Im Bereich des Verschleiß- und Korrosionsschutzes durch Auftragschweißen werden verschiedene Schweißverfahren eingesetzt. Dazu zählen technologisch weniger anspruchsvolle Anwendungen wie das Acetylen-Sauerstoff-Schweißen oder das E-Hand-Schweißen mit Stabelektroden, über klassische Verfahren wie das MIG/MAG- oder WIG-Schweißen bis hin zu jüngeren Verfahren wie dem Plasma-Pulver-Auftragschweißen oder dem Laser-Auftragschweißen. Allen Verfahren ist gemein, dass die charakteristischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die erzeugte Schichtqualität, die Abschmelzleistung oder die Wirtschaftlichkeit, erheblich von den einzusetzenden Schweißzusätzen in Form von Stäben, Schnüren, Füll- und Massivdrähten oder Metall- und Mischpulvern abhängen. Anhand der europäischen Norm EN 14700 wird auf die Besonderheiten bei der Auswahl der Schweißzusätze und deren Merkmale aus industrieller Sicht eingegangen.
1 Einleitung
Durch abrasiven und erosiven Verschleiß an Maschinen und Bauteilkomponenten des Anlagenbaus, beispielsweise bei Anlagen im Bergbau und zur Erzaufbereitung, in der Zement- und Ziegelindustrie, bei Straßenbau- und Erdbewegungsmaschinen sowie bei Großraumbaggern, entstehen heute erhebliche volkswirtschaftliche Verluste. Eine wirtschaftliche und effektive Schutzmaßnahme zur Erhaltung von hochabrasiv, adhäsiv und/oder erosiv beanspruchten Funktionsoberflächen stellt hierbei das Thermische Beschichten durch Auftragschweißen dar. Hierbei kommen nahezu alle Schweißverfahren manuell und mechanisiert zum Einsatz, unter anderem Autogen-Auftragschweißen, Elektro-Handschweißen, Metall-Schutzgas(MSG)- und Plasma-Auftragschweißen sowie Laser-
Auftragschweißen. An das jeweilige Schweißverfahren mit seinen spezifischen Eigenschaften und vor allem an die Verschleißschutzzusatzwerkstoffe werden aufgrund der Forderung nach Erhöhung der Produktivität und der Durchsatzmengen von leistungsstärkeren Maschinen ständig wachsende Anforderungen gestellt. Hinzu kommt, dass die auftretenden Verschleißmechanismen der einzelnen Anwendungsfälle häufig aus Kombinationen wie zum Beispiel Abrasion, Erosion oder Korrosion bestehen, wodurch abgesicherte Kenntnisse über die Auswahl des richtigen Verschleißschutzwerkstoffs als auch über die schweißtechnische Verarbeitung besonders wichtig sind, da diese die Qualität der erzeugten Schutzschicht maßgeblich mitbestimmen [1–5].
2 Übersicht der Auftragschweißverfahren
Nach der Norm DIN 8580 gehört das Auftragschweißen in die Hauptgruppe der Fertigungsverfahren des Beschichtens und wird als Schweißen angeführt, wenn bei diesem Prozess ausschließlich durch einen Schweißzusatzwerkstoff, zum Beispiel Draht oder Pulver, ein Volumenaufbau – meist in Form einer Deckschicht – erfolgt [5]. Das Aufbringen einer Schicht auf eine Bauteiloberfläche geschieht beim Auftragschweißen über den Schmelzfluss. Es dient neben dem Instandsetzen von verschlissenen Oberflächen vor allem zum Panzern (Verschleißschutz), Plattieren (Korrosionsschutz) und Puffern (Aufbau- und Zwischenlagen) von Bauteiloberflächen. Während die Beschichtung als Funktionsoberfläche das Bauteil vor Beanspruchungen durch Korrosion, Verschleiß und/oder Temperatur schützen soll, fungiert der Grundkörper des Bauteils als Träger mit ausreichenden elastischen Eigenschaften.
