Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung neuartiger und wirtschaftlicher Hartmetall-basierter Schichten durch das Thermische Spritzen mit Suspensionen

Hartmetallschichten – häufig auf Basis von Wolframcarbid – zeichnen sich durch hervorragende Verschleißfestigkeit und exzellenten Abrasions- und Korrosionsschutz unter starker Beanspruchung aus. Dank der Eigenschaftskombination aus hoher Härte und gleichzeitig hoher Zähigkeit kommen sie daher in vielen Industriezweigen wie im Maschinen- und Apparatebau zum Einsatz. Die gute Verschleißfestigkeit zieht jedoch hohe Nachbearbeitungskosten nach sich: Um die Kosten der bisher erforderlichen Nachbearbeitung (3 bis 4 x höher als Beschichten) zu reduzieren, ist die direkte Herstellung von glatten endkonturnahen Hartmetallschichten ein wichtiger Aspekt aus Anwendersicht. Darüber hinaus müsste weniger Material abgetragen werden; die erforderlichen Schichtdicken können reduziert und somit gleichzeitig Kosten und Ressourcen eingespart werden.

Im Projekt S-Hartmetall sollen diese Herausforderungen durch das thermische Spritzen mit Suspensionen gelöst werden. Kostenseitige Vorteile dieses Verfahrens leiten sich aus der direkten Verarbeitbarkeit feiner Hartmetall-Rohstoffe ab. Es werden Schichten mit geringer Oberflächenrauheiten gewonnen; die erforderliche Schichtdicke wird reduziert. Darüber hinaus mündet die endkonturnahe Beschichtung auch von Bauteilen mit komplexer Geometrie direkt in Kosteneinsparungen bei der Nachbearbeitung. In S-Hartmetall werden die Hartmetall-Suspensionen einerseits und eine Anpassung/Umrüstung herkömmlicher HVOF-Spritzsysteme auf Suspensionsspritzen anderseits zur Entwicklung und industriellen Herstellung neuartiger und wirtschaftlicher Hartmetallschichten untersucht.

Die gewonnenen Erkenntnisse werden allen Anwendern durch die Erweiterung des Merkblattes DVS 2321 „Thermisches Spritzen mit Suspensionen“ zur Verfügung gestellt. Hiermit werden deutsche KMU in die Lage versetzt, ihrer Rolle als Innovationsträger auf dem Gebiet des thermischen Spritzens/Dünnschichtverfahren gerecht zu werden.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb des Projektes S-Hartmetall wurde die gesamte technologische Ketten inklusive (i) Auswahl von Rohstoffen, (ii) Herstellung von spritzbaren wässrigen Hartmetall-Suspensionen, (iii) technologische Entwicklung des Suspensionsspritzens, (iv) Herstellung von S-HVOF-Schichten und deren Charakterisierung sowie (v) Spritzen von Demonstratoren und Spritzversuche im industriellen Umfeld abgebildet. Kommerziell verfügbare feine WC- und Co-Rohstoffe wurden in unterschiedlichen Zusammensetzungen vermischt und die hohe Flexibilität bezüglich der resultierenden Suspensions- und Schichteigenschaften aufgezeigt. Feststoffgehalte der Suspensionen wurden variabel und entsprechend der gewünschten Schichteigenschaften angepasst. Die entwickelten, neuartigen Hartmetall-Suspensionen wurden im Labor sowie in der Industrie eingesetzt; sie wiesen eine gute Lagerbarkeit und Verarbeitbarkeit auf.

Das Spritzen der Suspensionen aus WC- und Co-Rohstoffen führte zur Beschichtung mit glatten, dichten S-HVOF-Schichten, in denen die feinen Karbide homogen verteilt vorlagen. Schichtdicken von 20 µm bis 150 µm wurden erzeugt. Die ermittelten Härten waren geringer als bei konventionell gespritzten Hartmetall-Schichten, die Korrosions- und Verschleißeigenschaften jedoch vergleichbar. Vorteile des Verfahrens beziehen sich auf die Verringerung der notwendigen Nachbearbeitung, die Reduzierung der Schichtdicken und daraus abgeleitet der Einsparung von Material und eine verbesserte Nachhaltigkeit. Der Nutzen im Hinblick auf die Herstellung glatter, endkonturnaher Schichten wurde an Hand von Demonstratoren aus der Industrie (Wendeschneidplatten, Laufwerkdichtungen, Aluminiumwalze) aufgezeigt. Die Ergebnisse des Projektes ermöglichen sowohl den Lohnbeschichtern und Anwendern als auch den Pulver/Rohstoffherstellern und Anlagenherstellern eine Erweiterung des Leistungs- und Anwendungsspektrums.