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Projektbereich D
Lugscheider, Erich
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2.3.1.2 Thermisches Spritzen
2.3.1.2.1 Entwicklung der Prozessroute Thermisches Spritzen mit anschließendem
heißisostatischen Pressen
Für die Umsetzung der neuen Prozessroute „Thermisches Spritzen in Kombination mit
einer anschließenden Schichtnachverdichtung“ wurde das im vorigen Berichtszeitraum
begonnene Werkstoffscreening fortgeführt. Mit dieser Entwicklung wurde der Forderung
nach dickeren Schichten im Bereich von 30 - 50µm Folge geleistet, da Thermisches
Spritzen im Gegensatz zu PVD-Verfahren diese Schichtdicken ermöglicht. Ein weiterer
Vorteil von thermisch gespritzten Schichten liegt in der höheren Thermowechselbeständigkeit
dieser Schichten. Die höhere Thermowechselbeständigkeit ist durch die Porosität
thermisch gespritzter Schichten und ihrem niedrigem E-Modul gegeben. Allerdings wird
für die Anwendung im Thixoforming neben der Thermowechselbeständigkeit auch eine
niedrige Porosität gefordert, da durch eine hohe Porenanzahl die Oberfläche zunimmt und
damit sich die Angriffsfläche für korrosiven und erosiven Verschleiß vergrößert wird.
Gleichzeitig werden auch Anhaftungen bzw. Anklebungen durch die raue Oberfläche
ermöglicht. Daher sollen die thermisch gespritzten Schichten in einem heißisostatischen
Prozess nachverdichtet werden, um die Porosität zu reduzieren. Der E-Modul der
Schichten wird in diesem Nachverdichtungsprozess erhöht und somit die Thermowechselbeständigkeit
wiederum gesenkt. Durch entsprechende Schichtauswahl und Anpassung der
beiden Prozesse aufeinander soll ein Kompromiss zwischen guter Thermowechselbeständigkeit
und niedriger Porosität realisiert werden. Weitere Anforderungen an das zu
entwickelnde Schichtsystem sind eine geringe Klebneigung mit Stahl, gute Wärmedämmung
des Werkzeugmaterials und Schutz vor Verschleiß und Korrosion. Die gute
Wärmedämmung kann entweder durch eine Wärmeisolation oder durch dicke Schichten
realisiert werden. Die Kombination beider Ansätze ist mit dem Einsatz des Thermischen
Spritzens praktikabel.
Damit ergeben sich einige Voraussetzungen hinsichtlich der Werkstoffauswahl. Die
Anforderungen der Thermowechselbeständigkeit, geringe Klebneigung, gute Wärmedämmung,
Korrosions- und Verschleißschutzes sind für die Auswahl der Schichtmaterialien
relevant. Oxidkeramische Schichten erfüllen das geforderte Anforderungsprofil.
Sie sind chemisch inert und formbeständig bei hohen Temperaturen. Durch ihre
guten mechanischen Eigenschaften, wie z.B. hohe Härte, zählen keramische Schichten zu
den Hartstoffschichten, die vor Allem im Bereich des Verschleißschutzes eingesetzt
werden. Zudem haben sich keramische Schichten bereits in Werkzeuganwendungen beim
Thixoforming von Leichtmetallen bewährt und eine Übertragung auf die Stahlformung ist
sehr wahrscheinlich. Daher wurden verschiedene oxidkeramische Beschichtungswerkstoffe
wie Aluminiumtitanat /Khor 95/, Magnesiumzirkonat und Zirkonsilikat ausgewählt
/Giannis 97/, da diese Materialien am ehesten dem Anforderungsprofil entsprechen.