V O R T R A G S B A N D

Transkript

1 V O R T R A G S B A N D 7. Fachtagung Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen 7. und 8. Mai 2008, Halle (Saale)

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3 Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen Vorträge der 7. Fachtagung Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen in Halle (Saale) am 7. und 8. Mai 2008 Veranstalter: Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Halle GmbH

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5 Vorwort Die Fachtagung "Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen", die seit 1996 im Zwei- Jahres-Rhythmus in Halle (Saale) stattfindet, hat sich mittlerweile zu einem anerkannten Forum für neue Entwicklungen auf dem Gebiet des schweißtechnischen Verschleiß- und Korrosionsschutzes etabliert. Dabei wird in bewährter Weise sowohl dem vorbeugenden Verschleißschutz von Neuteilen als auch der Regenerierung verschlissener Bauteile gleichermaßen Beachtung geschenkt. Im Fokus dieser Tagung mit internationaler Beteiligung stehen aktuelle Forschungsergebnisse und neueste Erkenntnisse aus der Praxis des Auftragschweißens und Beschichtens von Bauteilen, wobei die innovativen Einsatzpotenziale sowohl der klassischen Schweißprozesse als auch der neuen Technologien zum Verschleiß- und Korrosionsschutz miteinander verglichen werden. Auf der nunmehr 7. Fachtagung "Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen" 2008 werden Vorträge zum Auftragschweißen und Instandsetzungsschweißen an bestimmten Werkstoffen, bei produktspezifischen Einsatzfällen sowie mit den unterschiedlichsten Technologien den Schwerpunkt des Tagungsprogramms bilden. Traditionsgemäß bereichert eine Präsentation verschiedener Firmen, zum Teil mit Vorführungen, die Fachtagung. Allen Vortragenden, Ausstellern und Teilnehmern sei in diesem Zusammenhang für ihren Anteil zum Gelingen der Tagung recht herzlich gedankt. Die GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh und die Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Halle GmbH als Veranstalter wünschen der 7. Fachtagung "Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen" einen großen Erfolg und eine nachhaltige Resonanz. Halle (Saale), im Mai 2008 Dr.-Ing. Steffen Keitel Geschäftsführer GSI mbh Geschäftsführer SLV Halle GmbH Dr.-Ing. Martin Ströfer Leiter SLV Halle GmbH

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7 Inhaltsverzeichnis Dipl.-Ing. E. Scholz, Grünstadt; W. Brass, Witten HPS-Auftragschweißen an rotationssymmetrischen Bauteilen... 7 Dipl.-Ing. S. Neyka, Dipl.-Ing. L. Ebert, Dr. K. Alaluss, Chemnitz Herstellung von Abrasions- und Korrosionsschutzschichten mit den Hochleistungsverfahren PPA und MSG-Tandem-Auftragschweißen J. Metzger, Dr. M. Busch, Ditzingen Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen Dr.-Ing. J. Kästner, Kleinwülknitz Rapid Laser Material Manufacturing - Möglichkeiten des RLM 2 -Verfahrens für einen integrierten Verschleißschutz Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. J. Wilden, Dr.-Ing. S. Jahn, Dipl.-Ing. V. Drescher, Berlin; Dr.-Ing. T. schnick, Willich Verschleißschutz in Aluminum-Druckgusswerkzeugen durch Plasma-Pulverauftraggeschweißte FeNiW-Legierungen Dr. rer. nat. H. Riegger, Dipl.-Ing. D. Wolf, Ostfildern-Ruit Beanspruchungskollektive an Verschleißbauteilen und ihre metallkundliche Lösung Dipl.-Ing. S. Claußen, Dipl.-Ing. N. Weidlich, Dipl.-Ing. D. Herzog, Prof. H. Haferkamp, Hannover Laserstrahlauftragschweißen von Nanocomposite-Schichten zur Erzeugung verschleißbeständiger Schneidflächen Dr.-Ing. T. Peters, Dipl.-Ing. Fouad Cheaitany, Winterthur (Schweiz) Verschleißschutz durch Laserauftragschweißen - Beispiele aus der Praxis Dipl.-Ing. O. Penning, Wachtendonk Auftragschweißen von Schienenköpfen im DB-Gleissystem mit selbstschützenden Fülldrahtelektroden Prof. Dr.-Ing. W. Theisen, Bochum; Prof. Dr.-Ing. R. Winkelmann, Senftenberg; Dipl.-Ing. A. Pelz, Dr. B. Reichmann, Thale Auftragschweißungen von Wolframkarbid in Fe-Basis-Legierungen Dipl.-Ing. D. Suchodoll, W. Lindenhoven, Frechen Technologien zum Verschleißschutz im Braunkohlenbergbau der RWE Power AG... 71

8 Dipl.-Ing. A. Pelz, Dipl.-Ing. F. Napalowski, Thale Hochwertige Dünnblech-Panzerungen für den Leichtbau Dipl.-Ing. (FH) J. Herrmann, Halle (Saale); Podszun, Krämer, Schwarze Pumpe; Stenzel, Dr.-Ing. F. Schreiber, Willich Auftragschweißen an Tonschneidecken Anzeigen der Firmen Castolin GmbH, Kriftel CORODUR FÜLLDRAHT GMBH, Willich DURUM VERSCHLEISS-SCHUTZ GMBH, Willich TBi Industries GmbH, Fernwald... 91

9 HPS-Auftragschweißen an rotationssymmetrischen Bauteilen HPS: High Performance Submerged-Arc Welding Dipl.-Ing. Erhard Scholz; Fa. CIF-GmbH, Grünstadt Walter Brass; Abteilungsleiter Verschleißschutztechnik, Fa. Wiegard, Witten 1.0 Einleitung Es handelt sich bei diesem Schweißprozess um eine UP-Doppeldrahttechnik unter Verwendung von zwei überlegierten Fülldrähten und einem legierungstechnisch angepassten Metallpulver, wobei das Metallpulver magnetisch an den Drähten haftet. Zusätzlich wird ein UP- Schweißpulver das Schweißbad überdeckend zugeführt. Die Drähte liegen in den Abmessungen von 1,6 3,0 mm vor, um mit Stromstärken schweißen zu können, die der Bauteilgröße (Rollendurchmesser) angemessen sind. Der Schweißkopf ist pendelnd angeordnet, so dass Nahtbreiten bis etwa 55 mm erzielt werden können, die mit der UP-Bandschweißung vergleichbar sind. Diese Maßnahme erhöht nicht nur die Beschichtungsleistung, sondern reduziert auch die Schweißgeschwindigkeit und beeinflusst dadurch das Nahtprofil positiv. Siehe hierzu Bild 1 und 2. Bild 1 Bild 2 Schweißen das Beschichten von Strangführungsrollen in Betracht kommt. Hier sind es unter Hinweis auf die komplexe Beanspruchung vorrangig CrNiMo-Schweißgutlegierungen, die den Anforderungen nach Korrosion, Härte, Verschleiß und Brandrissneigung gerecht werden. Die Basislegierung lautet [in %]: C ~ 0,10 Si > 0,3 Mn > 0,5 Cr > 12,0 Ni > 1,5 Mo > 0,5 plus Additive wie V und N Konventionelle Schweißverfahren Die generellen Bedingungen für Auftragschichten bei der Neufertigung von Strangführungsrollen sind folgende: Schichthöhe: Schichthöhe: Härte: Lagenanzahl: min. > 7,5 mm (Schweißzustand) > 5,0 mm (nach Bearbeitung) > 36 HRC (je nach Kundenforderung 2 (open arc) 3 (UP-Bandschweißung) Die UP- Drahtschweißung kam derzeit in Anbetracht des sehr hohen Aufmischungsgrades ( - Effekts) nicht zur Anwendung, weil bedingt durch die hohe Aufmischung mit dem Grundwerkstoff der Draht sehr hoch überlegiert vorliegen müsste und außerdem die Schweißzusatzkosten immens ansteigen würden. 2.2 HPS-Welding-Prozess: Die UP-Doppeldrahttechnik ist letztendlich auch geprägt durch einen hohen Aufmischungsgrad, der zwischen % liegt. Geringfügig abgeschwächt gegenüber der UP-Eindrahtschweißung ist er durch die Doppeldrahttechnik und speziell durch den Zusatz von Metallpulver, welches beim Umschmelzen dem Lichtbogen Wärme entzieht. 2.0 Vergleich der unterschiedlichen Verfahrenskonzepte für Auftragsschweißungen an Strangführungsrollen Aus den vorangestellten Erläuterungen war bereits der Rückschluss zulässig, dass als Hauptanwendungsgebiet für das HPS- In diesem Falle aber wird die verdünnte" Legierung der ansonsten 1. Lage durch Einsatz überlegierter Fülldrähte in eine voll nutzbare Legierung entsprechend den Anforderungen umgewandelt. Die Nutzschicht besteht damit aus dem Einbrandprofil plus Nahtüberhöhung. Das in der Lichtbogenphase umgeschmolzene Metallpulver ergibt in seiner Zusammensetzung Analysenidentität. 7

