Die hochverschleißbeständige Schutzschicht

Thermisches Beschichten zum Korrosions- und Verschleißschutz: Erfahrungen und Anwendungspotentiale, Teil 1

Autor: F. Schreiber, DURUM Verschleißschutz GmbH

Aus der Schüttgut & Prozess 1/2025

Durch abrasiven und erosiven Verschleiß an Maschinen und Bauteilkomponenten des Anla-genbaus, z. B. bei Anlagen im Bergbau und zur Erzaufbreitung, in der Zement- und Ziegel-industrie, 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 Thermische Beschichten durch 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.

An Schweißverfahren mit seinen spezifischen Eigenschaften und an die Verschleißschutzzusatzwersoffe werden aufgrund der Forderung nach Erhöhung der Produktivität und der Durchsatzmengen von leistungsstärkeren 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 lässt.

Auftragschweißen: Verfahren und Leistungsmerkmale

Das Auftragschweißen ist gekenn zeichnet 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 Auftrag schweißen 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.

Beschichtungsverfahren

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. 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 ausreichende
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 Werkstoff bezogenen und metallurgischen Aspekten müssen auch die spezifischen Merkmale des gewählten Auftrag
schweißverfahrens berücksichtigt werden. Diese beeinflussen im Wesentlichen die Schichtqualität hinsichtlich Aufmischung, Oberflächengüte und Schichtkonstanz, Bearbeitbarkeit der Panzerung, aber auch Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit.

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 ein gesetzt. Diese Verfahren werden sowohl manuell als auch mechanisiert oder zum Teil vollautomatisiert ein gesetzt, Tab. 1.

Das Autogene-Auftragschweißen mit Wolfram-Schmelzcarbid-(WSC)-Pulver (DURMAT© 60 WSC: NiCrBSi+60% WSC) und/oder WSC-gefüllten Röhrchenstab (DURMAT© A: FeC+60%WSC)
oder -umhüllten Kernstab (DURMAT© B: NiCrBSi+60%WSC) 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 (< 1,5 kg/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. Das Elektroden-Handschweißen mit
FeCCr-Hartlegierungen und WSC-gefüllten Röhrchenelektroden (DURMAT© NISE: NiCrB+60%WSC) ist aufgrund seiner einfachen Handhabung ebenfalls sehr verbreitet. Es wird für die schnelle Reparatur verschlissener Oberflächen vor Ort oder für schwer zugängliche Stellen eingesetzt.

Abb. 1: Querschliff DURMAT© ON, MSG-Panzerung mit DURMAT© NIFD ON

Großflächiges Auftragschweißen

Für das großflächige Auftragschweißen von z. B. Schleißplatten oder Walzen, werden das MSG- bzw. Open-Arc- und das PTA-Auftragschweißen eingesetzt. Die Vermischung beim MSGSchweißen zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung liegt je nach Legierung und Betriebsbedingungen bis 30 % in der ersten Lage, während sich die Schichtdicke im Bereich zwischen 3–5 mm 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.

Neuste Lichtbogen-Verfahren mit Drahtelektrode zum Verschleißschutz stellen die GKLB- (geregelte Kurzlichtbogen-Schweißprozesse) dar, wie z. B. Cold-Metal-Transfer (CMT) oder Cold-Arc. Gegenüber konventionellen MSG-Verfahren konnte festgestellt werden, dass bei diesen Schweißverfahren eine Hartphasenfeinung auftritt. Bei Verarbeitung von WSC-haltigen Nickel-Legierungen konnte der auftretende Hartphasenzerfall deutlich reduziert werden. Hierdurch konnte wiederum die Schichtqualität bedeutend erhöht werden.

Neue Fertigungsprozesskette

Durch die Realisierung einer neuen Fertigungsprozesskette ist der DURUM Verschleißschutz GmbH gelungen, hochlegierte nahtlose DURMAT© ON-Fülldrähte mit erhöhtem Füllgrad bzw. Hartstoffanteil zu realisieren, mit denen die Prozessstabilität des Beschichtungsprozesses gesteigert und eine Verbesserung der Schichteigenschaften erreicht werden kann. Dieses gilt insbesondere bei langen Zuführungen, die heute durch den hohen Automatisierungsgrad der mittlerweile komplexen Beschichtungsautomaten notwendig sind, aber ebenso bei der Herstellung von komplexen Bauteilgeometrien in der additiven Fertigung.

