Qualifizierung des thermischen Spritzens und Verbesserung der Werkstoffeigenschaften von ausscheidungsgehärteten Werkstoffen am Beispiel von Kupferlegierungen
Final Report Abstract
Typische Vertreter aushärtbarer Kupferlegierungen (CuBe2, CuCoBe, CuCrZr) wurden mittels verschiedener thermischer Spritzverfahren erfolgreich verarbeitet. Die eingesetzten Spritzverfahren unterschieden sich dabei in den thermischen und kinetischen Anteilen in ihrer Prozessenergie. Zum Einsatz kamen Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), Lichtbogendrahtspritzen (LDS) und Plasmaspritzen (unter Niederdruck, VPS). Die eingesetzten Kupferlegierungen wurden sowohl im ausgehärteten als auch im lösungsgeglühten Gefügezustand verarbeitet. Die resultierenden Schicht-Mikrostrukturen wurden metallografisch untersucht und in Korrelation mit dem jeweils eingesetzten Spritzverfahren und Zusatzwerkstoff bewertet. Hergestellte Schichten wurden in Analogie zu massiven aushärtbaren Kupferlegierungen wärmebehandelt. Spritzzusatzwerkstoffe, as-sprayed-Schichten und wärmebehandelte Schichten wurden anhand der Mikrohärte und des Gefügezustands mit in den Bereich des Härtemaximums ausgehärteten Massivmaterialien verglichen. Es wurden Schichthärten erzielt, die auf typischen Härteniveaus dieser ausgehärteten Kupferlegierungen liegen. Untersuchungen zeigten, dass die Ausscheidungskinetik in den Schichtgefügen dabei stark vom verwendeten Spritzzusatz und dem eingesetzten Spritzverfahren abhängt. Ausgewählte Schichten wurden vergleichenden Verschleißtests unterzogen. Die durchgeführten Schwingverschleißversuche verdeutlichen die Vergleichbarkeit der hergestellten Schichten mit den jeweiligen Massivmaterialien. Sowohl die metallurgischen als auch die prozesstechnischen Ergebnisse weisen einen hohen Neuheitsgehalt auf und erweitern den Stand der Technik bezüglich möglicher Einsatzfelder ausscheidungshärtender Kupferlegierungen. Durch den Nachweis der Vergleichbarkeit von ausgehärteten Massiv- und Schichtwerkstoffen wird das ökonomische und ökologische Potential der spritztechnischen Verarbeitung aushärtbarer Kupferlegierungen deutlich - vor allem im Hinblick auf den Einsatz der notwendigen Legierungselemente. Im Weiteren folgt ein Überblick über wesentliche Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen: HVOF-Spritzen • Sowohl lösungsgeglühte als auch ausgehärtete Ausgangspulver der Legierungen CuBe2, CuCoBe und CuCrZr wurden verarbeitet. • Die Übertragung des Gefügezustands und somit des Härteniveaus des Ausgangspulvers in die hergestellte Schicht gelingt nur bedingt. Die eingestellten Spritzparameter müssen dafür „kalt“ (stark überstöchiometrisch, l > 2) sein, wodurch jedoch Nachteile im Auftragwirkungsgrad des Prozesses entstehen. Die besten Ergebnisse in dieser Hinsicht wurden mit CuCoBe erzielt. • Somit ist zum Erreichen des Härtemaximums in den Schichten sowohl für lösungsgeglühte als auch bereits ausgehärtete Ausgangspulver ein Ausscheidungshärten der Schichten notwendig. Bei CuBe2-Schichten entstehen dabei vermehrt Ausscheidungen diskontinuierlicher Art, die versprödend wirken. • Der Schwingverschleißtest zeigt bei ausgewählten, gehärteten Schichten aller drei Legierungen ein ähnliches Verschleißverhalten wie das entsprechende ausgehärtete Massivmaterial und damit ein signifikant besseres als eine Kupfer-Referenzprobe. VPS-Spritzen • Alle hergestellten Schichten liegen aufgrund der hohen Prozesstemperaturen und der relativ hohen Abkühlraten bei Einsatz eines gekühlten Probenhalters as-sprayed im lösungsgeglühten Zustand vor. Das Härteniveau entspricht dabei dem der jeweiligen lösungsgeglühten Massivmaterialien. • Durch anschließendes Ausscheidungshärten werden die Schichthärten gesteigert. Sie erreichen jedoch nicht die Maximalwerte ausscheidungsgehärteten Massivmaterials oder der HVOF-Schichten. Lichtbogenspritzen • Mittels LDS wurden CuCoBe-Schichten hergestellt. • Die Schichtgefüge liegen as-sprayed im lösungsgeglühten Zustand vor. • Eine Härtesteigerung der Schichten wird durch Ausscheidungshärten erreicht. Jedoch liegt auch hier das Niveau unter dem von ausgehärteten massiven Legierungen, HVOF- und sogar unter dem von VPS-Schichten. Dies ist zum Teil auf die für das