10 Die Zufuhr von Metallpulver erfolgt im Verhältnis 0,9 bis 1,0 (Metallpulvergewicht zu Drahtgewicht), wodurch eine Abschmelzleistung von kg/h erreicht werden kann. Die hiermit erzeugte Schweißgutdicke liegt im Bereich von 6 12 mm bei einer Lagenbreite von ca. 55 mm. Das Resultat einer derartige Schweißraupe ist also eine voll nutzbare Lagendicke, die ohne jegliche Umkörnung vorliegt, wobei die Kristallorientierung senkrecht zur Mittelachse des Bauteils erfolgt. Es findet demnach keine Sensibilisierung des Schweißgutes im Lagenüberschneidungsbereich statt, d. h. der gesamte Nahtbereich ist auch in seiner Höhenachse bezüglich der Eigenschaften (z. B. Härte) homogen. 3.0 Schweißzusatz für den HPS- Schweißprozess 3.1 Schweißdraht In Anbetracht der bei diesem Verfahren hohen Legierungsgehalte und der Verfügbarkeit solcher Drähte sind es Fülldrähte, die für diesen Verwendungszweck in Frage kommen. Ihre Zusammensetzung richtet sich nach Grundwerkstoff und angestrebter Schweißgutanalyse. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass sich das Schweißgut aus 3 Komponenten zusammensetzt, und zwar: Anteil: Grundwerkstoff + Anteil: deponierter Draht + Anteil: Metallpulver Bei einem Aufmischungsgrad, z. B. von 50 %, besteht demnach das Schweißgut aus 50 % auflegiertem Grundwerkstoff 25 % überlegiertem Fülldraht 25 % legiertem Metallpulver (entsprechend Sollanalyse des Schweißgutes ) Unter dieser Voraussetzung ist gewährleistet, dass sich die Schweißgutanalyse auch durch negative Einflüsse wie Stromschwankungen, abweichende Schweißparameter oder auch abweichende Metallpulverzufuhr nicht verändert. 3.2 Metallpulver Es handelt sich hierbei um verdüste oder auch agglomerierte Metallpulver, die in einer max. Korngröße von 315 µm als optimal anzusehen sind. In der Herstellungsart sind sie jedoch unterschiedlich zu bewerten. So sind gasverdüste Metallpulver grundsätzlich vorteilhafter, was auf die hohe Schüttdichte und das eher rundliche Korn zurückgeführt werden kann. Der Anteil am zugeführten Pulvermaterial liegt hierbei am höchsten. Wasserverdüste Metallpulver sind aufgrund ihrer spratzigen Oberfläche leichter und weniger rieselfähig und haften deshalb in geringer Menge an der Drahtoberfläche. Die Folge hiervon ist ein Leistungsverlust. Agglomerierte Metallpulver sind ein Kompromiss im Hinblick auf die Verfügbarkeit und auch deren Kosten. Sie sind jedoch bezüglich ihrer spezifischen Dichte am leichtesten, was gleichfalls eine Leistungsminderung darstellt und benötigen für deren Einsatz wie übrigens auch die wasserverdüsten Metallpulver- eine pulsierende Rüttelrinne. Siehe hierzu Bild 3. Pulverdurchlauf: [kg/h/] [ Poti- Stellung ] Reihe 1; agglomeriert; S = 2,49 g/dm 3 Reihe 2; wasserverdüst; S = 3,63 g/dm 3 Reihe 3; gasverdüst; S = 4,55 g/dm UP- Schweißpulver Unter Berücksichtigung der magnetischen Haftung des Metallpulvers erfolgt das HPS- Schweißen an Gleichstrom + Pol. Das UP- Schweißpulver sollte unter nachstehenden Kriterien ausgewählt werden: Die Arbeits- bzw. Schweißtemperatur einer zu beschichtenden Strangführungsrolle beträgt bis zu 300º C. Die hohe Schweißtemperatur in Überlagerung durch den oszillierende Schweißkopf hat negativen Einfluss auf den Schlackeabgang. Die Forderung besteht jedoch nach selbstabhebender Schlacke; spätestens jedoch nach einer halben Bauteilumdrehung. Das vorerwähnte Anforderungsprofil erfordert eine zähfließende Schlacke, die nicht vorläuft und wegen deren Löslichkeit eine ausreichende Dicke aufweisen sollte. Als gut geeignet haben sich Schweißpulver herauskristallisiert, welcher nachstehender Typengruppe angehören: oder WELD-FLUX UP gemäß DIN 760 A AB 2 55 HC WELD-FLUX UP gemäß DIN 760 A AF 2 54 DC Reihe1 Reihe2 Reihe3 8