Besondere Vorteile des Auftragschweißens sind eine gute Haftung zwischen Trägermaterial und Beschichtung, eine dichte Schicht sowie eine gute Wärmeleitung von der Auftragschweißung in das Bauteil. Die charakteristische Güte einer Auftragschweißung wird im Wesentlichen vom Grad der Aufmischung bestimmt. Diese gibt das Verhältnis von aufgeschmolzenem Grundwerkstoff zum Gesamtvolumen des aufgeschmolzenen Materials, also der Auftragschicht, wieder, welche mittels eines Querschliffs planimetrisch oder über das Verhältnis der chemischen Analyse von reinem Schweißzusatz, Grundwerkstoff und Schweißgut bestimmt werden kann. Generell wird eine möglichst geringe Aufmischung angestrebt, wobei allerdings noch eine ausreichende metallurgische Bindung zwischen Beschichtung und Grundwerkstoff gewährleistet sein muss. Spezifische Merkmale des gewählten Auftragschweißverfahrens, welche die Schichtqualität hinsichtlich Aufmischung, Oberflächengüte und Schichtkonstanz, Bearbeitbarkeit der Panzerung oder Plattierung bedingen, müssen ebenso wie die werkstoffbezogenen und metallurgischen Aspekte berücksichtigt werden. Letztlich wird die Auswahl eines geeigneten Auftragschweißverfahrens dann noch durch die Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit bestimmt [1-4]. Die wichtigsten Verfahren zur wirtschaftlichen, industriellen Herstellung hochverschleißbeständiger Schutzschichten durch Auftragschweißen sind je nach Fertigungsbedingungen und Verfügbarkeit
- das Gasschmelzschweißen (Autogenschweißen)
- das Lichtbogenhandschweißen
- das Metall-Schutzgas(MSG)-Schweißen
- das Open-Arc(OA)-Schweißen
- das Plasmapulver(PTA)-Schweißen sowie
- das Laserpulver(LPA)-Auftragschweißen
mitsamt ihrer unterschiedlichen Leistungsfähigkeit, Automatisierungsgrad sowie charakteristischen Eigenschaften und typischer Hartstoffgröße (Tab. 1) [2, 3].
Das Lichtbogenhandschweißen mit umhüllten Kernstabelektroden (FeCrC- oder Co-Basislegierungen), aber auch mit Wolfram-Schmelzkarbid(WSC)-Pulver gefüllten Röhrchenelektroden (z. B. DURMAT E: FeC + 60 % WSC) ist ein manuell geführtes Verfahren und aufgrund seiner einfachen Handhabung sehr verbreitet. Es wird hauptsächlich für Reparaturen oder Nachbesserungen an schlecht zugänglichen Schweißpositionen genutzt.
Nach wie vor stellt das manuell geführte Gasschmelzschweißen ein weltweit bedeutendes Beschichtungsverfahren dar; hierbei kommen WSC-Pulver (DURMAT 60 WSC: NiCrBSi + 60 % WSC), WSC-gefüllte Röhrchenstäbe (z. B. DURMAT A: FeC + 60 % WSC) oder WSC-umhüllte Schnüre (DURMAT B: NiCrBSi + 60 % WSC) zum Einsatz. Wegen der sehr einfachen Handhabung und des unkomplizierten Aufbaus kommt das Verfahren auch unter schwierigen Fertigungsbedingungen, wie zum Beispiel beim Einsatz in Reparaturstätten auf Ölfeldern, zum Tragen [3, 4].
Über einen hohen Grad an Automatisierung verfügen die MSG-Auftragschweißverfahren, welche primär für das großflächige Auftragschweißen von beispielsweise Schleißplatten oder Walzen eingesetzt werden. Die Berücksichtigung von Lichtbogenstabilisatoren und Schutzgasbildnern in der Drahtfüllung führt zu OA-Fülldrähten, die ohne zusätzliches Schutzgas verschweißt werden. Die Aufmischung zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung liegt beim MSG- beziehungsweise beim OA-Schweißen je nach Legierung und Betriebsbedingungen zwischen 20-30 % in der ersten Lage, während sich die Schichtdicke im Bereich zwischen 3 mm bis 5 mm bewegt [1-4].
Neueste Varianten des MSG-Schweißens sind die GKLB- (geregelte Kurzlichtbogen-Schweißprozesse), wie zum Beispiel Cold-Metal-Transfer (CMT), Cold-Arc oder AC-MiG-Pulsschweißen, womit die Aufmischung auf < 5 % gesenkt und die thermische Beanspruchung des Bauteils verringert werden konnte [6,7].
Als weitere wichtige Auftragschweißverfahren industriell durchgesetzt haben sich das PTA- und LPA-Auftragschweißen mit Metallpulver-Schweißzusätzen. Das PTA-Auftragschweißen hat im Zuge der wachsenden Automatisierung sowie der Qualitätssicherung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hiermit können durch die verfahrensspezifischen Vorteile qualitativ hochwertige Schutzschichten mit Vermischungswerten unter 10 % (je nach Abschmelzleistung und Schweißzusatz) erzielt werden. Die Abschmelzleistungen betragen bei WSC-haltigen Schweißzusätzen auf Nickelbasis mittlerweile über 12 kg/h. Im Hochleistungsbereich kommen vor allem NiBSi-Legierungen (zum Teil mit Chrom) mit 60 % WSC zum Einsatz [9].
