Zum Schutz vor abrasivem und erosivem Verschleiß gewinnt das Auftragschweißen immer mehr an Bedeutung, da mit verschleißbedingtem geplanten sowie ungeplanten Ausfall entsprechend verschleißbeanspruchter komplexer Maschinen und Großanlagen ein hoher volkswirtschaftlicher Verlust einhergeht. Für die Herstellung kostengünstiger Verschleißschutzpanzerungen haben sich als robuste Beschichtungsverfahren vor allem Metall-Schutzgas- (MSG-) und OpenArc- (OA-)Schweißprozesse etabliert [Pen08]. Mit diesen Verfahren werden üblicherweise Aufmischungsgrade von ca. 20-30 % erzielt, wobei im Regelfall die Schichtqualität mit zunehmender Aufmischung sinkt. Eine technisch-wirtschaftliche Zielstellung ist es daher, ein preiswertes MSG-Verfahren mit einem reduzierten erzielbaren Aufmischungsgrad zu kombinieren.
Insbesondere hochfeste Strukturbauteile konnten bisher nicht ohne einen massiven Verlust ihrer spezifischen Werkstoff- und Festigkeitseigenschaften in einem einstufigen Prozess schweißtechnisch beschichtet werden. In dieser Arbeit soll deshalb eine technologische Entwicklung der Beschichtungsprozesse in Abhängigkeit der Grund- und Zusatzwerkstoffeigenschaften sowie unter Berücksichtigung des späteren Einsatzzwecks erfolgen. Hierfür werden ausgewählte fülldrahtbasierte Hartlegierungen mit einem GKLB-Verfahren verarbeitet und anschließend metallografisch sowie tribosystemgerecht verschleißtechnisch qualifiziert und die Art des Werkstoffversagens dargestellt. Da GKLB-Prozesse in Hinsicht auf die Schweißprozessbedingungen besondere Anforderungen an die schweißtechnisch zu verarbeitenden Fülldrähte stellen, wird außerdem die Entwicklung spezieller Fülldrahtelektroden zur Herstellung von Verschleißschutzschichten vorgestellt. Zur Qualifikation der abrasiv-erosiven Verschleißeigenschaften der generierten Schichten werden Strahlverschleißuntersuchungen bei Raum- und unter höheren Temperaturen sowie ein Zweikörperabrasivverschleißtest mit feinen und feinsten Abrasivgütern unterschiedlicher Kornfraktionen durchgeführt, um hierdurch den Verschleißwiderstand des metallurgisch und schweißtechnisch eingestellten Gefüges in Abhängigkeit der angreifenden Korngröße über ein möglichst breites Analysespektrum darstellen zu können. Ergänzend werden vielversprechende Schichtverbunde einer korrosionstechnischen Prüfung unterzogen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Problemstellung
1.1. Ausgangssituation und Motivation
1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit
2. Verschleiß
2.1. Definition von Verschleiß
2.2. Verschleiß als tribologische Größe
2.3. Verschleißmechanismen
2.3.1. Abrasionsverschleiß
2.3.2. Adhäsionsverschleiß
2.3.3. Oberflächenzerrüttung (Ermüdungsverschleiß)
2.3.4. Tribochemischer Verschleiß (Tribooxidation) und kombinierte Verschleißformen
2.4. Verschleißart Strahlverschleiß
3. Strahlverschleißbeanspruchte Maschinen und Anlagenkomponenten
3.1. Strahl- und Prallmühlen
3.2. Zyklone und Sichter in der Abscheide- und Aufbereitungstechnik
3.3. Schleusen und Absperreinrichtungen
3.4. Ventilatoren
4. Konventioneller Verschleißschutz vor abrasiv-erosivem Verschleiß
4.1. Standardverschleißschutzwerkstoffe
4.1.1. Hartlegierungen auf Fe-Basis mit arteigenen Hartphasen
4.1.1.1. Fe-Cr-C-Basishartlegierungen
4.1.1.2. Fe-Cr-B-Basishartlegierungen
4.1.2. Hartlegierungen auf Fe-Basis mit artfremden Hartphasen
