Bauteile werden häufig mit Beschichtungen versehen, um einen wirtschaftlichen Betrieb von Geräten und Anlagen zu ermöglichen beziehungsweise deutlich zu verbessern. Die Beschichtung übernimmt die Aufgabe, äußeren Beanspruchungen zu widerstehen. Eine hohe volkswirtschaftliche Bedeutung kommt dem Korrosions- und Verschleißschutz zu. Die hervorragenden Eigenschaften von Stählen können durch die Berücksichtigung von Beschichtungen deutlich länger genutzt werden. Die Beschichtungen sollen ausreichend haften und den äußeren Einflüssen möglichst solange widerstehen, bis eine Aussonderung der beschichteten Bauteile beziehungsweise der Anlage vorgesehen ist. Der Beschichtungsprozess erfordert drei technologische Schritte, die Substratvorbehandlung, die Vorbereitung des Beschichtungswerkstoffes und die Beschichtungsherstellung. Für den Korrosions- und Verschleißschutz kommt den metallischen Beschichtungen, welche durch die Verfahren des Auftragschweißens beziehungsweise des Spritzens hergestellt werden, eine besondere Bedeutung zu. Dies ist zurückzuführen auf den erzielten hohen Mechanisierungsgrad bei der Beschichtungsherstellung, die hervorragende Recyclingfähigkeit und eine hohe Nachhaltigkeit. Bei abrasiver Verschleißbeanspruchung müssen Metalle durch Hartstoffe verstärkt werden. Diese können sich aus der Schmelze herausbilden oder separat zugeführt werden. Für besonders schwierige Situationen werden auch Hartstoffe mit hoher Bildungsenthalpie berücksichtigt. Dies allerdings führt zu Bindungsproblemen. Technisch-technologische Lösungen für diese Probleme wurden beziehungsweise werden derzeit erarbeitet. Kenntnisse zu den Bindungsmechanismen sind eine Voraussetzung für die Entwicklung von neuen hoch abrasionsbeständigen Schichtsystemen. Die große wirtschaftliche Bedeutung bergründet die Fokussierung der Ausführungen auf Beschichtungen, die mittels Auftragschweißen hergestellt werden.
1 Einleitung
Veränderungen, Reaktionen der oberflächennahen Bereiche von Bauteilen, sind häufig auf Wirkungen äußerer Einflüsse, wie beispielsweise aggressive Medien oder Reibung, zurückzuführen. Sich ergebende ungewollte Veränderungen sind oft Ursache für eine Aussonderung der Bauteile, welche exakt dann notwendig wird, wenn definierte chemische und/oder physikalische Eigenschaften nicht mehr gegeben sind. Um die Wechselwirkungen zu beeinflussen, um also ungewollten Veränderungen entgegenzuwirken und damit die Nutzungszeit von Bauteilen zu verlängern, sind zum Beispiel Beschichtungen vorgesehen. Diese können auch mit zusätzlichen, wie beispielsweise optischen, Funktionen versehen werden.
Hinsichtlich der Zweckmäßigkeit kommen Beschichtungen, die aufgebracht werden, um korrosiven und tribologischen Einflüssen zu widerstehen, die größte wirtschaftliche Bedeutung zu. Verluste durch korrosive sowie tribologische Einflüsse belaufen sich in Industrieländern auf zwei Prozent bis sieben Prozent des Bruttosozialprodukts [1, 2]. Eine Möglichkeit, diese Verluste zu reduzieren, ist die Berücksichtigung von Beschichtungen, welche korrosions- beziehungsweise verschleißbeständiger sind, als der Grundwerkstoff. Sowohl die Beschichtungstechnologien als auch die Beschichtungswerkstoffe unterliegen ständigen Entwicklungen.
Die Beschichtung von Bauteilen erfolgt überwiegend in einem zusätzlichen technologischen Prozess, welcher zu einer Erhöhung der Produktherstellungskosten führt. Andererseits wird die Nutzung der Bauteile überhaupt beziehungsweise länger möglich, woraus sich eine Kostenreduzierung ableitet.
Das Beschichten von Bauteilen muss in sehr vielen Fällen als sekundäre, die äußeren Beanspruchungen akzeptierende Maßnahme bezeichnet werden. Vorteilhaft ist es, den Beschichtungsprozess bereits bei der Produktentwicklung zu berücksichtigen, um gegebenenfalls notwendige konstruktive Anpassungen vornehmen zu können. Die Definition einer Beschichtungstechnologie sollte sinnvollerweise aus den Schlussfolgerungen einer Systemanalyse, der Beurteilung des korrosions- beziehungsweise tribologischen Systems und der technischen Möglichkeiten, abgeleitet werden. Änderungen der äußeren Einflüsse und/oder der Konstruktion werden Korrekturen des Beschichtungssystems erfordern.
