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BTU
In the present paper the results of the investigations on the improvement of the wettability between the oxide ceramic particles (SiO2 and AlZrO2) and the iron-based matrix are presented. As a possible way to overcome this problem, the deposition of thin metal bonding layer (for example, Ti) on the surface of the ceramic particles by means of PVD-method was suggested. For this purpose, novel technical solutions for deposition of the PVD-coating on the loose ceramic particles have been elaborated.
The cored wires with the diameter of 1.6 mm in low alloyed steel sheath have been fabricated utilizing the PVD-coated hard particles as filling powders. Arc-spraying was carried out with the optimized spraying parameters. The microstructure and worn surface morphologies of the coatings were observed by means of optical and scanning electron microscopy. The coatings demonstrated the excellent abrasive wear resistance. Wear mechanisms have been discussed as well.
Dieser Beitrag liefert einen Überblick über die Ergebnisse von Arbeiten, welche von den Mitgliedern der Arbeitsgruppe V2.7 des DVS e.V. mit dem Ziel geleistet wurden, Fülldrähte als Zusatzwerkstoffe für die Herstellung von Verbindungen und Beschichtungen sicher und erfolgreich nutzen zu können. Hierzu gehören Arbeiten zur Verdeutlichung des Aufbaus, der Klassifikation sowie der Verarbeitbarkeit von Fülldrähten. Es werden Kenntnisse der Hersteller, der Anwender und von Forschungseinrichtungen zusammengefasst dargestellt. Ein breites Anwendungsgebiet der Fülldrahtelektroden betrifft die Herstellung verschleißbeständiger Beschichtungen. Fülldrahtelektroden sind sowohl für das Spritzen als auch für das Auftragsschweißen geeignet. Es wurden Merkblätter mit dem Ziel erarbeitet, dem Anwender Unterstützung für die Wahl eines für die konkrete Anwendung geeigneten Fülldrahtes zu liefern. Erarbeitete Merkblätter und Normen zur Nutzung von Fülldrähten werden präsentiert. Ausbildungsunterlagen zum Verbindungsschweißen von un- und niedrig legierten Werkstoffen mittels Fülldrahtelektroden sind erarbeitet, Diese Ausbildungsunterlagen werden weiterführend durch die Unterlagen zum Auftragsschweißen mit Fülldrahtelektroden ergänzt.
Die Integration von Hartstoffen in Verschleißschutzschichten wird herkömmlich dann vorgenommen, wenn die Größe angreifender Abrasive die Geometrie in situ gebildeter Hartphasen überschreitet. Es wird davon ausgegangen, dass die Verschleißspur vom Hartstoff unterbrochen wird. Dies gelingt, wenn die Härte des Hartstoffs größer ist als die Härte des angreifenden Abrasivs. Unbeachtet bleiben bei diesen Betrachtungen die Art der Einbettung des Hartstoffes und seine Zähigkeit. Beide Aspekte können durch eine dynamische Beanspruchung der Schicht gut beurteilt werden. Vergleichende Verschleißuntersuchungen liefern bei Variation der Beanspruchung, des Hartstoffgehaltes, der Hartstoffart und der Eigenschaften der Verbindung zwischen Matrix und Hartstoff Hinweise auf die Eignung partikelverstärkter Verschleißschutzschichten. Alternativ zu konventionellen Hartstoffen auf WxCy-Basis werden in den Beschichtungen Oxide als Hartstoffe eingebettet und der Verschleißwiderstand bei Variation der Beanspruchungsart bestimmt. Eine Oberflächenanalyse gestattet es, die Wirkungen der eingebetteten Hartstoffe infolge der Verschleißbeanspruchung zu beurteilen. Es werden Schlussfolgerungen zur Eignung eisenbasierter Verbundschichten mit eingelagerten keramischen Hartstoffen bei dynamischer Belastung abgeleitet.
Auf der Grundlage chemisch-metallurgischer Untersuchungen sowie technologischer Entwicklungen wurde ein Aluminium-Basis-Schweißzusatzwerkstoff mit dem Ziel entwickelt, ihn für die Herstellung von Stahl-Stahl-Verbindungen zu nutzen. Die gegenüber der Anwendung konventioneller Cu-Basis-Lote deutlich geringeren Fügetemperaturen und die sich daraus ableitenden Vorteile hinsichtlich der Bauteilgeometrie und dem Verzug werden vorgestellt. Hinzu kommt eine deutlich geringere Masse in der Fügezone, womit die Ambitionen nach Leichtbau unterstützt werden. Die in der Fügezone zu erwartenden spröden Phasen, infolge der Kontaktierung des flüssigen Al-Zusatzwerkstoffes mit dem Stahlteil, sind durch die Anwendung geregelter Kurzlichtbogenprozesse in einer Kombination mit der Wechselstromtechnologie zu begrenzen. Metallografische Untersuchungen bestätigen dies. Die Lötparameter sind für die üblichen Blechdicken bis 1,5 mm und die üblichen Beschichtungsvarianten ermittelt. Es werden Ergebnisse zur Spaltüberbrückbarkeit und dem Versatz vorgestellt. Die Lötgeschwindigkeiten sind abhängig von den gewünschten Verbindungseigenschaften und liegen im Bereich von 0,30 bis 1,2 m/min. Eine teilmechanisierte Verbindungsherstellung ist zu empfehlen. Die Untersuchungen zur Anwendung des entwickelten Zusatzwerkstoffes sind komplettiert durch die Herstellung von Aluminium-Aluminium-Verbindungen sowie von Mischverbindungen Aluminium-Stahl. Die Beurteilung der neu entwickelten Legierung für die Herstellung von Aluminium-Aluminium-Schweißverbindungen erfolgt vergleichend zu konventionell am Markt erhältlichen Qualitäten - wie dem AlSi5 (A) und dem AlMg5 Cr (A). Als Beurteilungskriterien fungieren, neben der Prozessstabilität, auch die einstellbaren mechanischen Verbindungseigenschaften. Besondere Aufmerksamkeit kommt der schlagartigen Belastung von Verbindungen zu. Die Anwendbarkeit der entwickelten Al-Basis-Legierung für die Herstellung von Mischverbindungen Aluminium-Stahl wurde geprüft und beurteilt. Die für ihre Anwendung geeigneten technologischen Parameter werden vorgestellt. Es werden Scherzugfestigkeiten bis ca. 200 MPa registriert.
Dieser Beitrag liefert einen Überblick über die Ergebnisse von Arbeiten, welche von den Mitgliedern der Arbeitsgruppe AG V 2.7 des Ausschuss für Technik (AfT) im Deutschen Verband für Schweißen und verwandte Verfahren (DVS e.V.) geleistet wurden. Es werden Informationen zum Aufbau, der Kennzeichnung, der chemischen Konfiguration und der Anwendung von Fülldrahtelektroden, die für das Auftragschweißen, das Puffern, das formgebende Schweißen oder auch für die additive Fertigung benutzt werden, vorgestellt. Die Ausführungen betreffen selbstschützende Fülldrahtelektroden. Die Herstellung und Nutzung dieser Fülldrahtelektroden steht im Fokus dieser Arbeit. Hinzu kommen Ausführungen zu Unregelmäßigkeiten, die den Praktiker dabei unterstützen sollen, eine Beurteilung von auftraggeschweißten Beschichtungen durchzuführen. Hinweise zur Vermeidung von Unregelmäßigkeiten helfen dem Beschichter, die Qualität zu verbessern.
Die hier vorgestellten Ergebnisse sind in den DVS-Merkblättern 0941-6 und 0945-2 berücksichtigt. Es handelt sich um grundlegendes Wissen. Erst auf dieser Basis wird es möglich, Beschichtungen auf hohem technischen Niveau herzustellen. Um das erlangte Niveau kontinuierlich zu verbessern, bedarf es der Verbreitung des vorhandenen Wissens und der Erkenntniserweiterung. Hierzu gehören auch die weiteren Aktivitäten der Mitglieder der AG V 2.7, wie die Erstellung von Ausbildungsunterlagen
Der konsequente Leichtbau bedingt die Anwendung von Werkstoffen differierender Eigenschaften, es ergeben sich Multimaterialkonzepte. Die Umsetzung dieser Konzepte erfordert allerdings tragfähige Verbindungen. Gute Voraussetzungen hierfür bietet die mechanische Fügetechnik, da z.B. differierende thermische Eigenschaften der Grundwerkstoffe gut kompensiert werden können. Allerdings setzt ihre Anwendung eine Verformbarkeit der zu verbindenden Teile in der Fügestelle voraus. Die Verformbarkeit ist bei den Faserverbundwerkstoffen nur begrenzt gegeben. Aus diesem Grund wurden Möglichkeiten der thermischen und thermo-mechanischen Vorbehandlung der Fügestelle mit dem Ziel untersucht, hoch belastbare punktuelle Verbindungen herzustellen. Neben konventionellen Energiequellen, wie erwärmte Gase, der Induktion und der Widerstandserwärmung, wurden bei den durchgeführten Untersuchungen Laser berücksichtigt. Auch Varianten der mechanischen und thermische Verfahren wie das thermisch unterstützte Vorlochen wurden hinsichtlich der Erzielung hoher Verbindungsfestigkeiten untersucht. Durch die thermo-mechanische Vorbehandlung der Fügestelle konnte eine Verdopplung der für die Zerstörung der Verbindung notwendigen Scherzugkräfte gegenüber den konventionellen stanzgenieteten Verbindungen erzielt werden. Die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Verbindungen wurden mit dem Ziel der Beurteilung der benutzten Verbindungstechnologie bestimmt. Metallografische Untersuchungen helfen, das Ergebnis der mechanischen Prüfungen besser zu verstehen. Schlussendlich wurden Korrosionsuntersuchungen durchgeführt. Zur Anwendung kamen dabei auch beschichtete Verbindungselemente. Neben der visuellen Prüfung der Korrosionsbeständigkeit wurden in der Beurteilung auch Veränderungen der mechanischen Verbindungseigenschaften berücksichtigt. Das Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen ist eine Technologie, mit welcher reproduzierbar Verbindungen hergestellt werden können.