Das LPA-Auftragschweißen steht immer mehr im Wettbewerb zum PTA-Schweißen. Es hat sich industriell durch den Einsatz von Diodenlasern bei höheren Qualitätsanforderungen sowie mechanisch-dynamisch hochbeanspruchbaren Schichten auf schweißtechnisch schwierigen Grundwerkstoffen, die eine geringe Wärmeeinbringung erfordern, gefestigt. Die Vorteile gegenüber konventionellen Lichtbogen-Schweißverfahren entstehen im Wesentlichen durch den geringen und lokal begrenzten Energieeintrag des Lasers [10, 11].
3 Verschleißschutzwerkstoffe für das Auftragschweißen
Die Wahl des Werkstoffes beeinflusst maßgeblich die Auswahl des einzusetzenden Schweißverfahrens. Im Allgemeinen wird der Grundwerkstoff entsprechend den mechanischen Anforderungen an das Bauteil gewählt. Die Definition des Beschichtungswerkstoffes richtet sich nach der zu erwartenden Beanspruchung der Oberfläche, wie zum Beispiel abrasivem Verschleiß, Korrosion, Erosion, Kavitation, oder aber einer Kombination aus diesen, so wie im Realfall üblich. Dementsprechend gilt es hinsichtlich der Werkstoffwahl, folgende Aspekte zu beachten:
- die grundsätzliche Schweißbarkeit
- die Verfügbarkeit
- eventuell erforderliche Wärmebehandlungen
- die metallurgischen Wechselwirkungen der Werkstoffpaarung Substrat/Auftragschicht
- die Aufmischungsempfindlichkeit sowie
- die resultierenden Anforderungen an das Beschichtungsverfahren
Je nach Auftragschweißverfahren und Beanspruchungsprofil müssen die passenden Werkstoffformen und Legierungstypen so gewählt werden, dass diese zur Herstellung von Verschleißschutzsystemen von der Prototypenfertigung bis hin zur Großserienproduktion beitragen. Gemäß EN ISO 14700 werden Beschichtungswerkstoffe entsprechend des Beanspruchungsprofils und der Verfügbarkeit zur Herstellung von Verschleißschutzbeschichtungen eingesetzt.
3.1 Übersicht anhand DIN EN 14700
Die europäische Norm DIN EN 14700 gilt für Schweißzusätze zum Hartauftragen. Hierin konzentriert sich der Anwendungsbereich auf Oberflächen von neuen Bauteilen, Halbzeugen sowie auf die Reparatur beziehungsweise Wiederherstellung von Oberflächen an Bauteilen, welche mechanisch, korrosiv, thermisch oder kombiniert beansprucht werden. Diese europäische Norm beschreibt die Anforderungen für die Einteilung der Schweißzusätze, die in Form von umhüllten Stabelektroden, Fülldrähten, Füllstäben, Füllbändern, Sinterbändern, Sinterstäben sowie Metallpulvern, Massivdrähten, -stäben, -bändern und Gussstäben vorliegen können, nach der chemischen Zusammensetzung des reinen Schweißgutes. Im Rahmen des vorliegenden Beitrags beschränken sich die Autoren auf die wichtigsten Zusatzwerkstoffe für das Auftragschweißen, und zwar auf die Fülldrähte und Füllstäbe sowie auf die Metallpulver (Abb. 1). Auf deutscher Ebene thematisieren zudem noch die DVS-Merkblätter der Serien 0941 sowie 0945 Schweißzusätze in Form von Fülldrähten [12-17].
Abb. 1: Auswahl typischer Produktformen
Allgemein werden die für das Schweißen von Hartauftragungen benutzten Werkstoffe entsprechend ihrer Hauptbestandteile in Eisen-, Nickel-, Kobalt-, Aluminium- und Kupfer-Basiswerkstoffe unterteilt. Die in der Norm fixierten Hinweise und die Einteilung der Zusatzwerkstoffe in Legierungsgruppen (LG-Gruppen), entsprechend ihrer chemischen Zusammensetzung durch Legierungskurzzeichen gekennzeichnet, dienen dem Anwender und dem Hersteller der besseren Orientierung. In die Normung eingeflossen sind auch Hinweise auf die Produktform, die Härte des reinen Schweißguts ohne Wärmenachbehandlung sowie potentielle Einsatzmöglichkeiten der Zusatzwerkstoffe. Diese Angaben können, begründet durch den Systemcharakter des Verschleißes, jedoch lediglich als Hinweise interpretiert werden. Basis für diese Einschätzung der Eignung der Zusatzwerkstoffe waren Angaben der ehemaligen DIN 50320, des DVS-Merkblattes 0941 sowie des GfT-Arbeitsblattes 7 [18].