11 4.0 Betriebserprobung Anwendungsfall 4.1 Vorversuch am Grundwerkstoff 21 CrMoV 5 11 Schweißzusatz: HARDFIL 13/4/1 CrNiMo Draht ø: 2,8 mm Metallpulver: MP 13/4/1 CrNiMo UP-Schweißpulver: WELD-FLUX 1.33 UP Schweißparameter: Strom: 750 A Spannung: 28 V Schweißgeschwindigkeit: 17,5 cm/min Pendelbreite: 40 mm Beschichtungsbreite: ~ 50 mm Vorwärm- und Schweißtemperatur: ca. 300 C Leistungswerte: UP-Fülldraht: Metallpulver: Abschmelzleistung: 2 x Drahtgewicht = 164,- g/min 160,- g/min 324,- g/min = 19,44 kg/h Grundwerkstoff: 21 CrMoV 5 11 Rollenø, vorgedreht: 243 mm Rollenø, nach dem Schweißen: 252 mm Fertigmaß ø: 248 mm Pos. [HRC] Härte [HRC] Härte Pos. 1 48,0 9 48,3 2 47, ,5 3 48, ,5 4 47, ,3 5 46, ,5 6 47, ,1 7 47, ,1 8 47, ,1 4.2 Analytischer Befund am Grundwerkstoff 25 CrMo 4 Die Auswertung ergab nachstehendes Ergebnis: Messpunkt C 0,22 C 0,07 0,97 Si 0,43 Si 0,53 0,55 Mn 0,47 Mn 0,84 0,87 Cr 1,33 Cr 11,8 12,6 Ni 0,17 Ni 1,90 1,95 Mo 0,30 Mo 1,05 1,10 V 0,20 V 0,16 0,17 Aus den Messwerten geht eine relativ enge Analysentoleranz hervor, siehe Bild Härteprüfung bei unterschiedlichen Behandlungszuständen: Schweißzustand: 46,7 / 46,8 / 47,0 HRC Mittelwert: ~ 46,8 HRC Glühung 8 h bei 550 C: 46,9 / 45,6 / 45,5 HRC Mittelwert: ~ 46,0 HRC Glühung 10 h bei 580 C: 37,2 / 37,2 / 36,8 HRC Mittelwert: ~ 37,1 HRC Härtemessungen in den unterschiedlichen Nahtbereichen Hieraus geht ein sehr gleichmäßiger Härteverlauf hervor. Lediglich die Messstelle 16 weicht mit 41,1 HRC etwas nach unten ab, was sich aber dadurch erklärt, dass der Messpunkt bereits im Nahtübergang liegt (Bild 4). 4.3 Anwendungsfall Für eine Betriebserprobung bei der TKS AG wurden bereits im Herbst 2005 Strangführungsrollen im HPS-Verfahren geschweißt. Für den Versuchsauftrag über 12 Rollen nach dieser Beschichtungstechnologie wurden zwei unterschiedliche Grundwerkstoffe ausgewählt, und zwar: 21 CrMoV 5 11 QT (W.-Nr ) bzw. 25 CrMo 4 QT (W.-Nr ) deren chemische Zusammensetzung wie folgt lautet (in %): 9

12 GW 21 CrMoV 5 11 GW 25 CrMo 4 C 0,17 0,25 C 0,22 0,29 Si 0,30 0,60 Si < 0,40 Mn 0,30 0,50 Mn 0,60 0,90 Cr 1,20 1,50 Cr 0,90 1,20 Mo 1,00 1,20 Mo 0,15 0,30 Ni max. 0,60 Ni --- V 0,25 0,35 V --- Der Grund für die Wahl unterschiedlicher Grundwerkstoffe ist in deren Verfügbarkeit, aber auch im Preis zu sehen. Unter diesem Aspekte weist der 25 CrMo 4 deutliche Vorteile auf. Der Schweißzusatz wurde nicht gewechselt, ebenso wenig die Schweißparameter. Die Rollen lagen im Durchmesser von 320 mm bei einer Ballenlänge von 875 und 1375 mm vor. 4.4 Auswertung des praktischen Anwendungsfalles Unter Anwendung der im Vorversuch erprobten Schweißparameter wurden die eingangs erwähnten Strangführungsrollen auftraggeschweißt. Die folgenden Bilder zeigen die Strangführungsrollen im Betriebszustand: Bild 6: nach einer Tonnage von 1,1 Mio Tonnen damit 0,75 mm. Die Anzahl der Brandrisse liegt vergleichsweise sehr niedrig. Ein Unterschied zwischen den Strangführungsrollen der alternativ eingesetzten Grundwerkstoffe wurde nicht sichtbar. Eine Auswertung des Rollenzustandes nach aktueller Standzeit von 2,8 Mio Tonnen konnte noch nicht erfolgen, da sich die Rollen weiterhin im Einsatz befinden. Nach Sichtkontrolle wurde der Zustand als gut und weiterhin einsatzfähig befunden. 5.0 Zusammenfassung Aufgrund der Auswertung des Langzeit- Testversuches liegt die Zustimmung des Kunden für den weiteren Einsatz der HPS- Beschichtungstechnik vor. Die Vorteile dieses Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen: Hervorragendes Gefüge durch Einlagen- Beschichtungstechnik Gleichmäßige Analyse und Härte des Schweißgutes über den gesamten Schichtbereich Durch hohe Abschmelzleistung in Verbindung mit der Einlagenbeschichtung erhebliche Reduktion der Schweißzeit Einsatz alternativer Grundwerkstoffe möglich Variable Schweißgutlegierungen gemäß Anforderungen einstellbar. 6.0 Schrifttum Patent Nr Bild 7: zeigt den Verschleiß nach einer Tonnage von 1,1 Mio Tonnen Hieraus wird ersichtlich, dass gegenüber dem Neuzustand der Rollendurchmesser von 320 auf 318,5 mm abgenommen hat. Der Maximalverschleiß der angezogenen Messstelle beträgt 10

13 Herstellung von Abrasions- und Korrosionsschutzschichten mit den Hochleistungsverfahren PPA und MSG-Tandem-Auftragschweißen Dipl.-Ing. Sebastian Neyka, Dipl.-Ing. Lars Ebert, Dr. K. Allaluss, IFS Chemnitz 1 Einleitung An der Technischen Universität Chemnitz beschäftigt sich eine Forschergruppe mit der Herstellung, Bearbeitung und Klassifikation von Schutzschichten gegen Korrosion und Verschleiß. Verschleiß an Bauteilen tritt in unterschiedlichen Erscheinungsformen auf, setzt jedoch immer deren Funktionalität außer Kraft. An Verschleißteile werden, aus wirtschaftlichen, technologischen oder verkaufspolitischen Gründen, genau definierte Anforderungen hinsichtlich Standzeit bzw. Standmenge gestellt. Um dicke, gut haftende Schutzschichten auf großen Flächen ökonomisch aufbringen zu können werden u. a. die Hochleistungsschweißverfahren Plasma-Pulver- Auftragschweißen (PPA) und MSG-Tandem- Auftragschweißen eingesetzt. 2 Verfahren im Überblick 2.1 Prozess Das Tandemschweißen ist ein modifiziertes Schutzgasschweißverfahren, welches sich durch anlagenspezifische Besonderheiten abgrenzt. Zwei Drahtelektroden werden durch zwei Lichtbögen in ein gemeinsames Schmelzbad abgeschmolzen. Bedingt, durch die Anordnung der Elektroden, ist die Schutzgasdüse oval ausgeführt. Die Stromzuführung ist potentialgetrennt gestaltet, ebenso sind die Stromquellen voneinander elektrisch isoliert. Der erhöhte anlagentechnische und finanzielle Aufwand wird durch die höhere Auftragleistung gerechtfertigt. Je nach aufzutragendem Material sind Hartauftragungen mit einer theoretischen Auftragsleistung von 19 kg/h bzw. 2,4 L/h ( m² Fläche mit 4,8 mm Schichtdicke) gut beherrschbar. Der erreichbare Aufmischungsgrad ist stark von den eingestellten Prozessparametern abhängig. Bei neutraler Brennerstellung liegt die Aufmischung im Bereich von 15 % bis 50 %. Abbildung 2: Stromverlauf mit 180 Phasenverschiebung (Impuls-Impuls) Beim Plasma-Pulver-Auftragschweißen (PPA, Abbildung 3) wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff im Plasmalichtbogen vollständig oder teilweise aufgeschmolzen. Der Plasmalichtbogen brennt zwischen Werkstück (Anode) und einer Wolframelektrode. Eine Schutzgasglocke schirmt den Prozess von der Umwelt ab. Der Vorteil des Verfahrens besteht in der Entkopplung der Energieeinbringung von der Menge des Zusatzwerkstoffes. Das ermöglicht die Herstellung von Schichten mit geringen Aufmischungsgraden (bis 5 % bei geringer Lichtbogenleistung). Prinzipiell können WIG-Stromquellen mit einer modifizierten Steuerung eingesetzt werden. Die Brenner sind rotationssymmetrisch und mit steigender Leistung massiver ausgeführt. Eine solide ausgelegte Wasserkühlung ist empfehlenswert. Im Vergleich zum Tandemschweißen sind die Ausrüstungskosten ca. um 15 % geringer. Je nach Leistungsfähigkeit der Gerätetechnik sind Abschmelzleistungen von 15 kg/h möglich. In der Literatur werden Auftragleistungen bis 30 kg/h genannt (vgl. Abbildung 4). Bei den damit verbundenen großen Schmelzbädern ist der Prozess jedoch schwierig zu beherrschen. Abbildung 1: Tandemschweißen: Anlagenaufbau, schematisch Das Herzstück der Tandem-Technologie ist die Synchronisation der Stromquellen. Die elektrischen Parameter der parallel ablaufenden Einzelprozesse werden zeitlich aufeinander abgestimmt (siehe Abbildung 2). Meist werden beim Auftragschweißen zwei Impulslichtbögen verwendet, um den Energieeintrag und die Aufmischung gering zu halten. Für bestimmte Anwendungen ist auch ein Impuls-Standard-Lichtbogen möglich. Diese Kombination bietet die Möglichkeit, den geringen Energieeintrag des Impulslichtbogens mit einer hohen Auftragleistung des Standardlichtbogens zu koppeln. 11

