SB_17.049BLP

2014
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Einsatz von Fülldrähten mit
großem Durchmesser für
das thermische Spritzen

Einsatz von Fülldrähten mit
großem Durchmesser für das
thermische Spritzen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 17.049 B
DVS-Nr.: 02.068
Technische Universität Chemnitz
Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 17.049 B / DVS-Nr.: 02.068 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
© 2014 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 251
Bestell-Nr.: 170360
ISBN: 978-3-96870-250-6
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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17.049 B Einsatz von Fülldrähten mit großem Durchmesser für das thermische Spritzen
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Stand von Wissenschaft und Technik / Problemstellung 2
2.1 Motivation der Arbeit 2
2.2 Thermisches Spritzen 3
2.2.1 Physikalische Grundlagen des Lichtbogenspritzens 3
2.2.2 Schichtaufbau 4
2.2.3 Spritzzusatzwerkstoffe 5
2.3 Abschmelzverhalten der Drähte beim Lichtbogenspritzen 7
2.3.1 Abschmelzvorgang bei Massivdrähten 7
2.3.2 Besonderheiten beim Spritzen von Fülldrähten 9
2.3.3 Prozessüberwachung und Modellierung des Spritzprozesses 11
2.4 Eigene Vorversuche mit Fe-Basis-Fülldraht 12
2.5 Schlussfolgerungen und Zielstellung des Projektes 16
3 Versuchsdurchführung 18
3.1 Untersuchte Werkstoffe 18
3.1.1 Nahtlose Fülldrähte auf Fe-Basis 20
3.1.2 Gefalzte Fülldrähte auf Fe-Basis 20
3.1.3 Nahtlose Fülldrähte auf Al-Basis 21
3.2 Thermisches Spritzen 21
3.2.1 Versuchsanlage zum Lichtbogenspritzen 21
3.2.2 Spritzparameter für das Lichtbogenspritzen 22
3.2.3 Versuchsanlage zum Drahtflammspritzen 25
3.2.4 Spritzparameter für das Drahtflammspritzen 26
3.2.5 Numerische Optimierung der Spritzparameter 27
3.2.6 Bestimmung der Größenverteilung der Spritzpartikel 28
3.2.7 Messen der Partikelgeschwindigkeit im Prozess 29
3.3 Charakterisierung von thermisch gespritzten Schichten 30
3.3.1 Metallografische Präparation 31
3.3.2 Lichtmikroskopie mit Bestimmung der Porosität der Schichten und des
Füllgrades der Spritzzusatzwerkstoffe 31
3.3.3 Analyse der chemischen Zusammensetzung der Schichten mit EDXS 32
3.3.4 Kleinlasthärteprüfung 32
3.3.5 Ermittlung der Haftzugfestigkeit der Schichten 33
V

17.049 B Einsatz von Fülldrähten mit großem Durchmesser für das thermische Spritzen
3.3.6 Ermittlung des Auftragwirkungsgrades 34
3.3.7 Biegeversuch an Fülldrähten 34
4 Ergebnisse 36
4.1 Charakterisierung der Spritzzusätze und des Spritzprozesses 36
4.1.1 Aufbau der Fülldrähte 36
4.1.2 Mechanische Eigenschaften der Fülldrähte 39
4.1.3 Technische Eigenschaften und Verarbeitbarkeit der Drähte im System OSU und
Visuarc ARC 350 41
4.1.4 Hochgeschwindigkeitskamera-Beobachtung des Spritzprozesses 42
4.1 Charakterisierung der Spritzschichten 44
4.1.1 Mikrostruktur der gespritzten Schichten 44
4.1.2 Porosität der Spritzschichten 49
4.1.3 Kleinlasthärte der Spritzschichten 53
4.1.4 Haftzugfestigkeit 56
4.1.5 Oxidationsverhalten 57
4.2 Prozesscharakterisierung 58
4.2.1 Größenverteilung der Spritzpartikel 58
4.2.2 Partikelgeschwindigkeit 60
5 Diskussion 62
5.1 Prozessdurchführung 62
5.1.1 Drahtverarbeitungsverhalten 62
5.1.2 Größenverteilung der Spritzpartikel 62
5.2 Schichtcharakterisierung 63
5.2.1 Homogenität der gespritzten Schichten 64
5.2.2 Kleinlasthärtemessungen 65
5.2.3 Zusammenhang zwischen den Schichtcharakteristika 65
5.3 Fertigung von Musterbeschichtungen 68
5.3.1 Verschleißbeständigkeit der Schichten 68
5.3.2 Korrosionsbeständigkeit der Schichten 70
5.3.3 Auftragwirkungsgrad 71
5.3.4 Auftragsrate 72
6 Fazit und Ausblick 74
7 Ergebnistransfer in die Wirtschaft 77
8 Literaturverzeichnis 79
VI