Definiert sind die Systemstruktur des Verschleißes, die Verschleißarten sowie die Verschleißmechanismen. Die in der Norm vergebenen Legierungskurzzeichen sind mit Verschleißarten verknüpft. Eine intensivere Analyse des konkreten Verschleißproblems führt unweigerlich zur Erkenntnis, dass mit den Angaben der Literatur eine Optimierung nicht stattfinden kann. So existieren zum Beispiel keine Hinweise auf das Beanspruchungskollektiv der herzustellenden Beschichtungen. Es fehlen Hinweise zur thermischen, korrosiven und somit zu kombinierten Beanspruchungen, sodass Erfahrungswerte insbesondere die der Hersteller, sehr hilfreich bei der Wahl des Zusatzwerkstoffes sind.
Die genannten Basiswerkstoffe stellen die metallische Matrix dar, die sowohl Träger der Hartphasen als auch, insbesondere bei hohem Hartphasengehalt, die Bindephase ist. Hierbei bestimmen arteigene Hartphasen wie Karbide, Nitride, Boride und/oder Silizide in einer vergleichsweisen zähen Matrix durch ihre Größe, Verteilung und Ausbildung primär den Verschleißwiderstand gegenüber abrasiven, adhäsiven und/oder erosiven Beanspruchungen. Die Beanspruchung der Hartlegierungen im praktischen Einsatz stellt an die Matrix besondere Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Warmfestigkeit, Zähigkeit, Verschleißwiderstand und chemischer Beständigkeit. Der Definition des Hauptlegierungselements der Schweißzusatzwerkstoffe müssen Hinweise zur konkreten chemischen Konfiguration entsprechend Tabelle 2 folgen.
Die Hartphasen werden gemäß ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung mit der Kennzeichnung YaXb versehen. Der metallische Bindungsanteil metallischer Hartphasen, wie beispielsweise Boride oder Karbide, bewirkt, dass teilkohärente beziehungsweise kohärente Grenzflächen zur metallischen Matrix vorliegen und somit die Metall-Metalloid-Verbindungen erheblich besser in die metallische Matrix eingebunden sind als die übrigen Hartphasen.
Wichtig für den Verschleißschutz ist vor allem die Härte der metallischen Hartphasen, welche durch die Art und Menge der jeweiligen Metalle und Metalloide bestimmt wird. Die Härte von Monokarbiden gleichen Typs wird primär durch die Valenzelektronenkonzentration der Metallatome bestimmt. So sinkt die Härte eines reinen Chromkarbids mit zunehmendem Anteil an Eisen, Nickel oder Kobalt. Hingegen bestimmen die chemische Zusammensetzung der Legierung sowie die Art und Menge der karbidbildenden Elemente die Morphologie und die Art der Karbide. Demgegenüber wirkt sich die Erstarrungsgeschwindigkeit des Schmelzbades kaum auf den Karbidtyp aus, sondern beeinflusst hauptsächlich die Karbidgröße [19, 20]. Im Folgenden werden sowohl die drei Hauptlegierungstypen der Eisen-, Nickel- und Kobaltbasislegierungen anhand praxisrelevanter Produktbeispiele als auch die verschiedenen Produktformen vorgestellt.
3.1.1 Eisenbasis
Die Eisenbasislegierungen sind unterteilt in insgesamt 18 Gruppen mit den Legierungskurzzeichen Fe1 bis Fe17 sowie Fe20. Diese Gruppen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Zulegierungselemente und somit ihres mikrostrukturellen Aufbaus, welcher ferritisch/martensitisch, martensitisch mit und ohne gesonderter Karbidausscheidung, austenitisch, martensitisch/austenitisch plus Karbide sowie eine Eisenmatrix mit eingelagerten Hartstoffen sein kann. Ebenso spiegeln sich diese Unterschiede sowohl in der Härte als auch in der Art der Beanspruchbarkeit wieder. Während die austenitischen Mikrogefüge schlag-, riss- und korrosionsbeständig sind, weisen die martensitisch/austenitischen Matrices mit ausgeschiedenen Primärkarbiden der Gruppe der Fe-Cr-C-Legierungen vor allem herausragende Werte gegenüber abrasivem Verschleiß auf. In Abbildung 2 sind klassische Vertreter verschiedener Gruppen im Mikroschliff dargestellt.