14 digkeit, ) die geometrischen Parameter einen großen Einfluss auf die Schichteigenschaften. Durch eine spezielle Brennerpositionierung kann die Einbrandtiefe im Grundwerkstoff herabgesetzt werden. Dazu müssen der Lichtbogen und der Werkstoffübergang auf eine bereits aufgetragene Raupe gerichtet sein. Durch die Variation des Anteils aktiver Bestandteile im Schutzgas kann auf das Abschmelzverhalten und den Einbrand Einfluss genommen werden. Abbildung 5: Nichtelektrische Parameter beim MSG- Tandem-AS Abbildung 3: PPA: Prinzipskizze mit 2-Pulver-Brenner Haupteinflussfaktoren beim PPA sind Schweiß- und Pilotstromstärke, die Höhe der Gasströme und die Düsengeometrie. Das eingebrachte Pulver kühlt den Plasmalichtbogen. Mit steigender Abschmelzleistung muss die Stromstärke erhöht werden. Die Einbrandtiefe steigt, je kleiner die Schweißgeschwindigkeit und je konzentrierter der Lichtbogen ist. Die Fokussierung des Plasmalichtbogens wird hauptsächlich von der Geometrie der Plasmadüse (Bohrungsdurchmesser) und dem Durchsatz des Plasmagases bestimmt. Als Prozessgas wird Argon verwendet. Beim Auftragschweißen von Aluminium kann dem Plasmagas Helium zugegeben werden, um den Energieeintrag zu erhöhen. Ein möglichst geringer Plasmagas-Volumenstrom (1,5 2,5 L/min) reduziert den Lichtbogendruck (Einbrand). Häufig wird der Brenner senkrecht zur Schweißrichtung in Blechebene gependelt. Pendelfrequenz und Amplitude beeinflussen die Oberflächenwelligkeit der Schicht. Abbildung 4: Abschmelzleistungen beim Micro-, Normalund Hochleistungs-PPA, [1] 2.3 Technologische Besonderheiten und Möglichkeiten Neben dem höheren Ausbringungsvolumen bietet das MSG-Tandem-Schweißen gegenüber dem herkömmlichen MSG-Hochleistungsschweißen zusätzliche technologische Einflussmöglichkeiten. Durch die Verwendung unterschiedlicher Zusatzwerkstoffe können Legierungen im Schmelzbad individuell erzeugt werden. Ein zusätzlicher Parameter, der Brennerrotationswinkel (vgl. Abbildung 6), beeinflusst Ausbildung und Aufmischung der Auftragschicht. Eine gezielte Brennerpositionierung bietet die Möglichkeit, graduierte Schichten herzustellen. Der Schweißbrenner wird so positioniert wird, dass eine Drahtelektrode mit geringer Leistung auf dem Grundwerkstoff und die zweite mit größerer Leistung auf der vorherigen Raupe abschmilzt. 2.2 Prozessparameter Beim MSG-Tandem-AS haben, neben den verfahrensspezifischen Prozessgrößen (Grundstrom, Pulsstrom, Pulszeit, Frequenz, Drahtvorschubgeschwin- 12

15 Abbildung 6: Zusätzlicher Parameter der Brennerpositionierung: Brennerrotationswinkel Beim PPA kann der Pulverstrom in Grenzen unabhängig von der Lichtbogenleistung variiert werden. Somit können die gewünschten Schichteigenschaften (Einbrandtiefe, Auftraghöhe) beliebig eingestellt werden. Durch den Einsatz von Zweipulverbrennern ist es möglich, verschiedene Zusatzwerkstoffe im Plasmalichtbogen bzw. Schmelzbad zu vermischen oder Hartstoffe einzubringen. Der Ort der Pulverzugabe (Höhe der Pulverzuführung in den Plasmalichtbogen) bestimmt den Wärmeeintrag in die einzelnen Partikel. Die Durchmischung hängt von der Dichte der eingesetzten Hartstoffe und deren Volumenanteil in der Schmelze ab. Meist sind die Schichteigenschaften in Blechdickenrichtung, teilweise auch ungewollt, graduiert. Durch den Einsatz mehrere Pulverförderer sind Schichten mit Eigenschaftsgefälle in Schweißrichtung möglich (Abbildung 7). Im Vergleich zum MSG- Tandem-Auftragschweißen sind beim PPA die aufgetragenen Oberflächen ebener und gleichmäßiger. 3 Applikationen und Einsatzgrenzen Das MSG-Tandem-Auftragschweißen ist für den voll mechanisierten Einsatz konzipiert. Die ovale Form der Schutzgasdüse ermöglicht in bestimmten Fällen den Einsatz an schwer zugänglichen Stellen. Übliche Brenner sind bis 900 A belastbar. Je nach Zusatzwerkstoff sind Zwangslagen (PB, PC) möglich. Die gute Skalierbarkeit des PPA spiegelt sich in einer Vielzahl von Schweißbrennern wieder. Kleinere Handbrenner bis 100 A sind zur Herstellung feiner Strukturen oder Kanten geeignet (z. B. Fa. TBi). Handbrenner bis 350 A werden effektiv im Reparatursektor eingesetzt (z. B. Fa. Plasma Star). Für den Hochleistungsbereich werden Maschinenbrenner bis 400 A angeboten (z. B. Fa. Castolin). Die Baugröße dieser koaxialen Hochleistungsbrenner ist beachtlich. Daraus leitet sich als Haupteinsatzgebiet das Beschichten ebener, gut zugänglicher, Bleche ab. Die erzielbaren Schichtdicken sind von der Anzahl der Lagen, dem Zusatzwerkstoff der Auftragleistung und der Verfahrgeschwindigkeit abhängig. Pro Lage können mit dem MSG- Tandem-AS 1,5 mm bis 5 mm, mit dem PPA 0,5 mm bis 4 mm aufgebracht werden. 3.1 Konkurrenzverfahren und Alternativen Für filigrane Reparaturen werden Laser, sowohl handgeführt als auch vollmechanisch, eingesetzt. Durch hohe Verfahrgeschwindigkeiten können dünne Schichten (bis 1 mm) präzise und verzugsarm mit geringsten Aufmischungen (ca. 5 %) aufgetragen werden. Die Auftragleistungen (1 kg/h) sind wesentlich kleiner als bei den vorgestellten Verfahren. Zur Reduzierung der Aufmischung bei mittelgroßen Strukturen ist das CMT-Verfahren eine Alternative. Dabei wird der energiearme Materialübergang genutzt. Das Laser-Auftragschweißen und der CMT-Prozess können für kleine und mittlere Auftragungen gut genutzt werden. Sie bieten jedoch nicht die Auftragleistungen wie die vorgestellten Verfahren. Im Hochleistungsbereich ist der Einsatz der MSG-Flachdraht- Technologie eine Alternative. Der schmelzflüssige Zusatzwerkstoff überträgt den Großteil der Energie aus der Elektrode in die Blechoberfläche. Durch die gezielte Anstellung des Schweißbrenners kann der Einbrand verringert werden, (vgl. Abbildung 8). Der Tropfen fließt zuverlässig über die lange Drahtkante auf die vorhandene Raupe ab. Der Schweißprozess läuft bei der Verwendung von Flachdrähten ruhiger ab, als bei Runddrähten. Höhere Leistungsbereiche sind, auch händig, sicher beherrschbar. Abbildung 7: Schichtgraduierung in Blechebene Abbildung 8: Brennerpositionierung beim Flachdraht-AS 13

