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Intermetallische Legierungen

Intermetallische Legierungen werden durch besondere Bindungseigenschaften zwischen mindestens zwei Atomsorten in einem bestimmten stöchiometrischen Verhältnis gebildet; bei binären Phasen also mit allgemeiner Bezeichnung AmBn. Zum Aufbau der Reinmetalle und Mischkristalle einerseits und dem der Keramiken andererseits grenzen sich die intermetallischen Legierungen dadurch ab, dass ihr Bindungscharakter weder rein metallisch noch vollständig kovalent oder ionisch ist. Ein gewisser metallischer Bindungsanteil ist aber stets vorhanden.

Die Einsatzgrenze konventioneller Fe-, Co- und Ni-Basiswerkstoffe liegt bei rund 1100 °C, bei sehr niedriger mechanischer Belastung auch noch leicht darüber. Der Nachteil keramischer Werkstoffe liegt in ihrer geringen Zähigkeit und Fehlertoleranz. Diese Aspekte haben dazu geführt, Werkstoffe mit einer intermetallischen Matrix zu entwickeln. Zwar bestehen hochfeste Ni-Legierungen überwiegend aus der intermetallischen Phase γ’-Ni3Al, die Kriechverformung bei niedrigen Spannungen spielt sich jedoch in dem weicheren, zusammenhängenden γ’-Mischkristallgerüst ab. Bei einer intermetallischen Grundmasse sind dagegen die Festigkeit und Verformung innerhalb dieser Phase maßgeblich für die mechanischen Eigenschaften. Die intermetallischen Legierungen zielen darauf ab, die Temperatureinsatzgrenze gegenüber den konventionellen Superlegierungen bei ausreichender Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Die Zähigkeit und Fehlertoleranz sollen ausreichen, um Bauteile mit vertretbarem Aufwand herstellen und sicher betreiben zu können. Diese sollen die Lücke zwischen den klassischen Hochtemperaturlegierungen und den Keramiken schließen.

Intermetallische Phasen zeichnen sich durch eine starke Bindung zwischen den ungleichnamigen Atomsorten aus. Bei den Überstrukturphasen führt die bevorzugte A-B-Bindung im Idealfall zu einer maximal möglichen Anzahl ungleichnamiger Nachbarn, Fehlordnung genannt. Je nach Phasentyp können sowohl kovalente als auch ionische Bindungsanteile auftreten; es verbleibt aber immer ein gewisser metallischer Bindungscharakter. Aus diesen strukturellen Merkmalen leiten sich hohe E-Module und hohe Peierls-Spannungen ab, die Festigkeiten sind also sehr hoch. Aufgrund des verbleibenden metallischen Bindungsanteils ist zumindest eine geringere Sprödigkeit als bei den Keramiken zu erwarten.

Um intermetallische Phasen einzusetzen, müssen diese durch Fremdelemente mischkristallgehärtet und durch zweite Phasen teilchengehärtet werden. Die Verformungs- und Zähigkeitskennwerte liegen zumindest bei tiefen Temperaturen eher in der Gegend von den Keramiken. Der Sprödbruchbereich kann sich bis etwa 0,5 Ts erstrecken.

Die handelsüblichen intermetallischen Legierungen sind die Triballoy‘s, die nach Herstellerangaben „eine herausragende Beständigkeit gegen abrasiven und adhäsiven Verschleiß sowie Korrosion und dies auch bei hohen Temperaturen besitzen“, /Delo99/. Sie bestehen aus einer harten, intermetallischen (Laves-) Phase, die in einer weicheren Matrix dispergiert ist. Die harte Laves-Phase, die die Triballoys verstärkt, ist bis zu 900 °C stabil. Diese Laves-Phasen haben folgende Eigenschaften:

  • Zusammensetzungsverhältnis AB2
  • sehr hohe Packungsdichte der Atome; maximale Volumenfüllung von 71% bei einem Atomradienverhältnis von rA : rB = √3/2 = 1,225; tatsächliche Schwankungsbreite: 1,05 - 1,68; Laves-Phasen gehören zu den TCP-Phasen (Topologically Closed Packed)
  • kubische oder hexagonale Gitterstruktur
  • vorwiegend metallische Bindung.