Abb. 2.: Querschliffe verschiedener Eisenbasislegierungen; a) LG-Gruppe Fe 8: DURMAT FD 601, b) LG-Gruppe Fe15: DURMAT FD 61, c) LG-Gruppe Fe10: DURMAT 505 PTA, d) LG-Gruppe Fe20: DURMAT A
Als Fülldrahtelektroden erhältlich sind DURMAT FD 601, welche aufgrund der martensitischen Matrix und geringen Vanadium- und Wolframanteilen der Gruppe Fe8 zugehörig sind. Die zur Legierungsgruppe Fe15 gehörende Fülldrahtelektrode DURMAT FD 61 ist gekennzeichnet durch primäre, eutektische und sekundäre Karbide der Typen MC, M7C3 und M23C6, die sich in Form von Platten, Stäben, Rosetten oder Röhren ausscheiden und vollständig von der metallischen Matrix umgeben sind. Die metallische Komponente der Mischkarbide besteht in wechselnden Anteilen aus karbidbildenden Elementen wie Eisen, Chrom, Niob und Bor als zusätzlichem Metalloid. Entscheidend für die Art der gebildeten Karbide ist das Verhältnis von Chrom zu Kohlenstoff.
Mit abnehmendem Kohlenstoffgehalt und somit steigendem Verhältnis Chrom/Kohlenstoff liegen verstärkt Karbide des Typs M23C6 vor. DURMAT A ist ein Vertreter der Gruppe Fe20, was einer Eisenmatrix mit eingelagerten Hartstoffen entspricht. Während DURMAT 505 PTA, eine hoch vanadiumkarbidhaltige Eisenbasislegierung, mittels PTA geschweißt wird, wird DURMAT A, eine FeC-Matrix mit 60 Gew.-% WSC, mittels Gasschmelzschweißen verarbeitet. Beide Legierungstypen sind aber auch als Fülldrahtelektroden herstellbar.
3.1.2 Nickelbasis
Die Nickelbasislegierungen sind gemäß Norm aufgeteilt in die Gruppen Ni1 bis Ni4 sowie Ni20. Für die Eigenschaften von selbstfließenden Nickelbasishartlegierungen sind die Legierungselemente Chrom, Bor und Silizium charakteristisch. Das Zulegieren von Bor und Silizium sorgt für eine bemerkenswerte Schmelzpunkterniedrigung gegenüber Reinnickel, was für schweißtechnische Zwecke ausgenutzt wird. Die Bor- und Siliziumgehalte liegen meist zwischen 2 Gew.-% und 4 Gew.-%, die Chromkonzentration beträgt 5 Gew.-% bis 17 Gew.-%, wobei auch eine Reihe chromfreier Legierungen im technischen Einsatz sind. Mischungen von Nickelhartlegierungspulvern mit anderen Metall- oder Hartstoffpulvern werden in erheblichem Umfang eingesetzt. Die größte Bedeutung haben hierbei Wolframschmelzkarbidzusätze erlangt [20].
Abbildung 3 zeigt einen mikroskopischen Ausschnitt einer Auftragschweißung mit der Fülldrahtlegierung DURMAT NIFD (Gruppe Ni20). Hierbei handelt es sich um eine Ni-Cr-B-Si-Matrix mit etwa 60 Gew.-% Wolframschmelzkarbid, welche vollkommen metallurgisch in der Matrix gebunden sind. Das Ziel der Auftragschweißung dieser Legierung ist es, die WSC-Partikel möglichst wenig thermisch zu belasten, damit nahezu keine Karbidausscheidungen entstehen, welche eine Herabsetzung der Verschleißbeständigkeit zur Folge hätten.
Abb. 3: Querschliff der Nickelbasislegierung Ni20: DURMAT NIFD (Ø 1,6 mm)
3.1.3 Kobaltbasis
Die Norm teilt die Kobaltbasislegierungen in die drei Gruppen Co1, Co2 und Co3 ein, die sich größtenteils hinsichtlich des Kohlenstoff-, Molybdän- und Wolframgehalts unterscheiden. Alle aktuell eingesetzten technischen Kobaltbasislegierungen verfügen über die Elemente Kobalt (Co), Chrom (Cr) und Kohlenstoff (C) als Hauptbestandteile. Hinzu kommen noch je nach Legierungstyp und Anwendungsfall Zusätze von Molybdän (Mo), Wolfram (W) und Nickel (Ni). Kobaltbasis-Hartlegierungen werden vorzugsweise bei erhöhten Temperaturen (oberhalb 700 °C) eingesetzt, da diese noch harte, warmfeste, verschleißbeständige Schichten darstellen, die gleichzeitig auch eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation, Korrosion sowie Verzunderung aufweisen. Metallurgisch betrachtet gehen diese Hartlegierungen überwiegend aus dem System Co-Cr-W-C hervor, welches ursprünglich für Schneidwerkzeuge angedacht war. Innerhalb dieser Legierungen weist die Metallmatrix einen Co-Cr-W-Mischkristall auf, der wegen der mit der Temperatur abnehmenden Löslichkeit für Wolframkarbid auch ausgeschiedenes Wolframkarbid enthalten kann. Auf diese Weise verfügen Metallmatrizes über Mikrohärten von bis zu 450 HV0.05. Mittels Kaltverfestigung sind sogar Härten des Gefüges von bis zu 650 HV0.05 zu erreichen.
