Qualifizierung und technisch-wirtschaftliche Bewertung von Hochleistungsverschleißschutzsystemen zum Einsatz unter feinabrasiv-erosiver Beanspruchung

Hecht, Marvin

Zum Schutz vor abrasivem und erosivem Verschleiß gewinnt das Auftragschweißen immer mehr an Bedeutung, da mit verschleißbedingtem geplanten sowie ungeplanten Ausfall entsprechend verschleißbeanspruchter komplexer Maschinen und Großanlagen ein hoher volkswirtschaftlicher Verlust einhergeht. Für die Herstellung kostengünstiger Verschleißschutzpanzerungen haben sich als robuste Beschichtungsverfahren vor allem Metall-Schutzgas- (MSG-) und OpenArc- (OA-)Schweißprozesse etabliert [Pen08]. Mit diesen Verfahren werden üblicherweise Aufmischungsgrade von ca. 20-30 % erzielt, wobei im Regelfall die Schichtqualität mit zunehmender Aufmischung sinkt. Eine technisch-wirtschaftliche Zielstellung ist es daher, ein preiswertes MSG-Verfahren mit einem reduzierten erzielbaren Aufmischungsgrad zu kombinieren. Einen vielversprechenden Ansatz stellt an dieser Stelle der Einsatz von geregelten Kurzlichtbogen- (GKLB-) Prozessen zum Hartauftragen dar. Die energiearmen GKLB-Prozesse wurden originär zum löt- und schweißtechnischen Fügen dünner und zum Teil beschichteter Stahl- und Aluminiumfeinbleche eingesetzt. Der bei diesen Verfahren modifizierte Kurzlichtbogen wird je nach Schweißgeräte-Hersteller entweder direkt über die Stromquelle geregelt, mechanisch durch eine reversierende Drahtbewegung oder aber durch eine Kombination aus mechanischer und elektronischer Regelung und dadurch das Leistungsmaximum beim Wiederzünden des Lichtbogens erheblich herabgesenkt, wodurch eine wesentlich geringere thermische Grundwerkstoffbeeinflussung während der Aufschmelzphase erreicht werden kann [N.N.08, Wes09, Wes11a, Wes12d]. Weitere Vorteile des GKLB-Prozesses gegenüber konventionellen MSG-Verfahren sind neben der geringeren Aufmischung und einer möglichen erzielbaren Hartphasenfeinung eine aufgrund der reduzierten Wärmeeinbringung wesentlich kleinere Ausdehnung der Wärmeeinflusszonen (WEZ), deutlich weniger Verzug der beschichteten Bauteile sowie zusätzlich hierzu geringere temperaturbedingte Eigenspannungen im hergestellten Schichtverbund. Zur Unterstützung von Strukturleichtbauzielen ist das Verfahren daher auch zum schweißtechnisches Panzern hoch- und höchstfester Feinkornbaustähle wie beispielsweise der Güten S690 beziehungsweise S960 interessant, da aufgrund der geringen WEZ-Ausdehnung der tragende Restquerschnitt des Substratwerkstoffes entsprechend groß ist. Durch die mit dem GKLB-Verfahren einstellbare Hartphasenfeinung ist besonders beim Verschleißangriff von feinen und feinsten Partikelstäuben ein gegenüber herkömmlichen Verfahren erhöhter Widerstand gegen abrasiven und erosiven Verschleiß zu erwarten. Insbesondere hochfeste Strukturbauteile konnten bisher nicht ohne einen massiven Verlust ihrer spezifischen Werkstoff- und Festigkeitseigenschaften in einem einstufigen Prozess schweißtechnisch beschichtet werden. In dieser Arbeit soll deshalb eine technologische Entwicklung der Beschichtungsprozesse in Abhängigkeit der Grund- und Zusatzwerkstoffeigenschaften sowie unter Berücksichtigung des späteren Einsatzzwecks erfolgen. Hierfür werden ausgewählte fülldrahtbasierte Hartlegierungen mit einem GKLB-Verfahren verarbeitet und anschließend metallografisch sowie tribosystemgerecht verschleißtechnisch qualifiziert und die Art des Werkstoffversagens dargestellt. Da GKLB-Prozesse in Hinsicht auf die Schweißprozessbedingungen besondere Anforderungen an die schweißtechnisch zu verarbeitenden Fülldrähte stellen, wird außerdem die Entwicklung spezieller Fülldrahtelektroden zur Herstellung von Verschleißschutzschichten vorgestellt. Zur Qualifikation der abrasiv-erosiven Verschleißeigenschaften der generierten Schichten werden Strahlverschleißuntersuchungen bei Raum- und unter höheren Temperaturen sowie ein Zweikörperabrasivverschleißtest mit feinen und feinsten Abrasivgütern unterschiedlicher Kornfraktionen durchgeführt, um hierdurch den Verschleißwiderstand des metallurgisch und schweißtechnisch eingestellten Gefüges in Abhängigkeit der angreifenden Korngröße über ein möglichst breites Analysespektrum darstellen zu können. Ergänzend werden vielversprechende Schichtverbunde einer korrosionstechnischen Prüfung unterzogen. Aus den erzielten Ergebnissen wird schließlich abgeleitet, unter welchen Randbedingungen das genutzte Verfahren technologische und technisch-wirtschaftliche Vorteile besitzt und somit dessen Einsatz lohnend erscheint.