Die große Bedeutung der Metalle in der Technik ist Anlass dafür, primär Beschichtungen auf Metallen und mit Metallen zu analysieren. Die primäre Verschleißschutzwirkung übernehmen bei diesen Systemen sich aus der Schmelze bildende Hartstoffe beziehungsweise Hartphasen. Für den Verschleißschutz bei grobabrasiver Beanspruchung haben sich metallische Systeme bewährt, welche mit zusätzlichen Hartstoffen versehen sind: die Metall-Matrix-Composite (MMC). Da diese Hartstoffe meist Keramiken sind, ist es erforderlich, die Verbindung Metall-Keramik näher zu untersuchen. Das Verständnis über die Reaktionen an den Grenzflächen von Werkstoffen differierender Bindungscharaktere ist eine gute Grundlage für die Entwicklung neuer, verschleißbeständiger Beschichtungen und damit eine Grundlage für die Verlängerung der Nutzungsdauer von Bauteilen und Anlagen.
2 Beschichtungstechnologien
Metallische Beschichtungen können hinsichtlich ihrer Dicke in Dünn- und Dickschichten (erfordert eine Definition), sinnvoller aber hinsichtlich der für ihre Herstellung benutzten Technologie beziehungsweise der eine Bindung zum Substrat und der Schichtbildung verursachenden chemisch-physikalischen Vorgänge eingeteilt werden. Die Norm [3] bietet eine andere, allerdings nicht konsequente Einteilung der Beschichtungsverfahren entsprechend dem Aggregatzustand der aufzubringenden Werkstoffe. Insbesondere für die metallischen Beschichtungen ist diese Gliederung nicht eindeutig, da wesentliche technische Beschichtungsverfahren zwar separat erwähnt werden, allerdings auch mehreren Aggregatzuständen des Beschichtungswerkstoffs zugeordnet werden können. Technologisch sind für die Herstellung aller Beschichtungen drei Schritte zu identifizieren:
- Substratvorbehandlung (Reinigung, Aktivierung und Strukturierung der Oberfläche)
- Vorbereitung des Beschichtungswerkstoffes
- Zusammenführen der beiden vorstehenden Schritte zur Beschichtung, der Beschichtungsherstellung
Diese Schritte erfolgen zeitlich überwiegend nacheinander. Für die Einstellung von gewünschten Schichteigenschaften kann unter Umständen eine Beschichtungsnachbehandlung erforderlich werden.
2.1 Substratvorbehandlung
Um den technologischen Schritt der Substratvorbehandlung und seine Bedeutung für die Haftung der herzustellenden Beschichtung zu verstehen, ist es sinnvoll, die oberflächennahen Bereiche des Substrats selbst zu beurteilen. Es genügt nicht, die Oberfläche, also das zweidimensionale Gebilde, zu bewerten, sondern es müssen auch tiefer gelegene Bereiche berücksichtigen werden. Die vorzubereitenden Volumina sind abhängig von der Tiefenwirkung des Beschichtungsverfahrens und der gewünschten Schichthaftung. Die Substratvorbehandlung ist somit nicht nur vom Zustand der oberflächennahen Bereiche des Substrats abhängig.
Grundsätzlich sollten vom Substrat Verunreinigungen, Adsorptionsschichten und Oxide gelöst werden. Verunreinigungen haften meist nur schlecht am Substrat. Bei Adsorptionsschichten und Oxiden kann dies anders sein. Sie zu beseitigen, ist zu begründen mit der fehlenden beziehungsweise ungenügenden Reaktion des metallischen Beschichtungswerkstoffes mit heteropolar gebundenen Schichten. Auch wenn eine Zerstörung der Oxidschicht, wie beim Auftragschweißen auf Aluminiumsubstraten, technisch schwierig ist, wird zumindest eine Minimierung der Schichtdicke beziehungsweise eine Vergleichmäßigung des Angebotes an Oxiden angestrebt. Effekte, wie die Existenz von porenbildenden sowie gegebenenfalls versprödend wirkendem Wasserstoff in der Oxidschicht, erschweren die Herstellung der Verbindung zum Substrat und können auch die Beschichtungseigenschaften selbstbeeinflussen.
Beispielhaft ist dies in Abbildung 1 dokumentiert. Bei den durchgeführten Auftragschweißungen wurde mit verschmutzten, alten und mit Drähten gearbeitet, welche unmittelbar vor dem Schweißen gereinigt wurden. Hierfür wurden die Drähte an ein positiv gepoltes Plasma gelegt. Variiert wurde der Plasmastrom, wodurch sich unterschiedliche Streckenenergien ergeben. Die Porosität von Verbindungen und Beschichtungen konnte durch die Reinigung des Zusatzwerkstoffes sehr deutlich reduziert werden.