In Abbildung 4 ist das Mikrogefüge einer mit der Fülldrahtelektrode DUROLIT 6 erzeugten Auftragschweißschicht dargestellt. Diese Legierung setzt als Schweißgut eine zähe, austenitische Kobaltbasislegierung der Struktur Co-Cr-W-C mit ausgeschiedenen Chrom- und Wolframkarbiden ab.
Abb. 4: Querschliff der Kobaltbasislegierung Co3: DUROLIT 6 (Ø 1,6 mm)
3.2 Stäbe, Schnüre und ummantelte Elektroden
Stäbe werden bevorzugt für das manuelle Gasschmelzschweißen eingesetzt. Sie werden damit bei einer relativ geringen Energiekonzentration an- beziehungsweise aufgeschmolzen. Da die gleiche Energiequelle meist auch für die Verflüssigung der Oberfläche der zu beschichtenden Bauteile benutzt und die manuelle Führung des Zusatzwerkstoffes sehr kontrolliert vorgenommen wird, sind nur geringe Verluste an flüchtigen Elementen bei der Herstellung des Zusatzwerkstoffes zu berücksichtigen.
Stäbe werden in den Abmessungen von 3,5 mm bis 8,0 mm Durchmesser hergestellt. Der Vorteil gegenüber Fülldrähten ist hier, dass Karbidgrößen bis zu 3 mm Dicke so verarbeitet werden können. Um die Füllung der Stäbe zu erhalten und die Wasserstoffaufnahme zu minimieren, sind die Enden verschlossen. Es existieren sowohl nahtlose als auch formgeschlossene Füllstäbe. Sie werden in sämtlichen Legierungsbereichen angeboten. Für besonders verschleißbeanspruchte Funktionsflächen haben sich aber am Markt die beiden Typen Fe20 (DURMAT A: FeC + 60 % WSC) und Ni20 (DURMAT NiA: NiCrBSi + 60 % WSC) etabliert.
Schnüre bestehen aus einer metallischen Seele, welche meist ein dünner Nickel- beziehungsweise Eisenbasisdraht ist. Er wird ähnlich den Elektroden ummantelt. Der Mantel ist legiert und kann auch Hartstoffe enthalten. Die Schnüre sind flexibel und können damit auf Spulen aufgewickelt werden. Sie werden stromlos verarbeitet. Als Energiequellen werden überwiegend die Brenngas-Sauerstoff-Flamme und der Plasmalichtbogen angewendet. Die Schnüre werden im Durchmesserbereich von 3,5 mm bis 8,0 mm angefertigt. Auch hier kann die Verarbeitung von gröberen Karbidgrößen von etwa 3 mm realisiert werden (DURMAT B: NiCrBSi + 60 % WSC).
Ummantelte Elektroden werden stromführend verschweißt. Damit ist die thermische Belastung deutlich höher, als die der Stäbe. Dies wiederum muss bei der Konfiguration beachtet werden. Die Elektroden werden primär als nahtlose Stäbe gefertigt. Ihre wirtschaftliche Bedeutung ist begrenzt. Die Abmessungen der Elektroden entsprechen den für Verbindungsschweißungen angebotenen. Auch hier haben sich für besonders verschleißbeanspruchte Funktionsflächen die WSC-gefüllten Röhrchenstäbe durchgesetzt (DURMAT E: FeC + 60 % WSC).
3.3 Pulver
Pulver sind Bestandteile der Stäbe, der Elektroden, der Schnüre und der Fülldrähte. Es werden überwiegend Rohpulver, agglomerierte, wasser- oder gasverdüste Pulver verwendet. Die chemische Konfiguration der Pulver bestimmt wesentlich die Beschichtungseigenschaften. Bei der Definition der Pulver für die Herstellung der Zusatzwerkstoffe sind jedoch auch deren physikalische Eigenschaften wie die Kornform, die Schütt- beziehungsweise Rütteldichte und die Fließeigenschaften allgemein zu beachten.
