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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.