiet mit geringerer Fremdatomkonzentration abweicht. Ob es positiver oder negativer als das des Grundwerkstoffes ist, hängt vom Potential des Legierungselementes ab [5].
  3. Feinkornverfestigung: Bei der Verfeinerung der Ge- fügekörner erhöht sich der Anteil der Großwinkelkorngrenzen je Volumeneinheit. Die Korngrenzen wirken natürlich als Bremse für die Bewegung der Versetzungen.
    Elektrochemisch ist die Auswirkung so, dass die Korrosionsbeständigkeit verbessert wird, obwohl sich die Verunreinigungen an den Korngrenzen anreichern. Die generelle Wirkung in der Galvanik ist daran zu sehen, dass gleiche Korrosionsprüfzeiten heute mit deutlich dünneren Schichten erzielt werden als vor 70 Jahren. Allerdings werden auch die Grenzbereiche schmaler (größere Homogenität der Verteilung der Verunreinigungen) und der Weg für die interkristalline Korrosion dadurch länger.
  4. Ausscheidungshärtung; Je nach Temperatur des Werkstoffes ändert sich die Löslichkeit sekundärer Phasen in der Legierung. Sie sinkt mit sinkender Temperatur und diese scheiden sich bei der Abkühlung aus. Ausscheidungen können bezüglich ihrer Verteilung, ihrer Größe und ihrer Form sehr unterschiedlich ausfallen. Ist der Anteil der Sekundärphase hinreichend und ist sie entsprechend verteilt, so stören sie nicht nur die Bewegung der Versetzungen, sondern generieren auch noch neue Versetzungen (Frank-Read-Mechanismus).
    Elektrochemisch ist die Auswirkung so, dass die ausgeschiedenen Bereiche ein deutlich anderes Potential als die Nebenbereiche besitzen. Das führt zur Bildung von Lokalelementen. Die Werkstückoberfläche wird unterschiedlich deckfähig. Bei der anodischen Oxidation kommt hinzu, dass diese Ausscheidungen, wenn sie die Größe der Oxidschicht erreichen (4–5 nm), zum Kurzschluss in der Oxidschicht führen. Das hat zur Folge, dass sich die Oxidation punktförmig konzentriert.
  5. Umwandlungshärtung: Sie ist nur für die Martensit- bildung in Stahl bedeutsam.

Inhomogenitäten gibt es an Rauheiten, Einschlüssen, Einwalzungen. Sie können aber auch entstehen, wenn einzelne Atome aus dem Verband herausgelöst werden. Besondere Inhomogenitäten sind Korngrenzen.

Die Metallurgie versucht, Inhomogenitäten durch thermische Nachbehandlung auszugleichen. Dazu stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung.

Diffusionsglühen

Die Diffusion verläuft immer nur in einer Richtung: von der höheren zur niederen Konzentration. Der Konzentrationsausgleich beim Diffusionsglühen führt zum Härten, Verfestigen und höherer Korrosionsbeständigkeit (durch geringere Potentialunterschiede in der Oberfläche).

Rekristallisationsglühen

Abbau der Versetzungen und der damit verbundenen Inneren Spannungen durch Kristallerholung bei T > 0,4TSchm. Keine Gefügeneubildung.

Kaltverfestigung

Umformung bei T < 0,4TSchm. Atome gleiten aus der Gitterebene. Mit zunehmender Verformung wird das Gefüge mehr zerstört. Umformung an der Oberfläche führt zur Beilby-Schicht.

Wärmebehandlung, allgemein

Ziel: Stoffeigenschaftsändern durch Abbau von Gefügefehlern nach einer Kaltumformung, oder zur Vermeidung von Brüchen zwischen zwei Kaltumformungen, oder nach Abkühlungsfehlern.

Aushärten

Oder genauer Ausscheidungshärten, durch Ausscheidung von Bestandteilen aus dem Mischkristall beim Abkühlen. Ursache ist die in der Kälte geringere Löslichkeit. Je schneller die Abkühlung, umso geringer die Ausscheidung und umso höher die Verspannung im Gitter.

Für die Bewertung der Farbe, des Glanzes, des Rauheitsgrades und der Anwesenheit verschiedener Defekte (Schuppen, Splitter, Blasen Risse) benutzt man zerstörungsfreie optische Kontrollmethoden (normalsichtiges oder entsprechend korrigiertes Auge, bestimmte Verstärkungen (6x, 10x, … bis hin zu mehreren 10 000-fach im Elektronenmikroskop).