Abb. 1: Ausprägung der Porenbildung im AlMg4,5Mn0,7 in der Schweißung bei unterschiedlichen Reinigungsenergien nach [4]
Abb. 2: Benetzung
Meist werden bei der Substratherstellung auch Veränderungen des Gefüges im oberflächennahen Bereich eingestellt, welche Haftungsprobleme bewirken können, sodass auch diese beseitigt werden sollten. Während für die thermo-mechanische Verfahrensgruppe thermischer Spritzprozesse meist das Strahlen der Substratoberfläche als Vorbehandlungsverfahren genügt, sind beispielsweise für die Herstellung weniger nm- oder µm-dicker Schichten mittels PVD-Verfahren (physical vapour deposition) Entfettungen, die Reinigung in Ultraschallbäder mit anschließender Trocknung sowie gegebenenfalls eine Plasmareinigung (Plasma-Cleaning) erforderlich. Erfolgt die Vorbehandlung in einem separaten technologischen Schritt, sollte die Herstellung der Beschichtung zeitlich unmittelbar folgen. Die Aktivierung der Oberfläche oder die Reduzierung der Spannungen (sowie weiterer Kriterien) sind eine wesentliche Grundlage für die Haftung des Schichtwerkstoffes am Substrat. Als Kriterium für die sich bildende Verbindung zwischen verflüssigten Beschichtungswerkstoffen und dem Substrat wird häufig der Benetzungswinkel θ entsprechend Gleichung <1> herangezogen (Abb. 2).
<1>
Mit ϒs ist die Oberflächenenergie des Festkörpers, mit ϒl die der Flüssigkeit und mit ϒsl ist die Grenzflächenenergie Festkörper/Flüssigkeit definiert. Die Benetzung (möglichst kleiner Benetzungswinkel) ist eine Voraussetzung für Diffusionsprozesse, für die Bindungen zwischen dem Substrat und der Beschichtung. Diffusionsprozesse können durch die Änderung der freien Gibbs`schen–Enthalpie (Gl. <2>) beschrieben werden. Parameter sind: Temperatur T, Druck p, und Teilchenzahl N. Mit µi ist das chemische Potenzial, mit S die Entropie und mit V das Volumen bezeichnet.
<2>
Technisch leicht variierbar sind Temperatur und Druck. Für die Beurteilung der Übergangszone sind Kenntnisse über die physikalischen sowie chemischen Eigenschaften der sich bildenden Phasen erforderlich. In Abbildung 3 sind Übergänge zwischen Eisen(Fe)-Basissubstraten und den mittels Lichtbogenspritzen hergestellten und thermisch identisch nachbehandelten Aluminium(Al)-Basisbeschichtungen dargestellt.
Abb. 3: Lichtbogengespritze und wärmenachbehandelte Beschichtungen; links AlSi5- und rechts AlMg3-Beschichtung (Tmax = 650 °C, Aufheizzeit tauf = 100 s und Haltezeit thalt = 300 s)
Der deutliche Unterschied in der Schichtstärke der Diffusionsschicht ist begründet durch die Variation des chemischen Potenzials. Während Silizium (Si) die Diffusion zumindest zeitlich verzögert, wird sie durch Magnesium (Mg) beschleunigt.
2.2 Vorbereitung des Beschichtungswerkstoffes
Die metallischen Beschichtungswerkstoffe werden vor dem eigentlichen Schichtbildungsprozess in einen meist ionisierten/atomaren, in den flüssigen oder in einen mechanisch beziehungsweise thermisch angeregten Zustand versetzt. Es ist Energie notwendig, um diesen Zustand einzustellen. Als thermische Energiequellen für die Vorbereitung des Beschichtungswerkstoffes fungieren die Brenngas(-Flüssigkeits)-Sauerstoff-Flamme, die induktive sowie Ohmsche Erwärmung, unterschiedliche Plasmen sowie Strahlung. Für die Einstellung einer Zwangsbewegung der Beschichtungswerkstoffe werden bevorzugt Gasströmungen benutzt. Der Beschichtungswerkstoff wird entsprechend dem Beschichtungsverfahren und den herzustellenden Beschichtungseigenschaften gewählt. Er wird zum Beispiel als Target, Pulver, Draht, Block oder Stangenabschnitt angeboten. Eine Spezifizierung hinsichtlich der Herstellungsverfahren ist üblich. Die Kombination aus metallischen Matrices (MM) und Hartstoffen (HS) führt zu Metall-Matrix-Compositen (MMC).