Lichtbogenspritzen typische hohe Porosität und die dadurch herabgesetzte integrale Härte zurückzuführen. Die gewonnenen Erkenntnisse geben Ansatzpunkte für eine Reihe weiterführender Forschungsarbeiten. Diese sind notwendig, um aus den bisherigen Untersuchungen heraus entstandene werkstoffwissenschaftliche Fragen zu beantworten, prozessseitige Erkenntnisse zu untermauern sowie die Anwendungsrelevanz der Ergebnisse zu erhöhen. Die bisherigen Ergebnisse dienen dabei als Basis für weitere Schritte hin zur Überführung des Wissens in Anwendungen, die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeiten bei gleichzeitig guten Verschleißeigenschaften erfordern. Konkret müssen dafür folgende Punkte bearbeitet werden: 1. Gefüge thermisch gespritzter Schichten weißen typische Unregelmäßigkeiten auf, die Einfluss auf die Ausscheidungskinetik des Materials in der Wärmebehandlung nehmen können (Verunreinigungen, gelöste Gase bzw. Oxide, Poren, Partikelgrenzen etc.). Der Einfluss dieser Unregelmäßigkeiten auf die Ausscheidungskinetik muss systematisch untersucht werden, um beispielsweise die verstärkt in CuBe2-Schichten beobachtete diskontinuierliche Ausscheidung zu beschreiben und zu kontrollieren. Gleichzeitig ist die Möglichkeit einer vollständigen thermischen Schichtnachbehandlung (Lösungsglühen und Aushärten) zum gezielten Einstellen der Art, Größe und Verteilung von Ausscheidungen im Schichtgefüge zu untersuchen. 2. Die vollständige Übertragung eingestellter Gefügeeigenschaften des Zusatzwerkstoffs in die Schichten konnte bisher nicht gewährleistet werden, wodurch anschließende Wärmebehandlungen zur Ausscheidungshärtung der Schichten erfolgten. „Kalte“, stark überstöchiometrische HVOF-Prozesse zeigten, dass mit sinkender thermischer Prozessenergie im Spritzprozess ein Lösungsglüheffekt bei der Verarbeitung bereits ausgehärteter Ausgangspulver verringert werden kann. Jedoch sind die kinetischen Energieanteile im HVOF- Prozess zu gering, um technologisch relevante Auftragwirkungsgrade zu erzielen. Es wird erwartet, dass die Prozesscharakteristik des Kaltgasspritzens (CGS) geeignet ist, die notwendigen Prozessenergieanteile zur gewährleisten. Das Applizieren von CGS-Cu- Schichten ist Stand der Technik und in Vorversuchen nachgewiesen. Das Potenzial dieses „kinetischen“ Spritzverfahrens zur Verarbeitung ausgehärteter Cu-Basislegierungen muss gesondert untersucht werden. Verfahrensseitig könnte so der Schritt einer thermischen Schichtnachbehandlung vermieden werden. 3. Potenzielle Einsatzbereiche der hergestellten Schichten liegen in Bereichen in denen neben einer gewissen Verschleißbeständigkeit vor allem sehr gute thermische oder elektrische Leitfähigkeiten gefordert werden. Eine systematische Untersuchung zum Einfluss von Schichtmikrostrukturen und -gefügezuständen (in Abhängigkeit von Art und Zustand des Spritzzusatzwerkstoffs sowie des Spritzverfahrens) auf die resultierenden Leitfähigkeiten muss somit erfolgen.
Publications
- 10. Werkstofftechnisches Kolloquium 2007, Chemnitz, D. Strategien zum thermischen Spritzen ausscheidungshärtbarer Kupferlegierungen
B. Wielage, S. Steinhäuser, G. Reisel, O. Brandt, S. Ahrens
- Schriftenreihe Werkstoffe und Werkstofftechnische Anwendungen 26, Tagungsband zum 10. Werkstofftechnisches Kolloquium 2007 in Chemnitz. Strategien zum thermischen Spritzen ausscheidungshärtbarer Kupferlegierungen
- 11. Werkstofftechnisches Kolloquium 2008, Chemnitz, D. Applikation ausscheidungshärtender Bronzeschichten mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
B. Wielage, G. Reisel, O. Brandt, T. Grund, H. Pokhmurska, S. Siebeck
- International Thermal Spray Conference and Exposition ITSC 2008, Maastricht, NL. Thermal Spraying of Precipitation Hardening Copper Alloys
B. Wielage, G. Reisel, O. Brandt, T. Grund, H. Pokhmurska, S. Siebeck
- Schriftenreihe Werkstoffe und Werkstofftechnische Anwendungen 31, Tagungsband zum 11. Werkstofftechnisches Kolloquium 2008 in Chemnitz. Applikation ausscheidungshärtender Bronzeschichten mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
- International Thermal Spray Conference and Exposition ITSC 2009, Las Vegas, USA. Thermally Sprayed Precipitation-Hardenable Copper Alloys - Characteristics and Applications