Die Herstellung punktueller Verbindungen an Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium (Al) mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen führt zu sehr intensiven Reaktionen zwischen dem Elektroden- und dem Substratwerkstoff. Diffusionsprozesse beeinflussen die Oberflächen der Elektroden, was wiederum eine Änderung der Schweißpunkteigenschaften bedeutet, so dass bereits nach der Herstellung weniger Verbindungen Nacharbeiten an der Elektrode notwendig werden. Eine Möglichkeit diese Reaktionen zu reduzieren, wird in der Berücksichtigung von Elektrodenwerkstoffen erwartet, deren Affinität zu Al gering ist. Neben diesem Kriterium müssen jedoch auch die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Werkstoffe bei der Auswahl berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass eine sichere und effektiv herzustellende Verbindung zum Elektrodenwerkstoff Kupfer erforderlich ist. Als Ergebnis der Überprüfung und Wichtung der elektrischen und thermischen Eigenschaften technisch interessanter Werkstoffe unter Beachtung wirtschaftlicher Aspekte wurden in den durchgeführten Untersuchungen die Werkstoffe Grafit, Wolfram und Molybdän berücksichtigt. Zusätzlich erfolgte die Überprüfung PVD-beschichteter Cu-Elektroden. Mittels Langzeituntersuchungen sind Angaben zur Eignung der Werkstoffe realisiert. Eine sehr große Herausforderung betraf die Herstellung von Verbindungen zwischen den nicht bzw. kaum mit Al reagierenden Werkstoffen und dem Cu der Punktschweißelektroden. Das Kondensatorentladungsschweißen konnte hierfür qualifiziert werden. Es wurden die Parameter ermittelt, mit denen sichere Verbindungen innerhalb extrem kurzer Zeit hergestellt werden können. Im Gegensatz zum Löten oder Umgießen handelt es sich um einen sehr effektiven Prozess mit hohem Potenzial für die Massenfertigung. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen sind eine gute Voraussetzung dafür, eine Vervielfachung der Anzahl gleichartiger Punkte setzen zu können und somit die Leichtbaubestrebungen zu unterstützen.
Der konsequente Leichtbau ist eine zwingende Voraussetzung, um den wachsenden gesellschaftlichen Erwartungen an Energieeffizienz, Klimaschutz, Kraftstoffverbrauch, Komfort und Nachhaltigkeit zu entsprechen. Mit den entwickelten Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen existieren neue Werkstoffe, welche ein hohes Leichtbaupotenzial aufweisen. Diese Werkstoffe gestatten es dem Endanwender – der Mobilität produzierenden Industrie –, mit vorgefertigten Leichtbauverbundwerkstoffen zu arbeiten. Diese neuen Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffe intelligent zu nutzen, erfordert geeignete Fügetechnologien. Das tragfähige Verbinden von Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen unter Beibehaltung des Multimaterialkonzeptes wird zum zentralen Baustein der Realisierung von Leichtbau. Werden zusätzlich Ziele wie Fügegeschwindigkeiten von 4 m/min, unmittelbare Weiterverarbeitung der gefügten Teile, keine negative Beeinflussung des Stahl-Kunststoff-Verbundes, metallische und dichte Verbindungen, Prozesssicherheit und höchste ästhetische Zielstellungen formuliert, bedarf es der Entwicklung einer neuen Fügetechnologie. Konventionelle thermische Verfahren wurden überprüft und als nur begrenzt anwendbar beurteilt. Es ist notwendig, die z. Zt. minimale thermische Prozessenergie um ca. 2/3 zu reduzieren. Dies gelingt durch die energetische Trennung des Lotaufschmelzprozesses vom Bauteilaktivierungsprozess. Unabhängig davon muss mit niedrig schmelzenden Loten auf Sn-Zn-Basis gearbeitet werden. Die Aktivierung der Oberfläche der zu verbindenden Substrate kann mit Flussmitteln, aber auch mittels Laserstrahlung erfolgen. Auch Lichtbögen wurden untersucht. Diese können jedoch in dem angestrebten Geschwindigkeitsbereich nicht prozesssicher benutzt werden. Am Beispiel der Herstellung von Bördelnähten wird die Anwendbarkeit des Flüssigkeitsstrahllötens mit Laserunterstützung vorgestellt. Werden die Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffe an massive Teile gelötet, muss zusätzlich die differierende Wärmeleitung berücksichtigt werden. Dieser Einfluss wird bei der Positionierung der beiden Energiequellen beachtet. Die Eigenschaften der hergestellten Verbindungen wurden physikalisch und metallografisch bewertet. Eine Methode der Beurteilung von Delaminationen war zu entwickeln.
Leichtbau mit Multimaterialsystemen erfordert stets ein tragfähiges Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe. Die Auswahl eines Fügeverfahrens erfolgt dabei vordergründig auf der Basis der Werkstoff- und der angestrebten Verbindungseigenschaften. Die begrenzte Mischbarkeit der Werkstoffe Aluminium und Magnesium im schmelzflüssigen Zustand verursacht technologische Schwierigkeiten bei der Anwendung der thermischen Fügetechnik. Aus diesem Grund wurde für die Herstellung punktueller Verbindungen von Magnesium mit Aluminium ein thermo-mechanisches Fügeverfahren entwickelt. Basierend auf dem Verfahren Clinchen sind die notwendigen thermischen Bedingungen erarbeitet worden, um belastbare punktuelle Verbindungen zu erzeugen. Während viele Aluminiumsorten -begründet durch die Gitterstruktur - sehr gut umformbar und somit für die Herstellung von Verbindungen mittels Clinchen gut geeignet sind, ist dies bei Magnesium nicht so. Die hexagonale Gitterstruktur erfordert eine ausreichende Erwärmung der Verbindungsstelle vor dem Fügen. Dies allein genügt jedoch nicht, da die sehr gute Wärmeleitung des Fügewerkzeuges die zugeführte Energie sehr schnell wieder abführt. Somit ist zusätzlich eine Vorwärmung der Werkzeuge zwingend. Die thermischen Bedingungen wurden zunächst mit dem Ziel der Reduzierung des Versuchsaufwandes simuliert. Das Modell ist versuchstechnisch validiert. Die thermischen Bedingungen am Bauteil und am Werkzeug wurden mit dem Ziel der Einstellung hoher Verbindungsfestigkeiten variiert. Als Optimierungskriterium wurde die Scherzugfestigkeit definiert. Um die Erwärmung der beiden Werkstoffe sowie des Werkzeuges reproduzierbar zu gestalten, erwies sich eine Kombination von joulescher- und induktiver Erwärmung als sinnvoll. Die messtechnische Erfassung der Bauteiltemperatur erfolgte, um schlussendlich die zeitliche Wirkung der Induktorleistung bei definierter Position zum Bauteil als Kriterium der zugeführten thermischen Energie nutzen zu können. Eine Anpassung der Werkzeuggeometrie und der Bewegungsparameter führte zu reproduzierbaren hoch festen Verbindungen.
Das Lichtbogen-Draht-Spritzen mit Zink (Zn)-Basis-Werkstoffen ist eine gängige Technologie zur Herstellung korrosionsbeständiger Beschichtungen. Die hergestellten Schichten haben sich bei einer Vielzahl moderater korrosiver Beanspruchungen bewährt. Weniger positiv wird die Technologie hinsichtlich der Overspray-Verluste und der Belastung der Ausführenden sowie der Umwelt durch Zink-Rauch beurteilt. Um diese Nachteile zu reduzieren und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtungen zu erhöhen, wurden das Flüssigkeitsspritzen entwickelt und neue Werkstoffe qualifiziert. Es galt, eine geeignete Apparatur zu konzipieren, zu konstruieren, zu fertigen und zu erproben. Die Prozesstemperatur war unterhalb der Sublimationstemperatur des Zusatzwerkstoffes einzustellen. Es wurden Spritzparameter bestimmt, die zu hoch duktilen, sehr dichten und korrosionsbeständigen Schichten führten. Die Overspray-Verluste liegen deutlich unter 20 % und die Emission von Zink-Rauch ist extrem gering. Dieses Verfahren bietet sehr gute Voraussetzungen dafür, auch nicht zu Drähten verarbeitbare Werkstoffe für die Herstellung gespritzter Schichten nutzen zu können. Somit wird die Palette spritzbarer Werkstoffe deutlich erweitert und den Forderungen nach höherer Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung besser entsprochen.
