SB_13.139B_LP

2004
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchungen zur
schweißtechnischen
Verarbeitung von
Siliziumbasierten
Hartstoffen zur Erhöhung
der Verschleißbeständigkeit

Untersuchungen zur
schweißtechnischen
Verarbeitung von
Siliziumbasierten Hartstoffen
zur Erhöhung der
Verschleißbeständigkeit
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 13.139 B
DVS-Nr.: 01.039
CeWOTec gGmbH
Institut für Schweißtechnik und Trennende
Fertigungsverfahren der TU Clausthal
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 13.139 B / DVS-Nr.: 01.039 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 41
Bestell-Nr.: 170150
ISBN: 978-3-96870-040-3
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung _____________________________________________________ 1
2 Zielsetzung ____________________________________________________ 2
3 Stand der Technik ______________________________________________ 3
3.1 Allgemeines ________________________________________________ 3
3.2 Hartbeschichtungen __________________________________________ 4
3.2.1 Werkstoffe ______________________________________________ 4
3.2.2 Auftragverfahren _________________________________________ 5
3.3 Eigenschaften und Verarbeitung von Si und SiC ____________________ 8
3.3.1 Silizium ________________________________________________ 8
3.3.2 Siliziumkarbid __________________________________________ 10
3.4 Physikalische Eigenschaften von Siliziumkarbid____________________ 11
3.5 Siliziumkarbid als Hartphase in Hartauftragungen __________________ 12
3.6 Siliziumkarbid in der schweißtechnischen Verarbeitung______________ 14
4 Versuchseinrichtungen und Versuchsprogramm____________________ 16
4.1 Plasma-Pulver-Auftragschweißen mit Gleich- und Wechselstromtechnik_ 16
4.2 Fülldraht-Auftragschweißen mittels MSG-Verfahren_________________ 18
4.3 Untersuchungen zu den Schichteigenschaften_____________________ 20
4.4 Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss _______________ 21
5 Versuchsdurchführung _________________________________________ 23
5.1 Werkstoffauswahl und chem. Zusammensetzung __________________ 23
5.1.1 SiC-haltige Nickellegierungen für das PPA-Verfahren____________ 23
5.1.2 SiC-haltige Fülldrähte auf Nickelbasis für das MSG-Verfahren _____ 25
5.1.3 SiC-haltige Aluminiumwerkstoffe____________________________ 26
5.1.4 SiC-haltige Al-Fülldrähte __________________________________ 27
5.1.5 Grundwerkstoffe und Arbeitsgase für das PPA-Verfahren_________ 29
5.1.6 Grundwerkstoffe und Arbeitsgase für das MSG-Verfahren ________ 31
5.2 Herstellung von Auftragschweißungen ___________________________ 33
5.2.1 PPA-geschweißte SiC-haltige Nickellegierungen _______________ 33
5.2.2 Vakuumofenlöten von SiC-haltigen Nickellegierungen ___________ 34
5.2.3 MSG-auftraggeschweißter SiC-haltiger Fülldraht _______________ 34
5.2.4 PPA-geschweißte SiC-haltige Al-Werkstoffe ___________________ 35
5.2.5 MSG-auftraggeschweißte SiC-haltige Al-Fülldrähte _____________ 37