Nach [5] können Hartstoffe in metallische und nicht metallische eingeordnet werden. Als metallische Hartstoffe werden Verbindungen mit den Übergangsmetallen der Gruppe IVa bis VIIIa des Periodensystems mit den Elementen Kohlenstoff (C), Bor (B), Silizium (Si) beziehungsweise Stickstoff (N) bezeichnet. Nicht metallische Hartstoffe sind Verbindungen der Elemente Kohlenstoff, Bor, Stickstoff und Silizium untereinander. Auch einige Oxide wie Aluminiumoxid (Al2O3) oder Zirkonoxid (ZrO2) werden dieser Gruppe zugeordnet. Ihnen gemeinsam sind die hohe Härte, eine hohe Schmelztemperatur, kleine Ausdehnungskoeffizienten sowie hohe Elastizitätsmodule. Bilden sich Hartstoffe während der Erstarrung eines flüssigen Beschichtungswerkstoffes können ihnen zusätzliche Eigenschaften, wie die Kornfeinung, also eine Beeinflussung des Gefüges der sich bildenden Beschichtung, zugeordnet werden. Sich aus der Schmelze bildende Hartstoffe sind meist nur wenige Mikrometer groß und damit weniger geeignet, um einer Verschleißbeanspruchung durch grobe Abrasive zu widerstehen.
Um dieser Beanspruchung zu genügen, werden der metallischen Matrix (MM) Hartstoffe zugegeben, welche sich möglichst bei geringer Zersetzung in der Beschichtung einlagern. Die Reaktion zwischen Hartstoff und metallischer Matrix ist wesentlich vom Bindungscharakter des Hartstoffes und der Änderung der Gibbs‘schen Enthalpie (Gl. <2>) abhängig. Eine erste Einschätzung möglicher Reaktionen zwischen Hartstoff (HS) und metallischer Matrix (MM) liefert die Bildungsenthalpie des Hartstoffes. So wird in einer metallischen Matrix auf Eisenbasis und identischen thermo-mechanischen Bedingungen der Beschichtungsherstellung die Zersetzung des WxCy (26 kJ/mol bis 40 kJ/mol) intensiver stattfinden als die des TiC (180 kJ/mol) oder des Al2O3 (1600 kJ/mol). Letzteres kann unter Umständen nicht zur Reaktion gebracht werden.
Um Metall-Matrix-Composite (MMC) zu kreieren [6], sind entsprechend Abbildung 4 die chemische, die thermische sowie die mechanische Kompatibilität der Kombination aus Hartstoff und metallischer Matrix zu prüfen. Angaben zur chemischen Kompatibilität für die metallische Matrix (MM) auf Basis von Eisen-Aluminium können der Literatur (z. B. [7]) entnommen werden. Ebenso sind Hinweise zur thermischen vorhanden. Die mechanische Kompatibilität (Eigenschaften der Reaktionszone) ist wesentlich vom Hartstoff, aber auch von der metallischen Matrix abhängig.
Abb. 4: Bindung zwischen Hartstoff (HS) und metallischer Matrix (MM)
Begründet durch die geringe Dichte ist es zweifellos schwierig, Oxide wie beispielsweise das Siliziumoxid (SiO2; 911 kJ/mol) als Hartstoff in einer Auftragschweißung zu positionieren. Gelingt es technisch trotzdem, zum Beispiel mittels InduClad [8], wird bei einer unangepassten metallischen Matrix sowie einer abrasiven Beanspruchung ein Herausfallen der Hartstoffe aus der Beschichtung zu registrieren sein (Abb. 5). Die Ergebnisse der Untersuchungen von Ellingham [9] bestätigen für Reaktion des Siliziumoxids mit einer Matrix auf Eisenbasis eine chemische Kompatibilität, also keine Reaktionen. Ein mit der Matrix reagierender Hartstoff ist inkompatibel, er löst sich auf. Einige technische Lösungen für partielle Reaktionen wurden in den letzten Jahren erarbeitet [10].
Abb. 5: Auftragschweißschicht InduClad mit X200CrNiBMo10-4-3-3 + SiO2
Die Vorbereitung des Beschichtungswerkstoffes ist somit nicht beschränkt auf die Herstellung des für die Beschichtung notwendigen Aggregatzustandes, sondern erfordert insbesondere bei der Herstellung von MMC auch die Beurteilung der Kompatibilität. An Beschichtungen aus verflüssigtem Matrixwerkstoff und separater Zugabe von Hartstoffen werden sehr geringe Verschleißraten gemessen.
