Flüssigphasensintern von aufgespritzten Pulverschichten aus Fe-Basislegierungen zu defektfreiem Verschleißschutz

Abstract

Verschleißeffizienz ist in nahezu allen Bereichen jeglicher Industriezweige ein wichtiges Thema, um teuren und unerwünschten Materialabtrag zu reduzieren und so Anlagenstillstandszeiten und Servicezyklen zu minimieren, die Leistungsfähigkeit von Maschinen und Anlagen aber zu erhöhen. Der Kosten-Nutzen Faktor von Beschichtungen ist oft das entscheidende Kriterium. Die Entwicklung von hoch verschleißfesten Beschichtungen aus Alternativmaterialien ist diese Arbeit gewidmet.<br />Das untersuchte Legierungssystem basiert auf Fe mit den Legierungselementen C, Cr, B, Si und Ni. Definiert werden die drei großen Problemkreise - Near Bond Line Defect, Trockenrisssyndrom und Verrußung der Beschichtungsoberfläche. Der Near Bond Line Defect ist ein Fehler, der in der Nähe der Bindzone zum Substrat auftritt und so die Anbindung der Beschichtung schwächt. Das Trockenrisssyndrom betrifft die Oberfläche der Beschichtung, es entstehen tiefe Risse, die bis knapp oberhalb der Substratgrenze reichen - ähnlich Trockenrissen in ariden Gebieten. Das Metallpulver wie auch die gesinterten Beschichtungen sind durch verschiedene Analysen wie DTA/DTG/MS (Reduktionsverhalten), Sinterversuche in H2 & RFA (Verunreinigungen), Abbruchversuche & Metallographie (Hartphasenausscheidungen, Mikrostruktur), Temperaturmessungen in Prozessanlagen (Temperaturgradienten), Oberflächenbehandlung mittels Graphit, Dilatometrie, Pyknometrie und die Röntgenfraktometrie charakterisiert und bewertet worden. Durch die angewandten Untersuchungsmethoden konnten die maßgebenden Schadensmechanismen gefunden werden. Diese Mechanismen lassen sich auf zwei Bereiche einschränken. Die Eigenschaften des Pulvers, die durch die chemische Zusammensetzung (speziell die Verunreinigungen im Ausgangspulver) und die Morphologie der Pulverschüttung bestimmt werden, sind von großer Wichtigkeit. Die Prozessparameter beim Sintervorgang sind der zweite wesentliche Faktor bei der Herstellung von fehlerfreien Schichten.<br />Durch die Umsetzung von Optimierungsmaßnahmen beim Metallpulver und bei der Prozessführung, sowie der Einführung einer weiteren Pulverkomponente, war es möglich einen stabilen Prozess zu entwickeln, der die Anforderungen an die Qualitätskriterien (Verschleißwiderstand, Härte, Porosität, Bindung an das Substrat und Oberflächenbeschaffenheit) erfüllte. Die Ergebnisse der durchgeführten Verschleißuntersuchungen mittels ASTM G65 Reibrad und Impller-Tumbler Test bestätigen dies. Ein Nebeneffekt der Entwicklung, der sich in den Anwendungen dieser Technologie als wichtig herausstellte, war die sehr glatte Oberflächenbeschaffenheit der Beschichtung direkt nach dem Sinterprozess.<br />

Wear-Efficiency is in nearly every area of modern industries a very important topic, especially to reduce expensive and undesirable wear - which meets the demands of minimizing down-time and service intervals with higher performance of machinery and process equipment.<br />Cost-benefit ratio of coatings is very often a limiting factor. The development of high abrasion wear resistant coatings from alternative alloying systems is aim of this scientific work. The investigated alloying system is iron based with the other alloying elements C, Cr, B, Si and Nickel. In preliminary work three major failure systems had been determined - Near Bond Line Defect, "aridness" fracture and contamination of surface areas with unburned carbon. Near Bond Line Defects are occurring in the intersection area of coating and substrate - a big pore weakening the bonding of coating to the substrate. The failure of "aridness" fracture is seen at surfaces of coatings, cracks are formed and ranging down nearly to the substrate - very similar to the picture of cracks in soils of arid regions. Metal powder as well as sintered coatings had been characterized an valued throughout various analysis like DTA/DTG/MS (reduction), sinter-runs in H2 & XRF (contaminations), interruption sinter runs & metallography (hard phase precipitation, microstructure), temperature analysis at process equipment (gradient of temperature), surface treatment with graphite, dilatometry, pyknometry and XRD-analysis.<br />Interpreting and resuming the data from investigation methods made the characterization of the main failure mechanisms possible. Two main mechanisms can be differentiated. Properties of the iron based metal powder, which are mainly chemical composition (especially contaminations in metal powders) and powder morphology, are very important. Second failure mechanisms are process parameters in the sintering step during transition zone of solid to liquid phase sintering.<br />The results of failure analysis had been leading to improvements in powder metallurgy of the iron based powder, enhanced sintering processes and the introduction of a new powder component mixed toe the iron based powder. These improvements made a capable process possible, meeting all quality requirements like abrasion wear resistance, hardness, porosity, bonding quality to substrate and surface quality. The results of wear investigations (ASTM G65 dry abrasion wheel test and impeller-tumbler test) are confirming the enhancements of the production process. A very important quality aspect had been seen, as a side effect of all improvements - the coating has a very smooth surface after the sintering step, which is positive for applications.