Schichtsystem für Strömungsbauteile aus Gusseisen unter Degradation durch Verschleiß, Kavitation und Korrosion
Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Primäres Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines Schichtsystems, dass die Beständigkeit von Gussbauteilen unter kombinierter Beanspruchung (Korrosion, Erosion, Kavitation) verbessert. Als Ausgangsbasis sollten auftraggeschweißte Kupferbasisschichten dienen, jedoch wurden auch Duplexstahlschichten berücksichtigt. Hierbei wurden mit Metallschutzgas- und Plasma-Pulver-Auftragschweißen zwei Lichtbogenprozesse betrachtet. Während des Projekts wurden zum einen die schweißtechnischen Anforderungen beim Auftragschweißen von Gusseisen und zum anderen die Auswirkung der Degradationsmechanismen auf die Beständigkeit der Schichten grundlegend untersucht. Bei der Erzeugung von Auftragschweißschichten aus Zinnbronze ist der Metallschutzgasschweißprozess in einem weiten Prozessfenster in der Lage, vollflächige Auftragschweißschichten zu erzeugen. Die Kohlenstoffdiffusion war aufgrund der geringen Löslichkeit des Gusseisens mit der Zinnbronze weder für die Fügezone noch die Schutzeigenschaften der Zinnbronze-Auftragschweißschichten relevant. Die Porenanfälligkeit und die schlechte Benetzbarkeit des Gusseisens mit der Zinnbronze bleiben dennoch Herausforderungen. Beim Plasma-Pulver-Auftragschweißen mit Zinnbronze-Schweißzusatz sind durch das deutlich schmalere Prozessfenster hingegen bereits bei Einzelraupen weniger Möglichkeiten gegeben, die Wärmeführung zu modifizieren. Die hier für eine Anbindung erforderliche, große Wärmeeinbringung und das daraus resultierende ungünstige Schmelzbadverhalten sowie die Wiederaufschmelzung großer Bereiche vorher fehlerfreier Raupen zeigen, dass hier noch Optimierungspotenzial besteht. Mithilfe von Heliumanteilen konnte der Schichtaufbau zwischen einzelnen Raupen jedoch verbessert werden, während Vorwärmungen bis 400 °C hier keine akzeptablen Ergebnisse hervorbrachten. Die so erzeugten, dichten Auftragschweißschichten schützten effektiv den Gusseisen-Grundwerkstoff unter korrosiver, abrasiver sowie überlagerter Komplexbeanspruchung. Bei den Auftragschweißschichten aus Duplexstahl spielte die Aufmischung mit Elementen aus dem Gusseisen eine große Rolle für die Korrosions- bzw. Verschleißbeständigkeit. Die Abhängigkeiten zwischen Aufmischung mit den genannten Elementen, die Wärmeführung hierbei und die daraus resultierenden Gefüge könnten Inhalt weiterführender Forschung sein, insbesondere bezüglich einer Modellbildung: Die lokale Vorhersage der Kohlenstoffverteilung und anderer Elemente würde das Anwendungsfeld des Auftragschweißens eisenbasierter Werkstoffe erweitern und ein abgeleitetes Modell das Verständnis des Prozesses sinnvoll ergänzen. Dazu könnte, als weiteres Verfahren mit von der Förderung des Zusatzwerkstoffes unabhängiger Wärmeführung (dadurch einfachere Einstellbarkeit von Prozess und Modell) neben Plasma-Pulver-Auftragschweißen auch das Plasmaschweißen mit Heißdraht mit geringerer lokaler Aufschmelzung des Grundwerkstoffes zum Einsatz kommen. Die Zinnbronze-Auftragschweißschichten waren insgesamt weicher und daher weniger beständig gegen Strömungserosion und Kavitationserosion. Die Verschleißbeständigkeit konnte durch zusätzlich aufgebrachte thermische Spritzschichten aufgrund von nachteiligen Gefügen dieser Schichten nicht so deutlich wie erhofft, aber dennoch gesteigert werden. Gegen Kavitation und Abrasion sind zähe Dickschichten erfolgsversprechender. Zusammenfassend sind mithilfe moderner Lichtbogenprozesse Auftragschweißungen auf Gusseisen gegen korrosive und mechanisch induzierte Verschleißerscheinungen auch mit geringer oder sogar ohne Vorwärmung möglich. Die Anwendbarkeit auf reale Bauteile aus Gusseisen mit komplexen Geometrien stellt noch eine Herausforderung dar und es besteht weiterhin Forschungsbedarf in der Wärmeführung, um die Anbindung zu verbessern. Der Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess mit Duplexstahl-Schweißzusatz wies ein großes realisierbares Prozessfenster auf und erreichte an Einzelraupen sehr geringe geometrische Aufmischungsgrade