Derartige verschleißbeständige Beschichtungen sind legierungstechnisch einzuteilen in drei Systeme:
- Bildung der Hartstoffe aus der Schmelze
- separate Zuführung von Hartstoffen
- Kombination aus den beiden genannten Systemen
Chemisch können Matrices für verschleißbeständige Beschichtungen unterteilt werden in Nickel-, Kobalt- und Eisenbasis-Werkstoffe. Für die Herstellung korrosionsbeständiger metallischer Beschichtungen stehen zusätzlich die Werkstoffe auf Zink- oder auch Kupferbasis zur Verfügung.
2.3 Beschichtungsherstellung am Beispiel Auftragschweißen
Für das Auftragschweißen mittels Metallschutzgasanlagen werden bevorzugt Fülldrähte benutzt. Dies ist zu begründen mit dem angestrebten hohen Legierungsgehalt, welcher bei formgeschlossenen Drähten bis zu 50 wt. % betragen kann. Verfahrensspezifisch beträgt die Abschmelzleistung etwa 8 kg/h. Es existiert eine Reihe von Beschichtungsverfahren, welche den Lichtbogen als Energiequelle für die Beschichtungsherstellung nutzen. Ein häufig, mit dem Ziel einer geringen Vermischung der Beschichtung mit dem Substrat verwendetes, Beschichtungsverfahren ist das Plasma-Pulver-Auftragschweißen (PTA). Auch mit diesem Verfahren können sehr hohe Abschmelzleistungen (bis zu 12 kg/h) erzielt werden. Hinzu kommt, dass die Legierungsmöglichkeiten nahezu unbegrenzt sind. Eine sehr bedeutende Anwendung dieses Verfahrens ist die Herstellung von MMC, welche bei grobabrasiver Beanspruchung sehr gute Ergebnisse liefern. Als MM werden bevorzugt Nickelbasis-Legierungen und als Hartstoffe werden Wolframkarbide differierender Typen (WxCy) benutzt. Auch mit der Brenngas-Sauerstoff-Flamme als Energiequelle ist es möglich, wenn auch bei extrem geringer Abschmelzleistung, MMC-Beschichtungen herzustellen. Weniger häufig wird hierfür das Lichtbogenhandschweißen benutzt. Auch Laser-Pulver-Auftragschweißungen werden durchgeführt. Weniger verbreitet ist die Nutzung der Induktion als Energiequelle für die Herstellung von Beschichtungen.
Mittels thermo-mechanischer Verfahren werden sowohl großflächige Beschichtungen als auch Beschichtungen an thermisch sensiblen Substraten hergestellt. Schwierig ist es, mit diesen Verfahren durch eine separate Zuführung grober Hartstoffe, ohne eine Zersetzung des Hartstoffes beziehungsweise ohne eine deutliche Reduzierung der Auftragsrate, Metall-Matrix-Composits herzustellen. In [11] ist dies für das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) dokumentiert. Die begrenzte Verflüssigung des Substrates und die Bildung von Oxiden am Substrat infolge der Wirkung des für die Bewegung des Beschichtungswerkstoffes notwendigen Trägergases während des Spritzens, der Atmosphäre allgemein, erklären die begrenzte Haftung der Schicht am Substrat. Hinzu kommt, dass die partiell aufgeschmolzenen beziehungsweise die verflüssigten Partikel auf dem Weg von der Spritzpistole zum Substrat Oxide bilden, wodurch nahezu heteropolar gebundene Partikel am Substrat in Berührung gebracht werden. Die Spritzverfahren mit hoher kinetischer Energie führen zu Beschichtungen geringster Porosität. Allerdings erfordert ihre Anwendung erhöhte Sicherheitsmaßnahmen. Die thermische Energie wird bei den meisten Verfahren sowohl für die Aktivierung des Substrates als auch für die Vorbereitung und den Transport des Beschichtungswerkstoffes benutzt.
Die Herstellung von Korrosionsschutzschichten mittels Werkstoffen auf Zinkbasis erfolgt großtechnisch sowohl mittels Spritzen, mittels Tauchen sowie auch die elektrolytisch Abscheidung aus wässrigen Elektrolytsystemen. Während der Nutzung verzinkter Bauteile verändert sich die Zinkschicht. Ergebnisse von Untersuchungen (z. B. [12]) des Systems Zink-Wasser-Kohlenstoffdioxid (Zn - H2O - CO2) belegen die Bildung von Oxiden, Carbonaten, Hydroxiden sowie Hydroxidcarbonaten. Sie reduzieren den Korrosionsfortschritt. Eine metallische Verbindung zu diesen Schichten ist andererseits extrem schwierig, sodass Beschichtungen auf verzinkten Bauteilen meist die Zerstörung dieser Reaktionsschichten erfordern.
