SB_19866BLP

DVSMediaGmbH

2019

Abschlussbericht

DVS-Forschung

Einsatzgrenzen von Fülldrähten

mit großem

Durchmesser und angepasster

Hartstofffüllung

für das thermische Spritzen


Einsatzgrenzen von Fülldrähten mit

großem Durchmesser und angepasster

Hartstofffüllung für das thermische

Spritzen

Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben

IGF-Nr.: 19.866 N

DVS-Nr.: 02.106

Technische Universität Chemnitz,

Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik

Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik

Förderhinweis:

Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.866 N / DVS-Nr.: 02.106 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.


Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen

Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar

unter: http://dnb.dnb.de

© 2019 DVS Media GmbH, Düsseldorf

DVS Forschung Band 450

Bestell-Nr.: 170559

ISBN: 978-3-96870-449-4

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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vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die

Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.


Inhaltsverzeichnis

I

Inhaltsverzeichnis

II

III

Abbildungsverzeichnis......................................................................................... II

Tabellenverzeichnis ........................................................................................... IV

1 Einleitung und Zielstellung .................................................................................. 1

1.1 Motivation............................................................................................................ 1

1.2 Ziel des Vorhabens ............................................................................................. 3

2 Stand der Forschung sowie eigene Vorarbeiten .................................................. 5

3 Arbeitsplan und durchgeführte Untersuchungen.................................................10

3.1 Methodischer Ansatz ..........................................................................................10

3.2 Arbeitspunkte .....................................................................................................11

3.3 Arbeitsplan .........................................................................................................12

3.4 Gegenüberstellung durchgeführter Arbeiten und Ergebnisse mit den Zielen ......13

3.4.1 Arbeitspunkt 1: Auswahl und Konzeption von Fülldrähten ..................................13

3.4.2 Arbeitspunkt 2: Charakterisierung Spritzprozess ................................................16

3.4.3 Arbeitspunkt 3: Charakterisierung Beschichtung ................................................18

3.4.4 Arbeitspunkt 4: Ergebnistransfer ........................................................................28

4 Fazit ...................................................................................................................29

5 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen ..................................30

6 Ergebnistransfer in die Wirtschaft .......................................................................31

6.1 Spezifische Transfermaßnahmen während der Laufzeit des Vorhabens ............32

6.2 Spezifische Transfermaßnahmen nach der Laufzeit des Vorhabens ..................33

6.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten

Transferkonzepts ...............................................................................................33

7 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ................................34

8 Verwendung der Zuwendung .............................................................................35

IV

Literatur ............................................................................................................... V

- I -


Einleitung und Zielstellung

1 Einleitung und Zielstellung

1.1 Motivation

Thermisch gespritzte Verschleißschutzschichten werden bei einer Vielzahl von Maschinenelementen

zur Erhöhung der Lebensdauer eingesetzt. Das zentrale Ziel ist hierbei die Verwendung

von kostengünstigen Grundwerkstoffen ergänzt durch eine entsprechende Oberflächenfunktionalisierung.

Die Verfahren des Thermischen Spritzens bieten eine Reihe von

Möglichkeiten zur Applizierung metallischer, keramischer und cermetischer Schichten bzw.

Schichtsysteme. Für diese Werkstoffklassen werden bisher vor allem Hochgeschwindigkeitsflamm-

und Plasmaspritzprozesse verwendet. Eine weitere Variante zur Realisierung

verschleißbeständiger Schichtstrukturen ist die Einbringung von karbidischen Hartstoffpartikeln

in der gewünschten Größe und Konzentration in eine duktile Matrix. Unter Verwendung

des Lichtbogenspritzens kommen hierzu Fülldrähte mit einer metallischen Hülle und

einem partikelgefüllten Kern zum Einsatz. Diese Verfahrensvariante bietet eine Reihe von

Vorteilen. Das Draht-Lichtbogenspritzen zählt zu den kosteneffizientesten thermischen

Spritzverfahren. Für den konventionellen Prozess wird lediglich ein Zerstäubergas wie

bspw. Stickstoff oder Druckluft benötigt. Der Spritzzusatzwerkstoff steht auf entsprechenden

Drahtspindeln zur Verfügung. Die unkomplizierte Anlagentechnik und Prozessführung

ermöglichen eine automatisierte Anwendung.

Bei der Verwendung von Fülldrähten sind jedoch Besonderheiten zu beachten. Es existieren

zahlreiche Anbieter (Corodur, GTV, Durum, ITW, Praxair) und Konzepte zur Gestaltung

der Spritzzusatzwerkstoffe. Die Drähte unterscheiden sich durch die Wandstärke des Mantelwerkstoffs

sowie Art und Form der Falzung, woraus schließlich der Querschnitt und die

Menge an enthaltener Partikelfraktion im Kern resultieren. Das Verhältnis zwischen Massivwerkstoff

und Pulvermenge hat entscheidenden Einfluss auf den Spritzprozess sowie

auf die Eigenschaften der entstehenden Verschleißschutzschicht. Im Beschichtungsvorgang

werden zwei Drahtzusatzwerkstoffe zusammengeführt und in einem Lichtbogen als

Kathode und Anode abgeschmolzen. Die Kontaktierung erfolgt je nach Systemvariante 10

bis 30 mm vor dem Drahtende. Der Spritzzusatz ist damit nicht nur zugeführter Werkstoff,

sondern nimmt eine aktive Rolle im Prozess ein. Je nach Ausformung besitzt der Draht

einen spezifischen elektrischen Widerstand, der als Systembestandteil und Störgröße den

Prozess beeinflusst. Die Menge und Zusammensetzung der Hartstoffphase sowie deren

Partikelgröße ist vom jeweiligen Fülldraht abhängig. Je nach Anbieter und Produkt können

somit unterschiedliche Schichtstrukturen erzeugt werden. Die gezielte Beeinflussung der

- 1 -


Einleitung und Zielstellung

entstehenden Oberflächenfunktionalisierung ist aufgrund des nicht reproduzierbaren Übergangs

der Hartstoffe von der Drahtfüllung in die Spritzschicht bisher nicht möglich. Ein erheblicher

Anteil der enthaltenen pulverförmigen Werkstoffe wird aufgrund der hohen Kinetik

des Prozesses nicht in die Matrix eingebunden und direkt von der Oberfläche reflektiert.

