Im Rahmen dieser Arbeit wurden durch atmosphärisches Plasmaspritzen Schichten von Chrom-(III)-oxid auf Stahlsubstrate St 37 aufgebracht. Ein statistischer Versuchsplan vom Typ 2^5-1 wurde aufgestellt und die Wahl der Niveaus der Prozessparameter Substratrauheit, Plasmaleistung,
Förderrate und Korngröße des Spritzwerkstoffes sowie Spritzabstand nach dem durch den Versuchsplan vorgegebenen Schema festgelegt.
Als von den Spritzparametern abhängige Schichtkriterien wurden die Werte der arithmetischen Mittenrauheit Ra und der gemittelten Rauhtiefe RZ, die Werte der Porosität und der realisierten Dicken gemessen und analysiert. Die Antwortgrößen ergaben sich aus Messungen der Oberflächenrauheit
nach DIN 4768, der Berechnung der Porosität mit Hilfe einer rechnergestüzten Bildanalyse an rasterelektronisch untersuchten Querschliffen, und der Differenzmessung der Dicke zwischem unbeschichtetem und beschichtetem Substrat mit einer Mikrometerschraube.
Mit der Statistiksoftware STATGRAFICS Plus© wurden im Rahmen der Auswertung der Messergebnisse
multiple Regressions- und Varianzanalysen durchgeführt. Die Adäquatheit der errechneten
Modelle wurde überprüft und der Einfluss der Hauptfaktorenwirkungen und Teilfaktorwechselwirkungen auf die abhängigen Schichtkriterien diskutiert. Es konnte nachgewiesen
werden, dass die statistische Versuchsplanung für die Optimierung von Schichteigenschaften
im Bereich der Plasmaspritztechnik gut geeignet ist. Um letztendlich eine Optimierung der genannten Schichtkriterien für den jeweils angestrebten Zweck zu erreichen, wären weitere Versuchsreihen notwendig, die auf den gewonnenen Erkenntnissen aufbauen.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung und Aufgabenstellung
- 2 Verfahren des thermischen Spritzens
- 2.1 Geschichte und Entwicklung des thermischen Spritzens
- 2.2 Vorgang des Plasmaspritzens und Geräteaufbau
- 3 Beeinflussung von Bauteilen durch Verschleiß und Korrosion
- 3.1 Reibung und Verschleiß
- 3.2 Korrosion
- 3.3 Heißgaskorrosion und Oxidation
- 4 Angewendete Methoden und Verfahren
- 4.1 Statistische Versuchsplanung und Ergebnisauswertung
- 4.1.1 Eigenschaften teilfaktorieller Versuchspläne
- 4.1.2 Auswertung teilfaktorieller Versuchspläne
- 4.1.2.1 Varianzanalyse
- a) Grundlagen
- b) Anwendung der Varianzanalyse auf Versuchsergebnisse
- 4.1.2.2 Multiple Regressionsanalyse
- a) Grundlagen
- b) Berechnung der Regressionspolynome von teilfaktoriellen Versuchsplänen
- c) Prüfung des Modells auf Adäquatheit
- d) Signifikanzprüfung und Reduzierung des Regressionspolynoms
- 4.1.2.1 Varianzanalyse
- 4.2 Vorbehandlung der Substrate
- 4.2.1 Arten der zwischen Spritzpartikel und Substratoberfläche wirkenden Bindungskräfte
- 4.2.2 Maschinelle Vorbehandlung
- 4.2.3 Sandstrahlen
- 4.2.4 Chemische Reinigung und Entfetten
- 4.2.5 Verwendete Gerätschaften
- 4.3 Beschichtung
- 4.3.1 Verwendete Gerätschaften
- 4.3.2 Versuchsdurchläufe zur Feststellung der erreichbaren Parameterwerte
- 4.3.3 Durchführung der Beschichtung nach dem Versuchsplan
- 4.4 Untersuchungsmethoden
- 4.4.1 Oberflächenrauheitsmessung nach DIN 4768
- 4.4.1.1 Zielsetzung
- 4.4.1.2 Grundlagen
- 4.4.1.3 Das Tastschnittverfahren nach DIN 4772
- 4.4.1.4 Verwendete Gerätschaft
- 4.4.2 Bestimmung der Schichtdicke
- 4.4.3 Ermittlung der Schichtporosität
- 4.4.3.1 Eigenschaften der in Beschichtungen auftretenden Poren
