SB_15.501NLP

2011
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Entwicklung und Herstellung
nachbearbeitungsarmer
Schichtsysteme zum
kostengünstigen Korrosionsund
Verschleißschutz mit
Fe-Basis-Feinstpulvern

Entwicklung und Herstellung
nachbearbeitungsarmer
Schichtsysteme zum
kostengünstigen Korrosionsund
Verschleißschutz mit Fe-
Basis-Feinstpulvern
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 15.501 N
DVS-Nr.: 02.001
RWTH Aachen University Institut für
Oberflächentechnik im Maschinenbau
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 15.501 N / DVS-Nr.: 02.001 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
© 2011 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 157
Bestell-Nr.: 170266
ISBN: 978-3-96870-156-1
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
1 Forschungsthema .........................................................................................................153
2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung................................153
2.1 Anlass für den Forschungsantrag.........................................................................153
2.2 Ausgangssituation ................................................................................................154
2.3 Stand der Forschung/Technik...............................................................................154
3 Forschungsziel/Ergebnisse ...........................................................................................155
3.1 Forschungsziel......................................................................................................155
3.2 Erzielte Ergebnisse...............................................................................................155
3.2.1 Herstellung der Schichtsysteme .......................................................................157
3.2.2 Grundcharakterisierung der Schichtsysteme....................................................163
3.2.3 Impactverhalten der Schichtsysteme................................................................164
3.2.4 Verschleißverhalten der Schichtsysteme..........................................................171
3.2.5 Korrosionsverhalten der Schichtsysteme .........................................................176
3.2.6 Benetzungsverhalten der Schichtsysteme........................................................178
3.2.7 Kostenkalkulation..............................................................................................179
3.3 Gegenüberstellung der erzielten Ergebnisse mit den geplanten Zielen,
Vernetzung zu anderen Projekten im Forschungscluster.....................................182
4 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft .................................................................183
4.1 Spezifische Transfermaßnahmen während der Laufzeit des Vorhabens .............184
4.2 Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach der Projektlaufzeit ...................185
5 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse
für KMU.........................................................................................................................186
5.1 Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse in KMU.......186
5.2 Voraussichtlicher Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU.....186
5.3 Aussagen zur voraussichtlichen industriellen Umsetzung der FuE-
Ergebnisse nach Projektende...............................................................................186
6 Durchführende Forschungsstelle ..................................................................................187
7 Danksagung ..................................................................................................................187
8 Literaturverzeichnis.......................................................................................................187

Änderungen/Anpassungen gegenüber dem ursprünglichen Arbeitsplan aufgrund von
Anregungen und Empfehlungen vom projektbegleitenden Ausschuss (PA) und in
Übereinstimmung mit dem PA
Aus Sicht der Forschungsstelle kann die Zusammenarbeit mit dem projektbegleitenden Ausschuss
(PA) als äußerst konstruktiv bezeichnet werden. Auf zahlreichen Treffen und Workshops
des projektbegleitenden Ausschusses entstanden viele Anregungen und Ideen. Die
wichtigsten Anregungen, die zum Teil zu Änderungen/Anpassungen des Arbeitsplans
führten, sind im Folgenden aufgelistet:
− Bereits zu Beginn des Projekt (auf dem Kickoff-Meeting in Aachen am 21.02.2008) wurde
seitens des projektbegleitenden Ausschusses angeregt, beim Plasmaspritzen neben
normalen Umgebungsbedingungen (ca. 78 % N 2 , ca. 21 % O 2 , sonstige Gase) auch
andere Atmosphären zu betrachten, bspw. durch eine Spritzstrahlummantelung (Shroud).
− Als Demonstrator wurden seitens des projektbegleitenden Ausschusses Walzen aus der
Druck- und Papierindustrie vorgeschlagen, anstelle von Hydraulikkomponenten. Für das
hier vorliegende Projekt wurde gemeinsam mit dem PA ein Farbduktor ausgewählt.
− Entsprechend der Änderung des Demonstratorbauteils, wurden auch die Tests in
Abstimmung mit dem PA angepasst. So wurde z.B. der Salzsprühnebeltest nach DIN EN
ISO 9227 durch Polarisationsversuche mit Feuchtmitteln ersetzt, da Belastungen, wie sie
im Salzsprühnebeltest herrschen, in einer Druckmaschine nicht auftreten.
− Seitens des PA wurde angeregt, Spritzsysteme zu verwenden, die für Lohnbeschichter
anwendungsrelevant sind, d.h. von KMUs häufig genutzt werden. Aus diesem Grund
wurden folgende drei Spritzsysteme betrachtet: kerosinbetriebenes HVOF, 3-Kathoden-
APS, 1-Kathoden-APS. Das 3-Kathoden-APS-System wurde aufgrund seines Funktionsprinzips
und des damit verbundenen so genannten Cage-Effekts ausgewählt. Dabei kann
theoretisch durch eine Pulverinjektion zwischen die drei Plasmastrahlen eine
Abschirmung der Partikel vor der Umgebungsluft bei einer gleichzeitig gleichmäßigeren
Beschleunigung/Aufheizung der Partikel erreicht werden (vgl. ersten Punkt). Das
1-Kathoden-APS wurde auf Wunsch des PA wegen seiner weiten industriellen
Verbreitung und somit Anwendungsrelevanz eingesetzt.
− Ähnlich wie bei den Beschichtungssystemen, wurde seitens der Mitglieder des PA auch
bei den Werkstoffen die Frage nach der Verfügbarkeit der untersuchten Fe-Basis-Feinstpulver
gestellt. Diesbezüglich wurde daher der Schwerpunkt auf die Verarbeitung von
kommerziell in großen Mengen erhältlichen Fe-Basis-Pulvern gelegt. Durch die enge
Vernetzung mit dem Projekt „Fe-Basis-Feinstpulverlegierung“ (W2) wurde jedoch die
Verarbeitbarkeit der neu hergestellten Werkstoffe (alternatives Verfahren zum Gasverdüsen)
kontinuierlich erforscht und exemplarisch gezeigt.