Das PTA-Auftragschweißen mit Schweißpulver-Werkstoffen wird in vielen automatisierten Fertigungsprozessen zur Herstellung von Beschichtungen eingesetzt. Hiermit können durch die verfahrensspezifischen Vor- teile 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 12 kg/h. Im Hochleistungsbereich kommen vor allem NiBSi-Legierungen (zum Teil mit Cr) mit 60 % WSC zum Einsatz (DURMAT© 61-PTA).

Das Laser-Pulver-Auftragschweißen konnte durch Einsatz der Diodentechnik weltweit Anwendungsbereiche erobern, die vorher dem klassischen Plasma-Pulver-Auftragschweißen PTA vorbehalten waren. Industriell kommen als Schweißzusatz vor allem pulverförmige Schweißzusätze auf Nickel- und Kobaltbasis eingesetzt. Diese Werkstoffe werden in der Regel in großen Mengen gasverdüst. Modifikationen oder Sonderchargen sind nur bedingt verfügbar bzw. sehr kostenintensiv. Ebenso weist der Prozeß zum Teil bis 20 % und mehr Pulververluste auf.

Der Einsatz des Laser-HeißdrahtAuftragschweißens mit derzeit bis zu 4 Fülldrähten stellt hier eine sehr leistungsstarke und wirtschaftliche Beschichtungstechnologie dar. Ein Hochleistungslaser-Auftragskopf wurde weiterentwickelt und für den Multi-Wire-Modus ausgelegt ist und ist sowohl für das omnidirektionale Beschichten als auch für Hochleistungslaser bis 20 kW anwendbar Das Zusatzmaterial wird über mehrere Drahtvorschübe koaxial um den Laserstrahl in das Schmelzbad eingebracht. Hier mit sind Abschmelzleistungen von bis zu 20 kg/h möglich.

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 ISO 14700 (ehemals 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

Die industriell eingesetzten Hartlegierungen sind in der inzwischen zurückgezogenen Norm allesamt der Legierungsgruppe 10 zuzuordnen gewesen, nach der neuen internationalen Norm EN ISO 14700 gibt es hier präzisere Gruppenunterteilungen, Tab. 3. Durch die häufig vorkommende Produktform als Fülldraht lassen sich 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. Als typische Drahtdurchmesser sind 1,2, 1,6, 2,0, 2,4 und 2,8 mm zu nennen. Durch die in einem breiten Bereich variierbare Zusammensetzung kann in Verbindung mit einer lagenorientierten Analysenanpassung eine den Anforderungen gerechte Oberflächenbeschichtung gewährleistet werden.

Eigenschaften und Herausforderungen hochlegierter Fe-Hartlegierungen

Als ein bedeutendes Einsatzgebiet von Fülldrähten ist die Panzerung von durch scharfkantigen Abrasionsmedien beanspruchten Bauteilen, wobei sich insbesondere hochchrom- und 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. 2, besteht aus primär ausgeschiedenen Chrom-Sonderkarbiden des Typs M7C3, eingelagert in einer eutektischen Grundmasse.

Moderne Hartlegierungskonzepte und neue Verschleißschutzstrategien

Bei Erweiterung der Beanspruchung von Abrasion auf Stoßen/Prallen lassen sich bei Vermeidung großer Aus brüche 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-Hartlegierungskomponenten 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-W2C) industriell durchgesetzt und bewährt. Zu den wesentlichen Vorteilen sind vor allem die hohe Härte von > 2200 HV und damit erreichbare hohe Beständigkeit gegenüber extremen abrasiven Beanspruchungen zu nennen. In Abb. 2 ist beispielhaft das typische Mikrogefüge einer WSC-Panzerung gegenüber einer FeCrC-Panzerung dargestellt.

Teil 2 dieses Fachbeitrages erscheint in Heft 2/2025.

Über DURUM Verschleißschutz GmbH

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.

DURUM war Aussteller auf der BAUMA 2025

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