- 4.4.3.2 Zur Ermittlung der Porosität angewendete Methoden
- a) Schliffpräparation
- b) Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung der Schliffe
- 4.4.1 Oberflächenrauheitsmessung nach DIN 4768
- 4.1 Statistische Versuchsplanung und Ergebnisauswertung
- 5 Ergebnisse und Diskussion
- 5.1 Analyse des für die arithmetische Mittenrauheit Ra der Beschichtungen errechneten Modells
- 5.1.1 Überprüfung der Adäquatheit
- 5.1.1.1 Auftragen der Messwerte über den Schätzwerten
- 5.1.1.2 Darstellung und Beurteilung der Residuenplots
- 5.1.2 Untersuchung der die Antwortgröße Ra beeinflussenden Parameter und Wechselwirkungen
- 5.1.2.1 Bewertung der Ergebnisse anhand von Charts und Plots
- 5.1.2.2 Bewertung der Antwortflächen und Antwortkonturen
- a) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x1x3
- b) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x1x4
- c) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x2x4
- d) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x3x5
- 5.1.1 Überprüfung der Adäquatheit
- 5.2 Analyse des für die gemittelte Rauhtiefe RZ der Beschichtungen errechneten Modells
- 5.2.1 Überprüfung der Adäquatheit
- 5.2.1.1 Auftragung der Messwerte über den Schätzwerten
- 5.2.1.2 Darstellung und Beurteilung der Residuenplots
- 5.2.2 Untersuchung der die Antwortgröße mittlere Rauhtiefe RZ beeinflussenden Parameter und Wechselwirkungen
- 5.2.2.1 Bewertung der Ergebnisse anhand von Charts und Plots
- 5.2.2.2 Bewertung der Antwortflächen und Antwortkonturen
- a) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x1x3
- b) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x3x5
- c) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x3x4
- 5.2.1 Überprüfung der Adäquatheit
- 5.3 Analyse des für die Porosität der Beschichtungen errechneten Modells
- 5.3.1 Überprüfung der Adäquatheit
- 5.3.1.1 Auftragung der Messwerte über den Schätzwerten
- 5.3.1.2 Darstellung und Beurteilung der Residuenplots
- 5.3.2 Untersuchung der die Antwortgröße Porosität beeinflussenden Parameter und Wechselwirkungen
- 5.3.2.1 Bewertung der Ergebnisse anhand von Charts und Plots
- 5.3.2.2 Bewertung der Antwortfläche und Antwortkonturen
- 5.3.1 Überprüfung der Adäquatheit
- 5.4 Analyse des für die Schichtdicke errechneten Modells
- 5.4.1 Überprüfung der Adäquatheit
- 5.4.1.1 Auftragung der Messwerte über den Schätzwerten
- 5.4.1.2 Darstellung und Beurteilung der Residuenplots
- 5.4.2 Untersuchung der die Antwortgröße Schichtdicke beeinflussenden Parameter und Wechselwirkungen
- 5.4.2.1 Bewertung der Ergebnisse anhand von Charts und Plots
- 5.4.2.2 Bewertung der Antwortflächen und Antwortkonturen
- a) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x1x5
- b) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x1x4
- c) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x2x5
- d) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x3x4
- 5.4.1 Überprüfung der Adäquatheit
- 5.1 Analyse des für die arithmetische Mittenrauheit Ra der Beschichtungen errechneten Modells
- 6 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick
- 7 Danksagung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Studienarbeit untersucht die Optimierung der Dichte, Dicke und Oberflächenrauheit APS-gespritzter Chromoxid-Korrosionsschutzschichten. Ziel ist es, den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf diese Eigenschaften zu analysieren und zu quantifizieren.
