Entwicklung neuartiger nanostrukturierter, glasphasenbildender Fe-Basislegierungen für das Thermische Spritzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Projekts war es, eine kostengünstige Eisenbasislegierung als Alternative zu den bisher im Bereich des Thermischen Spritzens zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit eingesetzten kostenintensiven Ni- und Co-basierten Legierungen zu entwickeln. Der Ansatz beruhte darauf, ein Werkstoffsystem zu finden, das neben der Verwendung korrosionsinhibierender Elemente durch sein Potenzial zur amorphen beziehungsweise nanokristallinen Erstarrung für den Einsatz geeignet ist. Als Demonstratoranwendung wurde die Beschichtung eines Feuchtduktorzylinders einer Offset-Druckmaschine gewählt. Neben einer für Eisenbasiswerkstoffe ausgezeichneten Korrosionsfestigkeit in den in der Anwendung eingesetzten sauren und alkalischen Medien sollten mit dieser Legierung weiterhin Schichten ausreichender Härte erzielt werden, wobei der Nachbearbeitungsaufwand gegenüber den in der Anwendung befindlichen NiCrBSi-Schichtsysteme nicht erhöht ausfallen sollte. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden Fe-Basislegierungen mit den Legierungselementen Cr, Al, Si und B entwickelt. Aus Kostengründen wurde auf teure Elemente wie W, Mo, Mn, Y und andere Seltenerdelemente verzichtet, wie sie marktgängigen korrosionsfesten Fe-Systemen zulegiert sind. Anhand bekannter Kriterien bezüglich eines guten Glasbildungsvermögens wurden mit dem Programm FactSage mögliche Legierungszusammensetzungen des Fünfkomponentensystems berechnet. Die Herstellung der Legierungen erfolgte durch induktives Schmelzen, wobei zusätzlich eine Legierung mit Hilfe eines Plasma Transferred Arc (PTA)-Brenners aus Pulvermischungen erschmolzen wurde. Letztere bildete den Ausgangsmatrixwerkstoff des im Partnerprojekt P1 „Nanoschicht“ am IWW der TU Chemnitz zu entwickelnden Spritzwerkstoffs. Das IWW fügte der Matrix CrB2-Hartstoffe zu und beschichtete mit dem so hergestellten Verbundwerkstoff anschließend mittels APS und HVOF Substrate. Die Korrosionseigenschaften dieser Proben wurden zusammen mit 8 weiteren Referenzproben in Stromdichte-Potential-Messungen in durch die Anwendung vorgegebenen Elektrolyten (Feuchtmittel und Walzenreinigerlösung) untersucht. Alle Schichtsysteme zeigten in diesen Versuchen ähnliche Korrosionseigenschaften gegenüber der beiden Lösungen wie eine APS-gespritzte NiCrBSi-Schicht. Anhand der Ergebnisse von DSC-Analysen und der Korrosionsuntersuchungen in der Feuchtmittellösung wurde eine geeignete Eisenbasislegierung ausgewählt. Als Kriterien für die Auswahl der Legierung wurden sowohl die Liquidus-, die Solidus- und die Glasübergangstemperaturen als auch das Korrosions- und Durchbruchpotential in der Stromdichte- Potential-Messung herangezogen. Die abschließenden Korrosionsuntersuchungen in beiden Elektrolyten haben gezeigt, dass die mit dieser Legierung HVOF-gespritzten Schichten korrosionsbeständiger als die NiCrBSi-Referenzschicht sind. Die applizierte Schicht weist eine Porosität von 0,55 ± 0,2 % (gemessen mittels Bildanalyse am Querschliff) und eine Härte von 718 ± 24 HV 0,3 auf. Mit den optimierten Parametern wurde ein Demonstratorbauteil beschichtet, wobei der Auftragswirkungsgrad und der Bearbeitungsaufwand der Fe-Basis- Schichten ähnlich dem der NiCrBSi-Schichten liegen. Die Projektziele konnten somit alle voll erfüllt werden. Das Ergebnis dieser Entwicklung war in zweierlei Hinsicht überraschend positiv und überstieg die ursprünglichen Erwartungen. Die Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen zeigen, dass die im Projekt entwickelten Fe-Basis-Schichten in den oben genannten Elektrolyten korrosionsbeständiger als die NiCrBSi-Referenzschicht sind. Des Weiteren ist von Vorteil, dass die entwickelte Legierung erheblich kostengünstiger als herkömmliche Ni- Basislegierungen ist. Durch die enge Vernetzung im gesamten Forschungscluster (interne Abstimmungen auf Projektbearbeitertreffen sowie Abstimmung der IGF-Projekte mit der Industrie auf PA-Workshops) konnte ein kontinuierlicher Austausch stattfinden. Im Rahmen dieses Austauschs wurde festgestellt, dass die Legierungskonzepte der Projekte W1 und W2 gegenüber der ursprünglichen Planung angepasst werden mussten – z.T. auch durch die Zuordnung der Demonstrator-Bauteile bedingt. Während das Projekt W1 den Korrosionsschutz im Vordergrund stellte (glasphasenbildende Fe-Basis-Nanolegierung), lag der Schwerpunkt bei dem Projekt W2 auf dem Verschleißschutz (Fe-Legierungen mit Karbid-/Silizidbildnern). Daher wurde nach einem Abgleich der Konzepte die Zusammenarbeit schwerpunktmäßig in Richtung der direkt betroffenen Partner intensiviert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Development of nanostructured iron based alloys with enhanced corrosion resistance for thermal spray applications. International Thermal Spray Conference 2009 in Las Vegas, USA
Fr.-W. Bach, K. Möhwald, T. Bause
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Nanolegierung (W1). Werkstofftechnisches Kolloquium 2009, Chemnitz
Fr.-W. Bach, K. Möhwald, T. Bause
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Nanostrukturierte, thermisch gespritzte Schichten auf Eisenbasis für Anwendungen in der Papier- und Druckindustrie. PTS-Seminar "Nanotechnologie bei der Papierherstellung" in München, 21.-22.04.2009
Fr.-W. Bach, K. Möhwald, T. Bause
