Optimierung der Dichte, Dicke und Oberflächenrauheit
APS-gespritzter Chromoxidkorrosionsschutzschichten

von: Martin Erne

Inhaltsverzeichnis III

1 Einleitung und Aufgabenstellung  1

2 Verfahren des thermischen Spritzens  3

2.1 Geschichte und Entwicklung des thermischen Spritzens 3
2.2 Vorgang des Plasmaspritzens und Geräteaufbau  5

3 Beeinflussung von Bauteilen durch Verschleiß und Korrosion  10

3.1 Reibung und Verschleiß 10
3.2 Korrosion 12
3.3 Heißgaskorrosion und Oxidation 13

4 Angewendete Methoden und Verfahren 16

4.1 Statistische Versuchsplanung und Ergebnisauswertung  16

4.1.1 Eigenschaften teilfaktorieller Versuchspläne  16
4.1.2 Auswertung teilfaktorieller Versuchspläne  18

4.1.2.1 Varianzanalyse  18

a) Grundlagen  18
b) Anwendung der Varianzanalyse auf Versuchsergebnisse 19

4.1.2.2 Multiple Regressionsanalyse 22

a) Grundlagen  22
b) Berechnung der Regressionspolynome von teilfaktoriellen Versuchsplänen  23
c) Signifikanzprüfung und Reduzierung des Regressionspolynomes 27

4.2 Vorbehandlung der Substrate  28

4.2.1 Arten der zwischen Spritzpartikel und Substratoberfläche wirkenden Bindungskräfte  28
4.2.2 Maschinelle Vorbehandlung  30
4.2.3 Sandstrahlen  31
4.2.4 Chemische Reinigung und Entfetten  33
4.2.5 Verwendete Gerätschaften 33

4.3 Beschichtung  36

4.3.1 Verwendete Gerätschaften 36
4.3.2 Versuchsdurchläufe zur Feststellung der erreichbaren Parameterwerte  38
4.3.3 Durchführung der Beschichtung nach dem Versuchsplan  39

4.4 Untersuchungsmethoden 39

4.4.1 Oberflächenrauheitsmessung nach DIN 4768 39

4.4.1.1 Zielsetzung 39
4.4.1.2 Grundlagen  40
4.4.1.3 Das Tastschnittverfahren nach DIN 4772  41
4.4.1.4 Verwendete Gerätschaft  44

4.4.2 Bestimmung der Schichtdicke  45
4.4.3 Ermittlung der Schichtporosität 45

4.4.3.1 Eigenschaften der in Beschichtungen auftretenden Poren  45
4.4.3.2 Zur Ermittlung der Porosität angewendete Methoden 46

a) Schliffpräparation 46
b) Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung der Schliffe  48

5 Ergebnisse und Diskussion 55

5.1 Analyse des für die arithmetische Mittenrauheit Ra der Beschichtungen errechneten Modells  55

5.1.1 Überprüfung der Adäquatheit  55

5.1.1.1 Auftragen der Messwerte über den Schätzwerten  56
5.1.1.2 Darstellung und Beurteilung der Residuenplots 57

5.1.2 Untersuchung der die Antwortgröße Ra beeinflussenden Parameter und Wechselwirkungen  60

5.1.2.1 Bewertung der Ergebnisse anhand von Charts und Plots  60
5.1.2.2 Bewertung der Antwortflächen und Antwortkonturen  66

a) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x1x3 67
b) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x1x4 69
c) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x2x4 71
d) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x3x5 73

5.2 Analyse des für die gemittlete Rauhtiefe RZ der Beschichtungen errechneten Modells 75

5.2.1 Überprüfung der Adäquatheit 75

5.2.1.1 Auftragung der Messwerte über den Schätzwerten 75
5.2.1.2 Darstellung und Beurteilung der Residuenplots  76

5.2.2 Untersuchung der die Antwortgröße mittlere Rauhtiefe RZ beeinflussenden Parameter und Wechselwirkungen  78

5.2.2.1 Bewertung der Ergebnisse anhand von Charts und Plots  78
5.2.2.2 Bewertung der Antwortflächen und Antwortkonturen  82

a) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x1x3 82
b) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x3x5 84
c) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x3x4 85