16 4 Zusatzwerkstoffe 4.1 Legierungssysteme Die zum Auftragen verwendeten Hartlegierungen werden in Gruppen, nach ihrem Hauptmatrixelement eingeteilt. Es wird in Eisenbasis-, Nickelbasis- und Kobaltbasiswerkstoffe unterschieden. Die Verschleißeigenschaften von Hartlegierungen lassen sich durch die Einlagerung artfremder Hartstoffpartikel erheblich verbessern (vgl. Tabelle 1). Die Beständigkeit einer Legierung wird dabei stark von Art, Größe, Menge sowie der Verteilung der Hartstoffe (Karbide, Nitride, Silicide) in der Oberfläche beeinflusst. Um den Anteil an Hartstoffen zu erhöhen werden Pseudo-Hartlegierungen verwendet. Über pulvermetallurgischem Weg werden Hartstoffe, zusätzlich zu denen die aus der Schmelze entstehen, in die Matrix eingebracht. Aufgrund der von dem Matrixwerkstoff abweichenden Dichte konzentrieren sich die Hartstoffe an der Oberfläche bzw. an der Trennschicht zum Grundwerkstoff. Im zweiten Fall erreicht die Oberfläche der Verschleißschutzschicht nicht die erforderliche Härte und es kann zu Problemen bei der Schichthaftung kommen. Die gleichmäßige Einlagerung der Hartstoffe über den Schichtquerschnitt (oder aber an ausgewählten Stellen) ist Grundvoraussetzung für gute Schichteigenschaften (Schichthaftung, Verschleißfestigkeit, Zähigkeit). Eine geringe Anschmelzung der Partikeloberfläche verbessert die Haftung der Hartstoffe in der Matrix. Dabei entstehen um das Korn (Diffusionszone) spröde intermetallische Phasen. Weit verbreitet sind die sehr harten Karbide des Wolframs. Sie werden vorwiegend als Monokarbid (WC) oder Schmelzkarbid (WSC) eingesetzt. Das härtere Schmelzkarbid besteht aus einem Gemisch aus dem duktileren WC und W 2 C. Tabelle 1: Einteilung der Hartlegierungen nach ihrem Matrixwerkstoff, nach [2] Matrix Fe Ni Co Matrixelemente Hartstoffbildner Mn, Ni, Co Cr, (W, Mo, V) Fe, Co, Cu, Mn Cr, (W, Mo) Ni, Fe, Cu, Mn Cr, W Metalloide C, (B, Si) B, Si, (C) C, (B, Si) Hartstoffe M23C6, M7C3, M6C, M3C, (M-B, M-Si) Ni3B, CrB, Ni3Si, (M-C) M23C6, M7C3, M6C,(M-B, M-Si) als unregelmäßig geformte und begünstigen die Prozessstabilität. Abbildung 9: Kornformen wasserverdüster (links) und gasverdüster Pulver (rechts), aus [3] 5 Ansprechpartner Industrienahe Forschung rund ums Beschichten. Stefan Thurner 0371/ stefan.thurner@mb.tu-chemnitz.de 6 Schrifttum 1 Liebhold, J. : Ein Beitrag zum Verschleiß- und Korrosionsschutz an gleichsinnig drehenden Zweischnecken-Extrudern am Beispiel von Plasma-Pulver- Auftragschweißschichten. Technische Universität Clausthal, Dissertation, Knotek, O.: Hartlegierungen zum Verschleißschutz. Düsseldorf : Verlag Stahleisen M.B.H., ISBN Pelz, A.; Bröer, F.; Reichmann, B.: Einsatz von wasserverdüsten Pulvern zum Auftragschweißen und Thermischen Spritzen. Thale 4.2 Halbzeugart Für das Auftragschweißen mit dem MSG-Verfahren können sowohl Massivdrahtelektroden als auch Fülldrahtelektroden genutzt werden. Bei hoch legierten Zusatzwerkstoffen muss meist auf Metallpulverfülldrähte zurückgegriffen werden. Viele Legierungssysteme (Pseudolegierungen) lassen sich nur mit Hilfe von Fülldrähten realisieren. Im Vergleich zu Massivdrahtelektroden ist der Prozess unruhiger und es treten mehr Spritzer auf. Nahtlose Röhrchendrähte begünstigen einen örtlich gleichmäßigen Stromübergang bzw. Lichtbogen. Zur Steigerung der Abschmelzleistung empfiehlt sich der Einsatz möglichst großer Drahtdurchmesser. Für das PPA werden Pulver der Kornfraktion µm verwendet. Es werden agglomerierte, gebrochene, gesinterte, gasverdüste und wasserverdüste Pulver angeboten. Sphäroidische Schweißpulver haben bessere Fördereigenschaften 14

17 Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 7. Fachtagung Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen 07. bis 08. Mai 2008 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt, Halle Jürgen Metzger Dr. Matthias Busch TRUMPF Laser und Systemtechnik Ditzingen Prozessdarstellung Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 2 15

18 Prozess Charakteristik Laserauftragschweißen ist ein Prozess zur Herstellung und zur Reparatur von Bauteilen. Automatisierbare 3D-Beschichtung Einwandfreie Materialeigenschaften hohe Dichte und feine Mikrostrukturen Minimaler Verzug und kleine Wärmeeinflusszonen Fertigstellung der Teile durch Fräsen, Schleifen, Erodieren Aufgetragene Schichten können wärmebehandelt werden PVD Beschichtungen der aufgetragenen Schichten sind möglich Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 3 Auftragschweißprozess Reparatur Veredelung von Oberflächen Verschleiß Geometrieänderungen Auftragschweißen Korrosion HK Reduktion angepasste Eigenschaften Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 4 16

19 Vorteile von Laserauftragschweißen Kleiner nomineller Energieeintrag, dadurch wenig Verzug, kleine WEZ, geringe thermische Belastung des Werkstücks Präzise steuerbarer Prozess hinsichtlich - Aufschmelzung des Grundmaterials - Energieeintrag Variable, programmierbare Spurbreiten 3D-fähiger Prozess Hoher Pulverwirkungsgrad Hohe Konturtreue bei Volumenauftrag, dadurch - geringe Nacharbeit - geringer Verlust des (teuren) Auftragwerkstoffs Mit einer Laserquelle können mehrere Stationen betrieben werden Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 5 Geometrische Abmessungen der Schweißspuren o h n b b:von0,3 6mm o: ca. b/2 h: ca. 0,3 x b Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 6 17