Die physikalische Basis der optischen Kontrollmethoden ist die Wechselwirkung des sichtbaren Spektrums (Strahlung mit Wellenlängen von 0,1 bis1000 µm) mit dem Untersuchungsobjekt. Hauptbereich für das Untersuchungslicht sind 0,4–0,78 µm.

Die Änderung der spektralen oder integralen fotometrischen Daten, die durch die Änderung der physikalischen Oberflächeneigenschaften bedingt sind, führen zu entsprechenden Änderungen von Amplitude, Frequenz, Phase, Polarisation, Kohärenzgrad des Lichts. Zu den physikalischen Grundeffekten, die durch die Modulierung der Parameter der Prüflinge entstehen und die man mit optischen Methoden vom normalsichtigen oder entsprechend korrigierten Auge bis zum Elektronenmikroskop beobachten kann, gehören Effekte der galvanischen Schicht, wie Dichtigkeit (Risse, Kratzer, Porigkeit, Enthaftung (Blasen, Abblätterungen), Fleckigkeit, Anbrennungen an Ecken und Kanten, Fehlstellen, Pittings), Änderungen von Färbung und Glanz sowie der Mikrogeometrie (Rauheit), aber auch die Fehlerverteilung. D.h. auch eine Reihe von Auswirkungen der Verfestigung des Grundwerkstoffes (s. Tab. 2) sind so zu erkennen. Die optischen Prüfmethoden sind heute auch gut automatisierbar.

Tab. 2: Defekte in metallischen Werkstoffen

Korngrenzen – die Atomanordnungen der beiden Nachbarbereiche sind unterschiedlich; bei Subkörnern (Kleinwinkelkorngrenzen) sind die beiden Gitter weniger als 10° verdreht.

Punktdefekte

nulldimensionale Gitterfehler

 

Fremdatome

in homogener Lösung

Substitutionsatome, max. Größendifferenz: 14 %, gleicher Gittertyp, zu hoh. Gehalt führt zur Clusterbildung, Ausscheidungshärtung

Leerstellen

 

Fehlerhäufigkeit nimmt mit der Temperatur exponentiell und dem Verformungsgrad zu, bei RT 108 /cm3

Zwischengitteratome

 

Einlagerungsatom, das Gitter wird rund um das zusätzliche Atom aufgeweitet (Druckspannungsgebiet),

häufige Atomart: Wasserstoff

C und N zum Härten

Liniendefekte

eindimensionale Gitterfehler

 

Stufenversetzung

 

 

Eine Gitterlinie endet irregulär, Dabei entstehen Druckspannungen (um die irrreguläre Ebene) und Zugspannungen (im Bereich, in dem die irreguläre Ebene fehlt), Versetzungslinie und Burgers-Vektor stehen senkrecht zueinander

Schraubenversetzung

 

Verschiebung zweier Halbebenen gegeneinan.

Flächendefekte

zweidimensionale Gitterfehler

 

Korngrenzen

Großwinkelkorngrenzen

>10°, größere Abstände zwischen den Körnern (mehrere Atomabstände)

Phasengrenzen

 

 

Kleinwinkelgrenzen

 

Ursache der Subkörner

Zwillingsgrenzen

Sonderform der Korngrenze

Die beiden Kristallhälften teilen sich eine Atomreihe als Grenze

Stapelfehler

Unterbrechung der regelmäßigen Anordnung der Gitterebenen

führen zu Korngrenzen und damit zum Polykristall (verhindern die Einkristallbildung)

ferromagnetische Domänen

 

 

ferroelektrische Domänen

 

 

Volumendefekte

dreidimensionale Gitterfehler

vollständige Fremdphase im Kristall

Ausscheidungen

aus dem Kristall selbst heraus gebildete Fremdphase

 

Schraubenversetzungen

 

Burgers-Vektor und Versetzungslinie liegen parallel zueinander

Poren

offene oder geschlossene Hohlräume

gefüllt mit Gas oder Flüssigkeit

Einschlüsse

feste Fremdphase im Kristall

 

Die Fehlergröße ist besonders problematisch. Bei der Prüfung mit normalsichtigem Auge herrscht noch eine gewisse Übereinstimmung mit der Metallurgie. Bei der Übergabe an den Kunden wird häufig mit einer Lupe oder einem Mikroskop geprüft. Dabei treten zwangsläufig Fehlergrößen in Erscheinung, die in der Metallurgie keine Fehler sind. Da der Galvaniseur sie aber eigentlich auch nicht zu verantworten hat, erhebt sich die Frage, wer für die Kosten aufkommt.