Das thermische Fügen aber auch das Kleben von Bauteilen führt zu einer bzw. erfordert eine Zerstörung der Beschichtung im Bereich der Verbindung. Es wird in diesem Bereich ein Nachbeschichten notwendig. Dieser Prozess ist eine technische Herausforderung, da die häufig existierende Forderung nach optisch einwandfreien Oberflächen kaum garantiert werden kann. Technisch und wirtschaftlich bedeutend sind diese Probleme besonders bei der Herstellung von Verbindungen an endbeschichten Bauteilen. Dieser Beitrag stellt eine Möglichkeit vor, Bauteile mit einer Polymerbeschichtung zu fügen, ohne die Beschichtung im Sichtbereich zu beeinflussen. Es wurde eine Beschichtung entwickelt, welche außer den üblichen Aufgaben, wie Korrosionsschutz, Design usw., selbst die Basis für eine Verbindungsherstellung ist und somit eine weitere Funktion übernimmt. Die Anregung, eine Verbindung einzugehen, erfolgt durch thermo-mechanische Energie. Auf Klebstoffe wird komplett verzichtet. Es sind dichte, flächige Verbindungen herstellbar, welche punktuell unterstützt werden können. Die Qualifizierung des Clinchens für die Herstellung von punktuellen Verbindungen erfordert neben der Werkzeuganpassung auch eine hohe Dehnbarkeit der Beschichtung. Verfahrensparameter werden ebenso wie die Verbindungseigenschaften, einschließlich deren Veränderungen, infolge korrosiver Beanspruchung vorgestellt.
Die Herstellung punktueller Verbindungen an Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Magnesium mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen führt zu sehr intensiven Reaktionen zwischen dem Elektroden- und dem Substratwerkstoff. Adhäsions- und Diffusionsprozesse bewirken Veränderungen an der Elektrodenoberfläche und beeinflussen die Eigenschaften der Verbindung, sodass bereits nach wenigen Punkten Nacharbeiten an der Elektrode notwendig werden. Die Intensität der Reaktionen ist abhängig von der Polarität der Elektrode, dem Elektrodenwerkstoff, dem zu fügenden Aluminiumwerkstoff, den Fügeparametern und ggf. vorgesehenen Barriereschichten. Untersucht wurden die Veränderungen infolge der Verbindungsherstellung an konventionellen Cu-Basis-Elektroden sowie die Wirkung von Barriereschichten. Die Nutzung von Barriereschichten erfordert eine Parameteranpassung, dies erfolgte in Vorversuchen. Langzeituntersuchungen bestätigen eine sehr deutliche Erhöhung der Anzahl von Schweißpunkten bei der Existenz von Barriereschichten. Zu begründen ist dies durch die Beeinflussung der Kontaktierung zwischen Elektrode und dem zu fügenden Bauteil.
Durch Verschleiß und Korrosion an Maschinen und Bauteilkomponenten des Anlagenbaus, z. B. bei Anlagen im Bergbau oder zur Erzaufbereitung werden erhebliche volkswirtschaftliche Verluste verursacht. Eine wirtschaftliche und effektive Schutzmaßnahme technischer Funktionsoberflächen stellt nach wie vor das Auftragschweißen dar. Insbesondere Hochleistungsverfahren, wie Plasma-Pulver-(PTA)- und Laser-Pulver-(LPA) Auftragschweißen, wer-den aufgrund ihrer mittlerweile hohen Abschmelzleistungen verbunden mit einer hohen Schichtqualität vermehrt eingesetzt und verdrängen zunehmend das klassische Metall-Schutzgas-(MSG)-Auftragschweißen. Innovative Verfahrensvarianten des MSG-Schweißens, wie das Schweißen mit geregelten Kurzlichtbögen oder das AC-MSG-Schweißen, wurden in den letzten Jahren speziell für das Auftragschweißen untersucht und können eine wirtschaftliche Alternative zu Plasma- und Laserprozessen darstellen. Anwendungsorientiert werden im Rahmen des Beitrags am Beispiel des Einsatzes typischer Verschleißschutzlegierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis die MSG-Varianten vorgestellt und Laser- sowie Plasma-Pulver-Auftragschweißungen gegenübergestellt.
Die Herstellung von punktuellen Verbindungen an Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Magnesium mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen führt zu sehr intensiven Reaktionen zwischen dem Elektroden- und dem Substratwerkstoff. Adhäsions- und Diffusionsprozesse bewirken Veränderungen an der Elektrodenoberfläche und beeinflussen die Eigenschaften der Verbindung, sodass bereits nach wenigen Punkten Nacharbeiten an der Elektrode notwendig werden. Die Intensität der Reaktionen ist abhängig von der Polarität der Elektrode, dem Elektrodenwerkstoff, dem zu fügenden Aluminiumwerkstoff, den Fügeparametern und gegebenenfalls von vorgesehenen Barriereschichten. Untersucht wurden die Veränderungen infolge der Verbindungsherstellung an konventionellen Kupfer-Basis-Elektroden sowie die Wirkung von Barriereschichten. Die Nutzung von Barriereschichten erfordert eine Parameteranpassung, die in Vorversuchen durchgeführt wurde. Langzeituntersuchungen bestätigen eine sehr deutliche Erhöhung der Anzahl von Schweißpunkten bei der Existenz von Barriereschichten. Zu begründen ist dies durch die Beeinflussung der Kontaktierung zwischen Elektrode und dem zu fügenden Bauteil.
Die tribologischen Merkmale der durch Auftragschweißen hergestellten Beschichtungen ergeben sich aus den Eigenschaften der Grund- und Zusatzwerkstoffe, den Beschichtungsparametern sowie deren Wechselwirkungen. Veränderungen dieser Parameter werden zwangsläufig Veränderungen der tribologischen Merkmale verursachen. Diese sind gut durch vergleichend durchgeführte Verschleißprüfungen zu beurteilen, wobei Ergebnisse wie die Verschleißrate streng genommen nur für die beurteilte Beanspruchungssituation gelten. Metallografische Untersuchungen sollen helfen, Erklärungen für die registrierten Verschleißraten einschließlich deren Veränderungen zu finden. Sie sollten daher ebenfalls vergleichbare Angaben liefern. Bei Metall-Matrix-Compositen (MMC) können verschiedene Kriterien (z.B. Auflösung der Hartstoffe, Struktur der Auflösung, Einbettung, Saum des Hartstoffs, sich bildende neue Gefüge und deren Eigenschaften) genutzt werden, um tribologische Merkmale zu quantifizieren. Ziel der durchgeführten Untersuchungen ist es, einen Beitrag zur Objektivierung metallografischer Untersuchungen zu liefern. Es sollen im Zusammenwirken von klassischer Metallografie, Bildanalyse und Verschleißuntersuchungen Erklärungen für die sich aus beschichtungstechnischen Veränderungen ergebenden Verschleißwerten abgeleitet werden. Hierfür ist einer qualitativ hochwertigen Bildanalyse erforderlich. In diesem Beitrag werden die entwickelten Verfahren zur Klassifizierung Bildanalytischer Merkmale beschrieben, deren Grenzen diskutiert aber auch Lösungen und Alternativen beschrieben. Es werden Ergebnisse der Verschleißuntersuchung mit denen der Bildanalyse ergänzt.
Im Bereich des Verschleiß- und Korrosionsschutzes durch Auftragschweißen werden verschiedene Schweißverfahren eingesetzt. Dazu zählen technologisch weniger anspruchsvolle Anwendungen wie das Acetylen-Sauerstoff-Schweißen oder das E-Hand- Schweißen mit Stabelektroden, über klassische Verfahren wie das MIG/MAG- oder WIG-Schweißen bis hin zu jüngeren Verfahren wie dem Plasma-Pulver-Auftragschweißen oder dem Laser-Auftragschweißen. Allen Verfahren ist gemein, dass die charakteristischen Eigenschaften wie z.B. die erzeugte Schichtqualität, die Abschmelzleistung oder die Wirtschaftlichkeit erheblich von den einzusetzenden Schweißzusätzen in Form von Stäben, Schnüren, Füll- und Massivdrähten oder Metall- und Mischpulvern abhängen. Im Rahmen dieses Beitrages soll anhand der europäischen Norm EN 14700 auf die Besonderheiten bei der Auswahl der Schweißzusätze und deren Besonderheiten aus industrieller Sicht eingegangen werden.
Das thermische Fügen aber auch das Kleben von Bauteilen führt zu einer bzw. erfordert eine Zerstörung der Beschichtung im Bereich der Verbindung. Es wird in diesem Bereich ein Nachbeschichten notwendig. Dieser Prozess ist eine technische Herausforderung, da die häufig existierende Forderung nach optisch einwandfreien Oberflächen kaum garantiert werden kann. Technisch und wirtschaftlich bedeutend sind diese Probleme besonders bei der Herstellung von Verbindungen an endbeschichten Bauteilen. Dieser Beitrag stellt eine Möglichkeit vor, Bauteile mit einer Polymerbeschichtung zu fügen, ohne die Beschichtung im Sichtbereich zu beeinflussen. Es wurde eine Beschichtung entwickelt, welche außer den üblichen Aufgaben, wie Korrosionsschutz, Design usw., selbst die Basis für eine Verbindungsherstellung ist und somit eine weitere Funktion übernimmt. Die Anregung, eine Verbindung einzugehen, erfolgt durch thermo-mechanische Energie. Auf Klebstoffe wird komplett verzichtet. Es sind dichte, flächige Verbindungen herstellbar, welche punktuell unterstützt werden können. Die Qualifizierung des Clinchens für die Herstellung von punktuellen Verbindungen erfordert neben der Werkzeuganpassung auch eine hohe Dehnbarkeit der Beschichtung. Verfahrensparameter werden ebenso wie die Verbindungseigenschaften, einschließlich deren Veränderungen, infolge korrosiver Beanspruchung vorgestellt.