17.049 B Einsatz von Fülldrähten mit großem Durchmesser für das thermische Spritzen
9 Abbildungsverzeichnis 84
10 Tabellenverzeichnis 88
11 Anlage 1. Mikrostruktur der Schichten 89
12 Anlage 2. Porosität der Schichten (Versuchsreihe 2) 95
13 Anlage 3. Kleinlasthärtewerte der Schichten 97
VII

17.049 B Abschlussbericht Einleitung
1 Einleitung
Die Verfahren des Thermischen Spritzens finden in vielen Industriezweigen Anwendung, insbesondere
zum Verschleiß- und Korrosionsschutz. Mit einem weltweiten Jahresverbrauch von
über 50.000 Tonnen gelten Drähte als wichtige Zusatzwerkstoffe für das Thermische Spritzen.
In zunehmendem Maße werden Fülldrähte eingesetzt, da diese das verarbeitbare Materialspektrum
gegenüber Massivdrähten deutlich erweitern. Neben hochlegierten Metallen und
Pseudolegierungen können damit auch hartstoffpartikelverstärkte Schichten aufgebracht werden.
Um die Vorteile von Fülldrähten ökonomisch sinnvoll auszunutzen, sollen Möglichkeiten
gefunden werden, die Werkstoffherstellung und den Spritzprozess zu optimieren. Einen Weg
zur Kostenersparnis sehen Drahtproduzenten und Beschichtungsunternehmen in der Anwendung
von möglichst dicken Drähten. Bei nahtlosen Fülldrähten kann der Herstellungsaufwand
minimiert werden, da die Rohre bzw. Drähte weniger gezogen werden müssen. Dicke Drähte
ermöglichen darüber hinaus einen deutlich gesteigerten Füllgrad. Trotz der genannten Vorzüge
existieren bislang keine systematischen Untersuchungen zum Einsatz dicker Drähte für das
Thermische Spritzen und zur Analyse des Einflusses der Drahtdicke auf die Verarbeitbarkeit
sowie Schichtqualität.
- 1 -