- Einfluss der Substratvorbehandlung auf die Schichteigenschaften
- Optimierung der Prozessparameter beim Atmosphärischen Plasmaspritzen (APS)
- Zusammenhang zwischen Prozessparametern und Schichtqualität (Dichte, Dicke, Rauheit)
- Statistische Auswertung der Versuchsergebnisse mittels Regressions- und Varianzanalyse
- Bewertung der Adäquatheit der entwickelten Modelle
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Aufgabenstellung: Die Arbeit untersucht die Optimierung von Chromoxidschichten als Korrosionsschutz mittels atmosphärischem Plasmaspritzen (APS). Der hohe Konkurrenzdruck erfordert eine kontinuierliche Qualitätsverbesserung. Statistische Versuchsplanung wird als effiziente Methode zur Optimierung der Schichteigenschaften (Oberflächenrauheit, Porosität, Dicke) vorgestellt. Die Arbeit beschreibt die Durchführung von Versuchen nach einem 25-1-Plan und die anschließende Auswertung.
2 Verfahren des thermischen Spritzens: Dieses Kapitel beschreibt das thermische Spritzen allgemein, seine Geschichte und Entwicklung, sowie detailliert den Vorgang des Plasmaspritzens. Es werden verschiedene Arten von Plasmen, der Geräteaufbau und die Prozessparameter erläutert. Die Bedeutung der Molekülrekombinationszone und der Einfluss verschiedener Parameter auf die Aufschmelzung und den Einbaus der Spritzpartikel werden diskutiert.
3 Beeinflussung von Bauteilen durch Verschleiß, Korrosion und Oxidation: Dieses Kapitel behandelt die grundlegenden Mechanismen von Verschleiß und Korrosion, insbesondere Heißgaskorrosion und Oxidation. Es werden verschiedene Verschleiß- und Korrosionsarten beschrieben, und die Anforderungen an Korrosionsschutzschichten werden definiert. Die Bedeutung von Chromoxid als Korrosionsschutzmaterial aufgrund seiner Härte und chemischen Resistenz wird hervorgehoben.
4 Angewendete Methoden und Verfahren: Dieses Kapitel beschreibt die angewandten Methoden und Verfahren der Arbeit. Es werden die Grundlagen der statistischen Versuchsplanung, insbesondere der teilfaktoriellen Versuchspläne vom Typ 2k-p, sowie die Varianz- und Regressionsanalyse detailliert erläutert. Die Substratvorbehandlung (maschinelle Vorbehandlung, Sandstrahlen, chemische Reinigung) und die Durchführung der Beschichtung mit der Plasmaspritzanlage werden beschrieben. Die Messmethoden für Oberflächenrauheit (DIN 4768), Schichtdicke und Porosität (Rasterelektronenmikroskopie und Bildanalyse) werden ebenfalls detailliert erklärt.
5 Ergebnisse und Diskussion: Dieses Kapitel präsentiert und diskutiert die Ergebnisse der Versuche. Es werden die Adäquatheit der Regressionsmodelle für die arithmetische Mittenrauheit (Ra), die gemittelte Rauhtiefe (Rz), die Porosität und die Schichtdicke überprüft und die Einflüsse der Hauptfaktoren und Wechselwirkungen auf diese Eigenschaften analysiert und grafisch dargestellt. Die Interpretation der Antwortflächen und Antwortkonturen ermöglicht eine umfassende Analyse der Zusammenhänge zwischen den Parametern.
