Entwicklung wirtschaftlicher und hoch verschleißfester Spritzschichten auf FE-Basis durch gezielte Bildung der Amorphphase, Submikro- und Nanostruktur im Lichtbogenspritzprozess
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neuartige Fe-basierte Werkstoffe für das thermische Spritzen stellen eine viel versprechende wirtschaftliche Alternative zu karbidbasierten Werkstoffen im Bereich der Verschleißschutzanwendungen dar. Die vorteilhaften Eigenschaften der Funktionsschichten sollen durch eine gezielte Legierungszusammensetzung der Spritzzusatzwerkstoffe erreicht werden, durch die die Kristallstruktur und die Hartphasengrößen im resultierenden Gefüge beeinflusst werden. Die Grundlagen dieses verfolgten Forschungsansatzes sind den metallischen Gläsern angelehnt, bei denen durch eine geeignete Legierungszusammensetzung In Kombination mit einer hohen Abkühlgeschwindigkeit eine amorphe Struktur Im Gefüge erreicht wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neu entwickelte Fülldrähte verwendet, die eine spezielle Legierungszusammensetzung aufweisen, um gezielt eine Amorphphase in den Schichten zu erzeugen. Das hier betrachtete Legierungskonzept beruht auf einem Drahtwerkstoff aus einem unlegierten oder einem CrNI-Stahl mit einer Füllwerkstoffbasis auf FeB, das ein bekanntes System zur Erzeugung metallischer Gläser ist. Die geforderten hohen Abkühlgeschwindigkeiten werden bei den thermischen Spritzprozessen aufgrund des schnellen Erstarrens der auf- und angeschmolzenen Partikel beim Aufprall auf das Bauteil erreicht. Als Spritzprozess wird das Lichtbogenspritzverfahren eingesetzt. Durch eine nachträgliche Wärmebehandlung der Schicht soll eine Umwandlung der Amorphphase in eine submikround nanokristalline Struktur erfolgen. Die erarbeiteten Ergebnisse zeigen, dass die Schichten aus den entwickelten Fülldrähten nach dem LIchtbogensprItzprozess eine Amorphphase aufweisen. In der amorphphasenbasiert Schichtmatrix liegen nanokristalline Ausscheidungen mit Korngrößen < 100 nm vor. Das Verhältnis der Amorphphase zur kristallinen Phase ist dabei abhängig von der Fülldrahtzusammensetzung. Eine nachträgliche Wärmebehandlung der amorphphasenbasierten Schichten über der Glasübergangstemperatur hat eine Umwandlung In eine Submikro- und Nanostruktur mit Korngrößen <150nm zur Folge. Die Härte der Schichten nach dem Spritzen liegen je nach Fülldrahtzusammensetzung zwischen 500 und 900 HV0,3. Durch die Wärmebehandlung wird sowohl die Härte um 11 % erhöht als auch der Verschleißwert bei Pin-on-Disc-Tribometertests um 25 % verbessert. Im Verlauf des Forschungsvorhabens wurden die Fülldrähte weiter entwickelt. Zum einen wurde der CrNi-Stahl gegen einen Cr-Stahl ausgetauscht, da sich erster in der Handhabung als ungeeignet erwies. Zum anderen wurden CrB-Hartstoffpartikel dem Füllwerkstoff beigemengt. Während die Schichten aus den Fülldrähten auf FeB-Füllungsbasis sich durch eine homogene, typische lamellare Mikrostruktur auszeichnen, liegen bei den Schichten aus den Fülldrähten mit CrB die Hartstoffpartikel in der Fe-baslerten Matrix verteilt vor. Dadurch wird eine Verbesserung des Verschleißverhaltens angestrebt. Die erzielten Ergebnisse bieten viel versprechende Aspekte zur weiteren Optimierung der Fülldrahtzusammensetzungen. Einerseits lassen sich