Der Laserstrahl hat sich seit langem als Bearbeitungswerkzeug für viele Applikationen (z. B. Schneiden, Schweißen) bewährt. Auf dem Gebiet der Beschichtungstechnik konnte das Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) durch den Einsatz der Diodentechnik weltweit Anwendungsbereiche erobern, die vorher dem klassischen Plasma-Pulver-Auftragschweißen (PTA) vorbehalten waren [1-2]. Industriell kommen als Schweißzusatz für die Herstellung von korrosions- und/oder verschleißbeständigen Schutzschichten vor allem pulverförmige Werkstoffe auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis zum Einsatz. Die einstellbaren kleinen Schmelzbäder sind eine gute Basis für die Herstellung von Beschichtungen mit thermisch sensiblen Wolframkarbid-Hartstoffen, sogenannten Metal-Matrix-Composite-(MMC)-Schichten. Die pulverförmigen Matrixwerkstoffe werden in der Regel in großen Mengen gasverdüst. Modifikationen oder Sonderchargen sind nur bedingt verfügbar bzw. sehr kostenintensiv. Der Einsatz von Fülldrähten ist hierfür eine wirtschaftliche Alternative. Kleinstmengen und Sonderchargen sind kurzfristig verfügbar. Durch die zusätzliche Zugabe an Legierungselementen mittels prozessseitiger zusätzlicher Pulverzufuhr lassen sich maßgeschneiderte Beschichtungen herstellen. Im Rahmen dieses Beitrages wird über den Einsatz des einstufigen Beschichtungsverfahrens Laser-Pulver-Heißdraht-Auftragschweißen (LPHD) zum Verschleißschutz berichtet. Es werden die Prozessvarianten mit seitlicher Heißdrahtzufuhr in Kombination mit zusätzlicher Pulverzufuhr vorgestellt. Die entwickelte Laser-Pulver-Heißdraht-Beschichtungsanlage wird beschrieben. Mittels metallografischer und tribologischer Untersuchungen wird das Beschichtungsergebnis bewertet.
In Kooperation mit der BTU Cottbus, Fachbereich Fertigungstechnik/ Tribologie, hat das Unternehmen Enviral ein Forschungsprojekt mit dem Ziel bearbeitet, eine Beschichtung zu entwickeln, die infolge der untersuchten thermo-mechanischen bzw. mechanischen Fügeprozesse weder eine funktionelle noch eine optische Beeinträchtigung erfährt. Die Projektbearbeitung wurde durch Mittel des BMWi unterstützt. Das thermische und mechanische Fügen von Bauteilen führt zu einer Zerstörung der Beschichtung im Bereich der Verbindung. Hier wird ein Nachbeschichten notwendig - eine technische Herausforderung, da optisch einwandfreie Oberflächen kaum garantiert werden können. Technisch und wirtschaftlich bedeutend sind diese Probleme besonders bei der Herstellung von Verbindungen an endbeschichten Bauteilen. Die Forscher haben jetzt Möglichkeiten gefunden, Bauteile mit einer Polymerbeschichtung zu fügen, ohne die Beschichtung im Sichtbereich zu beeinflussen. Der entwickelte thermoplastische Pulverlack besitzt zusätzlich zu den üblichen Funktionen wie Korrosionsschutz und Design die Fähigkeit, Verbindungen herzustellen.
Eine hohe Verschleißbeständigkeit mittels Auftragschweißen hergestellter Beschichtungen bei abrasiver Beanspruchung durch grobe Partikel erfordert die Arbeit mit groben Hartstoffen ausreichender Menge und Verteilung, geringer Auflösung und sicherer Haftung in einer genügend harten aber auch zähen Matrix. Eine besondere Bedeutung unter den Hartstoffen nimmt das Wolframschmelzkarbid (WSC) ein. Während Härte und Zähigkeit den Anforderungen gut entsprechen, ist die thermische Belastbarkeit begrenzt. Unter Beachtung der chemischen Konfiguration des WSC (konventionelles WSC; Macroline®), der Morphologie, der Energiequelle (Laser- und Plasma-Pulver-Auftragschweißen) und der Matrix (Ni-und Fe-Basis) wurden Untersuchungen zur Bewertung der Auflösung, der Einbindung in die Matrix und der Verschleißbeständigkeit hergestellten Schichten durchgeführt. Die thermische Belastung der unterschiedlichen Karbide erfolgte bei Variation der Umgebungsbedingungen. Als Beurteilungskriterien fungierte die Dicke des sich bildenden Saumes. Die an Auftragschweißungen durchgeführten metallografischen Untersuchungen gestatten Hinweise zur Einbindung der Hartstoffe, zur Bildung neuer Phasen. Eine erste Einschätzung der Eigenschaften des Saumes und der sich neu bildenden Phasen sind mittels Härtemessungen möglich. Die Ergebnisse von Abrasiv-Gleitverschleißuntersuchungen liefern Angaben zur Verschleißrate und die Beurteilung der Oberfläche der verschlissenen Bereiche der Beschichtung bietet Erklärungen hierfür.
Die tribologischen Eigenschaften der durch Auftragschweißen hergestellten Beschichtungen ergeben sich aus der Aufmischung, der Zusatzwerkstoffsorte und den Schweißparametern. Veränderungen dieser Einflussgrößen werden zwangsläufig Veränderungen der tribologischen Eigenschaften verursachen. Diese sind gut durch vergleichend durchgeführte Verschleißprüfungen zu bewerten, wobei Ergebnisse wie die Verschleißrate streng genommen nur für die definierte Beanspruchungssituation gelten. Es handelt sich um eine integrale Bewertung. Punktuelle metallografische Untersuchungen liefern konventionell Erklärungen für die integrale Bewertung der Beschichtung, z. B. für die registrierten Verschleißraten einschließlich ihrer Veränderungen. An Metall-Matrix-Compositen (MMC) werden Kriterien wie die Auflösung der Hartstoffe durch das Ausmessen des Saumes oder verbale Beschreibungen wie eine gleichmäßige Hartstoffverteilung usw. benutzt, um die registrierten tribologische Eigenschaften zu erklären. Die durchgeführten Untersuchungen liefern einen Beitrag dazu, diese punktuelle und beschreibende Wertung zu quantifizieren, zu objektivieren. Es werden im Zusammenwirken von klassischer Metallografie, der entwickelten quantitativen Gefügeanalyse und den Verschleißuntersuchungen Erklärungen für die sich aus beschichtungstechnischen Veränderungen ergebenden Verschleißraten abgeleitet. Die Verfahren zur Klassifizierung bildanalytischer Merkmale werden vorgestellt, deren Grenzen beispielhaft diskutiert und Alternativen beschrieben. Mit dem Ziel, die registrierten Verschleißraten zu erklären, werden in diesem Beitrag eine quantifizierte volumetrische Analyse des Gefüges, eine Strukturanalyse und die Beurteilung der Textur an MMC-Auftragschweißschichten vorgestellt. Die Herangehensweise von der Strukturanalyse bis zur Quantifizierung der Textur wird verdeutlicht. Anhand von ausgewählten Beispielen werden Methoden zur Hartstoffanalyse, die Bestimmung der Texturparameter als Bestandteil der quantitativen Gefügeanalyse diskutiert.
Durch abrasiven Verschleiß an Maschinen und Bauteilkomponenten des Anlagenbaus, z.B. den Anlagen im Bergbau und der Erzaufbereitung, werden erhebliche volkswirtschaftliche Verluste verursacht. Eine wirtschaftliche und effektive Schutzmaßnahme technischer Funktionsoberflächen stellt nach wie vor das Auftragschweißen dar. Insbesondere Hochleistungsverfahren wie Plasma-Pulver-(PTA)- und Laser-Pulver-(LPA) Auftragschweißen werden aufgrund der hohen Abschmelzleistungen verbunden mit einer hohen Schichtqualität vermehrt eingesetzt und verdrängen zunehmend das klassische Metall-Schutzgas-(MSG)-Auftrag-schweißen. Innovative Verfahrensvarianten des MSG-Schweißens wie das MSG-AC-Schweißen wurden in den letzten Jahren speziell für das Auftragschweißen weiterentwickelt und stellen eine wirtschaftliche Alternative dar. Anwendungsorientiert soll im Rahmen des Beitrags am Beispiel des Einsatz typischer Verschleißschutzlegierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis die MSG-AC-Variante vorgestellt sowie die Leistungsfähigkeit und die erreichbaren Schichteigenschaften im Vergleich zu differierender Lichtbogenarten diskutiert und gegenübergestellt werden. Beurteilungskriterien sind die Abschmelzleistung, der Einbrand und die Verluste.