Die Kornform der wasserverdüsten Pulver ist spratzig. Sie besitzen einen hohen Gehalt an Wasserstoff und sind damit nicht grundsätzlich für die Herstellung von Schweißzusatzwerkstoffen geeignet. Gasverdüste Pulver dagegen sind weitestgehend sphärisch und haben einen geringen Wasserstoffgehalt. Daraus ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Förderbarkeit. Auch der Füllgrad von Drähten kann bei entsprechend gewählter Kornfraktion verbessert werden, wodurch noch höhere Legierungsgehalte herstellungstechnisch realisiert werden können.
Für das Plasma- und das Laser-Pulver-Auftragschweißen werden überwiegend gasverdüste, aber auch agglomeriert gesinterte Pulver benutzt. Die Anwendung agglomeriert gesinterter Pulver ist erforderlich, wenn die Förderbarkeit der Bestandteile des Agglomerats und somit eine kontinuierliche Prozessführung nicht gewährleistet werden kann. Auch die Beeinflussung der chemischen Konfiguration der Beschichtung kann Ziel der Anwendung von agglomeriert gesinterten Pulvern sein.
Eine weitere Technologie der Pulververedlung ist die Sphärodisierung. Wolframschmelzkarbid (WSC) beispielsweise wird infolge dieses Prozesses deutlich härter und nimmt eine sphärische Kornform an. Untersuchungen an sphärodisierten WSC sind unter anderem in [21] veröffentlicht. Ein weiterer Veredlungsprozess ist das Aufkohlen des Wolframschmelzkarbids mit dem Ziel, die thermische Beständigkeit zu erhöhen. Mit diesem Prozess sollen WSC-Pulver erzeugt werden, die für die Herstellung von MMC-Beschichtungen mit höher schmelzenden sowie chemisch aktiven Matrices geeignet sind (Abb. 5).
Abb. 5: Nahaufnahmen eines gebrochenen (links) und sphärodisierten (rechts) WSC-Partikels
3.4 Fülldrähte
Fülldrähte werden abhängig von der Herstellungstechnologie unterteilt in nahtlose und formgeschlossene [13]. Der Begriff nahtlos ist nicht exakt, da das Ausgangsprodukt des Mantels ein Metallband ist, welches nach der Umformung sowie vor beziehungsweise unmittelbar nach der Pulverzufuhr zu einem Rohr verschweißt wird. Formgeschlossene Drähte werden nicht geschweißt. Durch Umformen eines Bandes wird ein U-förmiger Querschnitt erzeugt, in welchen die Füllung positioniert wird (Abb. 6).
Abb. 6: Querschliff eines gefalzten Fülldrahtes
Die dem Füllen folgende weitere Umformung führt zum gewünschten Formschluss. Derart hergestellte Drähte weisen einen höheren Füllgrad als nahtlose auf und sind damit hervorragend geeignet für die Herstellung hoch verschleiß- und/oder korrosionsbeständiger Beschichtungen. Zu beachten sind die Vorgaben der Hersteller für die Lagerung und Verarbeitung dieser Drähte. Als Mantel werden sowohl Eisen- als auch Nickel- oder Kobaltbasisbänder genutzt. Es existiert eine sehr große Werkstoffvielfalt, sodass nahezu alle Beanspruchungsfälle bedient werden können. Auch die Anpassung an neue Situationen der Verschleiß- und/beziehungsweise der Korrosionsbeanspruchung ist unkompliziert möglich, da Anpassungen auch bei der Abnahme von kleinen Chargen wirtschaftlich unbedenklich sind. In Tabelle 3 sind typische Fülldrähte aufgeführt.
4 Zusammenfassung
Zum Schutz von Bauteilen gegen extreme Verschleißbeanspruchungen durch Abrasion wurden kurz die derzeit industriell eingesetzten Schweißverfahren gegenübergestellt sowie eingehend die verschiedenen zum Einsatz kommenden Schweißzusätze und Schweißzusatzformen vorgestellt. Je nach Auftragschweißverfahren und Beanspruchungsprofil können die passenden Werkstoffformen und Legierungstypen so gewählt werden, dass zur Herstellung von Verschleißschutzsystemen von der Prototypenfertigung bis hin zur Großserienproduktion sowie in der Regeneration von Bauteilen wertvolle Ressourcen geschont und volkswirtschaftliche Verluste vermieden werden können.
Besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Fülldrahtelektroden gelegt, die aufgrund der einfachen Handhabung und kostengünstigen Herstellung sowie der in weiten Bereichen variierbaren Legierungszusammensetzung ein breites Einsatzspektrum und -potential bieten. Hierbei stellt der Einsatz von Wolframschmelzkarbid-Schweißzusätzen ebenfalls in Form von Fülldraht- beziehungsweise Füllstabelektroden oder in Form von Pulvermischungen eine effektive Ergänzung dar, insbesondere dort, wo bei extremen abrasiven Beanspruchungen an Funktionsflächen selbst FeCrC-Legierungen versagen.