Die intermetallische Co-Basislegierung Triballoy 400 kombiniert exzellente Verschleißbeständigkeit mit einer guten Korrosionsbeständigkeit. Die intermetallische Ni-Basislegierung Triballoy 700 enthält einen höheren Cr-Anteil als Triballoy 400 für verbesserte Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit. Die intermetallische Co-Basislegierung Triballoy 800 hat ebenfalls einen höheren Cr-Anteil als T 400, ist härter und hat einen besseren Verschleißwiderstand als T 400 und T 700.

 

Hartstoffverbundlegierungen

<h3>Hartstoffverbundlegierungen</h3>
<p>Unter Hartlegierungen und Hartverbundwerkstoffen werden metallische Werkstoffe auf Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasis verstanden, die zum Verschleißschutz bis zu ≈ 50 Vol.-% an harten Teilchen wie Karbiden, Boriden und Nitriden enthalten. Hartlegierungen entstehen durch Erstarren einer Schmelze unter Ausscheidung von Hartphasen. Legierung und Verbundwerkstoff können Mischformen bilden, wie z.B. beim thermischen Spritzen mit ungeschmolzenem Hartstoffanteil.</p>
<p>Metallkarbide, -boride und -nitride sind aus folgenden Gründen besonders als Hartphasen geeignet:</p>
<p>(a) Der hohen Löslichkeit der Komponenten in der Schmelze steht eine geringe im festen Zustand gegenüber, so dass die Erstarrung zu einem guten Ausbringen der Hartphasen führt.</p>
<p>(b) Mit wachsendem Anteil an kovalenter Bindung steigt die Härte der Hartphasen auf ein Mehrfaches der metallischen Matrix, so dass sie angreifenden Verschleißpartikeln einen wirksamen Widerstand entgegensetzen.</p>
<p>(c) Der metallische Bindungsanteil verleiht diesen spröden Hartphasen jedoch eine höhere Zähigkeit als angreifenden Verschleißpartikeln oxidischer Mineralien. Dadurch wird der Bruch im Kontakt für das Mineral wahrscheinlicher als für die Hartphase.</p>
<p>(d) Zwischen Karbiden, Boriden und der umgebenden Metallmatrix besteht eine gute Bindung, die den Zusammenhalt dieser Gefügebestandteile erhöht. Oxide mit ähnlich hoher Härte lösen sich aufgrund schwächerer Bindung in der Grenzfläche bei Belastung eher von der Metallmatrix ab.</p>
<p>Durch die Einlagerung von Hartphasen mit keramischen Eigenschaften in eine Matrix mit metallischen Eigenschaften entstehen Werkstoffe mit einer guten Kombination von Verschleißwiderstand und Bruchsicherheit. Über Menge, Art, Größe, Form und Verteilung der Gefügebestandteile lassen sich Bauteileigenschaften von metallisch zäh bis keramisch hart in weiten Grenzen variieren und dem Anwendungsfall anpassen. Damit eröffnet sich der Werkstoffgruppe ein breites Anwendungsfeld im Verschleißschutz, /Bürgel98/.</p>
<p>Unterschied zu den Hartlegierungen werden bei den Hartverbundwerkstoffen Hartstoffpartikel im festen Zustand zugegeben und entstehen nicht in-situ aus einer Schmelze. Zunehmende Bedeutung erfahren Werkstoffe bei denen legiertes Metallpulver mit Hartstoffpulver gemischt und anschließend pulvermetallurgisch weiterverarbeitet werden. Auf diese Weise lassen sich Gefügebausteine beliebig kombinieren und anordnen. Ausgezeichnete Verschleißeigenschaften bei RT und erhöhter Temperatur bringen Wolframschmelzkarbide (Eutektikum WC/W2C) sowohl in einer warmfesten Stahlmatrix als auch in einer ausscheidungshärtbaren Ni-Matrix.</p>
<p>Physikalische und mechanische Eigenschaften einiger als Zusatz geeigneter Hartstoffe sind in Tabelle 2 dargestellt.</p>
<table width="100%" cellspacing="1" cellpadding="4" border="0" class="katalog_tabelle"><tbody><tr class="katalog_tabelle_header"><td>Hartstoff<br />
</td><td>Dichte<br />
[g/cm<span style="vertical-align: super;">3</span>]<br />
</td><td>Härte <br />
[HRC]<br />
</td><td>E-Modul <br />
[kN/mm<span style="vertical-align: super;">2</span>]<br />
</td><td>Wärmeleitfähigkeit<br />
[W/m K]<br />
</td><td>spez. Wärme<br />
[kJ/kg K]<br />
</td><td>Ausdehnungskoeffizient<br />
[10<span style="vertical-align: super;">-6</span>/K]<br />
</td><td class="katz02k">Schmelz-<br />
temperatur<br />
[°C]</td></tr><tr class="katalog_tabelle_normal"><td valign="top">WC<br />
</td><td valign="top">15,77<br />
</td><td valign="top">2350<br />
</td><td valign="top">720<br />
</td><td valign="top">RT<br />
29,29<br />
</td><td valign="top">0,181<br />
</td><td valign="top">3,84<br />
</td><td valign="top">2776<br />
</td></tr><tr class="katalog_tabelle_hilite"><td valign="top">NbC<br />
</td><td valign="top">7,82<br />
</td><td valign="top">1800<br />
</td><td valign="top">580<br />
</td><td valign="top">RT<br />
18,44<br />
</td><td valign="top">0,462<br />
</td><td valign="top">6,65<br />
</td><td valign="top">3613<br />
</td></tr><tr class="katalog_tabelle_normal"><td valign="top">VC<br />
</td><td valign="top">5,41<br />
</td><td valign="top">2900<br />
</td><td valign="top">430<br />
</td><td valign="top"><br />
<br />
</td><td valign="top"><br />
<br />
</td><td valign="top">7,3<br />
</td><td valign="top">2648<br />
</td></tr><tr height="34" class="katalog_tabelle_hilite"><td valign="top">W<span style="vertical-align: sub;">2</span>C<br />
</td><td valign="top">17,2<br />
</td><td valign="top">420<br />
</td><td valign="top">RT<br />
29,33<br />
</td><td valign="top"><br />
<br />
</td><td valign="top"><br />
<br />
</td><td valign="top">1,2 in (a)<br />
11,4 in (c)<br />
hexagonal<br />
</td><td valign="top">2700<br />
</td></tr></tbody></table>
<p><span style="font-size: 0.75em;">Tabelle 2: Physikalische und mechanische Eigenschaften von Hartstoffen</span></p>

