Oberflächenfestigkeit

Oberflächenfestigkeit bezeichnet die Widerstandsfähigkeit der äußeren Schicht eines Materials gegenüber mechanischen, thermischen oder chemischen Einflüssen. Sie beschreibt, wie gut die Oberflächenschicht Belastungen standhält, ohne sich plastisch zu verformen, Risse zu bilden, sich zu lösen oder zu verschleißen. Da oft die Oberfläche den Kontakt zu anderen Materialien bildet, hat die Oberflächenfestigkeit direkten Einfluss auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Bauteilen.

Die Festigkeit der Oberfläche hängt von mehreren Faktoren ab: der Härte der Oberflächenzone, deren Mikrostruktur und chemische Zusammensetzung, dem Verhältnis von Oberfläche zur Substrat, vorhandenen Residualspannungen und der Oberflächenrauheit; auch Temperatur, Tribo-Umgebung, Feuchtigkeit und Korrosionsgefahr spielen eine Rolle.

Zur Bestimmung werden Techniken wie Vickers- oder Knoop-Härteprüfung an der Oberfläche, Mikro- und Nanoindentation, sowie tribologische Tests (z. B. Kugel-Pin-on-Disc, Scratch-Test) eingesetzt. Die Bestimmung von Restspannungen erfolgt oft durch Röntgen- oder Elektronenbeugung, und Oberflächenanalyse durch Mikroskopie ergänzt die Beurteilung.

Zur Verbesserung der Oberflächenfestigkeit kommen Verfahren wie Oberflächenhärtung (Härten, Nitrieren, Carburieren, Plasma-Nitridierung), Beschichtungen (PVD, CVD, keramische oder diamantartige Schichten) sowie Oberflächenbearbeitung zur Reduktion der Rauheit und die Einführung von passiven Schichten in Betracht. Zusätzliche Maßnahmen wie Shot Peening oder Laser-Peening erzeugen Oberflächenverzerrungen und ein beidseitiges komprimierendes Spannungsfeld, das die Ermüdungsfestigkeit erhöht.

Anwendungsgebiete finden sich in Maschinenbau, Automobil- und Luftfahrttechnik, Werkzeugbau, Medizintechnik sowie in der Halbleiter- und Mikroelektronikfertigung, wo Oberflächenfestigkeit kritisch für Tribologie, Verformungsresistenz und Korrosionsschutz ist.