von 5 % und weniger. Hier sind für die Praxis kurzzeitige Wärmenachbehandlungen unmittelbar nach dem Schweißen zum Abbau von Eigenspannungen in den Auftragschweißschichten, zur Reduzierung der Aufhärtung der Wärmeeinflusszonen im Grundwerkstoff und damit zur Minderung des Risikos von Rissbildung denkbar. Bei der Anwendung der im Grunde wirtschaftlicheren energiereduzierten geregelten Metallschutzgas-Kurzlichtbogenprozesse hingegen bedarf es noch weiterer Untersuchungen, um ähnlich gute Ergebnisse wie mithilfe des Plasma-Pulver-Auftragschweißprozesses zu ermöglichen. Auch denkbar ist der Einsatz von Metallpulverfülldrähten, um trotz Kopplung von Drahtvorschub und elektrischer Leistung auch ohne Vorwärmung ähnlich geringe Rissneigung wie beim Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess zu erreichen und dabei weiterhin Draht als einfach handhabbaren und wirtschaftlicheren Schweißzusatz verwenden zu können. Für kupferbasierte Schichten sind andere Kupferwerkstoffe, Pufferschichten oder die Verwendung von Flussmitteln weitere mögliche Lösungsansätze, die das Benetzungsverhalten verbessern könnten. Auch Wärmenachbehandlungen sind dann mit gepufferten Systemen denkbar. Die Versuche zur Funktionstrennung mit zwei Schichten (Kombinationsschichten aus Auftragschweißung und thermischen Spritzschichten) mit entsprechender korrosiver bzw. erosiver Beständigkeit waren sehr erfolgreich. Eine Optimierung der thermischen Spritzschichten hinsichtlich der Porositäten auf die zu erwartenden Belastungen könnte die durchaus vielversprechenden Resultate weiter verbessern. Ebenso könnten die thermischen Spritzschichten auf den härteren Duplexstahl-Auftragschweißschichten appliziert werden, die eine bessere Stützwirkung bieten. Jenseits des Auftragschweißens kann untersucht werden, wie Reparaturschweißungen mit energiereduzierten geregelten Metallschutzgas-Kurzlichtbogenprozessen durch alternative Wärmeführungen optimiert werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Improvement of corrosion resistance of gray cast iron components by surfacing with gas metal arc welding“, International Thermal Spray Conference, Orlando, FL, 2018, pp. 647-654
M. Oechsner, G. Andersohn, J. Ellermeier, B. Heider, U. Reisgen, R. Sharma, S. Wieland, E. Gonzáles Olivares
- „Improving the corrosion and wear resistance of grey cast iron components by surface welding with duplex stainless steel using controlled gas metal arc welding: Influence of dilution on corrosion properties“, Mat.-wiss. u. Werkstofftechn., 2018, 49, pp. 1520-1537
U. Reisgen, K. Willms, S. Wieland, E. González Olivares, M. Oechsner, J. Ellermeier, M. Siebers, B. Heider
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mawe.201800151) - „Improvement of wear resistance by thermal spraying on surface layers prepared by plasma transferred arc welding on gray cast iron components“, International Thermal Spray Conference, Yokohama, 2019, pp. 701-708
M. Oechsner, T. Engler, J. Ellermeier, B. Heider, U. Reisgen, R. Sharma, E. Zokoll, E. Gonzáles Olivares
- „Influence of carbon diffusion on microstructure and wear behaviour of duplex stainless steel surface layers on lamellar grey cast iron“, Mat.-wiss. u. Werkstofftechn., 2019, 50, pp. 1165-1180
B. Heider, M. Oechsner, T. Engler, J. Ellermeier, U. Reisgen, R. Sharma, E. Zokoll, E. González Olivares
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mawe.201900129) - „Corrosion Resistance and Microstructure of Welded Duplex Stainless Steel Surface Layers on Gray Cast Iron“, J Therm Spray Tech 2020
B. Heider, M. Oechsner, U. Reisgen, J. Ellermeier, T. Engler, G. Andersohn, R. Sharma, E. González Olivares, E. Zokoll
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11666-020-01003-y) - „Influence of Preheating on Lamellar Grey Cast Iron for Surface Layer Welding applications with Plasma Transferred Arc Powder and Metal Inert Gas Welding Processes with Duplex Steel as Filler Material“, J Therm Spray Tech 2020
U. Reisgen, M. Oechsner, R. Sharma, J. Ellermeier, G. Andersohn, T. Engler, E. Zokoll, B. Heider, E. González Olivares
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11666-020-01014-9)
