F. Schreiber, Willich, DURUM-VERSCHLEISS-SCHUTZ GMBH Linsellesstr. 125, D47877 Willich,

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1 Verschleißschutz durch Auftragschweißen: Werkstoffauswahl und Anwendungstechnik F. Schreiber, Willich, DURUM-VERSCHLEISS-SCHUTZ GMBH Linsellesstr. 125, D47877 Willich, 1. Einleitung Durch abrasiven und erosiven Verschleiß an Maschinen und Bauteilkomponenten des Anlagenbaus, z.b. bei Anlagen im Bergbau und zur Erzaufbreitung, in der Zement- und Ziegelindustrie, bei Straßenbau- und Erdbewegungsmaschinen sowie bei Großraumbaggern, werden heute erhebliche volkswirtschaftliche Verluste verursacht. Eine wirtschaftliche und effektive Schutzmaßnahme zur Erhaltung von hochabrasiv, adhäsiv und/oder erosiv beanspruchten Funktionsoberflächen stellt hierbei das Auftragschweißen dar. Hierbei kommen nahezu alle Schweißverfahren manuell und mechanisiert zum Einsatz: u.a. Autogen-Auftragschweißen, Elektro- Handschweißen, Metall-Schutzgas-(MSG)- und Plasma-Auftragschweißen sowie Laser-Auftragschweißen[1-3]. An das Schweißverfahren mit seinen spezifischen Eigenschaften und an die Verschleißschutzzusatzwerkstoffe werden aufgrund der Forderung nach Erhöhung der Produktivität und der Durchsatzmengen von leistungstärkeren Maschinen ständig wachsende Anforderungen gestellt. Hinzu kommt, daß die auftretenden Verschleißmechanismen der einzelnen Anwendungsfälle häufig aus Kombinationen wie z.b. 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]. Im Rahmen des Beitrags soll auf verschiedene Auftragschweißverfahren und Verschleißschutzwerkstoffe und den hiermit erreichbaren Schichteigenschaften unter anwendungsorientierten Gesichtspunkten eingegangen werden. Ausgewählte Anwendungsbeispiele von auftraggeschweißten Verschleißschutzschichten aus der industriellen Praxis sollen vorgestellt und diskutiert werden. 2. Auftragschweißen: Verfahren und Leistungsmerkmale 2.1 Definition und Allgemeines Das Auftragschweißen ist gekennzeichnet durch das Aufbringen einer festhaftenden Schicht auf eine Bauteiloberfläche über den Schmelzfluß. Es dient neben der Instandsetzung verschlissener Oberflächen vor allem zum Panzern (Verschleißschutz), Plattieren (Korrosionsschutz) und Puffern (Zwischenlagen) von Bauteiloberflächen. Beim Auftragschweißen dient der Bauteil-Grundkörper als Träger mit ausreichenden elastischen Eigenschaften, während die Beschichtung als Funktionsoberfläche das Bauteil vor Beanspruchungen bestehend aus Korrosion, Verschleiß und/oder Temperatur schützen soll. Das Auftragschweißen vereinigt Vorteile wie geringe Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie, gute Haftung zwischen Trägermaterial und Beschichtung, dichte Schichten sowie gute Wärmeleitung von der Auftragschweißung in das Bauteil.

