Abschmelzverhalten von rostfreien Stahldrähten beim Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzen
Für das Beschichten von Bauteilen stehen verschiedene thermische Spritzverfahren zur Auswahl, die sich wesentlich bezüglich der erreichbaren Geschwindigkeiten und Temperaturen der Partikel im Spritzstrahl und somit die Art der verarbeitbaren Spritzzusatzwerkstoffe sowie die erzielbaren Schichteigenschaften unterscheiden. Dichte und homogene Spritzschichten mit einer geringen Oberflächenrauheit können durch hohe Partikelgeschwindigkeiten, beispielsweise beim Einsatz des Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzens mit pulverförmigem (HVOF) oder drahtförmigem Zusatzwerkstoff, erreicht werden. Das Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzen bietet dabei gegenüber HVOF den Vorteil geringerer Investitions- und Betriebskosten. Weiterhin können Spritzdrähte im Vergleich zu Pulvern preiswerter hergestellt, einfacher gelagert und mit geringeren Arbeitsschutzanforderungen verarbeitet werden. Viele Werkstoffe sind allerdings nicht als Drähte verfügbar. Fülldrähte erweitern das Spektrum verarbeitbarer Werkstoffe jedoch erheblich. Neben mit Falz und auf Stoss formgeschlossenen Fülldrähten werden nahtlose Fülldrähte in Bezug auf Unterschiede im Abschmelzverhalten zu massivem Draht am Beispiel des Werkstoffs AISI 316L untersucht. Der Spritzprozess wird mittels Highspeed CCD Kamera überwacht. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit ist jeweils den Prozessgasflüssen anzupassen. Zu hohe Vorschubgeschwindigkeiten bewirken das Ablösen großer unvollständig aufgeschmolzener Drahtstücke von der Drahtspitze, die nicht sekundär im Spritzstrahl zerstäubt werden und Einschlüsse in der Spritzschicht bilden. Ein Kriterium für einen optimal eingestellten Drahtvorschub ist eine minimale Strahldivergenz und Schallemission. Als ungünstig stellen sich mit Falz geschlossene Fülldrähte heraus, da ein vorzeitiges Aufschmelzen von Mantelmaterial im Falzbereich beobachtet wird. Ein Vorteil nahtloser Fülldrähte im Vergleich zu auf Stoß formgeschlossenen Fülldrähten wird dagegen nicht beobachtet.
Andreas Wank, Bernhard Wielage, Christian Rupprecht Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, Technische Universität Chemnitz, 09107 Chemnitz
Potenzial des Hochgeschwindig- keitsdrahtflammspritzens mit Fülldrähten
Bei der Auswahl eines thermischen Spritzverfahrens für eine bestimmte Aufgabenstellung, muss das Erfüllen spezifizierter Eigenschaften der Schichten gewährleistet werden. Im Weiteren sind die Beschichtungskosten zu minimieren. Als ökonomisch vorteilhaft erweist sich das Verarbeiten drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoffe. Drähte können preisgünstiger hergestellt, einfacher gelagert, transportiert und gefördert werden als Pulver.
Obwohl das Drahtflammspritzen zu den ältesten thermischen Spritzverfahren zählt, sind damit qualitativ sehr hochwertige Schichten herstellbar. Neben einer homogenen Mikrostruktur gehört eine geringe Oberflächenrauheit zu den typischen Merkmalen, insbesondere wenn Überschallgasströmungen genutzt werden. Entsprechende Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzsysteme weisen gegenüber HVOF-Anlagen deutliche Vorteile bei den Investitions- und Betriebskosten auf. Das Spektrum der Schichtwerkstoffe ist allerdings stark eingeschränkt, da nicht alle Werkstoffe als massiver Draht gezogen werden können. Abhilfe schaffen an dieser Stelle Fülldrähte, die sich aus einer pulverförmigen Füllung und einem massiven Mantelmaterial zusammensetzen. Es existieren unterschiedliche Konzepte. Neben mit Falz und auf Stoss formgeschlossenen Fülldrähten existieren nahtlose Röhrchenfülldrähte. Für den Werkstoff AISI 316L werden Drähte mit derartig unterschiedlichem Aufbau mittels Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzens verarbeitet, wobei das Abschmelzverhalten und die Partikelgeschwindigkeit im Spritzabstand mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeits-CCD-Kamera untersucht und mit den erzielten Schichtqualitäten korreliert werden.