Literatur
[1] K. J. Matthes, E. Richter: Schweißtechnik: Schweißen von metallischen Konstruktionswerkstoffen; Carl Hanser Verlag, München, 2008
[2] F. Hartung: Verfahren des Auftragschweißens – Moderne Beschichtungsverfahren; DGM-Informationsgesellschaft Verlag, Oberursel, 1992, S. 3-15
[3] D. Tremmer, W. Wahl: Verschleißschutz durch Auftragschweißen; DVS-Bericht Nr. 176; DVS Media GmbH, Düsseldorf, 1996, S. 44-47
[4] H. Ütz: Abrasion und Erosion; Carl Hanser Verlag, München, Wien, 1986
[5] DIN 8580: Fertigungsverfahren – Begriffe, Einteilung; Beuth-Verlag, Berlin, 2009
[6] V. Wesling, R. Reiter, L. Lau, F. Schreiber, C. Schreuders: C 2014 Auftragschweißen fülldrahtbasierter Hartlegierungen mit geregelten Kurzlichtbogenverfahren zur Herstellung hochwertiger Panzerungen; Tagungsband zum 17. Werkstofftechnischen Kolloquium Chemnitz; Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen, Band 52, Eigenverlag Chemnitz, 2014, S. 56-62
[7] R. Winkelmann, F. Schreiber: Verschleißschutz durch den Einsatz des Metallschutzgaswechselstrom-(MSG-AC)-Schweißens: Trends und Anwendungsbereiche; 12. Fachtagung Verschleißschutz durch Auftragschweißen, SLV Halle (Saale): DVS SLV, 2018, S. 90-96
[8] B. Allebrodt, F. Schreiber, T. Erpel, Kijatkin: MSG-Heißdraht-Auftragschweißen: Verschleiß- und Korrosionsschutz für technisch anspruchsvolle Anwendungen; DVS-Berichte 344, DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2018, S. 218–225
[9] F. Schreiber: Wolfram-Schmelzkarbid im Verschleißschutz: Besonderheiten bei der schweißtechnischen Verarbeitung und Qualitätssicherung; 3. Fachtagung Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen, 2000
[10] F. Schreiber, J. Wilden: Laser-Like-Plasma-Pulver-Auftragschweißen LLP - Eine Alternative zum Laser-Pulver-Auftragschweißen; 11. Fachtagung Verschleißschutz durch Auftragschweißen, Halle (Saale), DVS SLV Halle, 2016, S. 56-60
[11] T. Peters, F. Cheaitany: Verschleißschutz durch Laserstrahlauftragschweißen - Beispiele aus der Praxis; 7. Fachtagung Verschleißschutz durch Auftragschweißen Halle (Saale), SLV Halle, 2008, S. 56-60
[12] DIN EN 14700: Schweißzusätze - Schweißzusätze zum Hartauftragen; Beuth-Verlag Berlin, 2014
[13] Fülldrahtelektroden für das Verbindungs- und Auftragschweißen – Grundlagen und Begriffsbestimmung; DVS-Merkblatt DVS 0941-1, DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2004
[14] Fülldrahtelektroden für das Metall-Lichtbogenschweißen mit Gasschutz von un- und niedriglegierten Stählen; DVS-Merkblatt DVS 0941-2, DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2004
[15] Fülldrahtelektroden für das Metall-Lichtbogenschweißen von nichtrostenden und hitzebeständigen Stählen; DVS-Merkblatt DVS 0941-3, DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2012
[16] Prüfung von verschleißbeständigen Auftragungen – Abrasivverschleiß; DVS-Merkblatt DVS 0945-1, DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2001
[17] Unregelmäßigkeiten geschweißter Beschichtungen; DVS-Merkblatt DVS 0945-2, DVS Media GmbH, Düsseldorf
[18] Die GfT Gesellschaft für Tribologie e. V., Aachen, 2017, Zugriff am 30.10.2018; verfügbar unter: www.gft-ev.de
[19] H. Q. Wu, N. Sasaguri, Y. Matsubara, M. Hashimoto: Solidifcation of Multi-Alloyed White Cast Iron: Type and Morphology of Carbides; AFS Transactions 140, 1996, S. 103-108
[20] H. Berns: Hartlegierungen und Hartverbundwerkstoffe; Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1998
[21] D. Serafinski, R. Winkelmann: Thermische – und metallurgische Beständigkeit von WxCy-Hartstoffen; SLV Halle, Fachtagung Verschleißschutz, DVS SLV Halle, 2016
1 DURUM Verschleißschutz GmbH, Willich
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