2 Hierdurch zeichnet es sich gegenüber alternativen Beschichtungsverfahren, wie z.b. dem thermischen Spritzen besonders aus. Die Qualität einer Auftragschweißung wird wesentlich von der Aufmischung bestimmt. Sie gibt das Verhältnis von aufgeschmolzenem Grundwerkstoff zum Gesamtvolumen des aufgeschmolzenen Materials, also der Auftragschicht, wieder und kann mittels eines Querschliffes planimetrisch oder über das Verhältnis der chemischen Analyse von reinem Schweißzusatz, Grundwerkstoff und Schweißgut bestimmt werden. Es wird i.a. eine möglichst geringe Aufmischung angestrebt, allerdings muß noch eine ausreichend Bindung zwischen Beschichtung und Grundwerkstoff gewährleistet sein. Die Aufmischung ist eine Kenngröße des jeweiligen Schweißverfahrens und ist bei der Auswahl des Schweißverfahrens zu berücksichtigen. Zum Ausgleich der Aufmischung kommen überlegierte Schweißzusätze zum Einsatz oder die Auftragschweißung müssen mehrlagig durchgeführt werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Neben den werkstoffbezogenen und metallurgischen Aspekten müssen auch die spezifischen Merkmale des gewählten Auftragschweißverfahren berücksichtigt werden. Diese beeinflussen im wesentlichen die Schichtqualität hinsichtlich Aufmischung, Oberflächengüte und Schichtkonstanz, Bearbeitbarkeit der Panzerung, aber auch Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit [3-4,5]. 2.1 Auftragschweißverfahren Industriell werden zur Herstellung von hochverschleißbeständigen Schutzschichten, je nach Fertigungsbedingungen und Verfügbarkeit das Autogenschweißen, das Elektroden-Hand- sowie das Metall-Schutzgas- (MSG), das Open-Arc-(OA)- und das Plasma-Pulver-(PTA)-Auftragschweißen eingesetzt. Diese Verfahren werden sowohl manuell als auch mechanisiert oder zum Teil vollautomatisiert eingesetzt, Tab. 1 [1-3, 5]. Schweißverfahren Auftragsrate [kg/h] Aufmischung [%] Zusatzwerkstoff Autogen 1-1,5 0,5 Pulver, Stäbe Elektrode Massive und gefüllte Elektroden MSG Röhrchendraht Plasma-Pulver bis 25kg 5-10 Pulver Tab. 1: Vergleich Schweißverfahren für den Verschleißschutz Das Autogene-Auftragschweißen mit Wolfram-Schmelzcarbid-(WSC)-Pulver und/oder WSC-gefüllten Röhrchenstab oder -umhüllten Kernstab stellt nach wie vor ein weltweit bedeutendes Verfahren dar. Aufgrund der einfachen Handhabung und des einfachen Aufbaus wird das Verfahren auch unter schwierigen Fertigungsbedingungen weltweit eingesetzt. Es sind hiermit geringste Vermischungen mit dem Grundwerkstoff möglich. In der Regel wird mit neutraler Flamme gearbeitet. Die Abschmelzleistung (<1,5kg/h) ist zwar gering, allerdings ist das Verfahren besonders geeignet, örtliche Panzerungen gezielt auf den Beanspruchungsflächen, wie z.b. bei Bohrkronen oder Meißeln aufzubringen. Allerdings wird der Einsatz bei großen Bauteilen aufgrund der hohen Kosten für Vorwärmung immer mehr eingeschränkt und durch MSG-Schweißen verdrängt.