Wielage, B., C. Rupprecht, A. Wank
Tagungsband der Internationalen Tagung Thermisches Spritzen, Anwendungen,
Wroclaw, P, 26.-28. September 2005, S. 84-958, ISBN 83-87982-36-9
Korrosionseigenschaften X-HVOF gespritzter Schichten
Reintitan (Grade 2) wird ebenso wie die rostfreien Stähle AISI 446 und AISI 316L in Pulverform für das Herstellen von Schichten auf Baustahlsubstraten mittels des neuartigen Sulzer Metco X-HVOF Brenners eingesetzt. Der Auftragwirkungsgrad hängt von der Prozessführung ab. Die Schichten werden bezüglich ihrer Mikrostruktur mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie Röntgendiffraktometrie untersucht.
Darüber hinaus wird die Zunahme der Sauerstoff- und Stickstoffgehalte in Titanschichten infolge der spritztechnischen Verarbeitung mit Hilfe der Heißgasextraktion untersucht. Das Potenzial der Schichten für den Korrosionsschutz wird durch potentiodynamische Messungen in 0,5M H2SO4 und Salzsprühnebeltests überprüft. In Abhängigkeit von den Prozessparametern kann die Zunahme des Sauerstoff- und Stickstoffgehalts auf den Faktor 2 begrenzt werden. Es lassen sich Schichten, die bei metallographischen Untersuchungen nahezu theoretische Dichte aufweisen, herstellen. Auch im direkten Vergleich zu gewalztem Titan Grade 2 weisen die X-HVOF Schichten ein viel versprechendes Korrosionsverhalten auf. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Schichten unter atmosphärischen Bedingungen hergestellt werden, ist eine Zunahme der Korrosionsstromdichte um den Faktor 4 als hervorragend zu bewerten. Während in den potentio¬dynamischen Untersuchungen keine Schädigung von Schicht oder Substrat beobachtet wird, weisen Salzsprühnebeltests auch für Schichten, die in Querschliffen nahezu theoretische Dichte aufweisen, durchgängige Porenkanäle nach, die sich in lokaler Rostentstehung auswirken. Somit sind Korrosionsuntersuchungen an Prüfkörpern geringer Größe nicht aussagekräftig bezüglich der Schutzwirkung der Schichten.
A. Wank, B. Wielage, F. Jansen, D. Wieczorek, H.-M. Höhle
Tagungsband der WTK 2005, Chemnitz, Deutschland, 29. - 30. September 2005, S. 149-156, ISBN 3-00-016841-9
Thermisch gespritzte Eisenbasislegierungen für den kombinierten Verschleiß- und Korrosionsschutz
In zahlreichen Industriezweigen haben HVOF gespritzte Cr3C2/Ni20Cr und WC/Co(Cr) Verbundschichten breite Akzeptanz für den Verschleißschutz erlangt. Beim Einsatz chromhaltiger Matrixlegierungen verfügen derartige Schichten auch über gute Korrosionsschutzeigenschaften. Jüngste Forschungen im Bereich des Plasma-Pulver-Auftragschweißens resultierten in der Entwicklung hochchrom- und hochvanadiumhaltiger Eisenbasislegierungen mit dem Ergebnis einer verbesserten kombinierten Korrosions- und Verschleißbeständigkeit.
Ein wichtiger Vorteil der Einsenbasisschichten besteht in der Möglichkeit der einfachen Bearbeitung mittels Drehens und Fräsens. Somit sind derartige Schichtsysteme auch für thermische Spritzprozesse von hohem Interesse, denn die Nachbearbeitung von Cr3C2/Ni20Cr und WC/Co(Cr) Schichten durch Schleifen mit Diamantwerkzeugen macht einen erheblichen Teil der gesamten Schichtkosten aus. Gegenüber PTA weist HVOF den Vorteil auf, dass der Grundwerkstoff des zu beschichtenden Bauteils nicht aufgeschmolzen wird. Durch die so unterbundene Legierungsbildung können Schichten mit nahezu identischer chemischer Zusammensetzung und somit ähnlichen Eigenschaften wie die Ausgangslegierung hergestellt werden. Zwei mittels Schmelzverdüsens hergestellte Eisenbasispulver unterschiedlicher Zusammen¬setzung werden mittels HVOF verarbeitet. Das Optimieren der Spritzparameter erfolgt bezüglich des Auftragwirkungsgrads, der Porosität sowie der Mikrohärte. Die Schichten werden metallografisch mittels Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie sowie mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) untersucht. Im Weiteren erfolgt das Charakterisieren der Schichten bezüglich der Mikrohärte, des Verschleißverhaltens bei abrasiver Beanspruchung sowie des Korrosionsverhaltens.
Tagungsband der WTK 2005, Chemnitz, Deutschland, 29. - 30. September 2005, S. 217-225, ISBN 3-00-016841-9