Schichtbildung von verschleißbeständigen Metall-Matrix-Kompositen (Metal Matrix Composite, MMC) auf Eisenbasis durch thermisches Spritzen mit heiß isostatischer Nachverdichtung.
Final Report Abstract
Zum Zeitpunkt der Antragsstellung fanden thermisch gespritzte Hartlegierungen und Hartverbundlegierungen auf Fe-Basis eine untergeordnete Beachtung. Vorzugsweise korrosionsbeständige Stähle finden in der chemischen Industrie und im Anlagenbau Anwendung. Arbeiten von Bobzin et al. und Wielage et al. sind erste Untersuchungen zur Herstellung von Fe-Basis MMC zu entnehmen. Die Motivation der Arbeiten von den zuvor genannten Autoren liegt in der Substitution kosten intensiver Spritzlegierungen auf Ni- und Co-Basis und dem Einsatz feiner Hartstoffe zur Reduzierung der Oberflächentopographie (Reduzierung der Nachbearbeitungskosten). Auch ist der Literatur das thermische Spritzen von Fe-Basis Hartlegierungen und weißen Gusseisen zu entnehmen. In diesem Zusammenhang sind die Arbeiten von Maranho et al. zu nennen, die das Potential von thermisch gespritzten Fe-Basislegierungen für Verschleißschutzanwendungen verdeutlichen. Über das thermische Spritzen von Werkzeugstählen wurde zum Zeitpunkt der Antragsstellung nur unzureichend berichtet. Vor allem die Eigenschaften (Härte, Verschleißbeständigkeit) von Werkzeugstählen bei gleichzeitig geringen Werkstoffkosten stellten die Motivation dar, diesen bis dato in der Literatur unzureichend beschriebene Vorgehensweise zur Herstellung von Fe-Basis MMC auf Stahlsubstraten umfassend zu untersuchen. Neben der Findung von geeigneten Fe-Basiswerkstoffen mit dem zuvor definierten Eigenschaftsprofil (kostengünstig, niedrigschmelzend, verschleißfest, hart) galt es Spritzparameter zu finden, sodass dichte und oxidarme Verschleißschutzschichten auf Stahlsubstraten mittels HVOF abgeschieden werden konnten. In einem weiteren Schritt erfolgte die Schichtnachverdichtung durch HIP und einer Wärmebehandlung mit Bildung einer flüssiger Phase. Wesentliches Augenmerk wurde auf die Herstellung von Fe-Basis MMC gelegt. Durch die Verwendung von hoch-metalloidhaltigen Fe-Basispulvern war es möglich, bis zu 5 mm dicke Verschleißschutzschichten mit Hartstoffvorstufen abzuscheiden. Während einer nachfolgenden Wärmebehandlung konnten die Hartstoffvorstufen in situ zu einem Hartstoff umgewandelt werden. Die thermische Nachverdichtung bewirkte starke Diffusionsprozesse an den Grenzflächen Schicht-Substrat und Hartstoff-Metallmatrix, die den überwiegend kraftschlüssigen Verbund in einen metallurgischen überführten. Gleichzeitig stiegen die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der hergestellten Spritzschichten an. So lag die Härte der erzeugten Spritzschichten auf dem Niveau von konventionellen Spritzlegierungssystemen wie z.B. NiCr-Cr3C2 und Co-WC bei gleichzeitig wesentlich höheren Haftzugfestigkeiten von bis zu 450 MPa. Im Rahmen des Projektes wurden die folgenden neuen Erkenntnisse gewonnen und neue Verfahren entwickelt: 1. Ein vertieftes Verständnis der Phasenbildung zwischen Hartstoffen und Eisenmatrices in den betrachteten MMC 2. Verständnis des Einflusses einer Schichtnachverdichtung/Wärmebehandlung auf Phasenumwandlungen in thermisch gespritzten Fe-Basisschichten 3. Die Entwicklung einer neuartigen Methode, um Hartstoffvorstufen zunächst durch HVOF zusammen mit einem metalloidhaltigen Stahlpulver zu verdichten und nachfolgend in situ durch thermische Aktivierung in einen Hartstoff umzuwandeln 4. Herstellung von bis zu 5 mm dicken Fe-Basis MMC-Schichten mittels HVOF auf austenitischen Stahlsubstraten 5. Herstellung von Spritzschichten mit einer metallurgischen Anbindung zum Substrat mit Haftzugfestigkeiten von bis zu 450 MPa 6. Möglichkeit zur Herstellung dicker Fe-Basis MMC-Schichten auf krz-Stah Is übst raten unter Verwendung von Pufferschichten Zukünftige Arbeiten sollten sich in zwei Richtungen orientieren: einerseits die anwendungsorientierte Umsetzung der erzielten Erkenntnisse und andererseits die Klärung neu aufgeworfener Fragestellungen, vor allem im Bereich der Einbindung von Hartstoffen in Hartverbundwerkstoffen sowie der Verwendung angepasster Hartstoffvorstufen. Das thermische Spritzen von Fe-Basis MMC mit in situ HS-Bildung stellt sich in Hinblick eines hohen Beschichtungswirkungsgrades, ausgezeichneten tribologischen Eigenschaften und durch kostengünstige Werkstoffkomponenten als attraktives Verfahren dar. Aus den Ergebnissen bei dem Spritzen von Stahlpulvern mit Hartstoffvorstufen kann auf eine unterstöchiometrische in situ TiC- Bildung geschlossen werden. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung von Ferrolegierungen des Elementes Nb zu nennen. Nimmt die Härte von TiC in Richtung einer Stöchiometrie von 1 zu, liegt die höchste Härte beim Karbid NbC im unterstöchiometrischen Bereich (NbC(0,8)) vor. Es wäre somit möglich, bei gleichbleibender C-Diffusion eine höhere Gesamthärte der eingebrachten in situ NbC zu erzielen. NbC bietet sich auch bezüglich der geringeren Dichteunterschiede zu der verwendeten Fe-C-B-Legierung an, sodass geringere Partikelinteraktionen während der Schichtabscheidung einsetzen. Die Folge wäre ein höherer Beschichtungswirkungsgrad. Auch konnte nachgewiesen werden, dass eine vollständige in situ HS-Umsetzung nicht zu erreichen ist. Greifen kleinere Abrasive an, so bieten geringere HS-Durchmesser einen ausreichenden Verschleißschutz. Mit der Wahl kleinerer Ferro-Partikel geht eine Vergrößerung der spezifischen Oberfläche einher, sodass mehr HS in situ während der thermischen Nachbehandlung umgesetzt werden könnten. Dadurch könnte der HS-Gehalt bei gleichbleibendem Anteil der simultan verspritzten Ferropartikel erhöht und die Bruchzähigkeit der spröden Fe-C-B-Matrix gleichzeitig gesteigert werden.
Publications
- Coating of high-alloyed, ledeburitic cold work tool steel applied by HVOF spraying. J. Thermal Spray Technology, 19 (2009) 3. 642-649
B. Rajasekaran, G. Mauer, R. Vaßen, A. Röttger, S. Weber, W. Theisen
- High Velocity Oxy Fuel of Cold Work Tool Steels- A Novel Approach to Thick Coatings for Wear Protection Applications. Advanced Engineering Materials, 11 (2009) 12, 1015-1022
A. Röttger, S. Weber, W. Theisen, B. Rajasekeran, R. Vaßen
- Processing of thick cold work tool steel coating using HVOF thermal spraying and subsequent HIP densification. In: Tagungsband 23rd International Conference on Surface Modification Technologies, India (2009), 13
B. Rajasekaran, R. Vaßen, A. Röttger, S. Weber, W. Theisen
- Thermisches Spatzen von verschleißbeständigen Kaltarbeitsstählen. In: Tagungsband 12. Werkstofftechnisches Kolloquium in Chemnitz, (2009), 68-78
A. Röttger, S. Weber, W. Theisen, B. Rajasekaran, R. Vaßen
- Development of cold work tool steel based - MMC coating using HVOF spraying and its HIP densification behaviour. Surface and Coatings Technology, 204 (2010) 23, 3858-3863
B. Rajasekaran, G. Mauer, R. Vaßen, A. Röttger, S. Weber, W. Theisen
- HVOF spraying of ultrahigh boron-high carbon tool steel coating for wear resistance applications. In: Tagungsband der International Thermal Spray Conference (ITSC-2010), May 3-5, Singapore, (2010), 96-99
B. Rajasekaran, G. Mauer, R. Vaßen, A. Röttger, S. Weber, W. Theisen
- Thick tool steels coatings using HVOF spraying for wear resistance applications. Surface & Coatings Technology, 205(2010)7,2449-2454
B. Rajasekaran, G. Mauer, R. Vaßen, A. Röttger, S. Weber, W. Theisen
- Diffusion and Phase Transformation at the Interface between an Austenitic Substrate and a Thermally Sprayed Coating of Ledeburitic Cold-Work Tool Steel. Steel Research International, 82 (2011) 6, 671-682
A. Röttger, S. Weber, W. Theisen, B. Rajasekaran, R. Vaßen
- Entwicklung neuer Schichtverbunde auf Fe-Basis gegen Abrasion. Dissertation, Institut für Werkstoffe, Ruhr-Universität Bochum, 2011
A. Röttger
- Mechanical properties of thermally sprayed Fe-based coatings. Materials Science Technology, (2011)
A. Röttger, S. Weber, W. Theisen, B. Rajasekaran, R. Vaßen
(See online at https://doi.org/10.1179/1743284710Y.0000000002)