3 Das Elektroden-Handschweißen mit Hartlegierungen und WSC-gefüllten Röhrchenelektroden ist aufgrund seiner einfachen Handhabung ebenfalls sehr verbreitet. Für das großflächige Auftragschweißen von z.b. Schleißplatten oder Walzen, wird das MSG- bzw. Open-Arc- und das PTA-Auftragschweißen eingesetzt. Die Vermischung beim MSG-Schweißen zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung liegt je nach Legierung und Betriebsbedingungen zwischen 10-30% in der ersten Lage, während sich die Schichtdicke im Bereich zwischen 3-5mm bewegt. Durch Zusatz von Lichtbogenbildnern in der Drahtfüllung kann der Fülldraht open-arc, also ohne Schutzgas, verschweißt werden. Ebenso kann durch die heute oftmals eingesetzte Variante des MSG-Schweißens, dem Impulslichtbogenschweißen (MSG- Pulsed-Arc), das Schweißverhalten verbessert sowie die Vermischung und die thermische Beanspruchung verringert werden. Das PTA-Auftragschweißen hat in den letzten Jahren im Zeichen der wachsenden Automatisierung vieler Fertigungsprozesse 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 Ni-Basis mittlerweile über 20kg/h. Im Hochleistungsbereich kommen vor allem NiBSi-Legierungen (zum Teil mit Cr) mit 60%WSC zum Einsatz. Das Verfahren ist im Vergleich zum Fülldrahtschweißen sehr aufwendig und kostenintensiv. Schlecht zugängliche Bereiche sind nur bedingt zu beschichten [2]. 3. Verschleißschutzwerkstoffe für das Auftragschweißen Besondere Bedeutung bei der anwendungsgerechten Auslegung des Verschleißschutzes von Bauteilen hat die Werkstoffwahl. Der Grundwerkstoff wird im allgemeinen entsprechend der mechanischen Anforderungen an das Bauteil gewählt. Der Schweißzusatz richtet sich dagegen nach der zu erwartenden Beanspruchung der Oberfläche, wie z.b. abrasivem Verschleiß, Korrosion, Erosion, Kavitation, etc.. Je nach Beanspruchung und Verfügbarkeit kommen zur Herstellung von Verschleißschutzschichten gemäß EN DIN 8555 mehrphasige Beschichtungswerkstoffe zum Einsatz, wobei vor allem Hartlegierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis zu nennen sind. Hierbei bestimmen arteigene Hartphasen wie Carbide, Nitride, Boride und/oder Silizide in einer vergleichsweise zähen Matrix durch ihre Größe, Verteilung und Ausbildung primär den Verschleißwiderstand gegenüber abrasiven, adhäsiven und/oder erosiven Beanspruchungen, Tab. 2 [4, 6]. Matrix Hartstoffbildner Metalloide Matrixelemente Hartstoffe Fe Cr (Mo, W, V) C (B, Si) Mn, Co, Ni M 23 C 6, M 7 C 3, M 6 C, M 3 C Ni Cr (W, Mo) B, Si, (C) Fe, Cu, Co, Mn Ni 3 B, CrB, Ni 3 Si Co Cr, W (Mo, V, C (B, Si) Ni, Fe, Cu, Mn M 23 C 6, M 7 C 3 Nb) Tab. 2: Einteilung der Hartlegierungen

4 Industriell werden Hartlegierungen der Legierungsgruppe 10 insbesondere als Fülldrähte eingesetzt. Es lassen sich hierdurch hochlegierte Legierungen schweißtechnisch verarbeiten, die aufgrund ihrer werkstoffspezifischen Eigenschaften als Massivdraht im Hinblick auf ihre Umformbarkeit Probleme aufweisen. Fülldrähte eröffnen dem Anwender ein weites Einsatzspektrum, da durch ihre kostengünstige Herstellung sowie die Möglichkeit, nahezu beliebige Legierungen auch in kleinen Mengen wirtschaftlich herstellen zu können, deutliche Vorteile bestehen. Durch die in einem breiten Bereich variierbare Zusammensetzung kann in Verbindung mit einer lagenorientierten Analysenanpassung eine den Anforderungen gerechte Oberflächenbeschichtung gewährleistet werden. Als ein bedeutendes Einsatzgebiet von Fülldrähten ist die Panzerung von durch scharfkantigen Abrasionsmedien beanspruchten Bauteilen, wobei sich insbesondere hochchromund kohlenstoffhaltige Fe-Hartlegierungen bewährt haben. Das Schweißgutgefüge dieser Legierungsgruppe enthält deutlich mehr Chromcarbide größerer Ausbildung als es im Gußzustand möglich ist [7]. Bei Zusammensetzungen von 4,5%C und 30%Cr