Schlüsselwörter
Chrom(III)-oxid, Korrosionsschutz, Atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), Statistische Versuchsplanung, Oberflächenrauheit (Ra, Rz), Porosität, Schichtdicke, Regressionsanalyse, Varianzanalyse.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Studienarbeit: Optimierung von Chromoxid-Korrosionsschutzschichten mittels Atmosphärischem Plasmaspritzen
Was ist das Thema der Studienarbeit?
Die Studienarbeit befasst sich mit der Optimierung von Chromoxid-Korrosionsschutzschichten, die mittels Atmosphärischem Plasmaspritzen (APS) aufgebracht werden. Ziel ist die Verbesserung der Schichtqualität hinsichtlich Dichte, Dicke und Oberflächenrauheit.
Welche Methoden wurden angewendet?
Die Arbeit verwendet statistische Versuchsplanung (insbesondere teilfaktoriellen Versuchspläne vom Typ 2k-p), Varianzanalyse und Regressionsanalyse zur Auswertung der Ergebnisse. Die Substratvorbehandlung umfasste maschinelle Vorbehandlung, Sandstrahlen und chemische Reinigung. Die Schichtcharakterisierung erfolgte mittels Oberflächenrauheitsmessung (DIN 4768), Schichtdickenbestimmung und Porositätsermittlung (Rasterelektronenmikroskopie und Bildanalyse).
Welche Prozessparameter wurden untersucht?
Die Arbeit untersucht den Einfluss verschiedener Prozessparameter beim Atmosphärischen Plasmaspritzen (APS) auf die Schichteigenschaften. Die genauen Parameter werden im Kapitel 4 detailliert beschrieben, jedoch ist die Anzahl der untersuchten Parameter auf 5 reduziert (5-1 teilfaktorieller Versuchsplan).
Welche Schichteigenschaften wurden analysiert?
Es wurden die arithmetische Mittenrauheit (Ra), die gemittelte Rauhtiefe (Rz), die Porosität und die Schichtdicke der Chromoxid-Schichten analysiert.
Wie wurden die Ergebnisse ausgewertet?
Die Auswertung der Versuchsergebnisse erfolgte mittels Regressions- und Varianzanalyse. Die Adäquatheit der entwickelten Modelle wurde geprüft. Die Ergebnisse wurden grafisch dargestellt (Charts, Plots, Antwortflächen und Antwortkonturen) um die Zusammenhänge zwischen den Parametern und den Schichteigenschaften zu analysieren.
Welche Schlussfolgerungen wurden gezogen?
Die Schlussfolgerungen werden im Kapitel 5 detailliert beschrieben. Die Arbeit analysiert den Einfluss der Prozessparameter und deren Wechselwirkungen auf die Schichteigenschaften (Ra, Rz, Porosität, Schichtdicke). Die Ergebnisse liefern Hinweise zur Optimierung des APS-Prozesses für die Herstellung hochwertiger Chromoxid-Korrosionsschutzschichten.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?
Chrom(III)-oxid, Korrosionsschutz, Atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), Statistische Versuchsplanung, Oberflächenrauheit (Ra, Rz), Porosität, Schichtdicke, Regressionsanalyse, Varianzanalyse.
Gibt es eine Zusammenfassung der Kapitel?
Ja, eine detaillierte Zusammenfassung der einzelnen Kapitel (1-5) findet sich im Abschnitt "Zusammenfassung der Kapitel".
Welche Zielsetzung verfolgt die Studienarbeit?
Die Zielsetzung ist die Optimierung der Dichte, Dicke und Oberflächenrauheit APS-gespritzter Chromoxid-Korrosionsschutzschichten durch die Analyse und Quantifizierung des Einflusses verschiedener Prozessparameter. Dies beinhaltet die Untersuchung des Einflusses der Substratvorbehandlung, die Optimierung der Prozessparameter beim APS und die statistische Auswertung der Ergebnisse.
- Arbeit zitieren
- Martin Erne (Autor:in), 2004, Optimierung der Dichte, Dicke und Oberflächenrauheit APS-gespritzter Chromoxidkorrosionsschutzschichten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/25257