5.2.6 Flächenbeschichtungen von SiC-haltigen Al-Werkstoffen _________ 38
5.3 Prüfung der Schichteigenschaften ______________________________ 41
5.3.1 Metallographische und REM-Untersuchungen _________________ 41
5.3.2 Makro- und Mikrohärtemessungen __________________________ 41
5.3.3 Verschleißprüfung Schleifpapiertest _________________________ 42
5.3.4 Verschleißprüfung Miller-Verfahren __________________________ 43
5.3.5 Verschleißprüfung Reibrad-Tribometer _______________________ 45
5.3.6 Festigkeitsuntersuchungen ________________________________ 47
6 Ergebnisse und Eigenschaften der Auftragschweißungen ____________ 49
6.1 PPA-schweißungen von SiC-haltigen Nickellegierungen _____________ 49
6.1.1 Schweißbarkeit und Schweißqualität_________________________ 49
6.1.2 Einfluss von Karbidmenge und Karbidgröße ___________________ 50
6.1.3 Einfluss des Legierungselementes Silizium____________________ 50
6.1.4 Gefügeausbildung _______________________________________ 51
6.1.5 Härte- und Verschleißuntersuchungen _______________________ 51
6.2 Arbeitstemperaturabsenkungen bei SiC-haltigen Nickellegierungen ____ 52
6.2.1 Autogenverarbeitung _____________________________________ 52
6.2.2 Vakuumofen ___________________________________________ 52
6.2.3 Gefügeausbildung _______________________________________ 54
6.2.4 Härte- und Verschleißuntersuchungen _______________________ 55
6.2.5 Einfluss von modifiziertem Siliziumkarbid _____________________ 56
6.3 Plasma-Pulver-Auftragschweißungen (PPA) von SiC-haltigen Al-Werkstoffen____________________________________________________
57
6.3.1 Schweißbarkeit und Schweißqualität_________________________ 57
6.3.2 Einfluss von Karbidmenge und Karbidgröße ___________________ 58
6.3.3 Einfluss des Legierungselementes Siliziums___________________ 60
6.3.4 Einbettung und Verteilung der Karbide _______________________ 61
6.3.5 Modifiziertes Siliziumkarbid ________________________________ 64
6.3.6 Gefügeausbildung und Beschichtungsunregelmäßigkeiten________ 66
6.3.7 Makro- und Mikrohärte____________________________________ 67
6.3.8 Verschleißprüfung Schleifpapiertest _________________________ 69
6.3.9 Miller-Verschleißprüfung __________________________________ 70
6.3.10 Verschleißprüfung Reibrad-Tribometer _______________________ 71
6.3.11 Festigkeitsuntersuchungen ________________________________ 72
6.3.12 Flächenbeschichtungen___________________________________ 74
6.3.13 Nachbearbeitungsmöglichkeiten ____________________________ 76
6.4 MSG-Auftragschweißungen von SiC-haltigen Fülldrähten ____________ 77
6.4.1 Schweißbarkeit und Schweißqualität des NiCrBSi-SiC-Fülldrahtes__ 77

6.4.2 Gefügeausbildung _______________________________________ 78
6.4.3 Härte- und Verschleißuntersuchungen _______________________ 79
6.4.4 Stromloses Vernickeln von Siliziumkarbid _____________________ 80
6.5 MSG-Auftragschweißungen von SiC-haltigen Aluminiumfülldrähten ____ 85
6.5.1 Schweißverhalten und Schweißqualität der Fülldrähte ___________ 85
6.5.2 Einfluss von Karbidmenge, Siliziumgehalt und Karbidgröße _______ 89
6.5.3 Einbettung und Verteilung der Karbide _______________________ 92
6.5.4 Gefügeausbildung und Beschichtungsunregelmäßigkeiten. _______ 95
6.5.5 Makro- und Mikrohärte____________________________________ 97
6.5.6 Verschleißprüfung Schleifpapiertest ________________________ 100
6.5.7 Miller – Verschleißprüfung (ASTM G 75-01) __________________ 101
6.5.8 Reibrad – Verschleißprüfung (ASTM G 65-00) ________________ 103
6.5.9 Flächenbeschichtungen__________________________________ 105
7 Diskussion der Versuchsergebnisse _____________________________ 108
7.1 Diskussion der Ergebnisse mit SiC-haltigen Nickellegierungen _______ 108
7.2 Diskussion der Ergebnisse mit SiC-haltigen Al-Werkstoffen__________ 109
7.3 Vergleich der für die Untersuchungen eingesetzten Auftragschweißverfahren
__________________________________________________ 112
7.4 Vergleich mit konventionellen Schichten (z.B. Ni-WSC, FeCrMoC-VC) _ 113
8 Zusammenfassung und Ausblick________________________________ 115
9 Literaturverzeichnis___________________________________________ 117
10 Anhang

