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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