Innovative Lösung beim Thermischen Spritzen:

Wolframkarbidgefüllte Drähte gegen den Verschleiß

Wo auch immer Maschinen und Werkzeuge zum Einsatz kommen, sind sie dem Verschleiß ausgesetzt: der Pflug des malaiischen Ackerbauern ebenso wie das Hightech-Bauteil der deutschen Flugzeugindustrie. Höhere Standzeiten lassen sich erzielen, indem die Oberfläche des Grundwerkstoffs mit einem härteren Material veredelt wird.

Als Schichtwerkstoffe haben sich Wolframkarbide längst bewährt. Durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF – high velocity oxygen fuel) aufgetragene WC/Co-Schichten zeichnen sich durch eine sehr niedrige Porosität und hohe Haftzugfestigkeiten bis über 70 N/mm² aus. Bisher war dieses thermische Spritzverfahren auf pulverförmige Schichtwerkstoffe beschränkt. Erfahrungen mit dem herkömmlichen Flammspritzen zeigen jedoch, dass die Verwendung von Spritzdrähten höhere Auftragsraten und mehr Effizienz ermöglicht. Ebenso ist die Verarbeitung deutlich einfacher als die von pulverförmigen Spritzzusätzen. Allerdings stoßen Massivdrähte aus Hartlegierungen aufgrund der nicht erreichbaren Flexibilität des Drahtes an ihre Grenzen. Auch können Hartstoffe, wie z.B. das extrem verschleißbeständige Wolframkarbid, nicht im Massiv-Draht verarbeitet werden.

Die DURUM Verschleiß-Schutz GmbH in Krefeld hat das Problem mit Hilfe so genannter Fülldrähte gelöst: Das pulverförmige Wolframkarbid wird in eine Metallhülle verpackt.

Erfahrung aus 30 Jahren

In Herstellung und Vertrieb von Wolframkarbiden verfügen die Gesellschafter und Mitarbeiter der DURUM Verschleiß-Schutz GmbH über mehr als 30 Jahre Erfahrung. Der Krefelder Betrieb wuchs allmählich zu einer internationalen Unternehmensgruppe heran – mit sechs eigenständigen Firmen in Deutschland sowie Niederlassungen in Frankreich, Australien, Indien, Brasilien, Venezuela und den USA. Die rund 150 deutschen Mitarbeiter produzieren verschiedenste Schweiß- und Spritzmaterialien. In Verbindung mit dem Bereich der Lohnbeschichtung kann ein weites Spektrum an Anwendungsfeldern im Korrosions- und Verschleißschutz abgedeckt und auf spezielle Kundenwünsche eingegangen werden.

Monatlich 100 Tonnen Verschleißschutzwerkstoffe

Allein in Krefeld werden pro Monat etwa 100 Tonnen extrem verschleißfester, hochlegierter Zusatzwerkstoffe gefertigt, von denen etwa zwei Drittel beim Auftragsschweißen und ein Drittel beim Thermischen Spritzen Anwendung finden. „Sowohl das Thermische Spritzen als auch das Auftragschweißen sind die am häufigsten eingesetzten Beschichtungsverfahren zum Bauteile-Schutz gegen extreme Beanspruchungen aus Korrosion und Verschleiß“, erzählt Dr. Frank Schreiber, der bei DURUM für Entwicklung und Vertrieb zuständig ist. „Beide Verfahren ergänzen sich gegenseitig und müssen entsprechend den jeweiligen industriellen Randbedingungen ausgewählt werden.“ Fülldrähte aus Fe-, Ni- und Co-Hartlegierungen gelangten ursprünglich beim Auftragsschweißen zum Einsatz. Anschließend wurde das Werkstoffkonzept durch systematische Entwicklungsarbeit auf die Anwendbarkeit beim Thermischen Spritzen durch Flammdraht-, Hochgeschwindigkeits-Flammdraht- und Lichtbogendrahtspritzen modifiziert. Durch die Entwicklung von Fülldrähten aus so genannten selbstfließenden Legierungen, gefüllt mit Hartstoffen durch die Firma DURUM, konnte die wirtschaftliche Herstellung extrem verschleißbeständiger Panzerungen erreicht werden, die vorher nur durch aufwendigere Technologien möglich waren. Dabei werden einem Fülldraht aus einer Nickellegierung Wolframkarbide sowie verschiedene Additive beigemengt, deren spezielle Eigenschaften – zum Beispiel eine hohe Chemikalienbeständigkeit – für die jeweilige Anwendung wichtig sind.