Eisenbasis-Hartlegierungen

Eisenbasis-Hartlegierungen

Für Eisenbasishartlegierungen sind die Legierungselemente Chrom und Kohlenstoff charakteristisch. Ihr Anteil beträgt meist etwa 10 bis 35 bzw. 2 bis 6 Gew.-%. Darüber hinaus sind am Aufbau der karbidischen Hartstoffphasen häufig die Metalle Wolfram, Molybdän und Vanadium beteiligt. Silizium, Mangan, Nickel und Kobalt treten als weitere Matrixmetalle in Erscheinung.

Bei Anwendungstemperaturen oberhalb 600 °C bietet ein kfz Grundgitter Vorteile. Die niedrige SFE des Austenits behindert den Ablauf der Entfestigungsvorgänge und verschiebt auf diese Weise die Rekristallisation zu höheren Temperaturen. Da die austenitische Metallmatrix gegenüber den harten Phasen einen deutlich geringeren Widerstand gegen Abrasion mitbringt, werden häufig Legierungen eingesetzt, die hohe Hartphasengehalte aufweisen.

Die austenitischen, hitzebeständigen Stähle zeichnen sich gegenüber den ferritischen durch bessere mikrostrukturelle Stabilität, höhere Warmfestigkeit und geringere Versprödungsneigung aus. Der Ni-Gehalt, welcher bis ca. 35 Gew-% beträgt, ist ausreichend zu wählen, damit das Gefüge im gesamten Temperaturbereich vollaustenitisch bleibt. Die Korrosionsbeständigkeit der Austenite hängt vom Cr-Gehalt ab, der zwischen etwa 18 und 30 Gew.-% variiert. Es bilden sich unter oxidierenden Bedingungen Deckschichten aus Spinellen der Art Ni(Cr, Fe)2O4 sowie nahezu reinem Cr2O3. Die Aufkohlungsbeständigkeit der hitzebeständigen austenitischen Stähle nimmt mit dem Ni-Gehalt zu. Bei den üblichen austenitischen Stählen ist die obere Temperatureinsatzgrenze demnach durch die Eigenschaften der Cr-Oxidschichten festgelegt. Abhängig von der Atmosphäre, den zyklischen Bedingungen sowie der geforderten Lebensdauer liegt diese bei etwa 900-1150 °C. Die hitzebeständigen Stähle konkurrieren mit den hoch Cr-haltigen Ni-Legierungen, mit denen sich eine vergleichbare oder bessere Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit bei höherer Warmfestigkeit erreichen lässt.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass oberhalb 600 °C austenitische Stähle verwendet werden müssen, die folgende Vorteile gegenüber den Ferriten aufweisen:

