Entwicklung von Verschleißschutzwerkstoffen auf der Basis amorph erstarrender Legierungen mit Partikelverstärkung
Final Report Abstract
Im Rahmen des Teilprojekts „Nanoschicht“ des AiF/DFG-Forschungsclusters „Thermisches Spritzen“ konnten erstmals eisenbasierte, teilamorph erstarrende Beschichtungswerkstoffe mit Partikelverstärkung für den Einsatz als Verschleißschutzmaterialien qualifiziert werden. Mittels Hochenergiemahlen sowie Agglomerieren und Sintern wurden partikelverstärkte, eisenbasierte Pulver mit variierendem Chromdiborid-Gehalt hergestellt. Die weitere Verarbeitung der entwickelten Werkstoffe sowie des kommerziell erhältlichen Ausgangspulvers SUNA4 und der Modelllegierung FeCrB erfolgte mittels Hochgeschwindigkeitsflamm- und Atmosphärischen Plasmaspritzens. Dabei ist es gelungen, das durch den Mahlprozess erzeugte Mischgefüge aus nanodispers verteilten boridischen Ausscheidungen und mikroskaligen Hartstoffpartikeln in die thermisch gespritzte Schicht zu übertragen. Die durchgeführten Verschleißuntersuchungen (Millertest ASTM G75-01) der applizierten Schichten lassen erkennen, dass die plasmagespritzten, partikelverstärkten Beschichtungen aufgrund sehr hoher Porositätswerte und sprödem Werkstoffverhalten einen vergleichsweise großen Materialabtrag aufweisen. Im Gegensatz dazu konnten mit den CrB2-haltigen HVOF-Schichten hervorragende Verschleißkennzahlen erreicht werden, die zum Teil unter den Werten für den konventionellen Cermet-Verschleißschutzwerkstoff Cr3C2/NiCr liegen. Weiterhin wurde deutlich, dass mit niedrigeren Hartstoffgehalten im Bereich von 30 bis 40 Prozent dichtere Schichten erzeugt werden konnten, was letztlich einen geringeren Volumenabtrag zur Folge hatte. Darüber hinaus zeigten die auf der Modelllegierung FeCrB basierenden Pulver eine bessere Verarbeitbarkeit und geringeren Schichtverschleiß als die mit dem kommerziell erhältlichen Pulver SUNA4 hergestellten Varianten. Die rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen der Spritzschichten belegten eine sehr gute Einbindung der Verstärkungskomponente in den nanokristallinen bzw. teilamorphen Matrixwerkstoff. Um die hochgeschwindigkeitsflammgespritzten Schichten auf ihre Tauglichkeit in der industriellen Praxis zu untersuchen, wurden neben Abrasivverschleißtests in destilliertem Wasser auch Untersuchungen in einem in der Papierindustrie verwendeten Feuchtmittel durchgeführt. Dabei zeigten die entwickelten Beschichtungen eine sehr gute Beständigkeit gegen die in diesem Test simulierte kombinierte Verschleiß-/Korrosionsbeanspruchung. Die Kombination aus eingebrachten, mikroskaligen Hartstoffpartikeln und nanoskaligen, boridischen Ausscheidungen hat sich somit als erfolgreiches Konzept zur Herstellung verschleißbeständiger Schichten auf Eisenbasis erwiesen. Sowohl unter ökonomischen Gesichtspunkten als auch unter der Maßgabe der Verwendung gesundheitlich unbedenklicher Materialien erscheinen die entwickelten Beschichtungswerkstoffe als vielversprechende Alternative zu konventionellen Verschleißschutzwerkstoffen wie z. B. WC/Co oder Cr2C3/Ni20Cr. Ein zukünftiger Untersuchungsschwerpunkt wird auf der weiteren Steigerung der Korrosionsbeständigkeit des Matrixwerkstoffs liegen – dies wird in Zusammenarbeit mit FORTIS Witten realisiert werden. Darüber hinaus sind Versuche mit alternativen Verstärkungsmaterialien geplant. Dabei soll untersucht werden, inwiefern sich carbidische, oxidische sowie nitridische Hartstoffe mittels Hochenergiekugelmahlen in die eisenbasierte Matrix einbinden lassen und welche Auswirkungen dies auf die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit der thermisch gespritzten Schichten hat. Weitere interessante Fragestellungen ergeben sich aus den noch nicht vollständig verstandenen Transformationsmechanismen und Phasenumwandlungen, die während des Spritzprozesses in partikelverstärkten Fe-Basiswerkstoffen stattfinden. Schließlich könnte auch eine Untersuchung der Schichteigenspannungen (1. und 2. Art) wertvolle Erkenntnisse bezüglich der mechanischen Eigenschaften der entwickelten Materialien erbringen. Das potentielle Einsatzspektrum thermisch gespritzter, partikelverstärkter Eisenbasislegierungen ist extrem weit gefasst. Aufgrund ihrer hervorragenden Beständigkeit gegen Abrasivverschleiß ist der Ersatz von konventionellen, teuren und/oder gesundheitlich bedenklichen Verschleißschutzmaterialien in unterschiedlichsten Anwendungsfällen denkbar.
Publications
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Alternative Schichten für Anwendungen in der papierverarbeitenden Industrie. Tagungsband 50. Tribologie-Fachtagung, 2009, S.57/1–57/9. – ISBN 978-3-00-028824-1
Wielage, B.; Lampke, T.; Grund, T.; Rupprecht, C.; Pokhmurska, H.; Steinhäuser, S.
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Entwicklung partikelverstärkter, nanostrukturierter Eisenbasislegierungen für das thermische Spritzen. 31. Ulmer Gespräch, 2009, Galvanotechnik, Leuze Verlag
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Manufacturing of amorphously crystallizing, strengthened with particles materials on basis of iron for papermaking industry. Tagungsband Internationale Tagung Thermisches Spritzen, 2009, S. 37–40. – ISSN 0033- 2364
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Entwicklung partikelverstärkter, nanostrukturierter Eisenbasislegierungen für das thermische Spritzen. Z. Galvanotechnik. 101. (2010), Nr. 7, S. 1634–1638
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Entwicklung von Verschleißschutzwerkstoffen auf der Basis amorph erstarrender Legierungen mit Partikelverstärkung. Tagungsband zum 13. Werkstofftechnischen Kolloquium, 2010, S. 48–54. – ISBN 978-3-00-032471-0
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Development of particle-reinforced nanostructured iron-based composite alloys for thermal spraying. Z. Surface & Coatings Technology. 205. (2011), Nr. 12, S. 3671–3676
Lampke, T.; Wielage, B.; Pokhmurska, H.; Rupprecht, C.; Schuberth, S.; Drehmann, R.; Schreiber, F.