Überzeugende Spritzergebnisse mit Fülldrähten

„Zunächst haben wir Fülldrähte beim Lichtbogendrahtspritzen erprobt“, erklärt Dr. Schreiber. Aufgrund ihres niedrigen Schmelzpunktes und der hohen Benetzbarkeit eignen sich selbstfließende Fülldrahtlegierungen auf Nickelbasis hervorragend für dieses Verfahren. Der überzeugenden Auftragsleistung beim Lichtbogendrahtspritzen steht normalerweise eine verfahrensbedingte hohe Porosität von 10-15% (bei Hartlegierungen) gegenüber, die DURUM jedoch durch eine Modifikation der Fülldrähte auf unter 3% senken konnte. Die Schichtqualität reicht damit – wie auch Verschleißuntersuchungen in unabhängigen Universitätsinstituten belegen – nahe an die Eigenschaften von Überzügen heran, die mit dem wesentlich teureren HVOF-Spritzen erzielt wurden. Welche Erfolge, so sinnierten die DURUM-Techniker, verspräche dann wohl erst eine Verbindung mit dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das sich dank seiner hohen Partikelgeschwindigkeiten durch gesteigerte Auftragsraten und besonders gute Schichtqualitäten auf rauhen Oberflächen auszeichnet? Zusammen mit zwei Wissenschaftlern von der Technischen Universität in Chemnitz ging Dr. Schreiber der Frage auf den Grund. Die Ergebnisse waren überzeugend und sind vergleichbar mit HVOF-gespritzten Überzügen. Ein wesentlicher Vorteil des Hochgeschwindigkeits-Flammdrahtspritzens (HVCW – High Velocity Combustion Wire) liegt im unkomplizierten Handling: Neben einer ausgezeichneten Förderbarkeit des Spritzzusatzes schmilzt der Draht einfach und sauber an der heißesten Stelle ab. Im Vergleich zu HVOF-gespritzten Überzügen aus WC-Co-Cr sind die mit Fülldrähten erzeugten Schichten glatt und korrosionsbeständiger.

Qualität und Wirtschaftlichkeit durch
maßgeschneiderte Fülldrahtproduktion

Vergleichsweise einfach ist auch die Herstellung der Fülldrähte. Die pulverförmigen Füllwerkstoffe werden zunächst mit Hilfe einer digitalen Einwaage im richtigen Mengenverhältnis zusammengeführt. Ein Computer prüft nochmals die exakte Übereinstimmung mit dem jeweiligen Rezept. In einem Industriemischer gründlich vermengt, gelangt der Werkstoff in die Pulveraufnahme der Fülldraht-Herstellungsanlage. „Die haben wir – wie jede unserer Produktionsmaschinen – selbst entwickelt und entsprechend den hier vorliegenden Anforderungen gefertigt“, erklärt Dr. Schreiber. Je nach gewünschtem Legierungstyp wird ein Metallband auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis eingelegt. Das Band nimmt in der Maschine durch Aufbiegen der Seiten eine U-Form an. Die so entstandene Rinne wird mit dem Pulvergemisch gefüllt und geschlossen. Beim Durchlaufen mehrerer Ziehstationen reduziert sich der Umfang des Metallschlauches allmählich auf den gewünschten Durchmesser.

Manche Legierungen verlangen anschließend noch eine Wärmebehandlung im Ofen, etwa um Spannungen zu eliminieren. Den fertigen Fülldraht erhält der Kunde je nach Wunsch auf kleine Spulen (15kg) aufgewickelt oder in einem – Rüstzeiten sparenden – 250-kg-Fass.