Die Art, der Gehalt und die Verteilung von Hartphasen sind ebenso wie ihre Einbindung und die Eigenschaften der Matrix wesentliche Aspekte für die Beurteilung des Verschleißwiderstandes einer Beschichtung bei abrasiver Beanspruchung. Die Entstehung bzw. der Erhalt der Phasen bedarf der Anpassung der Energieführung während des Beschichtungsprozesses. Die Entstehung bzw. der Erhalt der Phasen bedarf bei definierten Legierungskonzept der Anpassung der Energieführung während des Beschichtungsprozesses. In der Kombination von metallurgischen und technologischen Untersuchungen werden FE-Basis Beschichtungen mit WC bzw. WSC-Hartstoffen bei gleichzeitiger Bildung von Monokarbiden des Typs TiC vorgestellt. Mittels Plasma-Pulver-Panzerungs-Verfahren und geregelten Kurzlichtbogenprozessen entstehen Beschichtungen die höchsten Ansprüchen an den Verschleißwiderstand bei abrasiver Beanspruchung genügen.
An important parameter that affects the protection from wear and tear, is the geometric structure of the abrasive causing the destruction. The equivalent diameter of the particles of the primary influence on protection from wear and tear must be greater than the width of the particle of the crushed abrasive. Here also belongs the requirement for the distribution of the particles inside the matrix was more uniform and dense. The use of solid materials gives this possibility only in the certain circumstances, therefore, it is necessary to use pseudoalloys. Pseudoalloys can be obtained by means of thermomechanical processing of the conventional layers deposited by means of spraying. The particles of the solid material charged with kinetic energy are applied to the heated layers, and they penetrate into inside. Under the influence of the heat energy inside the layers suitable for this, the additional reaction between the substrate and the layer takes place, thus improving the adhesion of the layers. The appropriate regulations were developed, and the reproducible stratification appeared caused by spraying, that is pseudoalloys. A positive consequence of the inclusion of the particles of a solid ceramic material into the spayed layer is the emergence of the current when compressed. The result of the research of the parameters are the optimal performance indexes, optimization criterion served as an indicator of the intensity of the wear. Manufactured pseudoalloys underwent checking in terms of spray wear. The study of spray wear was carried out at the temperatures up to 750 °C and speed load amounted to 37.5 m/s. The silica sand fractions + 150-212 μm was used as an abrasive. As the covering material the alloys based on aluminum were used. In the places of transition to the substrate the multiphase alloys of the system Fe-Al are formed. It is advisable to use layers with a high iron content to prevent the loose and destruction.
Um die Verschleißschutzwirkung von Beschichtungen gegenüber angreifenden Abrasiva zu erhöhen, können in diese Hartstoffe eingebettet werden. Ein hierfür sehr häufig angewandter Hartstoff ist das Wolframkarbid. Es wird in differierenden Konstellationen angeboten und durch technologische Maßnahmen kontinuierlich verbessert. Die Größe der Karbide, die hohe Härte und die Zähigkeit sind Eigenschaften, die diesem Hartstoff eine vordergründige Bedeutung einräumen. Nachteilig ist die begrenzte thermische und metallurgische Beanspruchbarkeit. Die thermische Beanspruchbarkeit wird bei Variation der Hartstoffkonfiguration sowie der Atmosphäre gemessen. Schweißversuche bei Variation der Energieführung und deren Auswertung liefern Hinweise zur metallurgischen Beanspruchbarkeit. Erklärungen werden durch chemisch-metallografische Untersuchungen gesucht. Verschleißmessungen komplettieren die Untersuchungsergebnisse.
Der Prozess des Lichtbogenlötens mit Al-Basis-Zusatzwerkstoffen ist in der Fertigungsindustrie stark verbreitet. Trotz alledem stellt die begrenzte Nutzungsdauer der Al-Basis-Zusatzwerkstoffe infolge der Oxidation noch heute ein erhebliches Problem dar. Hinzu kommt, dass die sich bildende Oxidschicht ein sehr guter Speicher für Wasserstoff, welches wiederum Poren in Lötungen verursacht, ist. Ziel der durchgeführten Entwicklung war es, durch eine Reduzierung und Vergleichmäßigung der Oxidschicht die Porosität der Verbindungen zu reduzieren, die Nutzungsdauer zu erhöhen sowie Reproduzierbare der Verbindungen zu verbessern.
Zum Erreichen dieser Ziele wurde eine kompakte, unmittelbar am Schweißgerät befindliche Drahtreinigungs- und -aktivierungseinheit entwickelt. Die Drahtreinigung erfolgt thermo-mechanisch mit einem übertragenen Plasmastrahl. Genutzt wird der Effekt der Entladung von Gas- und Metallionen an dem zu reinigenden Draht. Die Oberfläche des Drahtes wird aktiviert und die Oxidschicht sowie auch der Wasserstoffanteil reduziert. Nach der Plasmareinigung angelagerte Partikel werden mechanisch vom Draht entfernt.
Die entscheidenden Parameter der Drahtreinigung sind die Stromstärke, der Abstand zwischen Draht und Wolfram- Elektrode, der Schutzgasstrom (Argon) und die Drahtgeschwindigkeit. Stromstärke und Drahtgeschwindigkeit nehmen Einfluss auf die eingebrachte Energie pro Streckensegment. Der Abstand der Elektrode nimmt Einfluss auf die Form und Übertragung der Energie des Plasmas.
Als Resultat der Drahtreinigung und -aktivierung konnte eine deutliche Reduzierung der Porosität in den Verbindungen beobachtet werden. Dies führt zu einer erhöhten mechanischen Beanspruchbarkeit der Verbindungen. Die starke Schmauchbildung von Al-Mg-Basis-Drähten beim Löten mit Al-Mg-Basis-Drähten wurde deutlich reduziert. Das Zusetzen der Stromkontaktdüse konnte reduziert und deren Lebensdauer somit erhöht werden. Die Zahl der Prozessunterbrechungen wird somit verringert und ein prozesssicheres Arbeiten ermöglicht.
Die chemisch-metallurgische Konfiguration von Fe-Al-x-Verschleißschutzschichten wird mit dem Ziel variiert, bei thermisch abrasiver Strahlverschleißbeanspruchung hohe Widerstände zu erreichen. Es wird der Einfluss der Legierungselemente Si und Mg in der Spritzschicht untersucht und beurteilt. Diese Legierungselemente der Spritzdrähte bedingen Veränderungen der Spritzparameter, beeinflussen die sich bildende Schicht und den Verschleißwiderstand. Werden die gespritzten Schichten vor der Verschleißprüfung zusätzlich thermisch behandelt, ergeben sich gegenüber den unbehandelten Proben bei identischer abrasiver Beanspruchung deutliche Veränderungen des Verschleißwiderstandes. Die thermisch abrasive Verschleißbeanspruchung führt ebenfalls zu Veränderungen der Schichteigenschaften. Diese werden durch Härtewerte und Schichtdickenmessungen quantifiziert. Die gespritzten thermisch un- und nachbehandelten Schichten werden zur Bestimmung des Verschleißwiderstandes einem thermisch abrasiven Strahlverschleißtest unterzogen. Die Verschleißuntersuchungen erfolgen vergleichend. Ergebnisse metallografischer Untersuchungen gestatten die Beurteilung und Bewertung der registrierten Verschleißwiderstände.
Die effektive Nutzung nicht metallischer Hartstoffe als Verschleißschutzelemente in metallischen Matrices setzt eine ausreichend sichere Verbindung zwischen den Elementen und der Matrix voraus. Dies erfordert z. B. bei der Anwendung von Karbiden mit Bildungsenthalpien bis ca. 150 kJ/mol Maßnahmen, ihre Auflösung zu verhindern. Die Nutzung von WCx oder SiC stehen hierfür beispielhaft. Anderseits existieren Hartstoffe mit sehr hohen Bildungsenthalpien, die in der thermischen Beschichtungstechnik, aufgrund ihrer ungenügenden Reaktivität mit der metallischen Matrix, nicht nutzbar sind. Beispiele hierfür sind Oxide, wie das Al2O3 oder das ZrO2. Die Bildungsenthalpie dieser Stoffe liegt deutlich über denen der Karbide. Wird das Ziel einer sicheren Einbettung der nicht metallischen Hartstoffe in metallische Matrices definiert, ergibt sich die Aufgabe, die Technologie der Herstellung und die chemische Konfiguration der Matrix anzupassen sowie die Hartstoffe bzw. deren Randbereiche mit Elementen zu versehen, die sowohl mit dem Hartstoff als auch mit der Matrix reagieren. Dies wird bei Variation der chemischen Konfiguration und der thermischen Energiewirkung während der Schichtherstellung beispielhaft an Hand der Nutzung von dünnen Ti-reichen Beschichtungen (PVD) auf nicht metallischen Hartstoffen gezeigt. Ein Maß für die Beurteilung ist die Haftung der nicht metallischen Hartstoffe in den Fe-basierten Schichten. Die sich ergebenden Übergangsschichten werden ebenso, wie die Ceramic-Metal-Composite-Schicht, metallografisch charakterisiert. Verschleißuntersuchungen komplettieren die Arbeiten mit dem Ziel, nicht metallische Hartstoffe der thermischen Beschichtungstechnik zugänglich zu machen.
