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
Lotaplikation durch kaltgasspritzen – theorie und anwendung
Die Verfahren des thermischen Spritzens eigenen sich prinzipiell zum definierten Applizieren von Lotbeschichtungen. Allerdings zeigten bisherige Untersuchungen mit konventionellen Spritzverfahren, dass die in den Schichten vorhandenen Oxide und Gasbeladungen sowie die Oxidhäute an den Schichtoberflächen die Qualität der hergestellten Lötverbindungen stark mindern können. Das neuartige Kaltgasspritzen zeichnet sich aufgrund geringer Prozesstemperaturen durch eine minimale thermische Beeinflussung der Spritzpartikel aus. Die hergestellten Schichten weisen vernachlässigbar geringe Oxidgehalte und Gasbeladungen sowie beim Verarbeiten duktiler Werkstoffe geringe Porengehalte auf. Es folgt eine Darstellung der von den Autoren bisher mittels Kaltgasspritzens (Cold Gas Spraying, CGS) auf verschiedene Substrate applizierten Lotwerkstoffe sowie der löttechnischen Ergebnisse. Es werden Aussagen zur Verarbeitbarkeit und Lötprozessfähigkeit der Zusatzstoffe sowie zu ökonomischen Aspekten getroffen.
B. Wielage, T. Grund, A. Wank; Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, Technische Universität Chemnitz
Spritztechnische Verschleißschutzlösung für abnehmbare Aluminium- Anhängerkupplungen
Mit dem Ziel den Kraftstoffverbrauch zu senken besteht seitens der Automobilindustrie ein zunehmender Druck Leichtbaukonzepte anzuwenden. Zudem wird das Reduzieren des Bauteilgewichts auch für eine leichtere Handhabung angestrebt. Ein Beispiel für innovative Entwicklungen auf diesem Gebiet ist das Ausführen einer Kugelstange aus einer ausscheidungshärtenden Aluminiumlegierung, die Gewichtseinsparungen von über 2 kg im Vergleich zur Stahlvariante ermöglicht. Allerdings erfordert die geringe Verschleißbeständigkeit des Aluminiums komplizierte Schutzmaßnahmen im Einsteckbereich. Dies ist mit erhöhtem Aufwand bei der spanenden Bearbeitung und dementsprechend verlängerten Maschinenbelegungszeiten verbunden. Darüber hinaus müssen Zukaufteile in zusätzlichen Montageschritten appliziert werden. Mit dem Ziel die damit verbundenen Kosten zu vermeiden wird untersucht, ob mit Hilfe thermisch gespritzter Schichten eine ausreichende Verschleißschutzwirkung
erzielt werden kann. Unterschiedliche HVOF Brenner und Schichtwerkstoffe kommen zum Einsatz, um Schichtsysteme herzustellen, die eine maximale Verbundfestigkeit unter Biegebeanspruchung ermöglichen. Ni20Cr Haftschichten erweisen sich in Kombination mit Cr3C2/Ni20Cr 75/25 Deckschichten als optimal und werden mit den günstigsten Schichtdicken auf Prototypenbauteile aufgebracht. Die Prototypen bestehen sowohl die mechanisch-dynamischen Tests als auch die Korrosionsprüfung mittels Salzsprühnebeltest. Die Prüfungen an Prototypen, die mit lichtbogengespritzten Ni20Cr versehen werden, um die Schichtkosten zu senken, dauern an.
Andreas Wank, Bernhard Wielage, Thomas Grund, Christian Rupprecht
Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, Technische Universität Chemnitz, 09107 Chemnitz
Kay Angermann, AL-KO Dämpfungstechnik GmbH, 04746 Hartha
Thomas Schnick, Durum Verschleißschutz GmbH, 47877 Willich
Kaltgasgespritzte Lotbeschichtungen zum Fügen von Leichtmetallen
Das neuartige Kaltgasspritzen (CGS) erlaubt die Herstellung von Schichten mit zum Ausgangspulver identischer Zusammensetzung. Aufgrund sehr geringer thermischer Beeinflussung der Spritzpartikel im Strahl lassen sich auch sauerstoffaffine Materialien an Atmosphäre verarbeiten. Es werden Aluminium-, Zink- und Zinn- Basislotpulver (AlSi12, Zn, ZnAl5, ZnAl15, SnAg4Cu0,5) auf verschiedenen
Aluminiumlegierungen (AA1050, AA3005, AA5754, AA7022) appliziert. Spritzprozessparameter werden variiert und mit Schicht- und Prozesscharakteristika korreliert. Die Eignung der Lotbeschichtungen wird durch optimierte Lötprozesse im Schutzgasofen sowie mit Ultraschallunterstützung nachgewiesen.
B. Wielage, A. Wank, T. Grund, Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe / TU Chemnitz