Herstellung und Eigenschaften neuartiger Beschichtungen mit korrosionsbeständigen Pseudolegierungen auf Fe-Basis durch heißisostatisches Pressen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
PM-Pseudolegierungen bieten den Vorteil, dass eine nahezu beliebige Kombination aus Hartphasen und metallischer Matrix hergestellt werden kann. Ein Verfahren, diese auf theoretische Dichte zu kompaktieren und gleichzeitig einen Verbund auf einen kostengünstigen Grundwerkstoff aufzubringen stellt das Heiß-Isostatische-Pressen (HIP) dar. Darüber hinaus bieten z.B. auch thermische Spritzverfahren wie HVOF die Möglichkeit eine Verschleißschutzschicht auf einen Grundwerkstoff aufzubringen. Vor diesem Hintergrund war das Ziel dieses Forschungsvorhabens zum einen neuartige PM-Pseudolegierungen mit Hilfe verschiedener Herstellungsverfahren zu erzeugen, um so die spezifischen Vorteile vor dem Hintergrund des jeweiligen Anwendungszwecks auszunutzen. Neben dem bereits aufgeführten HIP-Verfahren, welches für Teilprojekt 1 die Standard-Prozessroute darstellt, kamen das PPA-Schweißen (Teilprojekt 3) und das thermische Spritzen (HVOF und APS, Teilprojekt 5) zum Einsatz. Dabei konnten im Vergleich prozessbedingte Unterschiede festgestellt werden. Während die Spritzverfahren für eine Wechselwirkung mit der Atmosphäre sorgen und somit einen hohen Oxidgehalt in der Spritzschicht bewirken, sind die geschweißten Schichten durch einen hohen Flüssigphasengehalt und eine im Vergleich zum thermischen Spritzen langsame Abkühlung gekennzeichnet, wodurch sich nach der Erstarrung eine netzwerkartige Karbidverteilung ergibt. Beide Erkenntnisse gelten nicht jedoch nicht für die mittels HIP erzeugten Schichten. Im Gegenzug dazu ist für die Erzeugung einer HIP-Schicht jedoch eine aufwändige Kapselung nötig. Neben der Feststellung der prozessbedingten Gefügeveränderungen stellte die Charakterisierung des Verschleißwiderstandes und der mechanischen Eigenschaften einen weiteren Schwerpunkt der Untersuchungen dar. Dies erfolgte in enger Zusammenarbeit mit den Teilprojekten 2 und 4, weswegen an dieser Stelle auf die entsprechenden Ergebnisberichte verwiesen sei. Im Rahmen der Korrosionsuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die gespritzten Schichten im Vergleich zum HIP- oder Sintermaterial eine geringe Beständigkeit aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass neben den wesentlich feineren Karbidausscheidungen zudem die Chromabbindung durch Oxidation den Korrosionswiderstand herabsetzt. Als überraschendes Ergebnis wurde eine starke Stickstoffaufnahme eines Werkzeugstahlpulvers X190CrVMo20-4 während des thermischen Spritzens (atmospheric plasma spraying, APS) gefunden. Der Ausgangsgehalt des Pulvers an Stickstoff lag bei 0,1 Ma.-%. Nach APS enthielt die Schicht 1,4 Ma.-% Stickstoff und war bei RT im Zustand „assprayed“ durch eine vollständig austenitische Matrix (ausgeprägte Austenitstabilisierung durch N) mit einem geringen Volumengehalt an eingelagerten Ausscheidungen gekennzeichnet. Die Härte in diesem Zustand war gering und lag bei 265 HV30. Durch eine Wärmebehandlung kam (1075°C, 60min, 3 bar N2; 2*2h, 450°C) es zu einem Anstieg des Volumengehaltes an Ausscheidungen, die austenitische Matrix blieb jedoch auch nach der Abschreckung auf RT erhalten. Eine APS-Schichte aus FeCrV15 zeigte dieses Verhalten nicht. Es können daher zwei Annahmen getroffen werden: Erstens ermöglicht der hohe Crund V-Gehalt in X190CrVMo20-4 eine hohe N-Löslichkeit im schmelzflüssigen Zustand (Calphad bei T=Tsolvus=1282°C, 1bar: 1,1 Ma.-%), wobei N zum großen Teil in der Matrix gelöst wird. Zweitens ist die Kinetik der N-Aufnahme aus der Gas-Atmosphäre entscheidend, da in FeCrV15 Stickstoff überwiegend als V(C,N) abgebunden wird. Für den letzteren Prozess wird eine langsamere Kinetik angenommen, was den Unterschied im N-Gehalt zwischen X190CrVMo20-4 und FeCrV15 nach APS erklärt. Dieses Ergebnis könnte durchaus eine Anwendungsrelevanz haben, wenn es darum geht durch eine Erhöhung des N-Gehaltes von gespritzten Stählen die Korrosionsbeständigkeit der Schicht zu erhöhen. Weitere Untersuchungen in diesem Zusammenhang sind jedoch notwendig.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Fe-Basis-Verbundwerkstoffe mit erhöhtem Korrosions- und Verschleißwiderstand, 13. Werkstofftechnisches Kolloquium, Chemnitz, 30. September – 01. Oktober (2010), S. 194-199
H. Hill, S. Weber, W. Theisen
- Microstructural Design of Fe-Base Metal Matrix Composites with Superior Corrosion and Wear Resistance, Powder Metallurgy World Congress & Exhibition, PM2010 Fortezza da Basso Centre, Florence, Italy, 10 – 14th October , Session 42: PM HIP I
H. Hill, S. Weber, W. Theisen
- Influence of heat treatment on the performance characteristics of a plastic mold steel, Steel Research International 82 (2011) 11, 1290-1296
H. Hill, U. Raab, S. Weber, W. Theisen, M. Wollmann, L. Wagner
- Investigation of the Corrosion and Wear Properties of Fe-Base Metal-Matrix Composites Consolidated by Sintering and Hot Isostatic Pressing, Powder Metallurgy 54 (2011) 3, 455-462
H. Hill, S. Weber, S. Siebert, W. Theisen
- Korrosionsbeständige Kaltarbeitsstähle: Auswirkung der Legierungszusammensetzung auf die tribologischen und korrosiven Eigenschaften, 14. Werkstofftechnisches Kolloquium, Chemnitz, 01.–02.09.2011, S. 278-285
H. Hill, S. Weber, W. Theisen
- The impact of processing on microstructure, single-phase properties and wear resistance of MMCs, 18th International Conference on Wear of Materials, April 3-7, 2011, Philadelphia, USA, Wear 271 (2011), 1895-1902
H. Hill, S. Weber, S. Huth, P. Niederhofer, W. Theisen
- Correlation of processing route and heat treatment with the abrasive wear resistance of a plastic mold steel, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 43 (2012) 711-718
H. Hill, M. Kunze, C. Heet, A. Petsch, S. Weber, R. Reiter, P. Giese, W. Theisen, V. Wesling
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mawe.201200865) - Influence of processing and heat treatment on corrosion resistance and microstructure of high alloyed steel coatings, Journal of Thermal Spray Technology 21 (2012) 5, 987-994
H. Hill, S. Weber, U. Raab, W. Theisen, L. Wagner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11666-012-9788-4)