20 Technische Daten Materialauftragsraten: bis 300 cm³/h (2 kg/stunde) Einzelschichtdicken: von 0,1 mm bis 2 mm Bearbeitungsübermaß, typisch: 0,5-1 mm Kornfraktion Pulverwerkstoff: -90 µm +45 µm Working Plane Pulverwirkungsgrad, typisch: > 70 % ( 3 mm Spotdurchmesser) Beschichtungsmaterialien: Eisenlegierungen Nickellegierungen Kobaltlegierungen Titanlegierungen Wolframkarbid Titankarbid Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 7 Pulver und deren Eigenschaften Kobalt Basis Legierungen Stellite 21 Stellite 6 bis 42 HRc bis 53 HRc korrosionsbeständig, hohe Warmfestigkeit, wie Stellite 21, höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Abrasion Nickel Basis Legierungen NiCrBSi Inconell 625 Inconel 718 C276 Working Plane Eisen Basis Legierungen 42C CPM1V CPM3V Hartwerkstoffe WSC-Matrix TiC bis 45 HRc bis 280 HV 1 bis 350 HV 1 bis 250 HV 1 bis 54 HRc bis 54 HRc bis 850 HV 1 bis 48 HRc bis 50 HRc bis 59 HRc bis 61 HRc bis 3000 HV 0,1 bis 3400 HV 0,1 Matrixmaterial für WSC Beschichtungen korrosionsbeständig, große Hochtemperaturbeständigkeit, hohe Zähigkeit Nitrierbar, Verschleißschutz, Reparatur Nitrierbar, Verschleißschutz, Reparatur hohe Verschleißfestigkeit, gute Zähigkeit rostfreier Werkstoff rostfreier Werkstoff hohe Zähigkeit und Warmhärte, Abrasionsschutz, korrosionsbeständig in Verbindung mit Matrixmaterial Die angegebenen Härten sind Mindesthärten, die in der Regel je nach Prozessführung noch überschritten werden. Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 8 18

21 TRUMPF-Module zum Laserauftragschweißen Laser und Pulverequipment Anlangentechnik Inkl offline- Programmiersystem Applikations-Knowhow Schlüsselfertige Maschine zum Laserauftragen Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 9 Pulverdüsen für den Auftragschweißprozess Koaxial Düse MultiJet Düse Off-Axis Düse Working Plane 2D Düse zum Schweißen in Wannenlage Pulver Fokus 0,3 mm Laser Leistung 2000 W Sauerstoff Verunreinigung 20ppm 3D Düse zum Schweißen in Zwangslage Pulver Fokus 1,5 mm Laser Leistung 6000 W Sauerstoff Verunreinigung 50 ppm 2D Düsen mit minimaler Störgeometrie Linearer Nahtverlauf schleppende Pulverzufuhr Laser Leistung W Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 10 19

22 Bewertung der Schweißverfahren hoch Laserauftragschweißen automatisiert niedrig Qualität Laserautragschweißen manuell Lichtbogenschweißen automatisiert Lichtbogenschweiß en niedrig manuell Produktivität Plasmaschweißen hoch [cm³/ ] Qualität = Gefüge, Anbindung, Aufmischung, Verzug, Reproduzierbarkeit Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 11 Wann ist Laserauftragschweißen wirtschaftlich? Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 12 20

23 Beschichtung von Bohrstrangkomponenten Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 13 Beschichtung von Bohrstrangkomponenten Pufferschicht + Hartstoffschicht: WC in Nickel-Matrix Schichtsystem mit hoher Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß kombiniert mit hoher Beständigkeit gegen Kontakt- und Schwingungsrißkorrosion. Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 14 21

24 Beschichtung von Komponenten für Maishäcksler Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 15 Beschichtung von Komponenten für Maishäcksler Hartstoffschicht: WSC in Cr Ni Matrix Vorteile LMD: Verdopplung der Standzeit gegenüber dem vorher eingesetzten Verfahren Geringer Verzug Keine nachgelagerten Fertigungsschritte erforderlich Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 16 22

25 LMD von Trägersäulen Eisenlegierung: 42C Vorteile LMD: Wiederholgenauer Fertigungsprozess, Pulverwirkungsgrad größer 90%, kein Abplatzen der Schicht. nahezu porenfrei Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 17 Anlage für LMD von Trägersäulen Laseraggregat Bearbeitungskopf mit Vorschubrichtung Drehachse Mit Spannfutter Bauteil Bauteile: mm; l mm Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 18 23

26 Weitere Anwendungen mit LMD Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 19 LMD für die Reparatur von Kolbenmaschinen Aufgebracht werden: Inconel 718 Stellite 6, 21 Fe-Legierungen Reparatur von Schäden verursacht durch Tribochemische Reaktionen und Abrasion. Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 20 24

27 LMD von Turbinenkomponenten, Schaufel Spitze Eingeführte Technik für Fe, Ti, and Ni-basierte blades Vorteile von LMD gegenüber manuellem Aufschweißen mit Draht: Kurze Bearbeitungszeit, 2-3 Minuten pro aeroblade wenig Ausschuss, Teile für Nacharbeit <5% filigrane Schweißungen möglich, Minimale Breite der blades bis zu 0,3mm Preis für Pulver kann niedriger sein als für Draht. Für Rene142: - Pulver:ca /kg, - Draht: ca: /kg Courtesy of Fraunhofer ILT Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 21 LMD von umgeformten Profilen Eisenlegierung Verschweißen von zwei spaltbehafteten Komponenten. Der Pulverwerkstoff fungiert als Zusatzmaterial zur Spaltüberbrückung. Je nach Spaltgröße erfolgt eine Wurzelausbildung. Vorteile LMD: geringer Wärmeeintrag und wenig Verzug keine Nacharbeit erforderlich Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 22 25

28 Zusammenfassung Mit dem Laser lassen sich sehr empfindliche Materialien in hoher Qualität aufschweißen. Die Oberflächenhärten der Beschichtungswerkstoffe sind aufgrund der hohen Abkühlgradienten sehr hoch. Reparaturanwendungen stehen häufig im Vordergrund die Möglichkeiten der Veredelung werden erst allmählich wahrgenommen Die Auftragsraten werden in Zukunft steigen. Pulver als Beschichtungswerkstoff ist geometrieunabhängig. Die Laserquelle kann neben dem Auftragsbeschichten auch zum Fügeschweißen verwendet werden. Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Jürgen Metzger TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH Johann-Maus Strasse Ditzingen Tel.: / juergen.metzger@de.trumpf-laser.com Dr. Matthias Busch TRUMPF Laserdivision Deutschland Tel.: 0341 / Matthias.busch@de.trumpf-laser.com Pulverauftragschweißen mit Laser - Industrieerfahrungen 07. Mai 2008 J. Metzger 24 26

29 Rapid Laser Materials Manufacturing (RLM²) - Möglichkeiten des RLM ² Verfahrens für einen Integrierten Verschleißschutz 1. Was ist RLM²? Unter RLM² ist die schnelle lasergenerierte Entwicklung von Werkstoffen und Werkstoffeigenschaften unter gleichzeitiger Realisierung einer endnahen Formgebung zu verstehen. Das RLM² Verfahren ist dem eines Farblaserdruckverfahrens vergleichbar. Nur anstelle verschiedener Farbpulver verwendet RLM² Materialpulver und das Ergebnis sind nicht 2 - dimensionale bunte Bilder, sondern 3 dimensionale Werkstoffe mit spezifischen Werkstoffeigenschaften in fertigungsendnaher Form. Im Unterschied zum Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing setzt RLM² seinen Schwerpunkt auf Werkstoffe. Im RLM² Verfahren wird das Pulvermisch- und Fördersystem in Verbindung mit den Materialsimulationsprogrammen zum MATERIALMISCHCOMPUTER. die Bearbeitungsoptik des Lasers, die Pulverdüse, die Prozesskontrolle und die Schutzgaskammer zu einem hocheffizienten MINISCHMELZOFEN. Die CAD/CAM Simulation in Verbindung mit dem Handlingssystem und einer prozessbeeinflussenden Geometriekontrolle zu einem effektiven FORMWERKZEUG. Ein Überblick zum RLM² ist im Bild 1 gezeigt. 27