Die Einführung des Presshärtens von Substraten auf Eisenbasis (z. B. 22MnB5) in der Automobilbranche sowie die begrenzte thermische Beständigkeit von konventionellen Zinkbasis-Schichten erforderte die Entwicklung neuer, thermisch beständiger Schichtsysteme. Da für eine Serienfertigung Nickel als Beschichtungswerkstoff gewisse Bedenken hinsichtlich der Exposition verursacht, war Aluminium-Silizium eine Alternative. Dieser technische Kompromiss (AlSi10Fe3) sowie wirtschaftliche Zwänge bedingen die Bildung spröder Aluminium-Eisen-Phasen (Al2Fe, Al2Fe2, und andere). Sie zu vermeiden gelingt durch die Erhöhung der Austenitisierungstemperatur (T > 950 °C) sowie der Verlängerung der Energiewirkung (t > 4 min). Der Gehalt an eisenreichen Phasen wird erhöht und damit die Rissanfälligkeit reduziert [13, 14]. Somit eignen sich auch Nachbehandlungsprozesse für eine Qualifizierung von Beschichtungen und der Haftung zum Substrat.
3 Verschleißbeständige Beschichtungen
Der Systemcharakter des Verschleißes erschwert es, grundsätzliche Angaben zur Eignung von Beschichtungen zu treffen. Wesentlich bei der Auswahl von Beschichtungswerkstoffen sind die in Gleichung <3> zusammengefassten Aspekte. Mit (HSchicht) und (HAb) sind die Härten der Schicht und des Abrasivs und mit KIC Schicht beziehungsweise KI sind der Spannungsintensitätsfaktor der Schicht sowie die von der Abrasivwirkung ausgehende Spannungsintensität bezeichnet.
<3>
Eine Reduzierung der kritischen Fehlergröße, die Existenz einer metastabilen zweiten Phase im Hartstoff sowie die Nutzung relativ zum Hartstoff weicher Matrices sind gute Voraussetzungen für die Herstellung dynamisch beanspruchbarer Schichten. Diese Bedingungen werden sehr gut mit dem Hartstoff WxCy, welcher aus den Phasen WC und W2C besteht, erreicht. Wird dieser auch noch in einer relativ zur seiner Härte weichen Nickelbasis-Matrix (MM) eingebettet, so wird die Beziehung der Gleichung <3> in weiten Bereichen erfüllt. Es können weitere Bedingungen (Gl. <4> und Gl. <5>) formuliert werden. Mit dAbrasiv und mit dHS sind die Abrasivkorngröße sowie die Korngröße der Hartstoffe beziehungsweise -phasen bezeichnet. dL ist der Abstand zwischen zwei Hartstoffpartikeln. Wird die Packungsdichte der Hartstoffe in der Beschichtung zu groß gewählt, kann die Bedingung der Gleichung <3>nicht eingehalten werden. Dies kann zu Abplatzungen führen, wodurch die Beschichtung versagt. Auch die Bedingung gemäß Gleichung <5> ist dann nicht eingehalten.
<4>
<5>
In Abbildung 6 ist die Wirkung von Hartstoffen in Beschichtungen verdeutlicht. Die Abrasivspur wird infolge der Existenz der Hartstoffe ausgelenkt, sodass die Beschichtung hinter dem Hartstoff vor der Wirkung des Abrasivs geschützt ist.
Abb. 6: Wirkung der Hartstoffe bei abrasiver Beanspruchung
Nach den in [15] formulierten Vorgaben kann eine Einteilung der Schweißzusatzwerkstoffe für Hartauftragungen nach dem Hauptelement der metallischen Matrix vorgenommen werden. Für metallische Matrices auf Eisen- beziehungsweise Nickelbasis werden Kennzeichen von Fe beziehungsweise Ni1 bis Fe beziehungsweise Ni20 vergeben. Mit Fe20 beziehungsweise Ni20 sind Metall-Matrix-Composite definiert. Diese existieren für Kobaltbasislegierungen nicht. In Tabelle 1 ist die in der Norm fixierte Einteilung beispielhaft dokumentiert.
Für den abrasiven Verschleißschutz (Fe16) haben sich in der Praxis Beschichtungen mit einem hohen Gehalt an Karbidbildnern bewährt. Primär ausgeschiedene Hartstoffe sind in einer eutektischen Grundmatrix eingebettet. Die Hartstoffe, deren Bildungsreaktion die geringste Standardbildungsarbeit erfordern, kristallisieren zuerst aus der Schmelze. Sie fungieren folgend als Kristallisationskeime für die Erstarrung von Hartphasen. Typische Vertreter primär erstarrender Hartstoffe sind zum Beispiel Titan(Ti)-, Niob(NB)- oder Vanadium(V)-Karbid. Die Hartphasen bilden sich folgend als Mischkarbide. Besonders zu bezeichnen ist das M7C3. Je höher der Chromgehalt dieses Mischkarbides ist, umso höher ist auch die Härte. Weiterhin wird in dieser Legierungsgruppe die Bildung von Boriden berücksichtigt. Ein für diese Legierungsgruppe typisches Gefüge ist in Abbildung 7 gezeigt. Die Härte derartiger Auftragschweißungen liegt im Bereich von 64 HRC bis 68 HRC.
