Kontrolliert gegen den Verschleiß

Fülldraht-Auftragschweißen mit geregeltem Kurzlichtbogen

Autoren F. Schreiber, B. Allebrodt, B. Homburg DURUM-VERSCHLEISS-SCHUTZ GMBH, Willich

Aus der Schüttgut & Prozess 3/2026

Der Schutz von Funktionsflächen gegen Abrasiv- und Erosionsverschleiß durch Auftragschweißenhat stetig wachsende Bedeutung,da verschleißbedingter geplanter sowie ungeplanter Stillstand entsprechend beanspruchter Großanlagen einen hohen ökonomischen Verlust bedeutet. Zur Herstellung wirtschaftlicher Verschleißschutzpanzerungen mit robusten Verfahren haben sich vor allem Metall-Schutzgas (MSG-) und OA-(Open-Arc-)-Prozesse etabliert. Hierbei kommen in der Regel gefalzte Fülldrähtezum Einsatz.

Nahtlose Fülldrähte zum Auftragschweißen

Besondere Bedeutung bei der anwendungsgerechten Auslegung des Verschleißschutzes von Bauteilen hat die Werkstoffwahl. Der Schweißzusatz richtet sich nach der zu erwartenden Beanspruchung der Oberfläche, wie z.B. abrasivem Verschleiß, Korrosion, Erosion, Kavitation. Jenach Beanspruchung und Verfügbarkeit kommen zur Herstellung von Verschleißschutzschichten gemäß EN ISO 14700 (ehemals DIN 8555) mehrphasige Beschichtungswerkstoffe zum Einsatz, wobei vor allem Hartlegierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis zu nennen sind. Fülldrähte eröffnen hier dem Anwender ein weites Einsatzpektrum, da durch ihre kostengünstige Herstellung sowie die Möglichkeit, nahezu beliebige Legierungen auch in kleinen Mengen wirtschaftlich herstellen zu können, deutliche Vorteile bestehen.

Durch die Realisierung einer neuen Fertigungsprozesskette ist es der DURUM Verschleißschutz GmbH gelungen, hochlegierte nahtlose DURMAT®- ON Fülldrähte mit einer homogenen Hülle im Durchmesser von ≥1,6 mm herzustellen (Abb. 1). Die Fülldrähte werden nun metallurgisch verschlossen, wodurch ein größeres Füllvolumen und Füllpulver/Band-Verhältnis erzielt wird. Hierdurch kann der Anteil an Legierungselementen oder der Hartstoffanteil des Werkstoffs erhöht und somit eine Verbesserung der Schichteigenschaften erreicht werden. Durch den homogenen Aufbau des Fülldrahts ohne Überlappung der Außenhülle ist das Abschmelz- und Prozessverhalten deutlich gleichmäßiger. Hinzu kommt die verbesserte Förderbarkeit des nahtlosen Fülldrahtes. Dieses gilt insbesondere bei langen Zuführungen, die heute durch den hohen Automatisierungsgrad der mittlerweile komplexen Beschichtungsautomaten notwendig sind.

Eisenbasis (Fe)
Die Eisenbasislegierungen sind unterteilt in insgesamt 18 Gruppen mit den Legierungskurzzeichen Fe1 bis Fe17 sowie Fe20. Diese Gruppen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Legierungselemente und somit ihres mikrostrukturellen Aufbaus, welcher ferritisch/martensitisch, martensitisch mit und ohne gesonderter Karbidausscheidung, austenitisch, martensitisch/austenitisch plus Karbide sowie eine Fe-Matrix mit eingelagerten Hartstoffen sein kann. Ebenso spiegeln sich diese Unterschiede sowohl in der Härte als auch in der Art der Beanspruchbarkeit wider. Während die austenitischen Mikrogefüge schlag-, riss- und korrosionsbeständig sind, bieten die martensitisch/austenitischen
Matrices mit ausgeschiedenen Primärkarbiden aus der Gruppe der Fe-Cr-C Legierungen vor allem einen herausragenden Schutz gegenüber abrasiven Verschleißmechanismen. In Abbildung 2 ist ein klassischer Vertreter dieser Gruppe im Mikroschliff dargestellt.