30 2. Wer ist RLM²? Das im Zusammenhang mit der vor ca. 4 Jahren begonnenen Produktionseinführung des Laserhartbeschichtens zur Herstellung tribologisch hochwertiger Verschleißschutzschichten auch enorme Werkstoffproblemen zu lösen waren, musste unser Unternehmen bitter erfahren. Dabei wurde deutlich: Diesbezügliche Werkstofferfahrungen oder -lösungen in anderen Unternehmen oder Forschungseinrichtungen gab es wenig oder gar nicht. Die technologische Komponentenentwicklung für das Direct Material Dispositions (DMD) Verfahren durch die großen Laserinstitute hatte die Werkstoffkomponente abgekoppelt. Die Einbindung eines sich sprunghaft entwickelnden Wissenstandes auf dem Gebiet der Materialsimulation, im europäischen Maßstab z.z. noch vergegenständlicht durch wenige marktfähige thermodynamische Programmsysteme wie: - equi THERM (VCH Waldheim / Minimierung der freien Entalpie) - Ter Quad (TU Claustal / Bildungsentalpie) - LUKAS (Max Plank Institut / Nowton-Rabson-Verfahren) - Chem Saga (GTT Herzogenrat / Enthalpie,Entropie u. spez. Wärme) - MTDTA (National Physikal Laboratory GB / Gibbsche Energie) - Termo Calc (Königlich Technische Hochschule S / Gibbsche Energie) war nicht erfolgt. RLM² steht deshalb auch das Zusammenwachsen zweier Technologien, dem Direct Material Dispositions (DMD) Verfahren als geeignete Technologie zum Bauteilwachstum und zur punktuellen Werkstoffpositionierung und der Computational Materials Science (CMS) als Werkzeug zur Materialsimulation. Ein solches Projekt kann ein einzelnes KMU nicht stemmen. Deshalb wurden langfristige Partnerschaften aufgebaut. Heute ist RLM² ein Konsortium verschiedener Firmen und Institute die entsprechend ihrer Kernkompetenz auf diesem Gebiet zusammenarbeiten (s. Bild 2). Bild 2: RLM² Unternehmen / Institut Bearbeitungsschwerpunkte RLM² Maschinensystem Köthener Spezialdichtungen GmbH (KSD) Koordinierung; Konstruktion u. Technologie SLV Halle Werkstoffe; Handlingsteuerung Tack GmbH Datenbanksystem; Dosierung MSC Technik GmbH Geometrie- und Prozesskontrolle Laserzentrum Hannover (LZH) Bearbeitungsköpfe und Prozesskontrolle (TEMCON) INNEO Leipzig (Pro Engineer) CAD / CAM Systeme 28

31 3. Welche Möglichkeiten bietet RLM² für einen integrierten Verschleißschutz? Das RLM² Verfahren wurde speziell für einen integrierten Verschleißschutz ausgelegt. Neben einer gezielten Werkstoffentwicklung soll RLM² Beschichtungen Einlagerungen (Dispergieren) Gradientenschichten oder Gradientenwerkstoffe Intermetallische Hartphasen Multifunktionsspuren Silizierung von Silanen zur Keramikherstellung Oberflächenhärtungen oder nitrierungen Umschmelzungen (Legieren) Schweißen mit Pulverzusatz und schichtweises Teilewachstum (Rapid Manufacturing) realisieren. 4. Praxisbeispiele WC- und TC- Beschichtungen auf Edelstahl Der heutige Stand der KSD Laserhartbeschichtung wird durch den Stand der Wolframcarbidbeschichtung eindrucksvoll wiedergespiegelt. (s. a. Bild 3) In der Matrix erreichen wir heute eine bis zu 70%ige riss- und porenfreie Einlagerung von Wolframcarbidpartikel in eine 60HRC harte Bindematrix. Die Hartstoffpartikel sind gleichmäßig verteilt und erbringen im Zusammenspiel mit der Bindematrix eine durchschnittliche Schichthärte von annährend 1600 HV. Durch eine Optimierung der Pulverzusammensetzung, die heute unter der Bezeichnung RLM 2 Technogenia WC in unserem Unternehmen in 250 ml Gebinden angemischt wird, konnte das Auftreten von Poren und Rissen nahezu beseitigt werden. Durch gezielte Technologieoptimierungen und verbesserter Prozesskontrolle mit Nachlauftemperaturregelung konnte die Rissbildung auch bei extremen Abmessungen (maximale Beschichtungsdurchmesser z. Z. = 430mm) vermieden werden. Bild 3a u. b: Querschliff einer ca. 1mm dicken RLM 2 Technogenia WC Beschichtung auf Edelstahl (1.4301) mit Teilvergrößerung 29

32 Weitere Erhöhungen des WC-Anteils erwiesen sich aus folgenden Gründen als unwirtschaftlich: Die Carbidaufnahme der Schmelze nimmt stark ab, so dass große Wolframcarbidverluste entstehen. Dem kann nur über eine deutlich höhere Laserleistung entgegengewirkt werden. Höhere Laserleistungen und damit höhere Schmelztemperaturen führen einerseits zur Aufspaltung der Wolframcarbide in W 2 und C, wodurch wiederum Wolframcarbidverluste entstehen und Porenbildung begünstigt wird. Anderseits können starke thermische Verzüge in den Bauteile auftreten. Anwendungsbeispiele aus unserer Produktion sind Gleitring-, Wellen- und Kegelbeschichtungen Bild 4a: Laufwerksringe Bild 4b: Wellenbeschichtungen Bild 4c: Armaturenkegel Um den Carbidanteil technologisch und wirtschaftlich in einen Bereich zu bringen, der gesinterten Hartmetallen entspricht, haben wir gemeinsam mit dem Institut IRA tec einen neuen Typ in unserem Hartbeschichtungsprogramm entwickelt. Unter der Bezeichnung RLM 2 Mangania R kam ein neu entwickelter Manganbinder mit reduzierter Reibung und verbesserten Fließverhalten zur Anwendung. Eine weitere Besonderheit besteht in der Verwendung von Titancarbid selbst. Im Unterschied zu allen anderen bekannten Carbiden kann es unter thermischer Belastung nicht zerstört werden. Es scheidet sich vielmehr unter deutlicher Reduzierung der Korngröße neu aus. Wir machten uns diesen Umstand zu nutze, um den Carbidauffüllungsgrad der Bindematrix bei gleichzeitiger Reduzierung der Carbidkorngröße zu maximieren. Die ersten Versuchsreihen zeigten bereits beeindruckende Ergebnisse. Einlagerung von ~ 80% TiC erfolgte, wie im Bild 9a gezeigt, völlig poren- und rissfrei. Das Gefügeprofil ist sehr feinkörnig und dadurch in der Lage noch weitere Carbidanteile aufzunehmen. Bild 5: Gefügebereich mit einer dichten Verteilung von TiC und deren feinkörnige Ausscheidungen Weitere Carbidanteilerhöhungen machen jedoch Gradientenschichten erforderlich, damit eine sichere Verbindung mit dem Grundwerkstoff erfolgen kann. 30