Abb. 7: Gefüge einer geschweißten Beschichtung des Werkstoffes FeCr20Nb7C5
4 Entwicklungsrichtungen am Beispiel des abrasiven Verschleißschutzes
Entwickelt werden sowohl neue metallische Matrices (MM) als auch Metall-Matrix-Composite (MMC) einschließlich der für ihre Nutzung als Beschichtungswerkstoff nötigen Verarbeitungstechnologie. Werkstoffentwicklungen betreffen beispielsweise die Anpassungen der keramischen Hartstoffe an Veränderungen der metallischen Matrix und der Schweiß- beziehungsweise Spritzverfahren. Es gelingt zunehmend besser, auch Metall-Matrix-Composite mit nichtmetallischen Hartstoffen (> 45 µm) spritztechnisch herzustellen. Zu erwähnen sind das tiefere Verständnis zur Bedeutung der Struktur von Wolframschmelzkarbid in Bezug auf die Reaktionen mit der metallischen Matrix während des Beschichtungsprozesses, die Erhöhung der inneren Energie der WSC-Hartstoffe als Folge von Schnellerstarrungsprozessen, die Aufkohlung der WSC zur Bildung von WC-Randschichten und schlussendlich die Ambitionen der Schaffung von alternativen Hartstoffen zum WxCy in Beschichtungen.
Insbesondere die Nutzung von Hartstoffen hoher Bildungsenthalpie als Alternative zu WxCy wurden sehr intensiv untersucht [16]. Sie werden in naher Zukunft auch großtechnische Bedeutung erlangen. Einen weiteren Aspekt betrifft die gezielte Nutzung von Zerfallsprodukten des Hartstoffes WxCy zur Bildung neuer harter und ausreichend duktiler Phasen, die Bildung von neuen sich aus der Schmelze formierender Hartstoffe [17] aus der Kombination von Elementen der Übergangsmetalle der Gruppen IVa bis VIIIa des Periodensystems mit den Elementen Kohlenstoff, Bor, Silizium beziehungsweise Stickstoff. Auch die Bildung neuer Hartstoffe auf dieser Basis ist eine Entwicklungsrichtung, mit dem Ziel die Verschleißbeständigkeit von Beschichtungen zu erhöhen. Bei den metallischen Matrices wird der Ersatz von Kobalt durch Nickel beziehungsweise von Nickel durch Eisen bearbeitet. Die Zwänge hierzu sind meist wirtschaftlicher Art.
Für das Auftragschweißen werden zunehmend moderne Verfahren, wie die Wechselstromtechnik und Kombinationen unterschiedlicher Beschichtungsverfahren, zur Anwendung gebracht. Die Verarbeitung von mit Hartstoffen gefüllten Fülldrähten kann zum Beispiel bereits heute mit Metallschutzgas-Heißdraht-Verfahren (MSG-HD) [18] erfolgen. Aber auch das Laser-HD-Verfahren gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ziele, wie der Erhalt der Hartstoffe durch die Reduzierung der Schmelzbadtemperatur, die Erhöhung der Abschmelzleistung, die Reduzierung der Vermischung mit dem Substrat und die Reduzierung der Verluste, stehen im Fokus der Entwicklung. Auch für die Spritztechnik können ähnliche Entwicklungen registriert werden. Eine Richtung betrifft die Erzeugung von MMC-Schichten mit keramischen Hartstoffen grober Körnung, um Beschichtungen zu erzeugen, die bei grobabrasiver Beanspruchung einen höheren Verschleißwiderstand erzielen als konvetionelle.
