Hochenergiemahlen – Ein vielversprechendes Verfahren zum Herstellen nanostrukturierter Spritzpulver
Cermets auf der Basis von WC haben sich als Spritzzusatzwerkstoff zum Herstellen von Schutzschichten für Bauteile, die starker Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchung unterliegen, zahlreiche Anwendungsgebiete erschlossen. Die Verschleißbeständigkeit hängt vom wirkenden Verschleißmechanismus und einer Vielzahl von Parametern wie dem Hartstoffgehalt, der Partikelgröße, der metallischen Matrix und der Anbindung zwischen Hartstoffen und Matrix ab. Für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere für erosive Beanspruchung, konnte nachgewiesen werden, dass die Verschleißbeständigkeit bei konstantem Binderanteil mit abnehmender Hartstoffpartikelgröße zunimmt
[1-3]. Diese Verbesserung ist auf den verminderten Abstand zwischen Hartstoffpartikeln zurückzuführen, der ein Auswaschen der Matrix erschwert. Auf schmelzmetallurgischem Weg lassen sich zwar feine und bei geeigneter Prozessführung auch relativ homogen verteilte Ausscheidungen von Hartstoffen erzielen. Jedoch ist der erreichbare Hartstoffgehalt gering und zudem werden beim Einsatz konventioneller Matrixlegierungen auf der Basis von Nickel, Kobalt oder Eisen vielfach Mischkarbide mit geringerer Härte gebildet. Somit folgt die Zielsetzung, der thermischen Spritztechnik nanostrukturierte Verbundpulver zur Verfügung zu stellen, und durch geeignete Prozesswahl und -führung deren Struktur in die Beschichtung zu überführen.
Mit dem Hochenergiemahlen steht ein Werkzeug für die Herstellung nanostrukturierter Verbundpulver zur Verfügung und das hochgeschwindigkeitsflammspritzen erlaubt, insbesondere beim Einsatz von Flüssigbrennstoff, relativ dichte Schichten weitgehend ohne Aufschmelzen der Spritzpulver zu realisieren [2-3]. Die Auswahl geeigneter Kombinationen von Hartstoffen und Matrixlegierungen muss vor dem Hintergrund der metallurgischen Randbedingungen erfolgen und den ökonomischen Anforderungen Rechnung tragen.
A. Wank 1), B. Wielage 1), G. Fritsche 1), J. Wilden 2), T. Schnick 3)
1) Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, TU Chemnitz
2) Fachgebiet Fertigungstechnik, TU Ilmenau
3) GTV mbH, Luckenbach
)Vergleich des Verschleißverhaltens von Hartchrom- und Hartmetallschichten unter verschiedenen Beanspruchungsbedingungen
Elektrolytisch abgeschiedene Hartchrom- und mittels thermischen Spritzens aufgebrachte Hartmetallschichten haben große Verbreitung in einer Vielzahl von technischen Anwendungen zum Schutz von Bauteiloberflächen vor Verschleiß, teilweise auch bei überlagerter Korrosionsbelastung, gefunden. Mit der Begründung, dass für Prozesse, die das kanzerogene CrVI verwenden, grundsätzlich eine Substitution anzustreben ist, erhielt das vermeintlich umweltfreundlichere thermische Spritzen Einzug in einige Anwendungsbereiche, in denen zuvor Hartchromlösungen Stand der Technik waren. Dies betrifft die Luftfahrt, bspw. in Bezug auf Komponenten des Fahrwerks, die Papier- und Druckindustrie sowie Anwendungen im off-shore Bereich [1-3]. Thermisch gespritzten Hartmetallschichten wird in Bezug auf die ökonomischen Randbedingungen die beste Eignung für den Ersatz von Hartchromschichten beigemessen [4]. Allerdings kann das thermische Spritzen wegen der Erfordernis der Zugänglichkeit der zu beschichtenden Oberflächen für den Spritzstrahl und den teilweise sehr hohen