4.1.3. Hartlegierungen auf Ni-Basis
4.2. Standardverfahren zur Herstellung von Panzerungen
4.2.1. Plasma-Pulver-Auftragschweißen
4.2.2. Metall-Schutzgas- und OpenArc-Prozesse
5. Hochleistungsverschleißschutzsysteme
5.1. Entwicklung tribosystemangepasster Beschichtungswerkstoffe
5.1.1. Hartauftraglegierungen für feindisperse Gefügeausbildung
5.1.2. Pseudolegierungen mit hohem Hartphasenanteil
5.2. Geregelter Kurzlichtbogen-Prozess
5.2.1. Verschiedene GKLB-Verfahren im Vergleich
5.2.2. EWM-coldArc®-Prozess
6. Untersuchungen
6.1. Beschreibung der experimentellen Untersuchungsmethoden
6.1.1. Metallografische Untersuchungsmethoden
6.1.1.1. Lichtmikroskopische Untersuchungen
6.1.1.2. Mikroanalytische Untersuchungen zur Prüfung der Oberflächentopologie
6.1.2. Härteprüfung
6.2. Beschichtungsprozesstechnik
6.2.1. Anlagen- und Versuchsaufbau
6.2.2. Auftragschweißungen
6.3. Verschleißuntersuchungen
6.3.1. Verschleißprüfung unter abrasiv-erosiver Beanspruchung
6.3.1.1. Strahlverschleißprüfung
6.3.1.1.1 Edelkorund
6.3.1.1.2 Zementstaub
6.3.1.1.3 Quarzmehl
6.3.1.2. Hochtemperaturstrahlverschleißprüfung
6.4. Korrosionsuntersuchungen
6.4.1. Korrosion bei Industrieventilatoren
6.4.2. Kombinierte Abrasions-Korrosionsprüfung (Miller-Test)
6.5. Mechanisch-technologische Prüfung
7. Auswertungen und technisch-wirtschaftliche Bewertung
7.1. Schweißtechnische Qualifizierung und metallografische Auswertung
7.2. Verschleiß- und Korrosionsergebnisse
7.3. Leichtbaupotenzial
7.4. Technisch-wirtschaftliche Bewertung der Ergebnisse
7.4.1. Abschmelzleistungen und Ausbringungsraten
7.4.2. Schweißkostengesamtanalyse
8. Zusammenfassung und Ausblick
8.1. Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse
8.2. Schlussfolgerungen und Ausblicke
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, leistungsfähige Verschleißschutzsysteme für hochbelastete Strukturbauteile aus hoch- und ultrahochfesten Feinkornbaustählen durch den Einsatz moderner, energiearmer Schweißverfahren zu entwickeln, um das Leichtbaupotenzial zu steigern und gleichzeitig die Verschleißbeständigkeit unter feinabrasiv-erosiver Beanspruchung zu gewährleisten.
- Entwicklung tribosystemangepasster Verschleißschutzlegierungen und Fülldrahtelektroden.
- Einsatz geregelter Kurzlichtbogen-Prozesse (GKLB) zur Reduzierung der thermischen Schädigung.
- Qualifizierung der Beschichtungen durch Strahlverschleiß- und Korrosionsprüfungen.
- Technisch-wirtschaftliche Bewertung und Analyse des Leichtbaupotenzials für Industrieventilatoren.
Auszug aus dem Buch
2.4. Verschleißart Strahlverschleiß
In vielen industriellen Anwendungen wie zum Beispiel in pneumatischen Förderanlagen, der Stahl- oder Zementherstellung tritt die Verschleißart des Strahlverschleißes auf. Der Verschleiß zeigt sich beispielsweise auf den Schaufeltragflächen entsprechender Förderventilatoren oder in (partikelbeaufschlagten) fluidführenden Förderleitungen. Aufgrund der gegenüber anderen Verschleißarten relativ hohen Verschleißraten und der daraus folgenden großen wirtschaftlichen Bedeutung wurde dieses Gebiet des Verschleißes schon frühzeitig intensiv untersucht. Elementarer Prozess beim Strahl- beziehungswiese Erosionsverschleiß ist der unter einem beliebigen Beanspruchungswinkel auftretende Teilchenstoß gegen eine Werkstoffoberfläche, wodurch der Werkstoff elastisch oder elastisch-plastisch verformt wird.