Literatur
[1] H. P. Jost: Lubrication (tribology), education and research: a report on the present position and industry‘s needs; London: HM Stationary Office, 1966
[2] Gesellschaft für Tribologie e.V.: Die GfT. Gesellschaft für Tribologie e.V., 2017 (Homepage im Internet; Zugriff am 30.10.2017), verfügbar unter: www.gft-ev.de
[3] Deutsches Institut für Normung e. V.: DIN 8580:2003-09: Fertigungsverfahren – Begriffe, Einteilung (Berlin: Berlin Beuth Verlag); 2003
[4] C. Martens, T. Klein, W. Brück, R. Winkelmann: Lichtbogenlöten mit thermo-mechanisch vorbehandelten Al-Basis-Zusatzwerkstoffen; Tagungsband zum 19. Werkstofftechnischen Kolloquium am 10. und 11.3.2016 in Chemnitz, Chemnitz, Eigenverlag TU Chemnitz
[5] W. Schatt, K. P. Wieters, B. Kieback: Pulvermetallurgie. Technologien und Werkstoffe; 2. Auflage, Berlin-Heidelberg, Springer-Verlag, 2007
[6] A. K. Misra: Thermodynamic Analysis of Compatibility of Several Reinforcement Materials with FeAl Alloys; NASA Contractor Report 4172, Washington, United States: NASA, 1988
[7] R. Winkelmann, H. Pokhmurska: Verschleißschutz durch Fe-basierte, partikelverstärkte Schichten: Ceramic-Metal-Composite Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen; 10. Fachtagung Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen in Halle am 25. und 26.6.2014, Düsseldorf, DVS-Verlag, S. 12-17
[8] R. Winkelmann, W. Theisen, J. Smenda, T. Rank: InduClad – verfahrens- und werkstofftechnische Grundlagen einer neuen Beschichtungstechnologie; 8. Fachtagung Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen in Halle am 16. und 17.6.2010
[9] H. J. T. Ellingham: Reducibility of oxides and sulphides in metallurgical processes; Journal of the Society of Chemical Industry, vol. 63 (London), 1944,
S. 125-133
[10] BTU Cottbus - Senftenberg, Fertigungstechnik/Tribologie: SubsTungs - Substitution von Wolfram in Verschleißschutzschichten; Teilvorhaben der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-
Senftenberg, ehemals Hochschule Lausitz (FH): Technologische Voraussetzungen der Beschichtungsherstellung; Schlussbericht für das BMBF-Verbundprojekt, Senftenberg: Fertigungstechnik/Tribologie, BTU Cottbus-Senftenberg, 2016
[11] A. Röttger: Entwicklung neuer Schichtverbunde auf Fe-Basis gegen Abrasion; Dissertation, Bochum, Ruhr-Universität Bochum, 2011
[12] R. Grauer, W. Feitknecht: Thermodynamische Grundlagen der Zinkkorrosion in carbonathaltigen Lösungen; Corrosion Science, vol. 7, 1967; S. 629–644
[13] R. Winkelmann, H. Pokhmurska: Entwicklung und Bewertung verschleißbeständiger Fe-Al-x-Schichten; Tagungsband zum 17. Werkstofftechnischen Kolloquium Werkstoffe und Werkstofftechnische Anwendungen in Chemnitz am 11. und 12.9.2014, Chemnitz, Eigenverlag TU Chemnitz
[14] BTU Cottbus-Senftenberg, Fertigungstechnik/Tribologie: Hybrides Fügen von Multimaterialsystemen für Kraftfahrzeuge: Teilprojekt: Verbindungstechnologie Stahl-Stahl und Stahl-Magnesium; Schlussbericht für das BMBF-Verbundprojekt Hybdrides Fügen von Multimaterialsystemen für Kraftfahrzeuge, Berichtszeitraum: 1.4.2011–31.03.2014; Senftenberg: Fertigungstechnik/Tribologie, BTU Cottbus-Senftenberg
[15] Deutsches Institut für Normung e. V.: DIN EN 14700:2014-07: Schweißzusätze - Schweißzusätze zum Hartauftragen, Berlin, Beuth Verlag, 2014-07
[16] D. Krüger, N. Aldarawish, A. Kirsten, R. Winkelmann: Zusatzwerkstoffe und ihre Verarbeitungstechnologie für das Auftragschweißen verschleißbeständiger Beschichtungen; Tagungsband zum 21. Werkstofftechnischen Kolloquium am 6. und 7.3.2019 in Chemnitz, Chemnitz, Eigenverlag TU Chemnitz
[17] K. Scheibe, R. Winkelmann: Quantitative Analyse der Reaktionen von WxCy-Hartstoffen in auftraggeschweißten metallischen Beschichtungen; Tagungsband zum 21. Werkstofftechnischen Kolloquium am 6. und 7.3.2019 in Chemnitz, Chemnitz, Eigenverlag TU Chemnitz, WOMag 4/2019, www.womag-online.de
[18] B. Allebrodt, F. Schreiber, T. Erpel: Doppeldraht-Metallschutzgas-MSG-Heißdraht-Auftragschweißen: Verschleiß- und Korrosionsschutz für technisch anspruchsvolle Anwendungen, Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen, 12. Fachtagung Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen am 13. und 14.6.2018 in Halle (Saale), Halle (Saale), DVS-Verlag