Nickelbasis (Ni)
Die Nickelbasislegierungen sind gemäß Norm aufgeteilt in die Gruppen Ni1 bis Ni4 sowie Ni20. Für die Eigenschaften von selbstfließenden Nickelbasishartlegierungen sind die Legierungselemente Chrom, Bor und Silizium charakteristisch. Das Zulegieren von Bor und Silizium sorgt für eine Schmelzpunktsenkung gegenüber Reinnickel und ermöglicht es, aufmischungsarme MSG-geschweißte Hartauftragungen zu erzeugen (selbstfließende Legierungen). Die Bor- und Siliziumgehalte liegen meist zwischen 2 und 4 Gew.-%, die Chromkonzentration beträgt 5 bis 17 Gew.-%, wobei auch einige chromfreie Legierungen im technischen Einsatz sind. Mischungen von Nickelhartlegierungspulvern mit anderen Metall- oder Hartstoffpulvern werden ebenfalls in erheblichem Umfang eingesetzt. Die größte Bedeutung haben hierbei Schweißzusätze mit Wolframschmelzkarbid erlangt (Abb. 3).

Kobaltbasis (Co)
Die Norm teilt die Kobaltbasislegierungen in die drei Gruppen Co1, Co2 und Co3 ein, die sich größtenteils hinsichtlich des Kohlenstoff-, Molybdän- und Wolframgehalts unterscheiden. Alle aktuell eingesetzten technischen Kobaltbasislegierungen verfügen über die Elemente Kobalt (Co),Chrom (Cr) und Kohlenstoff (C) als Hauptbestandteile. Hinzu kommen noch, je nach Legierungstyp und Anwendungsfall, Zusätze von Molybdän (Mo), Wolfram (W) und Nickel (Ni). Kobaltbasis-Hartlegierungen werden vorzugsweise bei erhöhten Temperaturen (oberhalb 700 °C) eingesetzt, da diese noch harte, warmfeste, verschleißbeständige Schichten darstellen, die gleichzeitig auch eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation, Korrosion sowie Verzunderung aufweisen.

Metallurgisch betrachtet gehen diese Hartlegierungen überwiegend aus dem System Co-Cr-W-C hervor, welches ursprünglich für Schneidwerkzeuge angedacht gewesen ist. Innerhalb dieser Legierungen weist die Metallmatrix einen Co-Cr-W-Mischkristall auf, welcher wegen der mit Abb. 4: Mikrostruktur und chemische Zusammensetzung nahtloser Fülldraht DURMAT® DUROLIT® ON (CoCrW) der Temperatur abnehmenden Löslichkeit für WC auch ausgeschiedenes WC enthalten kann (Abb. 4). Auf diese Weise verfügen Metallmatrizes Mikrohärten von bis zu 450 HV0,1. Mittels Kaltverfestigung sind sogar Härten des Gefüges von bis zu 650 HV0,1 zu erreichen.

GKLB-Schweißen: Verfahren und Leistungsmerkmale

Beim MSG-Auftragschweißen dient der zwischen einer kontinuierlich zugeführten Drahtelektrode und dem Grundwerkstoff innerhalb einer Schutzgasglocke brennende Lichtbogen als Wärmequelle. Es kann in Kurzlichbogentechnik, also mit Strömen zwischen 80 A und 180 A und Spannungen zwischen 15 V und 20 V gearbeitet werden. In der Kurzschlussphase kommt es während des Tropfenübergangs zu einem Kurzschluss zwischen stromführendem Draht und Schmelzbad. Nach der Tropfenablösung folgt das Wiederzünden des Lichtbogens unter potenzieller Spritzerbildung.

Durch den konventionellen Kurzlichtbogenprozess lässt sich der in den Substratwerkstoff eingebrachte Energieeintrag im Regelfall nur bei unzureichender Schweißraupenausbildung reduzieren. Bei der GKLB-Technik wird der Kurzschlussstrom und der Stromanstieg beim Wiederzünden des Lichtbogens nach dem Werkstoffübergang im Kurzschluss regelungstechnisch begrenzt. Eine kontrollierte Lichtbogenzündung und ein hochfrequenter Werkstoffübergang zum Substrat kann durch die mechanische Unterstützung des reversierenden Drahtvorschubs unterstützt werden.

GKLB-Verfahren wurden entwickelt, um dünne Bleche in Kurzlichtbogentechnik schweißtechnisch zu verbinden, werden aber auch vermehrt in der Auftragschweißtechnik eingesetzt. Ein Beispiel ist hierbei das CMT-Schweißen der Firma Fronius. Charakteristisch für das CMT-Verfahren ist zusätzlich zu der elektrischen Regelung eine mechanisch vor- und zurückbewegte Drahtelektrode, welche den Wärmeeintrag um bis zu 33 % reduzieren kann. Diese Verfahrensart ermöglicht extrem präzise, spritzerfreie Hartauftragungen, minimale Aufmischung und fast verzugsfreie Bauteile.