Tendenzen der Fülldrahtzusammensetzung bezüglich einer Erhöhung des Amorphphasenanteils in den Schichten ableiten. Andererseits kann durch eine gezielte Beimischung von Hartstoffpartikeln die Schichtmikrostruktur gezielt eingestellt werden, um so eine Verbesserung der Verschleißeigenschaften zu bewirken. Daher sollten sich die zukünftigen Arbeiten auf die Optimierung der Fülldrähte und deren Verarbeitung mittels Lichtbogenspritzens konzentrieren. Von besonderem Interesse ist dabei die eingehende Untersuchung der tribologischen Schichteigenschaften und auftretenden Verschleißmechanismen, die im Rahmen des bisherigen Projektes kein Forschungsinhalt waren. Indes weisen die bisherigen Ergebnisse der Verschleißuntersuchungen auf ein hohes Potential der entwickelten Fülldrähte zur Anwendung als Verschleißschutzschicht hin. Um auch den Anforderungen hinsichtlich Korrosion zu erfüllen, sind umfassende Korrosionsuntersuchungen unter Berücksichtigung des Cr-Anteils in den Fülldrähten notwendig. Die Anwendung der entwickelten Fülldrähte ist eindeutig Im Bereich des Verschleißschutzes zu sehen. Dabei weisen die entwickelten Fülldrähte gegenüber den karbidbasierten {z. B. WC-Co oder Cr3C2-NiCr) und Fe-basierten Werkstoffen ähnlichen Legierungskonzeptes (z. B. FeCrBSiMoW-Pulver) Vorteile auf, die aufgrund der Auswahl der Legierungselemente und der Anwendung des sehr wirtschaftlich arbeitenden Lichtbogenspritzprozesses im niedrigen Preis zu finden sind. Die Anwendung als Verschleißschutzschicht liegt im Bereich des Abrasions- und Erosionsverschleißes, wobei die Einsatztemperaturen bei bis zu 500 °C liegen können. Als Einsatzbeispiele sind tribologische Funktionsschichten im Kraftwerksbau oder im Kraftfahrwesen zu nennen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Mikrostruktur und Eigenschaften lichtbogengespritzter Schichten auf Eisenbasis, 11. Werkstofftechnische Kolloquium, TU Chemnitz, Tagungsband, Hrsg. Univ.-Prof. Dr.-Ing. B. Wielage, 01.10. bis 02.10.2008, Chemnitz, ISBN: 978-3-00-025648-6
K. Bobzin, T. Schläfer, K. Richardt, L. Zhao, P. Kutschmann, K. Sauter
- Mikrostruktur und Eigenschaften lichtbogengespritzter Schichten auf Eisenbasis, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Sonderheft "Werkstofftechnisches Kolloquium", Vol. 39, No. 12,2008
K. Bobzin, T. Schläfer, K. Richardt, L. Zhao, P. Kutschmann
- Development of a new wear resistant coating by arc spraying of a steel-based cored wire. Frontiers of Mechanical Engineering China,Vol.4, No. 1,2009
L. Zhao, B. Fu, D. He, P. Kutschmann
- Development of Iron based wire feedstocks and their processing by electric arc spraying, International Thermal Spray Conference, 04.05. bis 07.05.2009, Las Vegas, Nevada, USA
K. Bobzin, T. Schläfer, L. Zhao, P. Kutschmann
- Development of Iron based wire feedstocks and their processing by electric arc spraying, Thermal Spray Bulletin, VoL 2, No. 1,2009
K. Bobzin, L. Zhao, T. Schläfer, T. Warda, P. Kutschmann
- Effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of Fe-based amorphous coatings. Journal of Alloys and Compounds, Vol. 480, No. 2,2009
B. Fu, D. He, L. Zhao
- Microstructure and properties of arc sprayed coatings containing Fe-based amorphous phase and nanocrystallites. Surface Engineering, Vol. 25, No. 4,2009
B. Fu, D. He, L. Zhao, X. Li