Die technischen Möglichkeiten der Herstellung von Metall-Hartstoff-Verbundschichten mit den Verfahren des thermischen Spritzens sind hinsichtlich der Hartstoffkorngröße begrenzt. Diese Einschränkung bedeutet eine geringe Verschleißbeständigkeit der konventionell hergestellten Schichten bei grob-abrasiver Beanspruchung. Untersuchungen mit dem Ziel gröbere Hartstoffe in Spritzschichten zu positionieren, waren bisher wenig erfolgreich. Es kommt zu einer Zerstörung der separat zugeführten Hartstoffe und einer meist sehr deutlichen Reduzierung der Auftragsrate. Eine Analyse der vorhandenen Überlegungen und Untersuchungsergebnisse führte zu der Erkenntnis, dass eine die Hartstoffe und die Matrix anziehende Energiewirkung notwendig ist, um den Verbund zu erzielen. Um eine anziehende Komponente zu erzielen, wurde bei den durchgeführten Untersuchungen eine elektrostatische Aufladung der Hartstoffe benutzt. In den hergestellten Beschichtungen konnten dadurch circa 20 Vol.-% separat zugeführte Hartstoffe unaufgeschmolzen registriert werden. Eine Beeinträchtigung der Auftragsrate war nicht zu registrieren. Werden die Parameter Druck, Temperatur und das chemische Potenzial optimiert, ist auch eine sichere stoffschlüssige Einbindung keramischer Hartstoffe in einer Eisenbasis-Matrix nachweisbar. Die Alternative der Integration der Hartstoffe wäre eine mechanische Verklammerung. Daraus resultierende Risse um den Hartstoff wurden nicht nachgewiesen. Der Hartstoff wirkt in den hergestellten Beschichtungen eindeutig als Keim und nicht als fremdes Element bei der Entstehung des Gefüges. Die Ergebnisse der Verschleißversuche an derart hergestellten Beschichtungen verdeutlichen eine nahezu Halbierung der Verschleißrate gegenüber der rein metallischen Beschichtung infolge der zugeführten Hartstoffe und ihrer metallischen Einbindung in die Schicht.
Bauteile werden häufig mit Beschichtungen versehen, um einen wirtschaftlichen Betrieb von Geräten und Anlagen zu ermöglichen bzw. deutlich zu verbessern. Die Beschichtung übernimmt die Aufgabe, äußeren Beanspruchungen zu widerstehen. Eine hohe volkswirtschaftliche Bedeutung kommt dem Korrosions- und Verschleißschutz zu. Die hervorragenden Eigenschaften von Stählen können durch die Berücksichtigung von Beschichtungen deutlich länger genutzt werden. Die Beschichtungen sollen ausreichend haften und den äußeren Einflüssen möglichst solange widerstehen, bis eine Aussonderung der beschichteten Bauteile bzw. der Anlage vorgesehen ist. Der Beschichtungsprozess erfordert drei technologische Schritte, die Substratvorbehandlung, die Vorbereitung des Beschichtungswerkstoffes und die Beschichtungsherstellung. Für den Korrosions- und Verschleißschutz kommt den metallischen Beschichtungen, welche durch die Verfahren des Auftragschweißens bzw. des Spritzens hergestellt werden, eine besondere Bedeutung zu. Dies ist zurückzuführen auf den erzielten hohen Mechanisierungsgrad bei der Beschichtungsherstellung, die hervorragende Recyclingfähigkeit und eine hohe Nachhaltigkeit. Bei abrasiver Verschleißbeanspruchung müssen Metalle durch Hartstoffe verstärkt werden. Diese können sich aus der Schmelze herausbilden oder separat zugeführt werden. Für besonders schwierige Situation werden auch Hartstoffe mit hoher Bildungsenthalpie berücksichtigt. Dies allerdings führt zu Bindungsproblemen. Technisch-technologische Lösungen für diese Probleme wurden bzw. werden z.Zt. erarbeitet. Kenntnisse zu den Bindungsmechanismen sind eine Voraussetzung für die Entwicklung neuer hoch abrasionsbeständiger Schichtsysteme. Die große wirtschaftliche Bedeutung bergründet die Fokussierung der Ausführungen auf Beschichtungen, die mittels Auftragschweißen hergestellt werden.
Im Bereich des Verschleiß- und Korrosionsschutzes durch Auftragschweißen werden verschiedene Schweißverfahren eingesetzt. Dazu zählen technologisch weniger anspruchsvolle Anwendungen wie das Acetylen-Sauerstoff-Schweißen oder das E-Hand-Schweißen mit Stabelektroden, über klassische Verfahren wie das MIG/MAG- oder WIG-Schweißen bis hin zu jüngeren Verfahren wie dem Plasma-Pulver-Auftragschweißen oder dem Laser-Auftragschweißen. Allen Verfahren ist gemein, dass die charakteristischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die erzeugte Schichtqualität, die Abschmelzleistung oder die Wirtschaftlichkeit, erheblich von den einzusetzenden Schweißzusätzen in Form von Stäben, Schnüren, Füll- und Massivdrähten oder Metall- und Mischpulvern abhängen. Anhand der europäischen Norm EN 14700 wird auf die Besonderheiten bei der Auswahl der Schweißzusätze und deren Merkmale aus industrieller Sicht eingegangen.
Das Lichtbogen-Draht-Spritzen mit Zink (Zn)-Basis-Werkstoffen ist eine gängige Technologie zur Herstellung korrosionsbeständiger Beschichtungen. Die hergestellten Schichten haben sich bei einer Vielzahl moderater korrosiver Beanspruchungen bewährt. Weniger positiv wird die Technologie hinsichtlich der Overspray-Verluste und der Belastung der Ausführenden sowie der Umwelt durch Zink-Rauch beurteilt. Um diese Nachteile zu reduzieren und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtungen zu erhöhen, wurden das Flüssigkeitsspritzen entwickelt und neue Werkstoffe qualifiziert. Es galt, eine geeignete Apparatur zu konzipieren, zu konstruieren, zu fertigen und zu erproben. Die Prozesstemperatur war unterhalb der Sublimationstemperatur des Zusatzwerkstoffes einzustellen. Es wurden Spritzparameter bestimmt, die zu hoch duktilen, sehr dichten und korrosionsbeständigen Schichten führten. Die Overspray-Verluste liegen deutlich unter 20 % und die Emission von Zink-Rauch ist extrem gering. Dieses Verfahren bietet sehr gute Voraussetzungen dafür, auch nicht zu Drähten verarbeitbare Werkstoffe für die Herstellung gespritzter Schichten nutzen zu können. Somit wird die Palette spritzbarer Werkstoffe deutlich erweitert und den Forderungen nach höherer Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung besser entsprochen.
Die Herstellung von punktuellen Verbindungen an Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium (Al) mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen führt zu sehr intensiven Reaktionen zwischen dem Elektroden- und dem Substratwerkstoff. Durch die Auswahl eines Elektrodenwerkstoffs mit geringerer Affinität zu Aluminium ist zu erwarten, dass Diffusionsprozesse mit deren Beeinflussung der Elektrodenoberflächen und daraus folgender Änderung der Schweißpunkteigenschaften mit Nacharbeiten an der Elektrode vermeidbar sind. Zudem sind die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Werkstoffe sowie sichere und effektiv herzustellende Verbindungen zum Elektrodenwerkstoff Kupfer zu erfüllen. Unter diesen Prämissen und unter Beachtung wirtschaftlicher Aspekte wurden Untersuchungen an den Werkstoffen Grafit, Wolfram und Molybdän vorgenommen. Zusätzlich erfolgte die Überprüfung PVD-beschichteter Kupferelektroden. Mittels Langzeituntersuchungen sind Angaben zur Eignung der Werkstoffe realisiert. Eine sehr große Herausforderung betraf die Herstellung von Verbindungen zwischen den nicht beziehungsweise kaum mit Aluminium reagierenden Werkstoffen und dem Kupfer der Punktschweißelektroden. Das Kondensatorentladungsschweißen konnte hierfür qualifiziert werden. Es wurden die Parameter ermittelt, mit denen sichere Verbindungen innerhalb extrem kurzer Zeit hergestellt werden können. Im Gegensatz zum Löten oder Umgießen handelt es sich um einen sehr effektiven Prozess mit hohem Potenzial für die Massenfertigung.