Lichtbogen-Auftragschweißen mit dem CMT-Prozess

Das Schweißverfahren CMT (Cold Metal Transfer) bietet in Kombination mit nahtlosen Fülldrähten eine Reihe signifikanter Vorteile, insbesondere in anspruchsvollen Anwendungen wie dem Auftragschweißen. Durch die hochfrequent reversierende Drahtelektrode wird eine kontrollierte, nahezu spritzerfreie Lichtbogenführung ermöglicht. Der Werkstoffübergang erfolgt hochfrequenter und präziser als bei klassischen Kurzlichtbogenprozessen sowie geregelten Kurzlichtbogenprozessen. Zusätzlich ermöglicht dies einen besonders kühlen Werkstoffübergang mit reduziertem Wärmeeinflussgebiet sowie bei Bedarf geringerer thermischer Belastung der im Fülldraht eingesetzten Hartstofffüllpulver. Im Bereich des Auftragschweißens mittels CMT kann somit in der Regel eine bessere Kontrolle über die Nahtgeometrie erzielt werden, sowie, je nach eingesetztem Zusatzwerkstoff, entweder eine sehr geringe Aufmischung mit dem Grundmaterial und somit höhere Legierungskonzentration erreicht oder eine verbesserte Hartstofferhaltung bei Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen erzielt werden. Durch die Kombination mit nahtlosen Fülldrähten ergänzen sich in Teilbereichen die technischen Vorteile, wodurch die Produktivität steigt und Auftragschweißungen mit sehr hoher Qualität erzeugt werden können. Insgesamt führt die Verbindung von CMT mit nahtlosen Fülldrähten zu einem stabilen Prozess mit hoher Reproduzierbarkeit, Effizienz und Qualität – ideal für automatisierte Anwendungen.

In Abbildung 5 sind zwei mit CMT geschweißte Ni-Basis-Mikrogefüge, DURMAT® NIFD® und DURMAT® NIFD® ON in 1,6 mm, dargestellt. Charakteristisch ist hierbei der hohe Füllgrad der eingesetzten Fülldrähte und der hohe Anteil an in der Auftragschweißung eingebettetem WSC,wobei diese Anteile durch die nahtlose Fülldraht-Variante nochmals optimiert wurden.

Bei der in Abb. 6 aufgezeigten Pressschnecke kamen je nach Funktionsfläche unterschiedliche Legierungen zum Einsatz. Auf der Schaft- und Treibseite wurde eine Fe-Basis-Legierung verwendet, bei welcher sich aus der Schmelze heraus viele verschleißbeständige Chromkarbide und Boride ausgeschieden haben.

Als Kantenpanzerung wurde eine selbstfließende Nickel-Matrix mit kobaltgebundenem Wolfram-Sinterkarbid verwendet. Bei der Makroaufnahme der Pressschnecke wird deutlich, dass eine defektfreie Hartschicht durch die Kombination von CMT und nahtlosen Fülldrähten in Strichraupentechnik aufgetragen werden konnte. Neben der hohen Prozessstabilität wurde bei dieser Anwendung ebenso eine sehr gute Karbidverteilung erzielt.

Fazit

Im Rahmen des Beitrags wurde über das MSG-Auftragschweißen zum Bauteilschutz gegen extreme Verschleißbeanspruchungen durch Abrasion berichtet. Es wurde das derzeit industriell immer weiter verbreitete CMT-Schweißverfahren mit geregeltem Kurzlichtbogen vorgestellt und Auftragschweißungen aus nahtlosem Fülldraht diskutiert.

Es zeigt sich, dass insbesondere durch die Kombination eines geregelten Kurzlichtbogens mittels CMT sowie der Verwendung eines nahtlosen DURMAT®-Fülldrahtes einerseits die Prozessstabilität und andererseits die Schichtqualität von Hartauftragungen hinsichtlich Karbidverteilung und Aufmischungsgrad, gegenüber konventionellen MSG-Verfahren und klassischen gefalzten Fülldrähten optimiert werden konnte. Das Ergebnis mündet in eine Steigerung der Fertigungsproduktivität sowie Standzeitverlängerungen von Bauteilen für zahlreiche Anwendungen.

DURUM Verschleißschutz GmbH
Carl‑Friedrich‑Benz‑Str. 7, 47877 Willich
Tel.: +49 (0)2154 4837-0
info@durmat.com, www.durmat.com

Über DURUM: befasst sich mit der Entwicklung und Herstellung von Werkstoffen für das Auftragschweißen und Thermische Spritzen zum Schutz von Bauteilen gegen Verschleiß und Korrosion. Aufgrund der langjährigen Erfahrung wurden neue, verschleißbeständige sowie hochwertige Werkstoffe in Form von Fülldrähten, Elektroden und Pulvern erfolgreich in den Markt eingeführt.