Wärmeeintrag in die Bauteile für einen erheblichen Teil der heute angewendeten Hartchromschichten gar keine Alternative sein [5]. Ein wesentliches technisches Argument für den Einsatz hochgeschwindigkeitsflammgespritzter (HVOF) Hartmetallschichten ist der Druckeigenspannungszustand, der in den Schichten üblicher Weise eingestellt werden kann. Dadurch ergeben sich wesentlich verbesserte Schwingfestigkeiten beschichteter Bauteile im Vergleich zum Einsatz zugspannungsbehafteter Hartchromschichten [6-7]. Zumeist lässt sich erst unter Berücksichtigung derartiger Vorteile über die Lebensdauer von Bauteilen ein wirtschaftlich sinnvoller Ersatz durch Hartmetallschichten ableiten [2-3,8]. Für Anwendungen, bei denen die Hartchromschichten nicht die Lebensdauer begrenzen, ist dies insbesondere wegen der teuren Nachbearbeitung konventioneller Hartmetallschichten nicht der Fall. An dieser Stelle setzen Konzepte zum Einsatz von Feinstpulvern beim HVOF an, um eine Zielschichtdicke mit hoher Präzision bei deutlich reduzierter Rauheit einstellen zu können. So kann ein Finishing durch Bandschleifen für viele Anwendungen ausreichend sein [9-11]. Es liegen nur wenige Veröffentlichungen vor, die einen Vergleich von Hartchrom- und Hartmetallschichten bezüglich der Verschleißfestigkeit ziehen und dabei auf die Gültigkeit der Ergebnisse für die spezifischen tribologischen Randbedingungen verweisen [3,12]. Häufig wird die Verschleißbeständigkeit in einem einzigen Test bestimmt und als Schichteigenschaft allein in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung oder Mikrostruktur des Spritzzusatzwerkstoffs behandelt. Der Komplexität von realen Tribosystemen gerecht zu werden ist zwar in der vollen Breite nicht möglich. Um Fehlinterpretationen zu vermeiden, sind aber zumindest Betrachtungen für die relevanten Verschleißmechanismen erforderlich. Für trockene abrasive Beanspruchung mit gebundenem Abrasiv sowie trockene Oszillationsverschleißbeanspruchung mit 100Cr6H sowie Al2O3 als Gegenkörper werden diverse thermisch gespritzte Hartmetallschichten mit dicken elektrolytisch abgeschiedenen Hartchromschichten verglichen. Dabei werden mikrostrukturelle Einflüsse auf das Verschleißverhalten unter den spezifischen Randbedingungen diskutiert.
A. Wank, B. Wielage, E. Friesen, H. Pokhmurska, G. Reisel; Chemnitz
Vergleichende Untersuchungen an Flüssigbrennstoff betriebenen HVOF Brennern bezüglich Partikel- und Schichteigenschaften
Zum Herstellen hochwertiger Metall-Keramik-Verbundschichten für Anwendungen im Verschleißschutz werden in der industriellen Fertigung in zunehmendem Maße HVOF-Spritzsysteme eingesetzt. Die erreichbaren Schichteigenschaften unterscheiden sich dabei erheblich in Abhängigkeit vom eingesetzten Spritzzusatzwerkstoff, dem Spritzsystem und den Spritzparametern. Durch Untersuchungen der
Inflight-Parameter der Spritzpartikel mit Hilfe eines CCD-Kamera-basierten Überwachungstools des Typs SprayWatch® werden für zwei mit Kerosin als Brennstoff betriebenen Pistolentypen - Tafa JP5000 und GTV K2 - und die typischen Spritzzusatzwerkstoffe WC/Co 88/12 und Cr3C2/NiCr 75/25 die entlang der Strahlachse vorliegenden Partikelparameter Geschwindigkeit und Temperatur aufgenommen und mit den Schichteigenschaften Porosität und Mikrohärte sowie mit der Schichtdicke korreliert. Auf der Basis dieser Ergebnisse werden für die beiden Pistolentypen optimale Spritzabstände abgeleitet.