  • Im dichtest gepackten kfz γ-Gitter beträgt der Diffusionskoeffizient nur etwa 1/350 des Wertes im krz α-Gitter. Gleichermaßen nehmen die Kriechgeschwindigkeit sowie die diffusionskontrollierte Teilchenvergröberung ab.
  • Die SFE ist mit rund 50 mJ/m2 deutlich geringer als die der krz Legierungen, welche bei etwa 300 mJ/m2 liegt. Sie läßt sich durch bestimmte Legierungselemente weiter reduzieren, wodurch die Kriechfestigkeit steigt. Ni übt allerdings einen gegenläufigen Effekt auf die SFE aus.
  • Die Gehalte der Legierungselemente, vorwiegend Ni und Cr, sind so abgestimmt, dass im gesamten interessierenden Temperaturbereich ein stabil-vollaustenitisches Gefüge auftritt; Gitterumwandlungen kommen also nicht vor.
  • Die Cr-Gehalte können zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit angehoben werden, üblicherweise zwischen 20 und 30 Gew.-%.
  • Die Legierungsgehalte zur Mischkristallhärtung liegen insgesamt höher, weil die Löslichkeit im Austenitgitter höher ist.
  • Die Zähigkeit ist besonders im Tieftemperaturbereich, der für Anfahrvorgänge von Anlagen kritisch sein kann, wesentlich höher.

Des Weiteren beziehen die austenitischen Stähle ihre Kriechfestigkeit aus der Teilchenhärtung mit Karbiden, Nitriden oder Karbonitriden sowie in einigen Fällen auch mit intermetallischen Phasen. Zwei Karbidarten dominieren: MC und M23C6. Eine Übersicht über die wesentlichen Karbidarten in Hochtemperaturlegierungen und ihre Merkmale, welche auch auf die anderen Basiselementgruppen übertragbar sind, gibt Tabelle 1. Karbide, die vorzugsweise an den Korngrenzen ausscheiden, behindern dort das Korngrenzgleiten. Mit den refraktären Legierungselementen Mo, W, und Nb kann sich in austenitischen Legierungen bei Gehalten ab ca. 1 Gew.-% die hexagonale Laves-Phase Fe2(Mo, W, Nb) ausscheiden, die den Kriechwiderstand erhöht.

 

  Karbidtyp

Merkmale

Zusammensetzung

Gitter

Entstehung und Löslichkeit

Form

MC

M = Ti, Nb, Ta, seltener: Zr, V, Hf, W, Mo.

C kann durch N substituiert werden; M(C, N)

Kfz

(WC u. MoC hex.)

bilden sich als Primärkarbide bei der Erstarrung; schwer löslich, sehr stabil

als Primärteilchen blockig bis chinesenschriftartig; als Ausscheidungen nach Auslagerung vorwiegend in der Matrix verteilt

M7C3

 

(M:C=2,3)

M = Cr mit

Löslichkeit für Fe (bis ca.55 Gew.-%) und Ni

Komplex

hex.

stabil bis ca. 1100-1150 °C; wandelt <1050 °C in M23C6 um; tritt auch bei hohen C-Gehalten auf

oft blockig an Korngrenzen

M23C6

 

(M:C=3,8)

M = Cr mit

Löslichkeit für Fe

(bis ca.30 Gew.-%) und Ni, Co, Mo, W

komplex kubisch

stabil bis ca. 1050 °C; entsteht bei Wärmebehand-lungen, oft an Korngrenzen

mögliche Formen: rundlich, lamellar, plattenf., als Film entlang der Korngrenzen

M3C

M = M1 + M2 zu ca.

gleichen At.-Anteil:

M1 = Mo, W

M2 = Fe, Ni, Co

komplex kubisch

stabil bis ca. 1150 °C

blockig, oft an Korngrenzen, seltener in Wildmannstättenform

 