1 Einleitung
Silizium besitzt in der Werkstofftechnik eine große Bedeutung. Es wird zu Desoxidationszwecken,
zum Legieren und zur Hartphasenbildung eingesetzt.
Die Anwendung von Siliziumkarbid als Hartstoff hat bisher vor allem außerhalb
schmelzmetallurgischer Prozesse stattgefunden. So wird Siliziumkarbid als Schleifmittel
für hochfeste Werkstoffe eingesetzt. Aber auch für Hochtemperaturkeramiken
findet Siliziumkarbid in Verbindung mit verschiedenen Matrixwerkstoffen
Verwendung.
Siliziumkarbid besitzt eine hohe Härte, eine geringe Dichte und ist kostengünstig
herzustellen. Ein Nachteil ist der kovalente Bindungscharakter (keine reine Metallbindung),
der dazu führt, dass sich das Karbid schwierig benetzen lässt und
demzufolge schweißmetallurgisch kompliziert zu verarbeiten ist. Außerdem zersetzt
sich das Karbid bei Temperaturen oberhalb von 2700 °C. Eine Schmelzphase
existiert nicht.
Siliziumkarbid erscheint auf Grund seiner hohen Härte und seiner, im Vergleich zu
den in der Schweißtechnik üblicherweise verwendeten Karbiden, niedrigen Dichte
vor allem für Verschleißschutzbeschichtungen auf Leichtmetallen geeignet.
Erste Ansätze zur Verarbeitung von Siliziumkarbid in Metallschmelzen gibt es bei
partikelverstärktem Aluminium. Teilweise wird Siliziumkarbid auch in thermischen
Spritzbeschichtungen genutzt.
Schweißmetallurgisch konnte Siliziumkarbid auf Grund seiner speziellen Hochtemperatureigenschaften
(kein Schmelzpunkt) bisher nicht verarbeitet werden.
Zusätzlich störend wirkt auch die Reaktionsfreudigkeit von Silizium in metallischen
Schmelzen, da sich das Siliziumkarbid in vielen Metallen zu Gunsten anderer
Phasen auflöst. Im Gegensatz dazu ist metallisches Silizium in nahezu allen
Schweißzusatz- und Auftragschweißwerkstoffen enthalten. Es dient in diesen Fällen
der Desoxidation der Substrate bzw. zur Bildung intermetallischer Hartphasen.
Maximal bei ca. 4 % liegen typische Gehalte für Legierungszwecke, [1, 2]. Bekannte
Vertreter sind die Werkstoffe der Legierungsgruppe Ni-Cr-B-Si.
Betriebswirtschaftlich sprechen die geringen Herstellungskosten von Siliziumkarbid
im Vergleich zu anderen Karbiden für einen Einsatz sowohl in Leichtmetall- als auch
in Schwermetallbeschichtungen.
Gelingt es, Siliziumkarbid in schweißmetallurgische Beschichtungen fehlerfrei einzubetten,
steht ein hohes Potenzial zur Eigenschaftsverbesserung von Verschleißschutzbeschichtungen
und zur Kostensenkung zur Verfügung.
- 1 -

2 Zielsetzung
Es war Zielsetzung des Projektes, das metallurgische Verhalten von Siliziumkarbid
bei der schweißtechnischen Verarbeitung über Auftragschweiß- bzw. Auftraglötprozesse
in verschiedenen Matrixwerkstoffen zu untersuchen und geeignete Beschichtungswerkstoffe
bzw. Beschichtungswerkstoffsysteme zu entwickeln, die für
verschiedene Substratwerkstoffe geeignet sind.
Auf Grund der niedrigen Dichte von Siliziumkarbid bieten sich vor allem Leichtmetalle
als Substratwerkstoffe an. Es wurden als Beschichtungssystem Al-Matrixwerkstoffe
mit unterschiedlichen Legierungsgehalten an Si und SiC verwendet.
Die niedrigen Herstellungskosten von SiC lassen aber ebenfalls einen Einsatz von
SiC in anderen Matrixwerkstoffen und für andere Substratwerkstoffe interessant erscheinen.
Um die Zersetzung des Karbids oberhalb 2700 °C weitestgehend auszuschließen
wurden in die Untersuchungen selbstfließende (niedrigschmelzende)
NiCrBSi- bzw. NiBSi-Matrixwerkstoffe einbezogen, die im breiten Umfang für Beschichtungen
auf Stahlsubstraten angewendet werden.
Durch schweißmetallurgische und Eigenschaftsuntersuchungen wurden das
Benetzungs- und Auflösungsverhalten von SiC in den angesprochenen
Matrixwerkstoffen sowie die Eigenschaften der Beschichtungen hinsichtlich
Gefügemorphologie, Verschleißbeständigkeit und Festigkeit untersucht.
Als Schweißverfahren wurden das Plasma-Pulver-Verfahren, dass auf Grund der
hohen Energiedichte im Plasmastrahl eine konzentrierte Wärmeeinbringung mit
geringer Aufmischung gewährleistet, und das MSG-Fülldrahtverfahren, das als
kostengünstiges und unkompliziertes Beschichtungsverfahren vor allem unter
Baustellenbedingungen vorteilhaft angewendet werden kann, eingesetzt.
Die Anwendung von Siliziumkarbid als Hartstoff in verschleißbeständigen Beschichtungen
soll zu spezifisch leichteren Beschichtungen führen, die infolge der niedrigen
Herstellungskosten von Siliziumkarbid kostengünstiger als die bisher verwendeten
wolframkarbidverstärkten Beschichtungen sind. Auf Grund der hohen Härte von Siliziumkarbid
(ca. 3500HV) wurde eine vergleichbare Verschleißbeständigkeit bereits
bei geringeren Volumenanteilen Karbid erwartet. Durch die Neuentwicklungen von
Beschichtungswerkstoffen kann das Einsatzgebiet auftraggeschweißter Beschichtungen
vor allem in Richtung der Leichtmetallbeschichtungen erweitert werden.
Der Einsatz von Siliziumkarbid lässt im wesentlichen folgende Vorteile erwarten:
- Verringerung der spezifischen Flächengewichtes von Verschleißschutzbeschichtungen
- Kostensenkung bei hochkarbidhaltigen Verschleißschutzbeschichtungen
- 2 -