1 Forschungsthema
Entwicklung und Herstellung nachbearbeitungsarmer Schichtsysteme zum kostengünstigen
Korrosions- und Verschleißschutz mit Fe-Basis-Feinstpulvern
2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Zu Beginn wird in diesem Kapitel 2 zunächst auf den Anlass für den Forschungsantrag zum
oben genannten Forschungsthema sowie die herrschende Ausgangssituation eingegangen.
Anschließend wird der Stand der Forschung/Technik betrachtet.
2.1 Anlass für den Forschungsantrag
Die vergleichsweise hohen und zum Teil stark fluktuierenden Werkstoffpreise typischer
Korrosions- und Verschleißschutzschichten wie etwa WC/Co, Cr 3 C 2 /NiCr oder NiCrBSi
können zu erhöhten Beschichtungskosten führen. Daneben spielen auch Umwelt- und
gesundheitliche Aspekte eine große Rolle, unter welchen einige für den Korrosions- und
Verschleißschutz eingesetzten Werkstoffe und Werkstoffkombinationen kritisch sein können
[Zim08]. Eisenbasierte Werkstoffe stellen unter wirtschaftlichen und gesundheitlichen
Gesichtspunkten eine sehr gute Alternative zu den konventionellen Metallmatrix-
Verbundwerkstoffen (z.B. Karbide in metallischer Matrix) bzw. Ni-Basis-Werkstoffen dar,
wenn sie einen vergleichbaren und zuverlässigen Schutz bieten können. Fe-Basis-
Werkstoffe/-Schichten werden zwar schon seit Jahrzehnten eingesetzt, jedoch waren sie
bisher anderen Legierungssystemen (bspw. Ni-Basis) hinsichtlich Verschleiß-/Korrosionseigenschaften
unterlegen. Durch Weiter-/Neuentwicklungen von Beschichtungs- und Werkstoffsystemen
sind eisenbasierte Werkstoffe wieder konkurrenzfähig geworden und stellen
eine ökonomische und ökologische Alternative zu teuren Legierungen dar [Sch09]. Diese
Aspekte spiegeln sich auch in den Ergebnissen einer DVS/GTS-Umfrage [DVS07] zu den
Potentialen des Thermischen Spritzens wider, in der dieser Thematik von Seiten der
Industrie großes Interesse bescheinigt wurde.
Neben den Werkstoff- und Beschichtungskosten ist ein großer Anteil an den Gesamtkosten
die Nach-/Endbearbeitung der Bauteile. Beschichtungen mit Feinstpulvern stellen eine sehr
viel versprechende Lösung dieser Problematik dar. Mit ihnen sind dünne dichte Schichten
mit hohen Oberflächengüten erreichbar (endkonturnah) [Til08], die die Kosten für die Nachbearbeitung
senken können [Bob10b]. Abhängig vom konkreten Belastungsfall kann auch
eine Steigerung der Verschleißbeständigkeit beobachtet werden [Pic06]. Die aktuellen Entwicklungen
im Bereich der Thermischen Spritztechnik in Richtung hoher kinetischer Energien
bei vergleichsweise moderaten Partikeltemperaturen begünstigen den Einsatz solcher sehr
feinen Pulver zusätzlich.
Im Rahmen dieses Projekts sollten mikrostrukturierte Feinstpulver auf Eisenbasis als wirtschaftliche
(im Vergleich zu kostenintensiven Ni- oder Co-Basis-Werkstoffen) und umweltbzw.
gesundheitsverträglichere (im Vergleich zu hoch Cr- oder Ni-haltigen Werkstoffen)
Alternative exemplarisch am Beispiel der Beschichtung eines Farbduktors aus der Druckmaschine
erforscht werden. Die entwickelten Methoden und Werkstoffe sind auch auf andere
Branchen wie etwa den allgemeinen Maschinenbau, den Anlagenbau oder die Automobilindustrie
transferierbar.