Die bisherigen Erkenntnisse zum optimalen Verhältnis zwischen Mantelwerkstoff und Verstärkungskomponente,

zum Werkstoffübertrag sowie zur Prozesskinetik bieten erheblichen

Forschungsbedarf.

Als Grundlage für ein deutlich verbessertes Verständnis des Vorgangs muss eine Untersuchung

der Zusammenhänge zwischen Drahtdesign, Partikelgröße, Prozessparametern und

Hartstoffübergang erfolgen. Die so gewonnenen Kenntnisse ermöglichen eine zielgenaue

und reproduzierbare Herstellung von Verschleißschutzschichten mit definierten Eigenschaften.

Hierzu müssen die Verfahrensgrenzen und industriell nutzbare Prozessfenster

ermittelt werden.

- 2 -


Einleitung und Zielstellung

1.2 Ziel des Vorhabens

Das Potenzial des angestrebten Forschungsvorhabens liegt für die involvierten Unternehmen

in einem deutlich verbesserten grundlegenden Verständnis des Lichtbogenspritzens

mit Fülldrähten zur Erstellung von karbidpartikelverstärkten Oberflächenfunktionalisierungen.

Der Erkenntnisgewinn ermöglicht eine genaue Planung von Schichtstrukturen unter

gezielter Auswahl des jeweiligen Spritzzusatzwerkstoffes und erweitert damit die Einsatzmöglichkeiten

des wirtschaftlichen Draht-Lichtbogenspritzens. Hierdurch werden gleichermaßen

Werkstofflieferanten, Anlagenhersteller und Lohnbeschichter unterstützt.

Das Draht-Lichtbogenspritzen gehört zu den wirtschaftlichsten Verfahren aus der Gruppe

des Thermischen Spritzens. Typische Alternativen zur Herstellung von Verschleißschutzbeschichtungen

auf Karbidbasis wie bspw. HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), Plasmaoder

Kaltgasspritzen könnten in vielen Fällen durch diese kostengünstigere Prozessvariante

ersetzt werden. Das Vorhaben leistet damit einen Beitrag zur energieeffizienten und

ressourcenschonenden Fertigung. Gleichzeitig eröffnen sich neue Anwendungsfelder

durch die gezielte Nutzung von Funktionsbeschichtungen auf kostengünstigen Substraten

und die Substitution von Massivbauteilen aus teuren Grundwerkstoffen. Die gewonnenen

Erkenntnisse zum Prozess, d. h. die ermittelten Parameterfenster und Richtlinien für die

Zusatzwerkstoffauswahl, können durch Lohnbeschichtungsunternehmen (vor allem KMU)

unmittelbar genutzt werden. Des Weiteren ergeben sich für Drahthersteller neue Impulse in

der Entwicklung von Fülldrähten. Von der Erschließung neuer Anwendungen sowie der Erweiterung

bereits etablierter Verfahren profitieren gleichermaßen auch Spritzanlagenhersteller.

Bei der Herstellung einer verstärkten Schichtmatrix ist die gleichmäßige Verteilung der Hartstoffpartikel

von entscheidender Bedeutung. Der Erkenntnisgewinn ermöglicht eine prozesssichere,

reproduzierbare Anwendung zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten

für individuelle Beanspruchungen. Damit dient das Vorhaben sowohl der Erweiterung des

Portfolios der Hersteller als auch der Nutzer entsprechend funktionalisierter Produkte.

Das Ziel des Projektes ist die Untersuchung und systematische Analyse der Auswirkungen

des Drahtaufbaus und seiner Zusammensetzung auf den Draht-Lichtbogenspritzprozess

und das Beschichtungsergebnis. Damit erfolgt ein entscheidender Schritt zum grundlegenden

Verständnis des Verfahrens unter Verwendung von Fülldrähten zur Herstellung von

Verschleißschutzbeschichtungen auf stark beanspruchten Werkstücken. Um die erzeugte

- 3 -


Einleitung und Zielstellung

Schichtqualität hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Homogenität und Morphologie zu optimieren,

ist eine Entwicklung und Anpassung der momentan verwendeten Fülldrähte, die

oftmals aus dem Bereich der Schweißtechnik übernommen wurden, erforderlich. Aufgrund

der speziellen Anforderungen des Thermischen Spritzverfahrens ist der Zusatzwerkstoff,

bestehend aus Hülle und Partikelfüllung, in seiner Gesamtheit zu betrachten und entsprechend

zu überarbeiten. Die variablen Parameter sind dabei der Mantel aus Massivwerkstoff

in Bezug auf Stärke und Zusammensetzung sowie die eingebrachte, nicht gelöste Partikelphase

hinsichtlich Menge und Größenfraktion.

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