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) Signifikanzprüfung und Reduzierung des Regressionspolynomes
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
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
5.2 Analyse des für die gemittlete 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
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
5.4 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
6 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Optimierung der Oberflächenrauheit, der Porosität sowie der Schichtdicke von Chromoxid-Korrosionsschutzschichten, die mittels atmosphärischem Plasmaspritzen auf Stahlsubstrate St 37 aufgebracht wurden. Hierzu wird ein statistischer Versuchsplan vom Typ 25-1 verwendet, um den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Schichteigenschaften zu analysieren und eine effiziente Optimierung der Beschichtungsprozesse zu ermöglichen.
- Anwendung des statistischen Versuchsplanungssystems zur Prozessoptimierung.
- Analyse der Einflüsse von Substratrauheit, Plasmaleistung, Förderrate, Spritzabstand und Korngröße.
- Einsatz quantitativer Messmethoden wie Tastschnittmessung und rechnergestützte Bildanalyse.
- Diskussion der statistischen Modelle (Multiple Regression und Varianzanalyse) zur Vorhersage der Schichtqualität.
Auszug aus dem Buch
Die Bedeutung der Chromoxidbeschichtung
Die Beschichtung von Werkstücken mit Chromoxid als Schutzüberzug vor Korrosion und Verschleiß spielt im Bereich des Maschinenbaus eine große Rolle. Der Verlust, der der damals westdeutschen Volkswirtschaft aufgrund von Korrosions- und Verschleißphänomenen entstand, wurde Ende der 80´er Jahre auf rund 5% des Bruttosozialproduktes, entsprechend rund 75 Mrd. DM jährlich geschätzt (Lu, 1989). Darum wird stetig nach geeigneten Lösungen gesucht, die Wirkung der das Werkstück schädigenden Mechanismen zu unterbinden.
Chromoxid kommt in diesem Feld zum Einsatz, da es sich durch seine hohe Härte von rund 2300 HV0,05 (Heimann, 1996) und seine Resistenz gegenüber einer breiten Palette chemischer Reagenzien auszeichnet.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Aufgabenstellung: Einführung in die Thematik der Chromoxid-Beschichtungen sowie Darlegung der Zielsetzung und des gewählten methodischen Ansatzes.
2 Verfahren des thermischen Spritzens: Überblick über die Grundlagen und Entwicklungsgeschichte thermischer Spritzverfahren, insbesondere des Plasmaspritzens.
3 Beeinflussung von Bauteilen durch Verschleiß und Korrosion: Erläuterung der physikalischen und chemischen Belastungsszenarien im industriellen Einsatz.
4 Angewendete Methoden und Verfahren: Detaillierte Beschreibung der statistischen Versuchsplanung, der Substratvorbehandlung, des Beschichtungsprozesses und der Untersuchungsmethoden.
5 Ergebnisse und Diskussion: Auswertung und Interpretation der erzielten Messergebnisse mittels statistischer Analyseverfahren und Diskussion der Prozessparameter-Einflüsse.
6 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick: Kritische Reflexion der Untersuchungsergebnisse und Ausblick auf zukünftige Optimierungspotenziale.
Schlüsselwörter
Atmosphärisches Plasmaspritzen, Chromoxid, statistische Versuchsplanung, Schichtporosität, Oberflächenrauheit, Schichtdicke, Korrosionsschutz, Verschleißschutz, Varianzanalyse, Multiple Regressionsanalyse, Prozessparameter, Beschichtungstechnologie, Stahlsubstrate.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht, wie sich die Schichteigenschaften (Rauheit, Porosität, Dicke) von Chromoxid-Schichten, die durch Plasmaspritzen auf Stahl aufgetragen werden, optimieren lassen.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die zentralen Themen sind das thermische Spritzen, Verschleiß- und Korrosionsmechanismen sowie die Anwendung der statistischen Versuchsplanung (Design of Experiments) zur Prozessoptimierung.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist die Bestimmung und Optimierung der Prozessparameter, um qualitativ hochwertige Chromoxidschutzschichten mit definierten Eigenschaften hinsichtlich Dichte, Dicke und Rauheit zu erzeugen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein statistischer Versuchsplan vom Typ 25-1 genutzt, kombiniert mit statistischen Auswerteverfahren wie der Varianzanalyse und der multiplen Regressionsanalyse.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte methodische Herangehensweise, die experimentelle Durchführung der Beschichtung sowie eine tiefgehende Diskussion der statistisch ausgewerteten Ergebnisse zu den Schichteigenschaften.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Plasmaspritzen, Chromoxid, statistische Versuchsplanung, Oberflächenrauheit, Schichtporosität und Prozessoptimierung.
Warum ist die Wahl der Substratrauheit kritisch für die Schichtqualität?
Die Substratrauheit ist entscheidend für die mechanische Verklammerung der Spritzpartikel, was die Haftfestigkeit der Schutzschicht maßgeblich beeinflusst.
Welchen Einfluss hat die Plasmaleistung auf die Schichtporosität?
Eine höhere Plasmaleistung verbessert in der Regel den Aufschmelzgrad der Partikel, was zu einer homogeneren Schichtstruktur und damit zu einer geringeren Porosität führt.
- Citation du texte
- Martin Erne (Auteur), 2004, Optimierung der Dichte, Dicke und Oberflächenrauheit APS-gespritzter Chromoxidkorrosionsschutzschichten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/25257