Besonders schwierig vorhersagbare Effekte entstehen mit der Bildung intermetallischer Verbindungen in den hochfesten Legierungen.

Schon vor der Bildung der intermetallischen Verbindungen beginnt die Ausscheidung über Guinier-Preston-Zonen. Das sind durch Entmischungsvorgänge entstehende Bereiche, in denen sich die Atome eines übersättigten Legierungselements zu stäbchen- oder plättchenförmigen Clustern im Bereich einiger Nanometer zusammenlagern. Solche Vorgänge sind nicht nur Ursache für ein Ansteigen der Härte und der Sprödigkeit mancher Legierungen bei Temperaturbehandlung oder beim Altern, sondern auch für Bereiche unterschiedlichen Potentials und damit Voraussetzungen für die Korrosion.

Intermetallische Verbindungen sind homogene chemische Verbindungen aus zwei oder mehr Metallen. In ihrem Gitter, das von dem der Ausgangsmetalle abweicht, herrscht eine Mischbindung aus einem Anteil metallischer Bindung und geringeren Atombindungs- bzw. Ionenbindungsanteilen. Die Metalle sind fester als bei reiner Metallbindung gebunden. Gegenüber den Metallen, die sie bilden, sind sie sehr hart, die spezifischen Widerstände sind höher. Auch „exotische“ Elemente können dem Galvaniseur dabei begegnen. Intermetallische Verbindungen, z. B. mit Silicium, können zu negativen Effekten bei der Anodisierung führen. Das ist dann der Fall, wenn Seigerungen auftreten (seigern – abtrennen, reinigen). Seigerungen sind Entmischungen einer Schmelze, die zu einer örtlichen Erhöhung der Konzentration einzelner Elemente führen. Sie treten auf, wenn die Löslichkeit im festen Zustand geringer als in der Schmelze ist. Sie sind für die Ausscheidungshärtung gewollt.

Jedes Hindernis erhöht Rp, die Fließgrenze. Jede Maßnahme, die die Fließgrenze ändert, ändert auch alle anderen mechanischen Kenngrößen und nicht nur diese. Strukturfehler entstehen schon beim Gießen und Abkühlen und werden beim Umformen vervielfacht.

In dem Maße, wie die Bewegung der Versetzungen behindert wird, erhöht sich die Grenze der elastischen Belastbarkeit. Letztendlich wird die technisch gewünschte Festigkeit des Werkstoffs nach oben verschoben. Meistens jedoch auf Kosten der plastischen Verformbarkeit. Die Festigkeit steigt proportional zur Quadratwurzel der Versetzungsdichte:

gt 2020 11 0105

ρ – Versetzungsdichte

Die Versetzungsdichte ist definiert als Gesamtlänge der Versetzungen in einem Volumen (m/m3, gekürzt m-2). Bei speziell gezüchteten Einkristallen wurde ein Wert von 108 m/m3 erreicht. Jedoch findet man selbst bei unverformten Proben in der Regel Werte in der Größenordnung von 1012 m/m3, bei stark verformten Proben Werte bis 1015 m/m3. Oder etwas anschaulicher: 1000 bis 1 Million km/cm3 [4]. – wird fortgesetzt –

Literatur

[1] Gottstein, G.: Physikalische Grundlagen der Materialkunde, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York, 2001

[2] https://www.ahoefler.de/images/maschinenbau/werkstoffkunde/verformbarkeit-der-metalle/verformung-realkristall/versetzung.png

[3] Unruh, J.N.M.: Tabellenbuch Galvanotechnik, ab Aufl. 7, Eugen G. Leuze Verl., Bad Saulgau

[4] https://de.wikibooks.org/wiki/Werkstoffkunde_Metall/_Innerer_Aufbau/_Gitterfehler

[5] Unruh, J.N.M.: Die Automobillegierung ZnNi14 und ihre Potentialverhältnisse, Galvanotechnik, 111(9), 2020, 1341

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  • Ausgabe: 11
  • Jahr: 2020
  • Autoren: Dr.-Ing. habil. Jürgen N. M. Unruh

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