Spritzpulverqualität als Schlüssel für hohe Auftragsraten

Jeder Produktionsschritt wird bei DURUM per Computer kontrolliert und lückenlos dokumentiert. Das gilt selbstverständlich auch für die Herstellung der Wolframkarbidpulver für das Thermische Spritzen. Die erreichten Auftragsraten hängen entscheidend von Qualität und Verteilung der Rohstoffe sowie von den Korngrößen ab. Nach einer eingehenden Untersuchung werden die Grundmaterialien in einem Attritor gerührt und nass gemahlen, wobei sich bereits Kobalt- und Wolframkarbidpartikel mechanisch verklammern. In einem Sprühturm wird das Gemisch mittels eines Gebläses verwirbelt. Dabei kleben die Teilchen unter Zugabe von Alkohol als Bindemittel zu kleinen Kugeln zusammen, deren Dichte beim darauf folgenden Sintern noch steigt. Durch spezielle Sintertemperaturen und -zeiten lassen sich entsprechend der einzelnen Hochleistungsspritzprozesse die physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Spritzzusätze gezielt verändern. Damit wird auf die resultierende Auftragsleistung beim Spritzprozess positiv Einfluss genommen. Die unter dem Wärmeeinfluss entstandenen Sinterkuchen zerkleinert der Backenbrecher in Stücke von maximal 25 mm Durchmesser. Verschiedene weitere Brecher bearbeiten den Werkstoff so lange, bis der Partikeldurchmesser unter 100 µm liegt. Dann erfolgt die Endfraktionierung in einem Windsichter. Die Partikel werden schonend mit Hilfe eines Luftstroms sortiert, der sie je nach Gewicht weiter oder weniger weit fliegen lässt. Die richtige Auswahl der erforderlichen Partikelverteilung bestimmt neben der richtigen Schüttdichte das Spritzergebnis und damit den Erfolg beim Thermischen Spritzen. „Wichtig ist eine perfekt gleichmäßige Körnung in der für die jeweilige Anwendung exakt richtigen Größe“, erklärt Dr. Schreiber.

Spezialprodukte auch in kleinen Mengen

„Wir bieten unseren Kunden maßgeschneiderte Lösungen“, erläutert DURUM-Geschäftsführer Peter Knauf, „und das weltweit.“ Dabei gilt es, alle Bedingungen in die Überlegungen einzubeziehen, die beim Einsatz der Spritzwerkstoffe eine Rolle spielen könnten – etwa die hohe Luftfeuchtigkeit an einer Produktionsstätte in Asien. Um ganz sicher zu sein, beschichtet DURUM in der Regel zunächst ein Probewerkstück, das der Kunde testet. Nach positivem Verlauf und Klärung aller erforderlichen Randbedingungen erfolgt meistens die Auftragserteilung. Die Produktpalette von DURUM umfasst mittlerweile über 300 verschiedene typische Legierungen. Für die vielen Spezialanwendungen sind Fülldrähte ideal, weil sie sich auch in kleinen Mengen wirtschaftlich produzieren lassen. Dabei kann die global agierende Unternehmensgruppe immer öfter auf vorhandenes Know-how zurückgreifen. Dank einer lebendigen Kommunikation zwischen den über vier Kontinente verteilten Standorten lässt sich schnell herausfinden, ob eine andere Niederlassung schon einmal einen ähnlichen Fall erfolgreich gelöst hat.

GTS als Forum für Wissenstransfer

Erfahrungsaustausch ist für DURUM von großer Bedeutung – ob betriebsintern, mit Partnerfirmen, Universitäten oder industriellen Anwendern. So ist das Unternehmen seit Februar 1998 förderndes Mitglied der GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V., einem ursprünglich deutschen, inzwischen internationalen Zusammenschluss von 110 Anwendern und Förderern des Thermischen Spritzens. „Der Kontakt mit den Mitgliedern dieser Vereinigung hilft uns, kundennah zu operieren“, ist Peter Knauf überzeugt. „Einerseits erhalten wir neue Anregungen für interessante Werkstoffentwicklungen. Andererseits geben wir natürlich unsere aktuellen Forschungsergebnisse an die GTS-Mitglieder weiter“; zum Beispiel die bahnbrechenden Erfolge beim Hochgeschwindigkeits-Flammespritzen mit Fülldrähten.

Autorin: Simone Arends

Weitere Informationen sind erhältlich bei

GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V.
Werner Krömmer
c/o Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas
Carl-von-Linde-Str. 25, D-85716 Unterschleißheim
per Fax: +49-(0)89-31001-5364
per E-Mail: info@gts-ev.de
Internet: www.gts-ev.de

DURUM Verschleiß-Schutz GmbH
Gladbacher Straße 326
47805 Krefeld
Im Internet unter: http://www.durum.de 

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