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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.