entstehen viel höhere Carbidanteile, wobei Rißbildung nicht vermeidbar ist. Das typische Schweißgutgefüge übereutektischer FeCr-Hartlegierungen, hier am Beispiel einer Legierung mit 4,73%C, 22%Cr und 5,8%Nb, Abb. 1, besteht aus primär ausgeschiedenen Chrom-Sonderkarbiden des Typs M 7 C 3, eingelagert in einer eutektischen Grundmasse. Bei Erweiterung der Beanspruchung von Abrasion auf Stoßen/Prallen lassen sich bei Vermeidung großer Ausbrüche und bei Beanspruchung in der Tieflage, d.h. Schweißzusatzhärte ist höher als Abrasivguthärte, noch gute Standzeiten erzielen. Bei hochabrasiver Beanspruchung stoßen diese konventionellen Legierungen aber an ihre Leistungsgrenzen. Hier stellt der Einsatz sogenannter Pseudo-Legierung eine wirkungsvolle Verschleißschutzmaßnahme dar. Derartige Legierungen bestehen aus mechanischen Mischungen von Fe-, Ni- oder Co-Hartlegierungenkomponenten und Hartstoffen. Nach der schweißtechnischen Verarbeitung entstehen hiermit Werkstoffgefüge mit einer relativ zähen Matrix, in der Hartstoffpartikel metallurgisch fest eingebunden sind. Unter der Vielzahl von carbidischen Hartstoffen haben sich seit Jahren zur Verstärkung konventioneller Hartlegierungen Carbide des Typs WSC (WC-W 2 C) industriell durchgesetzt und bewährt. Zu den wesentlichen Vorteilen sind vor allem die hohe Härte von >2200HV und damit erreichbare hohe Beständigkeit gegenüber extremen abrasiven Beanspruchungen zu nennen. In Abb. 1 ist beispielhaft das typische Mikrogefüge einer WSC-Panzerung gegenüber einer FeCrC-Panzerung dargestellt [3].

5 a) b) Abb. 1: a) Mikrogefüge einer FeCrCNb-Fülldrahtpanzerung b) Mikrogefüge einer Fülldrahtpanzerung: NiBSi+60%WSC 4. Anwendungen aus der Praxis Ein bedeutendes Einsatzgebiet von Fülldrähten stellt der Verschleißschutz von hochabrasivbeanspruchten Oberflächen von Gutbettwalzen der Zementindustrie dar, Abb. 2. Hierbei wird bei einfachen Systemen auf den vergüteten Grundkörper aus höhergekohltem Cr-Ni-Schmiedestahl eine mehrlagige Verschleißschutzschicht mit selbstschützenden Fülldrahtelektroden (Open-Arc) aufgeschweißt. Der Panzerwerkstoff besteht aus einer austenitisch-martensitischen Matrix, in die primäre Cr-Carbide sowie Carbide des Typs NbC oder TiC eingebettet sind. Derartige Beschichtungen weisen eine resultierende Endhärte von >60 HRC und schon bei der Erstarrung ein ausgeprägtes Härterißmuster auf, wodurch die Panzerungen spannungsfrei sind [8]. Abb. 2: Automatisierte Auftragschweißung von Gutbett-Walzen

6 Als weiteres Anwendungsbeispiel ist die Panzerung von großflächigen Verschleißplatten zu nennen. Diese Verbundplatten sind standardmäßig in unterschiedlichen Abmessungen verfügbar, wobei die minimale Substratdicke 5mm betragen kann. Als Substratwerkstoffe zur Aufnahme der mechanischen Festigkeit kommen unlegierte Baustähle aber auch höherfeste Feinkornbaustähle oder legierte Stähle zum Einsatz. Durch Walzwerke sind Verfomungen der Platten bis unter 300mm, abhängig von der jeweiligen Schweißzusatzlegierung und des Substrates, möglich. Hierdurch und durch die Möglichkeit z.b. frei wählbarer Kontouren oder Ausbrüchen durch den Einsatz von rechnergesteuerten Schneidanlagen herzustellen, steht dem Anwender ein maßgeschneidertes Verschleißschutzsystem zur Verfügung. Hiermit können entsprechend den Anforderungen Bauteile, wie Ventilatorenschaufeln, Rutschen, Bunker oder