FeCrVC-Legierungssystem

Auf dem System Eisen-Chrom-Vanadin-Kohlenstoff basierende Werkstoffsysteme gehören heute zu den hochverschleißbeständigen Materialien. Die Legierungsvarianten X400Cr5MoV18 (FeV18) und X400Cr17MoV15 (FeCrV15) besitzen eine homogene und feine Verteilung der Vanadinkarbide. Der VC-Gehalt beträgt ca. 30Vol.-%. Erfahrungen aus der Anwendung von pulvermetallurgischen Werkzeugstählen haben ergeben, dass mit Karbidgehalten von ca. 10% in einer härtbaren Matrix bei abrasiver Beanspruchung mehrfache Erhöhungen der Verschleißfestigkeit erreicht werden. Infolge der feinen Gefügestruktur und des hohen VC-Anteils eignen sich derartige Werkstoffe vor allem für die Beschichtung hochbelasteter Werkzeugschneiden und Bauteilkanten. Hierbei stellen Fe-Cr-V-C-Basislegirungen für das PTA-Auftragschweißen den Einstieg in eine völlig neue Qualitätsstufe von verschleißfesten Legierungen dar.

Legierung X400Cr5MoV18 (FeV18)

Für die Legierung FeV18 wird als Richtanalyse die nachfolgend aufgeführte chemische Zusammensetzung empfohlen:

C: 3,6-4,0%; Mn: 0,7-1,0%; Si: 0,8-1,2%; V: 17-18%; Cr: 3,5-4,5%; Mo: 1,0-1,5% und Fe: Rest.

Dabei werden die wesentlichen Werkstoffeigenschaften in einem stärkeren Maße vom Kohlenstoff- als vom Vanadiumgehalt beeinflusst. Ein Unterschied im Kohlenstoffgehalt von ΔC=0,1% bewirkt größere Veränderungen der Schichteigenschaften als beispielsweise eine Verschiebung des Vanadiumgehaltes um 1%.

Der C-Gehalt muss auf den konkreten V-Gehalt (Toleranz +/- 1%) mit nachfolgender Formel abgestimmt werden: C(%) = 0,2V(%)+0,4%

Ein sehr hoher ΔC-Wert (>+0,5%) ist zwar mit günstigen Verschleißeigenschaften verbunden, scheidet aber wegen der Begünstigung einer groben und spröden Gefügeausbildung für eine industrielle Anwendung aus. Bereits bei ΔC-Werten von +0,2% wurden maximale Härtewerte von ca. 65 HRC gemessen. Mit dieser hohen Härte sind gleichzeitig sehr niedrige Masseabträge verbunden. Daher erscheint eine Festlegung des freien Kohlenstoffgehaltes in den Grenzen von+0,2% bis +0,5% notwendig. In jedem Fall sind negative Werte des freien Kohlenstoffgehaltes zu vermeiden.

Chrom verbessert die Eigenschaften der Stahlmatrix. Gemäß den Untersuchungen besteht keine Erfordernis, den Chromgehalt zu erhöhen. Eine Absenkung des Chromgehaltes beschleunigt die Martensitbildung während der Abkühlung nach dem Schweißen. Dadurch wird vermieden, dass nach dem Anlassen noch spröde Martensitphasen im Gefüge vorliegen. Bereits mit Chromgehalten von ca. 4% wurde das angestrebte Niveau der Härte und Verschleißbeständigkeit nachgewiesen.

Molybdän wirkt sich ebenso wie Chrom günstig auf die Martensiteigenschaften aus. Das Molybdänkarbid vom Typ M6C bindet im Vergleich zu Vanadiumkarbid nur 10% des Kohlenstoffs. Da Vanadium auch eine höhere Affinität zu Kohlenstoff besitzt, spielt der Molybdängehalt für die Kohlenstoffabstimmung in der Legierung nur eine untergeordnete Rolle. Der im Versuchsprogramm verwendete Molybdängehalt von 1,0% bis 1,5% sollte beibehalen werden, da sich ein erhöhter Molybdängehalt wegen der verstärkten Bildung eutektischer Gefügeanteile nachteilig auf die Zähigkeit auswirkt. Signifikante Einflüsse unter-schiedlicher Silizium- und Mangangehalte auf die Eigenschaften der Auftragschweißungen lassen sich im Rahmen des Versuchsprogrammes nicht nachweisen, so dass eine Änderung der bekannten Legierungsgehalte dieser Elemente nicht notwendig ist. Nickelgehalte > 1% dürfen in der Legierung wegen der austenitstabilisierenden Wirkung nicht vorhanden sein.