To protect against abrasive and erosive wear, hard-facing is becoming increasingly important, because associated with wear-related planned and unplanned failure are wear stressed complex machines and large plants, which corresponds to a high economic loss. Established for the production of cost-effective protection against wear, wear protective plating has proven to be a robust coating process especially metal inert gas (MIG) and Open-Arc (OA) welding processes [Pen08]. With these processes usually dilution rates of 20-30% can be achieved, usually the layer quality decreases with increasing dilution. Therefore, a technical-economic objective is to combine an inexpensive MIG procedure while achieving a reduced degree of mixing. A promising approach at this point is the use of regulated short arc gas metal arc welding (GMAW) processes for hard coating. The low energy short arc GMAW processes were originally used for soldering, welding and joining thin, partially coated steel and aluminum thin sheets. The modification of the short arc in these methods is regulated depending on the welding equipment manufacturers, either directly via the current source, mechanically by a reversing wire movement, or by a combination of mechanical and electronic control and thereby the maximum power during re-ignition of the arc is significantly lowered, as a result a much lower thermal influence on the base material can be achieved during the melting [N.N.08, Wes09, Wes11a, Wes12d]. Further advantages of short arc GMAW process over conventional GMAW processes in addition to the lower dilution and possible achievable hard phase refining are a much smaller expansion of the heat-affected zones (HAZ) as a result of reduced heat input, significantly less distortion of the coated components and in addition to this a lower temperature-induced residual stresses in manufactured layer. In support of the aim towards light-weight structures the method for producing weld plating on high-strength fine-grained steels such as grades S690 or S960 is interesting, due to the low HAZ expansion of correspondingly large residual carrying cross-section of the substrate material. The adjustable hard phase refining by short arc GMAW is expected to have an increased resistance to abrasive and erosive wear, particularly the wear attack of fine and very fine dust particles over the conventional methods. In particular, high-strength structural components have not yet been without a massive loss of specific material and strength properties coated by welding in a single layer process. Therefore, the purpose of this work is to make a technological development of coating processes depending on the basic and additional material characteristics, taking into account the later purpose of use. For this purpose, selected filling wires hard based alloys are processed using a short arc GMAW process and subsequently qualified by metallographic and tribological system wear technique and the type of material failure is represented. Since short arc GMAW process provide with respect to the welding process conditions special demands on the welding technology to be processed cored wire, therefore the development of special tubular wires for the production of wear-resistant coatings is presented. To qualify the abrasive-erosive wear properties of the generated layers sand blast wear tests (solid particle impingement) at room and elevated temperatures and a two body abrasive wear test is carried out with fine and very fine abrasive materials of different particle size, thereby the wear resistance of the metallurgical and welding technology of the set structure depending on the attacking particle can be analyzed and represented over a broad analysis spectrum. Additionally, the promising composite layer is subjected to a corrosion technical examination. From the results obtained it is finally concluded, that under whatever conditions this method is used, it has technological and technical-economic benefits and thus its use seems worthwhile.

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Hecht, Marvin: Qualifizierung und technisch-wirtschaftliche Bewertung von Hochleistungsverschleißschutzsystemen zum Einsatz unter feinabrasiv-erosiver Beanspruchung. 2018.

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