Die durch ein gasförmiges Medium geführten stoßenden und furchenden Feststoffpartikel treffen auf die Oberfläche und rufen einen erosiv-abrasiven Verschleißabtrag hervor.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung und Problemstellung: Beschreibung der volkswirtschaftlichen Bedeutung von Verschleiß und Motivation zur Entwicklung von Leichtbau-Verschleißschutzsystemen.
2. Verschleiß: Theoretische Grundlagen zu Verschleißdefinitionen, -mechanismen und deren tribologischer Einordnung.
3. Strahlverschleißbeanspruchte Maschinen und Anlagenkomponenten: Identifikation relevanter Einsatzgebiete wie Mühlen, Sichter und Ventilatoren, die unter Strahlverschleiß leiden.
4. Konventioneller Verschleißschutz vor abrasiv-erosivem Verschleiß: Analyse bestehender Werkstoffkonzepte und Beschichtungsverfahren sowie deren Nachteile für hochfeste Stähle.
5. Hochleistungsverschleißschutzsysteme: Entwicklung neuartiger Werkstoffe und Einführung des geregelten Kurzlichtbogen-Prozesses (GKLB) zur prozessgerechten Beschichtung.
6. Untersuchungen: Detaillierte Darstellung der experimentellen Methoden zur Qualifizierung der Beschichtungen, inkl. Härte- und Verschleißprüfungen.
7. Auswertungen und technisch-wirtschaftliche Bewertung: Zusammenführung der Ergebnisse und ökonomische Analyse des GKLB-Verfahrens im Vergleich zu konventionellen Methoden.
8. Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der erreichten Verbesserungen und Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen.
Schlüsselwörter
Strahlverschleiß, Erosionsverschleiß, Auftragschweißen, GKLB, Kurzlichtbogen, Hartlegierung, Fülldraht, Strukturleichtbau, Feinkornbaustahl, Tribologie, Verschleißschutz, Schichtqualität, Werkstoffversagen, industrielle Anwendungsforschung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Bewertung von Hochleistungsverschleißschutzsystemen, die mittels moderner, energiearmer Schweißverfahren auf hochbelastete Strukturbauteile aufgebracht werden, um Verschleiß zu minimieren und Leichtbau zu ermöglichen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind Tribologie, Verschleißmechanismen, Schweißtechnik (insbesondere GKLB-Prozesse), Werkstoffkunde der Hartlegierungen und die technisch-wirtschaftliche Bewertung von Panzerungen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Erhöhung der Standzeit von Maschinenkomponenten bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung durch direktes Beschichten von hochfesten Feinkornbaustählen, ohne deren mechanische Eigenschaften negativ zu beeinflussen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt, darunter metallografische Schliffanalysen, Härteprüfungen sowie Strahlverschleiß- und Korrosionstests unter praxisnahen Bedingungen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst das theoretische Fundament zum Verschleiß, die Vorstellung konventioneller und neu entwickelter Verschleißschutzsysteme, die detaillierte Beschreibung der experimentellen Methoden sowie die Auswertung der Ergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Schlüsselbegriffe sind Strahlverschleiß, GKLB, Auftragschweißen, Hartlegierungen, Strukturleichtbau, Feinkornbaustahl und Tribologie.
Wie unterscheidet sich der GKLB-Prozess von konventionellen MSG-Verfahren?
Der GKLB-Prozess zeichnet sich durch einen deutlich reduzierten Energieeintrag und eine gezielte Tropfenablösung aus, was die thermische Grundwerkstoffbeeinflussung minimiert und ein aufmischungsarmes Beschichten ermöglicht.
Warum ist das Leichtbaupotenzial der entwickelten Systeme so relevant?
Durch die direkte Beschichtung hochfester Stähle entfällt die Notwendigkeit schwerer Schleißbleche, was das Gesamtgewicht der Bauteile, wie z.B. bei Industrieventilatoren, signifikant reduziert und Betriebskosten senkt.
- Arbeit zitieren
- Marvin Hecht (Autor:in), 2017, Qualifizierung und technisch-wirtschaftliche Bewertung von Hochleistungsverschleißschutzsystemen zum Einsatz unter feinabrasiv-erosiver Beanspruchung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/446662