Legierung X400Cr15MoV17(FeCrV15)

Auf der Grundlage des Fe-Cr-V-C-Legierungssystems wurden die FeCrV15-Legierungsvarianten entwickelt, die neben einer gesteigerten Verschleißbeständigkeit zu korrosionsbeständigen Stählen und Hartlegierungen eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit besitzen. Derartige Legierungen sollen hauptsächlich für die Beschichtung von Werkzeugschneiden Anwendung finden (Chemie-faser- und Kunststoffherstellung, Lebensmittel-Industrie). Bei der Legierungsentwicklung wurde der Chromgehalt auf 17-20% Cr festgelegt, damit eine ausreichende Menge an Chrom sowohl für eine gute Korrosionsbeständigkeit (≥12% Cr in der Matrix gelöst) als auch für die Härte der Matrix verfügbar ist. Ebenso wurde der Molybdängehalt mit 2% Mo eingestellt. Zur weiteren Steigerung der Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitiger Verbesserung der Zähigkeit eignen sich gestufte Ni-Gehalte von 3%, 6% und 9%. Die Richtanalyse ist wie folgt.

C:4,0-4,6%, Si: 0,8%, Mn: 0,7%, Mo: 2,0%, Cr: 17,0%, V:15,0%, Ni: 0-9%

Der Kohlenstoffgehalt wird stöchiometrisch auf die Menge der Karbidbildner unter der Annahme der Bildung von M2C-Karbiden (Cr, Mo) bzw. MC-Karbiden (V) abgestimmt. Dabei wurde insbesondere berücksichtigt, dass eine Mindestmenge von 12% Cr in der Fe-Matrix gelöst sein muss und somit sich keine Karbide bilden. Durch Variationen der C-,Cr-,V- und Ni-Gehalte wurden geeignete Legierungsgehalte hinsichtlich des Beanspruchungsprofils ausgewählt. Im Sinne einer hohen Verschleißbeständigkeit ist ein V-Gehalt von 15% erforderlich, während eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit durch Cr-Gehalte von 17 bis 20% garantiert wird. Eine Stufung der Gehalte an Kohlenstoff (4,0 bis 4,6%) und Nickel (2,0 bis 9,0%) führt zu austenitischen bzw. martensitischen Gefügeausbildungen, die eine optimale Anpassung der Schichteigenschaften an reale Verschleißbeanspruchungen ermöglichen.

Die metallurgischen Eigenschaften dieser Legierung (Benetzung, Schweißbadformierung) bilden die Voraussetzung zur Herstellung von Schichten mit einer ausgezeichneten Schweißqualität und gleichmäßigen Gefügeausbildung.

Schweißbarkeit

Die metallurgischen Vorteile des Vanadinkarbids, keine Zersetzung bei Überhitzung und keine Bildung vanadinreicher Mischkarbide können beim Auftragschweißen besonders vorteilhaft genutzt werden, um aufmischungsarme Beschichtungen mit hohen Eigenschaftssprüngen zu den Substratwerkstoffe zu realisieren. Die Werkstoffe lassen sich auf Stahlsubstrate bis zu 60 Vol.% Karbidgehalt ohne Vorwärmung rissfrei auftragschweißen. Aufgrund der Artgleichheit können hierbei selbst gehärtete Stähle rissfrei beschichtet werden.

Mit steigendem Vanadinkarbidgehalt steigt die Viskosität der Schmelze und die Schweißraupen werden welliger. Eine optimale Abstimmung der Auftragschweißparameter ist deshalb unbedingt notwendig, um das kostenaufwendige Nachbearbeiten (Schleifen) - sofern notwendig - zu minimieren.

Da die Legierungen nicht selbstfließend sind, müssen die Prozessparameter exakt aufeinander abgestimmt werden, um die Legierung durch zu hohe Aufmischung nicht zu „verdünnen“. Die Beschichtungs-träger müssen blank und fettfrei sein. Bei höchsten Ansprüchen an die Schichtqualität sollte einlagig gearbeitet werden, da sowohl das mehrlagige Übereinanderlegen als auch das Nebeneinanderlegen von Schweißraupen mit diesen Werkstoffen immer

die Gefahr von Poren mit sich bringt. Eine Rissgefahr kann durch Warm-in-Warm-Arbeiten (Vermeidung von vorzeitiger Martensitbildung bei Tempera-turen <300°C) auch bei mehrlagigen Auftragungen ausgeschlossen werden. Eine Reparatur fehlerhafter Beschichtungen ist durch Überschmelzen problemlos möglich.