3 Stand der Technik
3.1 Allgemeines
Silizium besitzt in der Werkstofftechnik eine große Bedeutung. Es wird unter
anderem zu Desoxidationszwecken, zum Legieren und zur Hartphasenbildung
eingesetzt. In der Halbleitertechnik hat Siliziumkarbid ebenfalls Einzug gehalten.
Die Anwendung von Siliziumkarbid als Hartstoff hat bisher vor allem außerhalb
schmelzmetallurgischer Prozesse stattgefunden. So wird Siliziumkarbid als Schleifmittel
für hochfeste Werkstoffe eingesetzt. Aber auch für Hochtemperaturkeramiken
findet Siliziumkarbid in Verbindung mit verschiedenen Matrixwerkstoffen
Verwendung, [3 – 11]. [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]
Zudem gibt es erste Ansätze zur Verarbeitung von Siliziumkarbid in Metallschmelzen
bei partikelverstärktem Aluminium. Teilweise wird Siliziumkarbid auch in thermischen
Spritzbeschichtungen genutzt.
Mittels Schweißverfahren wurde Siliziumkarbid wegen der kovalenten Bindung und
der speziellen Hochtemperatureigenschaften (Zersetzung oberhalb von ca. 2700 °C)
bisher nicht verarbeitet. Störend wirkt auch die Reaktionsfreudigkeit von Silizium in
metallischen Schmelzen, da sich das Siliziumkarbid oftmals zu Gunsten anderer
Phasen löst.
Siliziumkarbid bietet sich auf Grund seiner hohen Härte, der niedrigen Dichte und der
geringen Herstellungskosten vor allem für Verschleißschutzbeschichtungen auf
Leichtmetallen an. Ein Eigenschaftsvergleich zwischen verschiedenen in der
Schweißtechnik verwendeten Karbiden zeigt Tab. 1.
Neben den Al-Basiswerkstoffen bieten sich vor allem die selbstfließenden Nickel-
Chrom-Bor-Silizium- bzw. Nickel-Bor-Silizium-Matrixwerkstoffe auf Grund des relativ
niedrigen Schmelzpunktes für das Einbetten von SiC an.
VC WSC TiC SiC
Härte [HV] 2900-2940 1600-2400 2800-3500 2500-4000
Dichte [g/cm 3 ] 5,36-5,8 15,63-17,15 4,08-4,93 2,5-3,22
Schmelzpunkt [°C] 2648-2830 2600-2860 3060-3170 2180-2986 (z)
E-Modul [10 5 N/mm 2 ] 2,8-4,3 6,69-7,3 3,5-4,8 3,0-4,8
Ausd.-koeff. [10 -6 K -1 ] 6,5-7,3 3,8-7,3 7,4-8,6 4,3-6,0
Herst.-kosten [EUR/kg] ca. 60 ca. 25 ca. 55 ca. 2
Tab. 1: Eigenschaftsvergleich zwischen unterschiedlichen in der Schweißtechnik
verwendeten Karbiden nach [12].
- 3 -