5.3 Analyse des für die Porosität der Beschichtungen errechneten Modells  86

5.3.1 Überprüfung der Adäquatheit 86

5.3.1.1 Auftragung der Messwerte über den Schätzwerten 86
5.3.1.2 Darstellung und Beurteilung der Residuenplots  87

5.3.2 Untersuchung der die Antwortgröße Porosität beeinflussenden Parameter und Wechselwirkungen 90

5.3.2.1 Bewertung der Ergebnisse anhand von Charts und Plots  90
5.3.2.2 Bewertung der Antwortfläche und Antwortkonturen  94

5.4 Analyse des für die Schichtdicke errechneten Modells 95

5.4.1 Überprüfung der Adäquatheit 95

5.4.1.1 Auftragung der Messwerte über den Schätzwerten 95
5.4.1.2 Darstellung und Beurteilung der Residuenplots  97

5.4.2 Untersuchung der die Antwortgröße Schichtdicke beeinflussenden Parameter und Wechselwirkungen 98

5.4.2.1 Bewertung der Ergebnisse anhand von Charts und Plots  98
5.4.2.2 Bewertung der Antwortflächen und Antwortkonturen 104

a) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x1x5  104
b) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x1x4  105
c) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x2x5  106
d) Bewertung des Wechselwirkungseffektes x3x4  108

6 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick 111

7 Danksagung  113

8 Literaturverzeichnis 115

9 Anhang 119

Abstract

In the context of this work coatings of chromium (III) oxide were applied on substrates of structural steel St 37 by air plasma spraying. An experimental design of the type 25-1 was set up and the choice of the levels of the process parameters substrate roughness, power of the plasma, feed rate and grain size of the spraying material as well as the spraying distance was specified according to the pattern given by the experimental design. The values of the roughness parameters Ra and RZ, the values of the porosity and the realised thickness of the coatings were measured and analysed as characteristic properties depending on the spraying parameters. The methods used for the determination of these coating criteria were the measurement of the surface roughness according to the german norm DIN 4768, the counting of the porosity with the help of computer-aided image analysis of samples beeing scrutinised by scanning electron microscopy, and the difference measurement of the thickness between the uncoated and coated substrate. The statistical software package STATGRAFICS Plus© was used to process the data of the measurement results by performing multiple regression and variance analyses. The accuracy of the calculated models was examined and the influence of the main factors and the interactions between those factors on the dependent layer criteria were discussed. It could be proven, that the experimental design is well suitable for the optimisation of layer characteristics in the field of the plasma spraying technology. In order to reach finally an optimisation of the mentioned layer characteristics for the purpose aimed in each particular case, further test series basing on the results of this work would be necessary.

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden durch atmosphärisches Plasmaspritzen Schichten von Chrom-(III)-oxid auf Stahlsubstrate St 37 aufgebracht. Ein statistischer Versuchsplan vom Typ 25-1 wurde aufgestellt und die Wahl der Niveaus der Prozessparameter Substratrauheit, Plasmaleistung, Förderrate und Korngröße des Spritzwerkstoffes sowie Spritzabstand nach dem durch den Versuchsplan vorgegebenen Schema festgelegt. Als von den Spritzparametern abhängige Schichtkriterien wurden die Werte der arithmetischen Mittenrauheit Ra und der gemittelten Rauhtiefe RZ, die Werte der Porosität und der realisierten Dicken gemessen und analysiert. Die Antwortgrößen ergaben sich aus Messungen der Oberflächenrauheit nach DIN 4768, der Berechnung der Porosität mit Hilfe einer rechnergestüzten Bildanalyse an rasterelektronisch untersuchten Querschliffen, und der Differenzmessung der Dicke zwischem unbeschichtetem und beschichtetem Substrat mit einer Mikrometerschraube. Mit der Statistiksoftware STATGRAFICS Plus© wurden im Rahmen der Auswertung der Messergebnisse multiple Regressions- und Varianzanalysen durchgeführt. Die Adäquatheit der errechneten Modelle wurde überprüft und der Einfluss der Hauptfaktorenwirkungen und Teilfaktorwechselwirkungen auf die abhängigen Schichtkriterien diskutiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass die statistische Versuchsplanung für die Optimierung von Schichteigenschaften im Bereich der Plasmaspritztechnik gut geeignet ist. Um letztendlich eine Optimierung der genannten Schichtkriterien für den jeweils angestrebten Zweck zu erreichen, wären weitere Versuchsreihen notwendig, die auf den gewonnenen Erkenntnissen aufbauen.