 

Mikrostrukturen

Legierungskonzept FeCrVCMn

Die Eigenschaften des Hartmanganstahls liegen darin begründet, dass durch den hohen Mangananteil ein metastabiles Abschreckgefüge entsteht. Das Gefüge besteht aus Austenit und ε-Martensit, ist jedoch unter atmosphärischen Bedingungen thermodynamisch instabil. Es kommt deshalb zu einer spaunnungsinduzierten Martensitbildung der Art Υ->ε->α. Damit verbunden ist ein Ansteigen der Oberflächenhärte und somit eine verbesserte Verschleißbeständigkeit Ziel dieser Entwicklung war es, derartige Eigenschaften auf hochvanadiumcarbidhaltige Legierungen zu übertragen, die im Bereich des abrasiven Verschleißschutzes zum Einsatz kommen. Solche Eisenbasis-Werkstoffe besitzen je nach Konfiguration der Legierungselemente und Wärmebehandlung ein martensitisches oder chrom-martensitisches Gefüge, in das Vanadiumcarbide als Hartstoffe eingebettet sind. Vanadiumcarbid eignet sich besonders gut als Ver-schleißschutzträger, da es sehr hart ist.

Gegenüber anderen Hartstoffen hat es den Vorteil, dass es schweißtechnisch einfach zu verarbeiten ist. Es ist thermisch stabil und aufgeschmolzenes Vanadiumcarbid scheidet aufgrund der hohen Kohlenstoffaffinität von Vanadium primär wieder als Vanadiumcarbid aus der Schmelze aus. Die Zusammensetzung der Matrix bleibt dabei nahezu unberührt. Es gibt keine Lösungstendenzen. Das Ergebnis ist ein Gefüge, in dem das Vanadiumcarbid homogen und feinkörnig verteilt vorliegt. Außerdem bilden sich kaum die Eigenschaften negativ beeinflussenden Mischcarbide. Bild 3 zeigt das Gefüge dieser Legierung.

Das Erzeugen eines metastabilen, austenitischen Gefüges mittels Mangan dient dazu, die Werkstoffe durch das damit verbundene Absenken der Härte besser nachbearbeitbar zu machen. Gleichzeitig sorgt die spannungs-induzierte Martensitbildung im Einsatz für eine gute Verschleißbeständigkeit bzw. erzeugt einen Selbstschärfeffekt z.B. bei Maschinenmesserbeschichtungen.

Durch das Zulegieren von Mangan zu den FeCrVC-Legierungen ist es gelungen ein austenitisches Gefüge zu erzeugen. Die Härte konnte um etwa 30% gegenüber den manganfreien Stählen gesenkt werden, die mechanische Nachbearbeitung erleichterte sich entsprechend. Die Karbidkonfiguration wurde durch das Mangan nicht negativ beeinflusst, es bildeten sich neben den Vanadiumcarbiden keine anderen, eventuell ungünstigen Mischkarbide. Auch die Verschleißresistenz bei rein abrasivem Verschleiß konnte durch die Hartstoffzugabe gegenüber den untersuchten Hartmangan-legierungen deutlich verbessert werden. Grundsätzlich führte ein höherer Vanadiumcarbidgehalt zu geringerem Verschleiß. Im Klotz-Scheibe-Versuch, der ein komplexes Tribosystem aus Korngleitverschleiß und Schlagbeanspruchung simulierte, erbrachten die hoch-manganhaltigen Stähle ähnliche Ergebnisse wie die Ausgangswerkstoffe. Eine klare Abhängigkeit vom Hartstoffgehalt war nicht erkennbar.

Die Ergebnisse im Klotz-Scheibe-Versuch beweisen, dass die hochmanganhaltigen Legierungen trotz ihrer geringen Ausgangshärte bei bestimmten Einsatzfällen durchaus gute Verschleißeigenschaften haben.