17.049 B Abschlussbericht Stand von Wissenschaft und Technik / Problemstellung
2 Stand von Wissenschaft und Technik / Problemstellung
2.1 Motivation der Arbeit
Thermische Spritzverfahren zeichnen sich durch nahezu uneingeschränkte Kombinationsmöglichkeiten
von Substrat- und Beschichtungswerkstoffen aus. Dabei können durch die Wahl des
Verfahrens (z.B. Plasma-, Lichtbogen- oder HVOF-Spritzen) sowie der Prozessparameter die
Schichteigenschaften für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden. Besonders zur Herstellung
großflächiger Beschichtungen und bei Baustellenanwendungen werden Verfahren, die
einen drahtförmigen Zusatzwerkstoff verwenden, pulvergestützten Verfahren vorgezogen, da
sie hinsichtlich Anlagenhandling und Kosten vorteilhaft sind. Das Lichtbogenspritzen ist dadurch
charakterisiert, dass keine Brenngase benötigt werden, sondern in der Regel eine Druckluftbzw.
Inertgasversorgung sowie eine Stromversorgung ausreichend sind. Zur Herstellung hochlegierter
Beschichtungen, beispielsweise für den Oxidationsschutz von Kraftwerkskomponenten
(Wärmetauscher) ist der Einsatz von Fülldrähten notwendig, da sich Massivdrähte mit der benötigten
Legierungszusammensetzung aufgrund mangelnder Duktilität nicht herstellen und verarbeiten
lassen. Die Legierungsgehalte sind dabei durch den maximalen Füllgrad begrenzt. Bei
Fülldrähten mit 1,6 mm Durchmesser, wie sie für zahlreiche Anwendungen standardmäßig verwendet
werden, kann ein maximaler Füllgrad von ca. 20–25 % erreicht werden. Darüber hinaus
wäre das Mantelmaterial nicht mehr ausreichend mechanisch stabil. Durch die Verwendung
größerer Drahtdurchmesser sind problemlos höhere Gehalte möglich, was einerseits die Erschließung
neuer Legierungsbereiche ermöglicht und andererseits zur Kostensenkung bei der
Drahtherstellung beiträgt, da weniger Ziehvorgänge zur Einstellung des Enddurchmessers erforderlich
sind.
Dem Einsatz dicker Drähte stehen jedoch neben möglichen Vorteilen auch eine Reihe von Fragestellungen
und Problemen entgegen, die in dem beantragten Projekt systematisch untersucht
und geklärt werden sollen:
Welche Fülldrahtdurchmesser und Füllgrade können unter der Maßgabe erzeugt werden, dass
die Füllung fest eingebunden ist und im Prozess nicht vorzeitig herausgelöst wird?
Welche anlagentechnischen Grenzen bestehen bei der Verarbeitung hinsichtlich Drahtförderbarkeit,
-konstanz und maximalem Fördervolumen?
Welche Unterschiede sind in Abhängigkeit vom Drahtdurchmesser hinsichtlich Drahtabschmelzverhalten
und Schichtqualität bei verschiedenen Spritzverfahren und Werkstoffen zu
erwarten (Lichtbogendraht- und Drahtflammspritzen)?
Welche technologischen Veränderungen der Brennertechnik sind notwendig bzw. mit einfachen
Mitteln umsetzbar, um bestmögliche Beschichtungsergebnisse zu realisieren?
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17.049 B Abschlussbericht Stand von Wissenschaft und Technik / Problemstellung
Welche messbaren ökonomischen Vorteile können unter industriellen Bedingungen mit dem
Einsatz dicker Drähte erreicht werden?
2.2 Thermisches Spritzen
Thermisches Spritzen umfasst laut DIN EN 657 alle Beschichtungsverfahren, bei denen Spritzzusatzwerkstoffe
einem Spritzapparat zugeführt, unter Energieeintrag auf- oder angeschmolzen
und auf die zu beschichtende aber dabei nicht anzuschmelzende Oberfläche transportiert werden
[DIN05]. Das Beschleunigen bzw. auch das Zerstäuben der erhitzten bzw. geschmolzenen
Beschichtungswerkstoffe erfolgt meist mit gerichteter Gasexpansion mittels Düsen. Je nach
Verfahren, Prozessparameter und Spritzzusatzwerkstoff haben die so entstandenen Partikel
eine Durchmesserfraktion sowie eine spezifische Temperatur und Geschwindigkeit. Diese Partikeleigenschaften
ändern sich während der Flugphase. Haupteinflussgrößen für den Schichtaufbau
sind demnach der Abstand der Düse vom zu beschichtenden Bauteil (Spritzabstand), Zusammensetzung,
Temperatur, Größe und Geschwindigkeit der Spritzpartikel. Auf der Oberfläche
haften die auftreffenden Partikel hauptsächlich durch mechanische Kräfte (Formschluss,
Verklammerung) sowie Adhäsion und Kohäsion; es werden in der Literatur aber auch van-der-
Waals-Kräfte, chemische Bindungen und Diffusionsvorgänge als zusammenwirkende Haftmechanismen
erwähnt [Bab05]. Für die Anbindung der Beschichtung ist eine Vorbehandlung des
zu beschichtenden Bauteiles besonders wichtig. Die Arbeitsschritte dafür sind in DIN EN 14616
festgelegt. Grundlegend muss die Oberfläche frei von Fremdstoffen (Fette, Oxide usw.) sein
und eine angepasste Rauheit aufweisen [DIN04a].
2.2.1 Physikalische Grundlagen des Lichtbogenspritzens
Erfunden wurde das Lichtbogenspritzen durch den Schweizer Max Ulrich Schoop um 1915
(Abbildung 2.1). Es ist ebenso wie das Flammspritzen ein schon lang genutztes und sehr gut
untersuchtes Verfahren. Am grundlegenden Aufbau des Lichtbogenspritzsystems hat sich seit
fast 100 Jahren nicht viel geändert. Als Ausrüstung bedarf es lediglich einer Druckluftversorgung
oder eines anderen nicht brennbaren Expansionsgases, einer Drahtförderung und einer
geeigneten Spannungsquelle.
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