Silos, aus derartigen Halbzeugen gefertigt werden. Neben dem Einsatz von FeCrC-Hartlegierungen hat der weltweite Verschleißschutz durch Auftragschweißen mit Wolfram-Schmelzcarbid große Bedeutung. Hierzu zählt der Verschleißschutz von kleinen Bauteilen in der Landwirtschaft (z.b. Pflugschare) bis zu Auftragschweißungen durch Roboter (z.b. komplexe Schneidzähne). Überall dort, wo u.a. beim Brechen, Schneiden, Zerkleinern, Mischen, Laden und Transportieren von trockenen und nassen Feststoffen extremer Verschleiß durch Abrasion oder Erosion entsteht, sind gegenüber konventionellen Hartlegierungen der Legierungsgruppe 10 erhebliche Standzeitverlängerungen der Bauteile erreichbar. Insbesondere in Bereichen bei denen Ausfallzeiten zu drastischen Kosten führen, können zunehmend Reduzierungen der Betriebskosten erreicht werden. So wurden z.b. im Braunkohle-Tagebau durch Einsatz von PTA-Auftragschweißungen aus NiBSi+60%WSC die Standzeiten z.b. von Schalenschneiden gegenüber Fülldraht- Auftragschweißungen aus Eisenhartlegierungen bei gleichen Abraumbedingungen mehr als verdoppelt [3], Abb. 3. Die flächigen Panzerungen werden durch Roboter mittels PTA-Technik hergestellt und die Kanten manuell mittels dem Open-Arc- Verfahren gepanzert. Abb. 3: Schalenschneiden für den Braunkohle-Tagebau

7 5. Zusammenfassung Im Rahmen des Beitrags wurde über den Bauteilschutz gegen extreme Verschleißbeanspruchungen durch Abrasion berichtet. Hierbei wurden die derzeit industriell eingesetzten Schweißverfahren gegenübergestellt sowie Schweißzusätze und formen vorgestellt. Durch den Einsatz von FeCrC-Fülldrahtelektroden zur Herstellung von Verschleißschutzsystemen durch Lichtbogen-Auftragschweißen in der Serienfertigung und in der Regeneration können wertvolle Ressourcen geschont sowie volkswirtschaftliche Verluste vermieden werden. Aufgrund der einfachen Handhabung und kostengünstigen Herstellung, der in weiten Bereichen variierbaren Legierungszusammensetzung bieten sich ein breites Einsatzspektrum und potential. Hierbei stellt der Einsatz von Wolfram-Schmelzcarbid-Schweißzusätzen eine effektive Ergänzung dar, insbesondere dort, wo bei extremen abrasiven Beanspruchungen an Funktionsflächen FeCrC-Legierungen versagen. 6. Literatur [1] Hartung, F.: Verfahren des Auftragschweißens. Moderne Beschichtungsverfahren Herausgeber: Steffens, H. D., W. Brandel, DGM-Informationsgesellschaft Verlag (1992), S [2] Schreiber, F.: Wolfram-Schmelzcarbid im Verschleißschutz: Besonderheiten bei der schweißtechnischen Verarbeitung und Qualitätssicherung. 3. Verschleißschutz Tagung SLV Halle, Tagungsband [3] Tremmer, D. u. W. Wahl: Verschleißschutz durch Auftragschweißen. DVS-Bericht Nr. 176 (1996) 4, S [4] Uetz, H.: Abrasion und Erosion. Carl Hanser Verlag München (1986) [5] Bouaifi, B.: Auftragschweißen. Hrsg. E. Moeller und W.-D. Kaiser, WEKA-Verlag (1995), Teil 8, Kap.7, S.: 1-38 [6] Fischer, A.: Hartlegierungen auf FeCrCB-Basis für die Auftragschweißung. Fortschrittberichte der VDI-Zeitschriften, Reihe 5, VDI-Verlag GmbH Düsseldorf (1984) [7] Maratray, F. u. Usseglio-Nanot: Einflußfaktoren auf die Gefügestruktur des Chrom-Molydän-legierten weißen Gußeisens. Verlag Climax Molybdenum, Paris 1970 [8] Brachthäuser, M. u. Wollner: Erhöhung der Verfügbarkeit von Gutbett-Walzenmühlen durch konstruktive Maßnahmen. Zement, Kalk, Gips 44 (1991) 2, S