Ziel der Entwicklung
Die Energiewende zwingt Unternehmen zu nachhaltigeren Beschichtungsverfahren, was durch Anfragen an die SLV M-V GmbH, u.a. durch die RENK AG, ADMOS GmbH und TLS Technik GmbH & Co. Spezialpulver KG gezeigt wurde. Insbesondere die Hersteller von Gleitlagern sind dabei intensiv auf der Suche nach alternativen Fertigungsverfahren, um ressourcenschonende Alternativen auf dem Markt anbieten zu können.
Nachdem diese Hersteller auf der Suche nach einem möglichst effizienten Verfahren zum Auftragschweißen von Weißmetalllegierungen an die SLV M-V herangetreten sind, wurde die Entwicklung eines Laserpulverauftragsschweißverfahrens (LPA-Verfahren) begonnen.
Das Auftragen von Weißmetallen auf einen Stützkörper aus Stahl dient dem Erzeugen einer verschleißfesten Schicht mit geringer Lagerreibung. Aktuell werden diese Schichten vorzugsweise mittels Stand- oder Schleuderguss gefertigt, jedoch konnte bereits im Vorgängerprojekt LasVegla gezeigt werden, dass für Weißmetalllegierungen mit einem Kupferanteil von unter sieben Masseprozent das LPA eine gute Alternative zu diesen Gussverfahren bietet. Das LPA konnte die Bindefestigkeit zwischen Stützkörper und Beschichtung um bis zu 56 % steigern, und die intermetallische Phase FeSn2 wurde auf ein geringes Maß von unter 50 µm reduziert, und mit Vorbehandlung der Stahloberfläche durch Fräsen konnte der Porenanteil stark reduziert werden.
Die Erweiterung des Projekts umfasst nun zinnreiche Weißmetalllegierungen mit einem Kupferanteil von 6 % bis 18 %. Da für industrielle Lagerhersteller eine gesteigerte Beschichtungsgeschwindigkeit attraktiv ist, wurden alle Versuche des Nachfolgerprojekts statt mit einer koaxialen Pulverdüse mit einem Spotdurchmesser von 7 mm nun mit einer Breitstrahldüse von 17 mm x 6 mm durchgeführt. Die Applikation geeigneter Prozessparameter soll auf Halbschalen transferiert werden.
Vorteile und Lösungen
Neben der Verwendung einer Breitstrahldüse wurde der Prozess durch einen mehrlagigen Schichtaufbau optimiert. Die erste Schicht wurde als Pufferlage konzipiert. Diese wird mit einer geringeren Pulverförderrate generiert, wodurch eine sichere Materialanbindung gewährleistet ist. Dieser Lage folgen Fülllage und Decklage, welche beide mit einer gesteigerten Pulverförderrate die Wirtschaftlichkeit des Prozesses sicherstellen.
Um geeignete Parametersätze zu finden, wurden im Wesentlichen die Parameter Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Pulverförderrate variiert. Im späteren Verlauf erfolgte eine Anpassung des Arbeitsabstands der Bearbeitungsoptik zur Werkstoffoberfläche, um so einen höheren Schichtaufbau zu ermöglichen.
Die so erzeugten Schichten wurden mittels Sichtprüfung (VT), Eindringprüfung (PT) und Chalmersprüfung untersucht. Die Sichtprüfung gibt einen ersten Aufschluss über Oberflächennahe Auffälligkeiten, während die Farbeindringprüfung mittels sehr dünnflüssiger Farbe Rückschlüsse auf oberflächennahe Anzeigen hindeutet, welche durch Risse oder Poren ausgelöst werden können. Die Chalmersprüfung gibt Aufschluss über die mechanische Anhaftung der aufgebrachten Weißmetallschicht durch einen Zugversuch, welcher den Bereich der Interaktionsfläche zwischen Stahl und Weißmetall inkludiert.
Die Anbindungszone wurde tiefgreifender hinsichtlich ihrer Metallurgie untersucht. Während Poren und FeSn2-Phasen einen ersten Hinweis auf die Anbindung geben (siehe oben) zeigt die Abmessung der SbSn- Härtekristalle und der Kupferstannide Cu6Sn5.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Anwendungsmöglichkeiten der entwickelten Beschichtungstechnologie reichen von kleinen Lagerschalen oder Hohlwellen im Bereich der Innenbeschichtung ab Durchmessern von ca. 100 mm bis hin zu großen Halbschalen oder Wellen im Meterbereich. Die adressierten Bereiche sind dabei die Substitution der heute üblichen Technologie zur Herstellung von Gleitlagern, über Axial- und Radiallager, bis hin zu großen Halbschalen im Bereich der Schiffsdieselmotoren. In allen Fällen geht es um die effiziente und hochqualitative Beschichtung von Gleitlagern mit Weißmetall- und Sonderlegierungen. Neben den Anwendern im Bereich Gleitlagerhersteller profitieren zudem Unternehmen wie die TLS Technik GmbH & Co. Spezialpulver KG (Bitterfeld) als Hersteller spezieller Zusatzwerkstoffe in Pulverform von der zunehmenden Nachfrage. Die SLV M-V profitiert von den Beratungs- und Prüfleistungen, welche für verschiedene regionale und überregionale Unternehmen erfolgt ist.
