SB_22054LP

Abbildung 1 Allgemeines Prinzip der Herstellung thermisch gespritzter Hartmetallschichten (Berger 2014).
Hartmetallzusammensetzungen für den Hochtemperatureinsatz
Die für die Herstellung der Schichten gegenwärtig verwendeten kommerziell verfügbaren Hartmetallbeschichtungspulver
basieren auf Zusammensetzungen mit WC und Cr 3C 2 als Hartstoffe, sowie Kobalt, Nickel
und Legierungen auf ihrer Basis als metallische Binder. Eine Übersicht über die aktuell wichtigsten kommerziellen
Zusammensetzungen und eine in diesem Projekt verwendete experimentelle Zusammensetzung wird
in Abbildung 2 gegeben. Die grafische Darstellung zeigt das WC/Cr 3C 2-Verhältnis unabhängig vom Bindermetallgehalt,
welcher für alle Zusammensetzungen bei unterhalb von 30 vol% liegt (Berger 2018). Cr 3C 2 ist gegenüber
WC auf Grund seiner Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei Einsatztemperaturen von bis zu
900 °C und in korrosiven Medien der geeignetere Hartstoff. Der relativ geringe Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten
(WAK) von Cr 3C 2-NiCr zum WAK von Stahl ist ein weiterer Vorteil (Bolelli et al. 2016).
Nachteilig ist die geringere Verschleißbeständigkeit der Cr 3C 2-NiCr-Schichten. Wie eine neue Übersicht über
wichtige Systeme für Sinterhartmetalle zeigt, haben binäre WC-Cr 3C 2-Ni(Co) Zusammensetzungen dort keine
Bedeutung (García et al. 2019). Dies bedeutet, dass bei Werkstoffentwicklungen für das thermische Spritzen
nicht auf Grundlagenarbeiten auf dem Gebiet der Sinterhartmetalle zurückgegriffen werden kann.
Sowohl WC-Co als auch WC-CoCr Schichten oxidieren schon bei 450-500 °C unter Bildung von WO 3 und
CoWO 4 sehr schnell (Berger et al. 2005; Nolan et al. 1998). Cr 3C 2-NiCr ist die Standardzusammensetzung für
den Einsatz bei hohen Temperaturen an Luft. Der Einsatz dieser Schichten bis 900 °C wird durch die Bildung
von Cr 2O 3-Zunderschichten auf der Schichtoberfläche ermöglicht (Berger et al. 2005; Ding et al. 2015;
Matthews et al. 2009). Cr 2O 3 gehört daher zu den “klassischen” Schutzphasen (Schütze et al. 2006). Gemeinhin
wird eine Anwendungsgrenze von 950 °C angegeben, die zur Oxidation des Cr 2O 3 zum flüchtigen CrO 3
führt (Khanna 2004). Untersuchungen an Hochtemperaturlegierungen bis 1200 °C (Jönsson und Westerlund
2017) zeigten, dass die Einsatztemperaturen von Cr 3C 2-NiCr Schichten an Luft auch darüber liegen könnten.
Durch die Oxidation von Cr 2O 3 zu flüchtigen und gesundheitsgefährdenden Cr(VI)-Verbindungen wird der Einsatz
bei Temperaturen > 1200 °C dann endgültig verhindert.
Die ersten Informationen über eine kommerzielle Schichtzusammensetzung 45Cr 3C 2-37WC-18M (mit M =
NiCoCrFe) und die Schichteigenschaften erschienen 2004/2005 (Kirsten und Oechsle 2004; Kirsten et al.
2005), allerdings ohne eine Motivation für diese Binderzusammensetzung anzugeben. Danach folgten etliche
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22054N