1 Einleitung und Aufgabenstellung

Die Beschichtung von Werkstücken mit Chromoxid als Schutzüberzug vor Korrosion und Ver- schleiß spielt im Bereich des Maschinenbaus eine große Rolle. Der Verlust, der der damals westdeutschen Volkswirtschaft aufgrund von Korrosions- und Verschleißphänomenen entstand, wurde Ende der 80´er Jahre auf rund 5% des Bruttosozialproduktes, entsprechend rund 75 Mrd. DM jährlich geschätzt (Lu, 1989). Darum wird stetig nach geeigneten Lösungen gesucht, die Wirkung der das Werkstück schädigenden Mechanismen zu unterbinden. Chromoxid kommt in diesem Feld zum Einsatz, da es sich durch seine hohe Härte von rund 2300 HV0,05 (Heimann, 1996) und seine Resistenz gegenüber einer breiten Palette chemischer Reagenzien auszeichnet.

Die günstigen Eigenschaften des Chromoxids ermöglichen einen Einsatz auf beweglichen Teilen wie Rollen und Lagern in der Papier- und Textilindustrie sowie in der Erzaufbereitung. Auch in Dieselmotoren werden Chromoxidbeschichtungen als Schutz vor korrosiven Ablagerungen, die bei der Verbrennung von Treibstoffen minderer Qualität entstehen, eingesetzt. Der hohe Schmelzpunkt der Oxidkeramik von 2435 °C (Schröter, 1990) erfordert einen Verarbeitungsprozess, der große Energiemengen kontinuierlich liefern kann. Das atmosphärische Plasmaspritzen mit seinen erreichbaren Temperaturen von bis zu 15.000 K (Heimann, 1996) bietet sich deswegen als Methode an und wird in den Prozesslinien der genannten Industrien eingesetzt. Die Globalisierung der Märkte hat zur Folge, dass der auf dem produzierenden Gewerbe lastende Konkurrenzdruck stetig wächst. Deswegen wird eine beständige Weiterentwicklung vor allem der qualitativen Eigenschaften eines Produktes angestrebt, denn ein Verharren auf einer einmal erreichten Stufe bedeutet heutzutage einen Rückschritt, der ein Unternehmen gegenüber der Konkurrrenz schnell ins Hintertreffen geraten lässt. Um eine bestmögliche Optimierung eines Produktes bei gleichzeitig geringstmöglichem Aufwand an Zeit und Ressourcen zu erreichen, bietet sich die Methode der statistischen Versuchplanung an. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, bei einer reduzierten Anzahl an Versuchen eine Vielzahl an Aussagen über das Einwirken mehrerer frei wählbarer Prozessparameter auf bestimmte Produkteigenschaften zu treffen. Das Verfahren bietet damit deutliche Vorteile gegenüber der häufig praktizierten Einparametervariierung unter Konstanthalten der restlichen Vefahrensparameter. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Optimierung der Oberflächenrauheit sowie der Porosität und Dicke der mit atmosphärischem Plsmaspritzen aufgebrachten Chromoxidschutzschichten angestrebt. Dazu wurde die Beschichtung nach der Vorgabe eines teilfaktoriellen Versuchplans vom Typ 25-1 mit einem Plasmaspritzgerät der Firma Plasmatechnik AG des mineralogischen Instituts der Bergakademie Freiberg durchgeführt.

Im Anschluss daran erfolgte die Auswertung der Schichteigenschaften unter Nutzung der Ressourcen des mineralogischen als auch des geologischen und metallkundlichen Instituts der TU Bergakademie Freiberg. Die zur Interpretation der Ergebnisse notwendigen Grundlagen der statistischen Versuchsplanung wie auch der angewendeten Analyseverfahren werden dargestellt. Thermisches Spritzen 3

2 Thermisches Spritzen

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