Ziel der Entwicklung
Moderne technische Verarbeitungsprozesse erfordern oft Funktionswerkstoffe mit erhöhter thermischer Beständigkeit. Das Ziel des Projekts bestand in der Entwicklung und Applikation von warmfesten und warmverschleißbeständigen Beschichtungswerkstoffen für das Plasma-Pulver-Auftragschweißen auf Umformwerkzeuge bzw. Teile von Dampfarmaturen und deren Optimierung hinsichtlich ihrer Einsatzfähigkeit bei Dauertemperaturen oberhalb 650 °C, wo konventionelle warmfeste Stähle bereits durch Rissbildung bzw. Ermüdung versagen und sich die Standmengen der Werkzeuge und Bauteile drastisch verringern. Dies hat einerseits erhöhte Wiederbeschaffungskosten, andererseits wegen häufiger Werkzeugwechsel und Korrekturen erheblich reduzierte Maschinennutzungsgrade und steigende Produktionskosten zur Folge. Den Anlass für die Projektidee bot die Tatsache, dass sich die bisher vorwiegend eingesetzten, warmfesten Auftragschweißlegierungen auf Kobalt- oder Nickel-Basis artfremd zum Trägerwerkstoff verhalten. Aufgrund der beim Auftragschweißen nur partiellen Erwärmung und der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kommt es vermehrt zu Spannungen und in deren Folge zur teilweisen Bildung von Rissen oder Rissnetzwerken. Demgegenüber können hoch chromhaltige Eisenwerkstoffe, die zwar artgleich, jedoch aufgrund grobnadeliger Karbidanordnung eine hohe Sprödigkeit aufweisen und ebenfalls rissanfällig sind, auch nicht zur Lösung des Problems beitragen.
Vorteile und Lösungen
Im Projekt wurden eisenbasierte, vanadiumkarbidhaltige Auftragschweißwerkstoffe, die durch Molybdänzusätze und Einstellung eines austenitischen oder teilaustenitischen Grundgefüges bis 750 °C thermisch beständig sind, entwickelt und auf ihre Anwendbarkeit für reale Bauteile untersucht.
Da bei diesen artgleichen, warmverschleißbeständigen Zusatzwerkstoffen verringerte Schweißeigenspannungen entstehen, eignen sie sich in besonderem Maße auch für Einsatzfälle mit kurzzeitig hoher Temperaturbelastung, z. B. bei Warmarbeitswerkzeugen (Gesenke, Warmschnitte, Presshärtewerkzeuge) in der Warmmassivumformung.
Weitere lohnende Anwendungsobjekte stellen z. B. Armaturen für erhöhte Einsatztemperaturen im Kraftwerksbereich dar, u.a. Ventilbaugruppen im Bereich der Heißdampferzeugung und verarbeitung. Die Eigenschaften des dort typischerweise zur Dichtflächenpanzerung eingesetzten Referenzwerkstoffes Stellite 6 konnten durch die neuentwickelte Legierung weit übertroffen werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Potenzielle Endnutzer der thermisch beständigen, eigenspannungsarmen Auftragschweißschichten sind u.a. KMU und Großunternehmen, welche z.B. Kraftwerke, Heißdampfanlagen, Umformmaschinen oder Walzstraßen bzw. Stranggussanlagen mit Rollengängen betreiben, die einer Dauerbelastung oberhalb von 500 °C mit kurzzeitigen Temperaturspitzen bis 750 °C widerstehen müssen.
Als unmittelbare Anwender der neuen Beschichtungswerkstoffe kommen neben z.B. Stahlwerken, Werkzeugbau- und Schmiedeunternehmen sowie Armaturenherstellern eine Vielzahl von oft kleineren Betrieben in Betracht, welche das Auftragschweißen in Neufertigung oder als Reparatur als Lohndienstleistung anbieten.
Sobald die neu entwickelte Legierung als pulverförmiger Zusatzwerkstoff für das Plasma-Pulver-Auftragschweißen von thermisch stark beanspruchten Werkzeugen und Verschleißkomponenten zur Verfügung steht, ist die entwickelte Basistechnologie in nachfolgenden und noch ausstehenden Untersuchungen entsprechend den für die jeweilige Applikation erzeugnisbezogenen Schichtanforderungen zu spezifizieren.