Die konventionelle Einteilung von Beschichtungen erfolgt nach dem für die Herstellung primär berücksichtigten Element. So sind beispielsweise Eisen(Fe)-, Nickel(Ni)- oder Cobalt(Co)-Basis-Beschichtungen als Verschleißschutz gegen abrasiv-erosive Belastungen bekannt. Um die gewünschten Beschichtungs-eigenschaften zu erzielen, werden die Hauptlegierungselemente durch Zusätze verstärkt. Für das Ziel, einen hohen Verschleißwiderstand zu erzeugen, werden z.B. Zusätze zur Bildung von Karbiden, Boriden bzw. Siliziden zugegeben. In der Beschichtungstechnik bisher weniger bekannte Konfigurationen sind die Hochentropielegierungen (HEA). Es werden fünf oder mehr Elemente zu einer äquimolaren, komplexen Legierung zusammengefasst. Das begrenzte Wissen über die Herstellung und die Eigenschaften derartiger Beschichtungen war Anlass dafür, Untersuchungen durchzuführen. Die Herstellung geeigneter Schweißzusatzwerkstoffe und deren Verarbeitung im Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess sind gelungen. Um die Eigenschaften der hergestellten Beschichtungen zu bewerten, erfolgten vergleichende Verschleißuntersuchungen. Als Basis dienten konventionell hergestellte, hoch Vanadium-haltige Fe-Basis-Beschichtungen. Ergänzend zu konventionellen Verschleißprüfungen wurden Messungen mit einem neu entwickelten Strahlverschleißprüfstand durchgeführt. Mit ihm gelingt es, z.B. die praktischen Beanspruchungen an Industriemessern sehr gut zu beurteilen. Die derzeit bekannten Vor- und Nachteile der auftraggeschweißten HEA-Beschichtungen werden zusammenfassend vorgestellt.
Hoch verschleißbeständige Schichten werden bevorzugt als eine Kombination aus metallischer Matrix mit eingelagerten Hartstoffen (MMC) hergestellt. Die Hartstoffe (HS) bewirken in diesen Schichten den primären Verschleißschutz. Sie werden abhängig von den Eigenschaften des angreifenden Abrasivs insbesondere deren Geometrie gewählt. Begründet durch die hohe Härte und Zähigkeit des Wolframkarbids nimmt es innerhalb der für die Herstellung von Beschichtungen bekannten Hartstoffe eine besondere Rolle ein. Diesen technisch sehr interessanten Eigenschaften stehen ein hohes Versorgungsrisiko sowie eine hohe ökonomische Bedeutung entgegen. Die Verfügbarkeit sowie die sehr deutlichen Preisschwankungen waren Anlass für Überlegungen und Untersuchungen mit dem Ziel, Alternativen zu schaffen. Die Eigenschaften Härte und Zähigkeit können von mehreren nicht metallischen Hartstoffen erreicht werden. Diese weisen jedoch zwei wesentliche, ihrer Nutzung als Zusatzwerkstoff für das Auf-tragschweißen negative Eigenschaften auf:
• Nicht metallische Hartstoffe sind sehr leicht und schwimmen daher auf dem Schmelzbad auf.
• Der Anteil des kovalenten bzw. heteropolaren Bindungscharakters der benutzten Hartstoffe ist sehr hoch, sodass Reaktionen mit metallischen Matrices als schwierig einzuschätzen sind.
Diese Aufgaben galt es zu lösen. Es wurde eine Technologie entwickelt, mit deren Hilfe die leichten nicht metallischen Hartstoffe in das Schmelzbad eingebracht werden und dort mit der metallischen Matrix reagieren. Dieses Verfahren wird als Pulverstrahl-Plasmalichtbogen-Schweißen bezeichnet. Die durchgeführten Verschleißuntersuchungen bestätigen, dass die mit nicht metallischen Hartstoffen verstärkten MMC-Beschichtungen eine Alternative zu wolframkarbidhaltigen Beschichtungen sind.
Die tribologischen Merkmale der durch Auftragschweißen hergestellten Beschichtungen ergeben sich aus den Eigenschaften der Grund- und Zusatzwerkstoffe, den Beschichtungsparametern sowie deren Wechselwirkungen. Veränderungen dieser Parameter werden zwangsläufig Veränderungen der tribologischen Merkmale verursachen. Diese sind gut durch vergleichend durchgeführte Verschleißprüfungen zu beurteilen, wobei Ergebnisse wie die Verschleißrate streng genommen nur für die beurteilte Beanspruchungssituation gelten. Metallografische Untersuchungen sollen helfen, Erklärungen für die registrierten Verschleißraten einschließlich deren Veränderungen zu finden. Sie sollten daher ebenfalls vergleichbare Angaben liefern. Bei Metall-Matrix-Compositen (MMC) können verschiedene Kriterien (z. B. Auflösung der Hartstoffe, Struktur der Auflösung, Einbettung, Saum des Hartstoffs, sich bildende neue Gefüge und deren Eigenschaften) genutzt werden, um tribologische Merkmale zu quantifizieren. Ziel der durchgeführten Untersuchungen ist es, einen Beitrag zur Objektivierung von metallografischen Untersuchungen zu liefern. Es sollen im Zusammenwirken von klassischer Metallografie, Bildanalyse und Verschleißuntersuchungen Erklärungen für die sich aus beschichtungstechnischen Veränderungen ergebenden Verschleißwerte abgeleitet werden. Hierfür ist eine qualitativ hochwertige Bildanalyse erforderlich. In diesem Beitrag werden die entwickelten Verfahren zur Klassifizierung von bildanalytischen Merkmalen beschrieben, deren Grenzen diskutiert, aber auch Lösungen und Alternativen beschrieben. Es werden Ergebnisse der Verschleißuntersuchung mit denen der Bildanalyse ergänzt.
Bauteile werden häufig mit Beschichtungen versehen, um einen wirtschaftlichen Betrieb von Geräten und Anlagen zu ermöglichen beziehungsweise deutlich zu verbessern. Die Beschichtung übernimmt die Aufgabe, äußeren Beanspruchungen zu widerstehen. Eine hohe volkswirtschaftliche Bedeutung kommt dem Korrosions- und Verschleißschutz zu. Die hervorragenden Eigenschaften von Stählen können durch die Berücksichtigung von Beschichtungen deutlich länger genutzt werden. Die Beschichtungen sollen ausreichend haften und den äußeren Einflüssen möglichst solange widerstehen, bis eine Aussonderung der beschichteten Bauteile beziehungsweise der Anlage vorgesehen ist. Der Beschichtungsprozess erfordert drei technologische Schritte, die Substratvorbehandlung, die Vorbereitung des Beschichtungswerkstoffes und die Beschichtungsherstellung. Für den Korrosions- und Verschleißschutz kommt den metallischen Beschichtungen, welche durch die Verfahren des Auftragschweißens beziehungsweise des Spritzens hergestellt werden, eine besondere Bedeutung zu. Dies ist zurückzuführen auf den erzielten hohen Mechanisierungsgrad bei der Beschichtungsherstellung, die hervorragende Recyclingfähigkeit und eine hohe Nachhaltigkeit. Bei abrasiver Verschleißbeanspruchung müssen Metalle durch Hartstoffe verstärkt werden. Diese können sich aus der Schmelze herausbilden oder separat zugeführt werden. Für besonders schwierige Situationen werden auch Hartstoffe mit hoher Bildungsenthalpie berücksichtigt. Dies allerdings führt zu Bindungsproblemen. Technisch-technologische Lösungen für diese Probleme wurden beziehungsweise werden derzeit erarbeitet. Kenntnisse zu den Bindungsmechanismen sind eine Voraussetzung für die Entwicklung von neuen hoch abrasionsbeständigen Schichtsystemen. Die große wirtschaftliche Bedeutung bergründet die Fokussierung der Ausführungen auf Beschichtungen, die mittels Auftragschweißen hergestellt werden.
Leichtbau mit Multimaterialsystemen erfordert stets ein tragfähiges Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe. Die Auswahl eines Fügeverfahrens erfolgt dabei vordergründig auf der Basis der Werkstoff- und der angestrebten Verbindungseigenschaften. Die begrenzte Mischbarkeit der Werkstoffe Aluminium und Magnesium im schmelzflüssigen Zustand verursacht technologische Schwierigkeiten bei der Anwendung der thermischen Fügetechnik, weshalb zur Herstellung von punktuellen Verbindungen von Magnesium mit Aluminium ein thermo-mechanisches Fügeverfahren entwickelt wurde. Basierend auf dem Verfahren Clinchen sind die notwendigen thermischen Bedingungen erarbeitet worden, um belastbare punktuelle Verbindungen zu erzeugen. Während viele Aluminiumsorten aufgrund ihrer Gitterstruktur sehr gut umformbar und somit für die Herstellung von Verbindungen mittels Clinchen gut geeignet sind, ist dies bei Magnesium nicht so. Dessen hexagonale Gitterstruktur erfordert eine ausreichende Erwärmung der Verbindungsstelle vor dem Fügen. Da die sehr gute Wärmeleitung des Fügewerkzeugs die zugeführte Energie sehr schnell wieder abführt, ist zusätzlich eine Vorwärmung der Werkzeuge zwingend. Die thermischen Bedingungen wurden zunächst mit dem Ziel der Reduzierung des Versuchsaufwandes simuliert und das Modell versuchs¬technisch validiert. Die thermischen Bedingungen am Bauteil und am Werkzeug wurden mit dem Ziel der Einstellung hoher Verbindungsfestigkeiten variiert. Als Optimierungskriterium wurde die Scherzugfestigkeit definiert. Um die Erwärmung der beiden Werkstoffe sowie des Werkzeugs reproduzierbar zu gestalten, erwies sich eine Kombination von joulescher- und induktiver Erwärmung als sinnvoll. Die messtechnische Erfassung der Bauteiltemperatur erfolgte, um die zeitliche Wirkung der Induktorleistung bei definierter Position zum Bauteil als Kriterium der zugeführten thermischen Energie nutzen zu können. Eine Anpassung der Werkzeuggeometrie und der Bewegungs¬parameter führte zu reproduzierbaren hoch festen Verbindungen.
