SB_19866BLP

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.

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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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