B. Wielage, A. Wank, C. Rupprecht, Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe / TU Chemnitz
Tribologische Eigenschaften von thermisch gespritzten Verschleißschutzschichten
Neben dem Korrosionsschutz ist der Verschleißschutz das wichtigste Anwendungsgebiet thermisch gespritzter Beschichtungen. Derartige Schutzschichten werden sowohl auf Originalbauteile als auch zum Rekonturieren verschlissener Zonen aufgebracht. Durch Pulverflammspritzen aufgebrachte NiCrBSi Schichten haben sich ebenso wie mittels Drahtflammspritzen hergestellte Molybdänschichten bereits vor
mehreren Jahrzehnten ein weites Anwendungsfeld erschlossen. Das atmosphärische Plasmaspritzen zeichnet sich durch extrem hohe Prozesstemperaturen aus und wird deshalb insbesondere zum Herstellen oxidkeramischer Beschichtungen auf der Basis von Cr2O3, Al2O3 und TiO2 eingesetzt. Das in den 80er Jahren industriell eingeführte Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) ermöglicht auf Grund der hohen Gas- und somit auch Partikelgeschwindigkeiten das Herstellen von Hartmetallschichten mit nahezu theoretischer Dichte. Bei geeigneter Prozessführung ist es möglich ein Aufschmelzen der Pulver zu vermeiden, so dass die Bildung spröder Mischkarbide auf ein Minimum beschränkt werden kann. Derartige Schichten finden heute vielfach Anwendung zum Schutz von Bauteiloberflächen vor besonders starker Verschleißbeanspruchung. Weil Verschleiß keine Werkstoffeigenschaft sondern eine Systemgröße darstellt, ist für das Entwickeln einer optimalen Schutzschicht die Kenntnis des gesamten Belastungskollektivs (Verschleißmechanismus, Last, Belastungsdauer, Umgebung, etc.) sowie das Anwenden zumindest der wesentlichen Einflussfaktoren in Modellverschleißuntersuchungen erforderlich. Die vorgestellten Arbeiten zielen auf das Entwickeln optimaler Schutzschichten für Walzen in der Papierindustrie. Diese unterliegen einer stark abrasiven Beanspruchung, wobei das Abrasivmedium im Wesentlichen gebunden vorliegt. Darüber hinaus besteht teilweise eine erhebliche korrosive Belastung. Für eine Vielzahl von Anwendungen konnte nachgewiesen werden, dass die
Verschleißbeständigkeit von Hartmetallen bei konstantem Binderanteil mit abnehmender Hartstoffpartikelgröße zunimmt. In [1] wird berichtet, dass Verbesserungen der Beständigkeit im ASTM B611 Test um eine Größenordnung für eine Verringerung der Hartstoffpartikelgröße von 5,1 μm auf 0,6 μm erreicht werden. Auch für WC-Co Plasmaspritzschichten wird unter trockener Gleitverschleißbeanspruchung [2] sowie für HVOF WC-Co und Cr3C2-NiCr Schichten unter abrasiver Beanspruchung [3] eine mit abnehmender Größe der Hartstoffe verbesserte Beständigkeit erzielt. Dagegen berichten Lugscheider et al. [4], dass nanostrukturierte Ni/Al2O3 Verbundschichten bei Strahlverschleißbeanspruchung mit groben Partikeln unter einem Winkel von 30° zur Oberfläche keine Verbesserungen im Vergleich zu einem Baustahlsubstrat erbringen. Auch im häufig angewendeten ASTM G65 Test wird beim Einsatz von Korund sowie Quarzsand mit unterschiedlichen Körnungen ein erhöhter Verschleißabtrag für HVOF WC-Co
Schichten mit feinen Karbiden beobachtet [5].
Andreas Wank, Bernhard Wielage, Guido Reisel, Margit Wözel, Thomas Grund
Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, Technische Universität Chemnitz, 09107 Chemnitz