Das Automobil der Zukunft muss die wachsenden gesellschaftlichen Erwartungen im Hinblick auf Energieeffizienz, Kraftstoffverbrauch, Klimaschutz, Sicherheit, Komfort und Nachhaltigkeit erfüllen. Dem Leichtbau kommt dabei eine besondere Rolle zu. Neuere Entwicklungen gestatten es, dem Endanwender – der Mobilität produzierenden Industrie – bereits mit vorgefertigten Leichtbauverbundwerkstoffen, den Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen, zu arbeiten. Diese neuen Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffe intelligent zu nutzen, erfordert geeignete Fügetechnologien. Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung einer neuen Fügetechnologie zur Herstellung von Karosseriekomponenten mit Stahl/Kunststoff/Stahl-Verbundwerkstoffen und verschiedenen Werkstoffen durch den Einsatz von thermischer Energie in Form nicht übertragener Lichtbögen und der Laserstrahlung. Angestrebt wird die Herstellung von metallischen, dichten linienförmigen Verbindungen zwischen Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen und verzinkten Stählen bei Fügegeschwindigkeiten bis 4m/min mit folgenden Eigenschaften: Zugfestigkeiten > 100 MPa, keine Delamination des Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundes sowie eine gleichmäßige konkave Nahtgeometrie. Eine Delamination des Polymers infolge der Verbindungsherstellung ist zu vermeiden. Es sollen mit der Nutzung von Lichtbogenlöt- und Laserprozessen die Vorteile dieser Technologie, wie die problemlose Integration in die Roboterfertigung (hoher Automatisierungsgrad), nur einseitige Zugänglichkeit (gegenüber Clinchen oder Stanznieten), spalt- und positionstolerant (Erstarrungsbedingungen) sowie keine aufwendigen Vorbehandlung und längeres Fixieren (gegenüber Kleben) erhalten bleiben.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde für die Herstellung metallischer dichter artgleicher Verbindungen zu Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen mit extrem dünnen Einzelblechlagen das Flüssigkeitsstrahllöten entwickelt. Erforderlich sind eine Verflüssigung des Lotzusatzwerkstoffes, die Aktivierung der Fügestelle sowie die präzise Einhaltung eines Temperaturregimes, um delaminationsfreie Fügungen herzustellen. Die Nutzung der Induktion ist eine Möglichkeit, den Zusatzwerkstoff zu verflüssigen. Um die angestrebten hohen Lötgeschwindigkeiten von ca. 4 m/min zu erzielen, bedarf es einer sicheren Aktivierung der Fügestelle. Die Laserstrahlung ist hierfür geeignet. Neben der Zielstellung, bei hohen Fügegeschwindigkeiten delaminationsfreie Verbindungen herzustellen, waren als Randbedingung Verbindungsfestigkeiten definiert, die deutlich über denen von Klebungen liegen. Dies konnte sicher erreicht werden. Weiterhin wurde eine konkave Nahtgeometrie erzielt.
Das entwickelte Flüssigkeitsstrahllöten ist geeignet, um Verbindungen zu extrem dünnen Bauteilen herzustellen. Delaminationen des Stahl-Kunststoff-Verbundes sind vermeidbar. Die Festigkeit der Verbindung liegt bei ca. 100 MPa. Weiterhin wurden zur Charakterisierung der hergestellten Verbindungen korrosive und metallografische Prüfungen herangezogen. Alle Untersuchungsergebnisse wurden in dieser Arbeit zusammengefasst.
Flachdrähte werden in der Schweißtechnik häufig mit dem Ziel eingesetzt, die Fügegeschwindigkeit zu erhöhen. Demgegenüber sind erhebliche Aufwendungen bzgl. der Förderung dieser Drähte zu registrieren. Es galt, bei der realisierten Löttechnologieentwicklung den Vorteil der hohen Geschwindigkeit zu nutzen und den Nachteil, die Förderprobleme, zu korrigieren.
Mittels 2-dimensionaler Hochgeschwindigkeitsaufnahmen sowie hoch auflösender U-I-t-Messungen werden deutliche Veränderungen der Struktur des Lichtbogens beim Übergang von Rund- zu Flachdrähten nachgewiesen. Diese werden ursächlich für die hohen einstellbaren Fügegeschwindigkeiten (ca. 3 m/min) interpretiert. Parameterstudien zum Löten mit Al-Basis-Flachdrähten komplettieren diese Angaben. Es werden Kennpunkte für die Definition der Maschinenkennlinie vorgestellt. Die hergestellten Lötverbindungen sind metallografisch beurteilt und ihre mechanischen Eigenschaften ermittelt worden. Ein Schwerpunkt der durchgeführten Arbeiten fokussiert auf die Anwendbarkeit des flachen Drahtes für die Herstellung von Bördelnähten mit möglichst kleinem Öffnungswinkel und großer Anbindungsfläche. Als Randbedingung war eine konkave Nahtgeometrie, mit dem Ziel Nacharbeiten zu reduzieren, definiert.
Angaben zu Toleranzen und zum Auftreten von Spritzern sind erarbeitet. Es liegen Ergebnisse für die Herstellung von St-St-Verbindungen vor.
Die Prozessstabilität konnte durch die Nutzung von Runddrähten, welche örtlich unmittelbar vor dem Lichtbogen zu Flachdrähten umgeformt wurden, sowie durch die Anpassung der Energieübertragung - der Stromkontaktdüse - erzielt werden. Es wird ein neues Drahtvorschubsystem vorgestellt.
Auf Grundlage chemisch-metallurgischer Untersuchungen sowie technologischer Entwicklungen wurde ein Aluminium-Basis-Schweißzusatzwerkstoff mit dem Ziel entwickelt, ihn für die Herstellung von Stahl-Stahl-Verbindungen zu nutzen. Gegenüber der Anwendung konventioneller Kupfer-Basis-Lote ergeben sich deutlich geringere Fügetemperaturen und damit Vorteile hinsichtlich der Bauteilgeometrie und dem Verzug. Hinzu kommt eine deutlich geringere Masse in der Fügezone, womit die Ambitionen nach Leichtbau unterstützt werden. Die in der Fügezone zu erwartenden spröden Phasen, infolge der Kontaktierung des flüssigen Aluminium-Zusatzwerkstoffs mit dem Stahlteil, sind durch die Anwendung geregelter Kurzlichtbogenprozesse in einer Kombination mit der Wechselstromtechnologie zu begrenzen. Die Lötparameter sind für die üblichen Blechdicken bis 1,5 mm und die üblichen Beschichtungsvarianten ermittelt. Es werden Ergebnisse zur Spaltüberbrückbarkeit vorgestellt. Die Lötgeschwindigkeiten sind abhängig von den gewünschten Verbindungseigenschaften und liegen im Bereich von 0,30 m/min bis 0,9 m/min. Eine teilmechanisierte Verbindungsherstellung ist zu empfehlen. Die Untersuchungen zur Anwendung des entwickelten Zusatzwerkstoffs sind komplettiert durch die Herstellung von Aluminium-Aluminium-Verbindungen sowie von Mischverbindungen Aluminium-Stahl. Die Beurteilung der neuentwickelten Legierung für die Herstellung von Aluminium-Aluminium-Schweißverbindungen erfolgt vergleichend zu konventionell am Markt erhältlichen Qualitäten, wie dem AlSi5(A) und dem AlMg4,5Mn(A). Als Beurteilungskriterien fungieren neben der Prozessstabilität auch die einstellbaren mechanischen Verbindungseigenschaften. Besondere Aufmerksamkeit kommt der schlagartigen Belastung von Verbindungen zu. Unter
Anwendung von geeigneten technologischen Parametern eignet sich die Aluminium-Basis-Legierung für die Herstellung von Mischverbindungen Aluminium-Stahl, wobei Scherzugfestigkeiten bis etwa 200 MPa gemessen werden.
Flüssigkeitsstrahllöten - ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen an extrem dünnen Bauteilen
(2016)
Das Automobil der Zukunft muss die wachsenden gesellschaftlichen Erwartungen im Hinblick auf Energieeffizienz, Kraftstoffverbrauch, Klimaschutz, Sicherheit, Komfort und Nachhaltigkeit erfüllen. Dem Leichtbau kommt dabei eine besondere Rolle zu. Neuere Entwicklungen gestatten es, dem Endanwender – der Mobilität produzierenden Industrie – bereits mit vorgefertigten Leichtbauverbundwerkstoffen, den Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen, zu arbeiten. Diese neuen Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffe intelligent zu nutzen, erfordert geeignete Fügetechnologien. Das tragfähige Verbinden von Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen unter Beibehaltung des Multimaterialkonzeptes wird zum zentralen Baustein der Realisierung von Leichtbau. Ziel des Beitrages ist es, eine neuartige, effiziente Fügetechnologie zur Herstellung von Karosseriekomponenten mit Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen und konventionellen Stählen durch den Einsatz thermischer Energie in Form eines metallischen Flüssigkeitsstrahles vorzustellen.