2.2 Ausgangssituation
Im Bereich des Verschleiß- und Korrosionsschutzes wird heute industriell eine Vielzahl an
Schichtsystemen erfolgreich eingesetzt. Dazu gehören unter anderem galvanische Beschichtungen
(etwa galvanisches Hartchrom) und thermisch gespritzte Schichtsysteme (Metalllegierungen,
Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Keramiken) [z.B. Bol06, Bol08, Wan06]. Dabei
haben beide Technologien je nach Anwendungsfall sowohl ihre Vor- als auch ihre Nachteile.
Im Bereich der Thermischen Spritztechnik mit ihrem enorm großen Werkstoff- und Verfahrensportfolio
besteht ein hohes Potential zur weiteren Verbesserung der Schichtsysteme.
Vor allem thermisch gespritzten Fe-Basis-Werkstoffen wird ein hohes Potential unter
ökonomischer und ökologischer Hinsicht zugesprochen [DVS07]. Dies liegt zum einen an
neuentwickelten Fe-Basis-Werkstoffen [Sch09], zum anderen an den bereits erwähnten
Weiterentwicklungen der thermischen Beschichtungssysteme. Vor dem Beschichten werden
die Bauteile im Allgemeinen durch Korundstrahlen aufgeraut und aktiviert sowie mit Alkohol
von Fettrückständen gereinigt. Im Anschluss an den Beschichtungsprozess folgt (zumeist)
eine mechanische Nach-/Endbearbeitung mittels Zerspanens und/oder Schleifens, da die
Beschichtungen im as-sprayed-Zustand die Anforderungen bestimmter Applikationen an
Maßgenauigkeit und Oberflächenrauheit nicht erfüllen können. Dies ist bspw. bei dem in
diesem Projekt als Demonstratorbauteil betrachteten Farbduktor der Fall (vgl. Kapitel 3.2.1).
Aus diesem Grunde müssen Spritzschichten mit einem zusätzlichen Übermaß gespritzt
werden, das u.a. stark von der verwendeten Pulverfraktionierung beeinflusst wird. Bei feinen
Pulvern (etwa -15+5 µm) kann dieses Übermaß, bedingt durch niedrigere Oberflächenrauigkeiten,
geringer gewählt werden als z.B. bei Pulvern mit einer Fraktionierung von
-53+20 µm. Dieser zusätzliche Beschichtungsaufwand wirkt sich zusammen mit der
notwendigen Nachbearbeitung negativ auf die wirtschaftliche Prozesseffizienz aus. Einen
Sonderfall im Bezug auf die Prozesskette stellen eingeschmolzene Beschichtungen dar.
Diese Beschichtungen werden nach dem Spritzprozess in einem zusätzlichen Prozessschritt
eingeschmolzen und zeichnen sich durch außergewöhnlich hohe Haftzugfestigkeiten,
geringe und geschlossene Porosität sowie eine deutlich reduzierte Oberflächenrauheit aus
und eignen sich besonders gut für den Korrosionsschutz. Für diese Beschichtungen kommen
in der Regel selbstfließende Legierungen auf Ni-Basis zum Einsatz. Zusätzlich werden
selbstfließende Legierungen auf Co-Basis verwendet. Der Einsatz dieser Beschichtungen
wird jedoch durch die erforderliche Wärmebehandlung (ca. 900-1000 °C) des Bauteils nach
dem Beschichten eingeschränkt.
2.3 Stand der Forschung/Technik
In den vergangenen 20 Jahren nahm der Anteil des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens
(HVOF) bei der Herstellung von Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten stetig zu. HVOFgespritzte
Beschichtungen zeichnen sich durch hohe Haftzugfestigkeiten, geringe
Porositäten und geringe Oxidverunreinigungen aus. Heutige HVOF-Beschichtungen mit
konventionellen Pulverfraktionen (z.B. -53+20 µm) weisen in der Regel Oberflächenrauigkeiten
zwischen 3 µm und 6 µm (Ra) auf. Mittels Plasmaspritzens können hoch
schmelzende Werkstoffe verarbeitet werden. Bei diesem Verfahren gibt es eine Entwicklung
hin zu Mehrelektrodensystemen (z.B. 3-Kathoden-APS TriplexPro-200, Sulzer Metco,
Hattersheim, Deutschland). Diese ermöglichen im Vergleich zu den 1-Elektrodenpaar-
Systemen einen stabileren Beschichtungsprozess mit höheren Partikelgeschwindigkeiten.