33 Intermetallische Hartphasen Verschleißschutz an Aluminium- oder Titanbauteilen, besonders im Motorenbau, ist ein aktuelles Problem. Einlagerungen von Carbiden, insbesondere Siliziumcarbiden, sind durch die Laserbearbeitung wie im Bild 6 gezeigt, ohne weiteres möglich. Bild 6: Einlagerung von SiC in eine Titanmatrix Der dadurch beabsichtigte Verschleißschutz ist aber nicht immer effizient. Verschleißversuche in unserem Haus belegten, dass sehr weiche Bindematrizen mit einem Carbidauffüllungsgrad <70% bei Mangelschmierung und/oder durch herausgerissene Carbidpartikel eine starke zerstörerische Wirkung haben können. Unter Nutzung der RLM² Technologie und der Computational Materials Science (CMS) haben wir begonnen Intermetallische Phasen als Verschleißschutz zu nutzen. Der grau hinterlegte Bereich des binären Phasendiagramms stellt eine Hartphase mit Härtewerten von HRC dar. Zum Vergleich die Härtewerte von Aluminium liegen bei ~8HRC und die von Titan bei ~12HRC! 31

34 Lasersilizierung und Multifunktionsspuren Das RLM² sich nicht nur auf metallische Werkstoffe beschränken muss, sollen die folgenden Praxisbeispiele zeigen. Um das Verschleißverhalten von dynamischen Dichtungen unter Trockenlaufbedingungen oder Mangelschmierung zu minimieren, müssen neue Ansätze gefunden werden. Hier sind die klassischen Hart /Hart Paarungen in Hartmetall- oder Keramikausführung schlechthin überfordert. Lasersilizierte Multifunktionsspuren könnten eine mögliche Lösung für das Problem sein. Solche Multifunktionsspuren sind bei Rotationskörpern entweder konzentrisch angeordnete Kreise oder Spiralen aus einem deutlich härteren oder weicheren Material als der Grundwerkstoff. Dabei liegt die Bedeutung dieser Spuren nicht in ihrer Härte oder Weichheit, sondern in Ihrer jeweilig bestimmenden Eigenschaft für den Verschleißprozess. Bild 7a: Probekörper mit spiralförmigen Multifunktionsspuren Bild 7b: Gleitring mit konzentrischen Multifunktionsspuren Im Bild 7a u. b sind solche Multifunktionsspuren gezeigt. Sie bestehen aus einer sich abwechselnden SiC Spur mit ausgezeichneten Verschleißverhalten aber schlechter Notlaufeignung und einer Kohlespur resultierend aus dem Kohlegrundkörper mit genau entgegengesetzten Eigenschaftsprofil, also ausgezeichneter Notlaufeignung aber mangelhaftem Verschleißverhalten. Die RLM² Lasersilizierungstechnologie hat es erstmalig möglich gemacht derartig unterschiedliche Werkstoffe formspezifiziert in einer einzigen Verschleißkontaktfläche unterzubringen. Dass der Lasersilizierungsprozess nicht unproblematisch ist, insbesondere im Zusammenhang mit Kohlefaserverbundwerkstoffen, belegen die nachfolgend gezeigten Bilder 8a u. b. Bild 8a u. b: Selbstentzündungen bei der Lasersilizierung von Kohlewerkstoffen unter Schutzgasatmosphäre 32

35 Um den Lasersilizierungsprozess gegenüber Kohle und Kohlefaserverbundwerkstoffen sicherer und effizienter zu gestalten, haben wir mit einer weiteren Technologieentwicklung begonnen. Diese neue RLM² -Technologie basiert auf eine laserunterstützten Kaltsilizierung durch flüssige bzw. pastöse Silane. Diese Stoffe dringen besonders gut in die Poren von Verbundwerkstoffen ein und bilden bereits ab 200 C amorphes und ab 800 C kristallines Siliziumcarbid. Der Laserkopf übernimmt bei dieser Technologie nur die Aufgabe der Wärmeeinleitung. Diese neue Technologie fand bereits in dem neuentwickelten Geräteträger des RLM² Maschinensystems Berücksichtigung. Neben einen Fein- und Grobbeschichtungskopf und einem manuell einschwenkbaren Kopf zum Schweißen mit Pulverzusatz wurde auch eine Flüssigdosiereinrichtung involviert. Bild 9a u. b: RLM² Multifunktionsgeräteträger mit ein- bzw. ausgeklappten Schweißbearbeitungskopf Schichtweises Teilewachstum ( Rapid Manufacturing ) Auch hier setzt das RLM² Verfahren seinen Schwerpunkt auf Werkstoff- bzw. Materialeigenschaften Durch das Direct Material Dispositions (DMD) Verfahren ist RLM² in der Lage innerhalb einer (beliebigen) CAD/CAM Geometrie verschiedenste Werkstoffeigenschaften zu platzieren. Obwohl das DMD Verfahren gegenüber den bekannten Laser - Pulverbettverfahren hinsichtlich seiner Genauigkeit und seiner fehlenden Fähigkeit Materialüberhänge (>15 ) zu realisieren noch entscheidende Nachteile hat, so ist es doch das z.z. einzige uns bekannte Verfahren für eine punktuelle Werkstoffpositionierung. Die Wirtschaftlichkeit eines RLM² Verfahrens zur Herstellung kompletter Bauteile hängt nach unseren bisherigen Erfahrungen von mehreren Faktoren ab: Den Werkstoffanforderungen und deren Platzierungen im zu erzeugenden Bauteil. Den gestellten Genauigkeitsanforderungen Der Bauteilgeometrie, deren Größe und deren Komplexität. Der Stabilität und Automatisierbarkeit des Wachstumsprozesses. Obwohl wir mit dem Rapid Manufacturing noch am Anfang stehen, lassen sich schon jetzt einige Tendenzen ableiten. Der Wachstumsprozess nimmt selbst bei relativ einfachen Geometrien, wie im Bild 10 gezeigt, viele Stunden in Anspruch. 33

36 Bild 10: Musterteil im Rapid Manufacturing erzeugt. Außenfläche WC; Stirnbereich (Konus) WC Gradientenschicht; Basismaterial CrNi Legierung Wenn, wie in dem gezeigten Beispiel, eine verschleißgeschützte unbearbeitete Außenhaut und im Stirnbereich eine Wolframcarbidgradientenfläche gefordert sind, und das Trägermaterial aus einem hochlegierten CrNi Material bestehen soll, ist die Wirtschaftlichkeit bei kleinen Stückzahlen erreichbar, wenn der Wachstumsprozess stabil und automatisiert ablauft. Das ist leider noch nicht der Fall. Wir sind heute in der Lage durch Kamerasysteme geometrische Fehler frühzeitig zu erkennen, es fehlt uns aber an Erfahrungen und bewährten Strategien zur Beseitigung derselben. Ein weiteres noch nicht befriedigend gelöstes Problem ist die Prozesskontrolle. Hier reicht es nach unserer Erfahrung nicht, nur die Regelung der Laserleistung auf der Grundlage gemessener Prozesstemperaturen durchzuführen. Hier sind intelligente Systeme gefordert, die auch Nachlauftemperaturen, Temperatur- Arbeitsbereiche und in das Bauteil abgeführte Wärmemengen berücksichtigen. Für unsere Anwendungsfelder sehen wir trotz der noch vielen ungelösten Probleme die Wirtschaftlichkeit des Rapid Manufacturing für große Laufringe in einem Durchmesserbereich von 350mm bis 1000mm bereits als gegeben an. Bild 11: Laufringmodell der Baugröße 70 im Schnitt 34