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Fokus Forschung: Außenstromlose Dispersionsabscheidung von Borpartikeln in NiP-Schichten zur Erzeugung harter Nickelboride

Fokus Forschung: Außenstromlose Dispersionsabscheidung von Borpartikeln in NiP-Schichten zur Erzeugung harter Nickelboride

Forschung, Nachwuchsforschung, NWK

Forscher Nachwuchs | Nurul Amanina Binti Omar forscht zu Oberflächenschichten

Portraitbild Nurul Amanina Binti Omar
Nurul Amanina Binti Omar

Industriemesser und Großwerkzeuge für die Ur- und Umformtechnik benötigen sehr hohe Oberflächenhärten, um die Standzeiten zu verlängern. Eine Möglichkeit zur Härtesteigerung bietet das Borieren. Dabei wird zunächst Borpulver oder -paste auf das Werkstück aufgetragen. Durch eine nachgelagerte Wärmebehandlung bei 750 - 950 °C für 4 – 6 h können durch Diffusionsvorgänge im Werkstoff Boride bis zu einer Tiefe von ca. 250 µm gebildet werden. Genel et. al. haben ein Härtewert von ca. 1500 HV erreicht. (1) (2) (3) Campos Silva et al. konnten durch Borieren einer Nickelbasislegierung bei 950 °C für 6 h einen Härtewert von 2200 HV erzielen.(4) Nachteilig wirken sich die hohen Energiekosten und die langen Behandlungszeiten aus. Alternativ zur Anwendung von diffusionsbasierten Randschichtverfahren können harte Schichten, wie etwa Hartchromschichten (Härtewert von 600 bis 1200 HV (5) (6) ), galvanisch abgeschieden werden. Neben dem verbesserten Verschleißschutz bieten diese Schichten auch einen Schutz gegen Korrosion und können deutlich weniger energieintensiv hergestellt werden. Hartchromelektrolyte basieren allerdings auf der Verwendung von Cr(VI)-Ionen die als krebserregend eingestuft werden. (7) (8) (9) Die Anwendung von Chromtrioxid in der EU ist laut REACH ohne Zulassungsgenehmigung seit 2017 verboten. (10)  Eine Alternative bieten chemisch-reduktiv erzeugte Nickelphosphorschichten, die durch eine entsprechende Wärmebehandlung ebenfalls mit Härten bis zu 1000 HV hergestellt werden können. (11)

In der vorliegenden Forschungsarbeit sollten die positiven Aspekte des Borierens mit denen der Nickelphosphorabscheidung kombiniert werden, um harte und verschleißbeständige Oberflächen für Industriewerkzeuge bereitstellen zu können. Dafür wurden verschiedene Borpulver als Dispersionspartikel in einen konventionellen chemisch Nickelelektrolyten gegeben. Die daraus abgeschiedenen Schichten wurden hinsichtlich ihrer Einbaurate für die jeweiligen Borpartikel charakterisiert und verschiedenen Wärmebehandlungsschritten unterzogen. Ziel war ein homogener und über die Prozessparameter steuerbarer Einbau der Borpartikel in die Nickelmatrix. Im Fokus der Untersuchungen stand das Agglomerisationsverhalten der Partikel und der Einfluss der Dispersionspartikel auf die Härte vor und nach der Wärmebehandlung. Die Neigung zur Agglomeration wurde durch die Analyse des Zeta-Potentials im Elektrolyten untersucht. Die Härte wurde im Mikrohärtebereich nach Vickers ermittelt. Im Vortrag werden außerdem die Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen, der REM-EDX-Analysen und der Phasenanalyse mittels XRD vorgestellt.

Die vorgenannten Forschungsziele sind ein Teil des Forschungsvorhabens von Frau Nurul Amanina Binti Omar, M.Sc.. Mit dem Promotionsthema „Herstellung, Wärmebehandlung und Charakterisierung von Ni-P-B-Dispersionsschichten“ soll Frau Omar das außenstromlose und das galvanische Verfahren hinsichtlich u.a. ihrer Machbarkeit, der Feststellung der optimalen Arbeitsparameter und der Materialeigenschaften untersuchen und vergleichen. Ein Upscaling für dieses Projekt ist vorgesehen.

Nurul Amanina Binti Omar studierte Maschinenbau mit Vertiefung Oberflächen- und Werkstofftechnik (Bachelor) an der Hochschule Mittweida. Als Weiterbildung studierte sie an der Technische Universität Ilmenau das Masterprogramm Elektrochemie und Galvanotechnik. Zurzeit ist sie als Doktorandin in einem kooperativen Promotionsverfahren zwischen TU Ilmenau (Prof. Dr. rer. nat. habil. Dr. h.c. Andreas Bund als Doktorvater) und Hochschule Mittweida (wissenschaftliche Betreuung von Prof. Dr. rer. nat Frank Köster und Prof. Dr. -Ing. Frank Hahn) angestellt.

Text und Fotos: Nurul Amanina Binti Omar

Verwendete Literatur

(1) Genel K., Ozbek I., Bindal C. Kinetics of boriding of AISI W1 steel. Material Science and Engineering: A. 347 (2003) 311 - 314
(2) Muhammad W. Boriding of high carbon high chromium cold work tool steel. IOP Conf. Series: Material Science and Engineering 60 (2014) 012062
(3) Pertek, A., Wisniewska K., Bartkowska A. “The influence of boronizing parameters on the mechanism of formation and properties of surface layers produced on iron alloys with various carbon content” Inzynieria Powierzchni 3 (2014) 49 - 54
(4) Campos-Silva I., Contla-Pacheco A.D., Figueroa-Lopez U., Martinez-Trinidad J., Garduno-Alva A., Ortega-Aviles M.: Sliding wear resistance of nickel boride layers on an Inconel 718 superalloy. Surface and Coatings Technology. doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.06.099, verfügbar am 10.01.2020
(5) Schade C.,“ Galvanisch abgeschiedenes Chrom- Ein Blick auf die mechanischen Eigenschaften“ www.wotech-technical-media.de/womag/ausgabe/2013/03/09_w_Chromschicht_cs_03j2013/09_w_Chromschicht_cs_03j2013.php, verfügbar am 10.01.2020
(6) Günther A. Lausmann und Jürgen N. Unruh: Die galvanische Verchromung. 2. Auflage. Band 35. Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau 2006, S. 258–302
(7) „Chrom“ www.chemie.de/lexikon/Chrom.html, verfügbar am 10.01.2020
(8) „Chromium Toxicity: What are the Physiologic Effects of Chromium Exposure” www.atsdr.cdc.gov/csem/csem.asp, verfügbar am 10.01.2020
(9) Norseth T. The carcinogenicity of chromium. Environmental health perspectives, 40 (1981) 121–130. doi:10.1289/ehp.8140121 „Chromsäure und REACH“ www.zvo.org/politik/international/chromsaeure-und-reach.html, verfügbar am 16.01.2020
(10) Riedel W. Funktionelle Chemische Vernicklung. Saulgau, Leuze Verlag 1989