Leider konnte an keinen der Proben ein Phasenumwandlungseffekt nachgewiesen werden. Es wird vermutet, dass die Kraftwirkung im eingesetzten Versuch nicht ausreichend hoch war, um den Umwandlungseffekt deutlich zu zeigen. Die Resultate ermutigen jedoch dazu in weiteren Tests, wie zum Beispiel einem Ermüdungsverschleißversuch, bei dem hohe Punktlasten auftreten, dieses Werkstoffkonzept genauer zu untersuchen und weiterzuentwickeln. Zur Erzielung eines Selbstschärfeffektes sind weitere Untersuchungen nötig.

hochkarbidhaltiger Verschleißschutzbeschichtungen für den Einsatz unter stark korrosiven Bedingungen

In umfangreichen Untersuchungen wurden für verschiedene Legierungsvarianten die Korrosion in reinen Korrosionstests ermittelt und daraus die Korrosionsanteile der Legierungen im kombinierten Test errechnet. Mit diesen Ergebnissen konnte belegt werden, dass mit solchen Zielwerkstoffen auch ausreichend gute Korrosionsbeständigkeiten erreicht werden. Dabei ist die Korrosionsbeständigkeit abhängig vom jeweiligen Legierungstyp in Verbindung mit dem entsprechenden Korrosionsmedium.

Derartige Werkstoffe mit einem schweißtechnisch und wirtschaftlich vertretbaren Vanadiumkarbidzusatz bis zu 50 % erreichten im kombinierten Test in künstlichem Meerwasser bis zu 7-fach und in organischen Säuren bis zu 15-fach bessere Beständigkeiten als die herkömmlich verwendeten Kobaltbasislegierungen mit einem zusätzlichen Pulverkostenvorteil von bis zu 20 %.

In Abhängigkeit vom Korrosionsmedium und Legierungszusammensetzung besitzen die Werkstoffe auf Fe- Basis ausreichend gute Korrosionsbeständigkeit (künstliches Meerwasser, 30%-iger Zitronensäure)

Mit Inconel 625 + 30 % VC steht dem Anwender hinsichtlich der Korrosions- und Verschleißbeständigkeit (20%-ige Schwefelsäure) eine ausgezeichnete Nickelbasislegung zur Verfügung.

Abbildung. 1: Metallurgische Effekte der Hauptelemente von Ni-Superlegierungen

Rundstäbe roh, mit Zentralbohrung, Länge: 330 mm

Rundstäbe roh, mit Zentralbohrung

Länge: 330 mm

      Sorte GC-K40UF

Unsere Universalhartmetallsorte für einen außergewöhnlich breiten Anwendungsbereich. K4OUF wird aus ultrafeinem Wolframkarbid mit einer Korngröße von 0,6 µm hergestellt. In Kombination mit einem Kobaltgehalt von 10 % werden hohe Härten und Zähigkeiten erreicht. Die Ultrafeinkornsorte K4OUF eignet sich besonders zum Fräsen und ist aufgrund ihrer hohen Kantenfestigkeit unsere Standardsorte beim Hochleistungsbohren. Einstezbar für Bohr- oder Fräsanwendungen in warmfesten Legierungen, rostfreien Stählen, Grauguss, in Titanlegierungen und glasfaserverstärkten Kunststoffen.

      Sorte GC-K6UF

Unsere neue Hartmetallsorte für Reibanwendungen. Mit einem vergleichsweise geringen Kobaltgehalt von 6 % wurde diese Sorte speziell für Reibanwendungen entwickelt, bei denen es auf eine hohe Härte und gleichzeitig hohen Verschleißwiderstand ankommt. K6UF eignet sich auch für Bohranwendungen in Verbundwerkstoffen und zum Einsatz als Tieflochbohrer.

Hartmetallsorten: Art.-Nr.:
GC-K40UF 7337
GC-K6UF 7150
 
D [mm] TOL [mm] d [mm] TOL [mm] max. Bohrungsmittelsatz [mm]
4.5 +0.3 0.60 ±0.10 0.15
6.3 +0.3 1.00 ±0.15 0.15
8.3 +0.3 1.30 ±0.15 0.15
10.3 +0.4 2.00 ±0.20 0.20
12.3 +0.4 2.00 ±0.20 0.20
14.3 +0.4 2.00 ±0.20 0.30
16.3 +0.5 2.00 ±0.20 0.30
18.3 +0.5 3.00 ±0.25 0.40
20.3 +0.5 3.00 ±0.25 0.50
22.3 +0.5 3.00 ±0.25 0.50
24.3 +0.5 4.00 ±0.30 0.50
26.3 +0.5 4.00 ±0.30 0.50
28.3 +0.5 4.00 ±0.30 0.50
30.3 +0.5 5.00 ±0.35 0.50
32.3 +0.5 5.00 ±0.35 0.50
Rundstäbe roh, mit Zentralbohrung, Länge: 330 mm