Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung der Karbidkorngröße in WC-Co(Cr)-Schichten zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes bei gleichzeitiger korrosiver Beanspruchung

Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Beschichtungspulvers und seine Verarbeitung zu thermisch gespritzten Schichten, die sich durch eine unikale Kombination von Härte, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Dies wird durch einen auf thermodynamischen Berechnungen beruhenden werkstoffwissenschaftlichen Ansatz erreicht, indem eine geringe Carbidkorngröße durch den Einsatz eines oder einer Kombination von Kornwachstumhemmern wie Cr3C2 und VC erzielt wird, die durch ihren Verbleib in der Bindermatrix nach dem Sintern (Chrom) die Korrosionsbeständigkeit des Schichtwerkstoffes sichern, ohne gleichzeitig die Zähigkeit des Binders zu senken. Der Verarbeitungsprozess (HVOF) wird auf die Herstellung dichter Schichten mit hohem Auftragswirkungsgrad bei einem Minimum an Veränderung der chemischen und Phasenzusammensetzung hin optimiert. Dadurch ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten im Hochleistungsbereich für den Hartchromersatz (z. B. Flugzeugfahrwerke), in Wasserkraftturbinen, in der Papier-, chemischen und Stahlindustrie, in ermüdungsrelevanten Anwendungen und allgemein im Maschinen- und Fahrzeugbau. Der Nutzen für die kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) besteht in einer Verbesserung der Produktqualität bei gleichzeitiger Einsparung von Kosten (Instandsetzung, Demontageaufwand, Standzeiten usw.) Durch den Einsatz hochfester und verschleißbeständiger Schichtsysteme wird zudem die Effizienz der Anlagen erhöht und die Lebensdauer signifikant gesteigert.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurde das Konzept verfolgt, die WC-Korngröße und die Cr3C2-Gehalte für WC-CoCr mit Hilfe von Sinterkörpern zu optimieren und die Bildung einer zweiten Hartstoffphase zu vermeiden. Die positiven Effekte der Verringerung des Cr-Gehaltes bei der Vermeidung der zweiten Hartstoffphase und bezüglich WC-Kornwachstum wurden belegt. Die erhöhte Porosität der auf dieser Grundlage hergestellten experimentellen Beschichtungspulver überlagerte jedoch die Effekte der veränderten Zusammensetzungen und beeinflusste die Schichteigenschaften negativ. Daher erfordern die Parameter der Pulverherstellung eine weitere Optimierung. Es wurde der Nachweis erbracht, dass die Verwendung eines ultrafeinen WC keinen Vorteil bringt. Die Verwendung einer modifizierten Brennkammer (Hochdruckvariante) im Bereich HVOF generiert hoch dichte und kavitationsfreie Schichten. Alle mit HVOF hergestellten Schichten weisen dichte Mikrostrukturen, einen geringen Kohlenstoffverlust, eine hohe Haftfestigkeit auf glatten (ungestrahlten) Oberflächen und eine sehr hohe Verschleißbeständigkeit auf. Die Existenz einer zweiten Hartstoffphase, wie in Schichten aus einem kommerziellen WC-10Co4Cr Pulver mit Normalkorn-WC, könnte bei einigen Verschleißmechanismen Vorteile bringen. Es wurde ein neuer Verschleißtest (ErKaV) entwickelt, der eine schnelle Beurteilung der tribologischen Widerstandsfähigkeit der Schichten unter Einwirkung eines hoch erosiv und kavitativ wirkenden Wasserstrahls ermöglicht. Die Versuche dienen als Grundlage für ein nationales Normungsvorhaben.