Verschleißfeste Beschichtungen von Aluminium-Stahl-Hybridstrukturen mittels thermischerSpritztechnikSpraying of wear-resistant coatings of aluminium-steel-hybrid-structures

W. Tillmann, E. Vogli, B. Ruther

Mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens werden Alumini-um-Hybridstrukturen aus Al Zn 5,5 Mg Cu 1,5 (ENAW7075)und einer NiCrBSi Schicht bzw. einer Cr3C2 25NiCr-Schicht er-zeugt. Die beiden Hybridstrukturen werden metallographischund metallurgisch hinsichtlich Harte, Oberflachenrauhigkeit, Ver-schleißbestandigkeit und Schichtdichte untersucht und miteinanderverglichen.

Schlusselworte: Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Alumi-nium-Stahl-Verbundwerkstoff, Hybridstruktur, Verschleißschutz-schicht, Haftfestigkeit

By means of high velocity oxy fuel flame spraying of aluminium-hybrid-structures consisting of a Al Zn 5,5 Mg Cu 1,5 (ENAW7075)and a NiCrBSi-coating as well as a Cr3C2 25NiCr- coating are man-ufactured.

The hybrid composite structures are analysed and compared witheach other regarding to hardness, surface roughness, wear-resist-ance and coating density.

Key words: Wear-protection coating, aluminium-steel-compo-site material, hybrid-structure, adhesive strength, high velocityoxy fuel flame spraying

1 Thermisches Spritzen

Erhohte Anforderungen hinsichtlich tribologischer, thermi-scher und mechanischer Eigenschaften an Werkstoffe undBauteile erfordern die Entwicklung neuartiger, innovativerWerkstoffsysteme. Eine erfolgversprechende Losungsmog-lichkeit bieten Verbundwerkstoffe bzw. Werkstoffverbunde,die verschiedenartige Werkstoffe in einem System vereinigen.In diesem Forschungsprojekt werden neuartige Aluminium-Stahl-Hybridstrukturen konzipiert und entwickelt, die sichdurch ein geringes spezifisches Gewicht bei gleichzeitig ho-her Festigkeit auszeichnen.

Der Einsatz dieser Art der Verbundwerkstoffsysteme in Be-reichen der Automobil- und Maschinenbaubranche stellt be-sondere Anforderungen an die Verbundwerkstoffeigenschaf-ten insbesondere die Verschleißbestandigkeit. Aufgrund derunterschiedlichen Harten und des unterschiedlichen Ver-schleißverhaltens der Verbundpartner Aluminium und Stahl,werden die Verbundpartner unterschiedlich stark abgetra-gen/beansprucht. Wahrend Aluminiumlegierungen Festigkei-ten bis zu 700 N/mm2 aufweisen, besitzen Stahle mit einermaximalen Festigkeit von 2200 N/mm2 eine um ca. 85 % ge-ringere lineare Verschleißrate in trockenen Medien. Dies hatzur Folge, dass unter hoher Verschleißbeanspruchung der wei-che Aluminiumwerkstoff sehr schnell abgetragen wird, wah-rend der Stahlwerkstoff weniger schnell verschleißt, worauseine ungleichmaßige Oberflache und Furchungsverschleiß re-sultiert. Besteht zugleich eine unzureichende Verbindung derVerbundpartner untereinander kommt es zu Delaminationenund somit einer Schwachung der Werkstoffverbundfestigkeit.

Um die vorteilhaften Eigenschaften dieser neuartigenWerkstoffgruppe einsetzen zu konnen, mussen die Werkstof-foberflachen durch geeignete Modifizierung dem Anforde-rungsprofil angepasst werden. Eine Art der Oberflachenmo-difizierung ist die Anwendung von Verschleißschutzschichtenkombiniert mit einer gleichzeitigen Korrosionsschutzwirkungfur Aluminium-Stahl-Hybride.

Der Schwerpunkt in diesem Graduiertenkolleg-Projektliegt auf der Erforschung und Entwicklung geeigneter Ver-schleißschutzschichten mittels thermischer Spritztechnikund somit der Verbesserung des Verschleißverhaltens vonAluminum-Werkstoffverbunden. Um dieses Ziel zu erreichen,werden neuartige Spritzschichten entwickelt, die die ange-strebten Anforderungsspezifikationen unter Extrembedingun-gen erfullen konnen. Aufgrund niedriger thermischer Belas-tung fur das Substrat wird das Hochgeschwindigkeitsflamm-spritzen eingesetzt.

Das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF-HighVelocity Oxy Fuel) ist ein Verfahren des thermischen Sprit-zens, das hohe kinetische und moderate thermische Energieverwendet, um dichte Schichten mit geringer Porositat undhoher Haftzugfestigkeit herzustellen.

Um eine gute Adhasion zwischen Grundwerkstoff und Be-schichtung zu erreichen, ist die Oberflachenvorbehandlungdes Grundwerkstoffs von entscheidender Bedeutung, DieserAspekt der Vorbehandlung wird innerhalb des Projektes eben-falls intensiv untersucht.

Fur den Beschichtungsprozess sind grundlegende Frage-stellungen zu klaren, die sich unter anderem ausgehend ausden unterschiedlichen Warmeleitfahigkeiten von Aluminiumund Stahl ergeben (Al: max. 230 Wm-1K-1; Stahl: max.50 Wm-1K-1). Die Warmeleitfahigkeiten beeinflussen maß-geblich die Partikelerstarrung und Partikelwarmeubertragungan der Oberflache wahrend des Beschichtungsprozesses, sodass unterschiedliche Morphologien innerhalb einer Schichtentstehen konnen bzw. bei entsprechender Prozessfuhrung ge-zielt erzeugt werden konnen. Derartige Fragen und Problem-stellungen werden in diesem Forschungsprojekt systematischuntersucht. Die zu entwickelnden Schichtsysteme werden dasEinsatzverhalten der neuen Aluminium-Stahl-Hybridstruktu-ren verbessern und deren Einsatzspektrum nachhaltig erwei-tern.

Dichte, verschleißfeste, harte, reibungsmindernde und kor-rosionsbestandige Schichten mit einer hohen Haftung auf den

DOI: 10.1002/mawe.200800332 Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2008, 39, No. 9

638 F 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

neuen Aluminium-Hybridmaterialien stellen das ubergeord-nete Forschungsziel dar.

2 Stand der Forschung

Die Technologie des thermischen Spritzens ermoglicht dieErzeugung von Schichtsystemen auf fast allen Substratwerk-stoffen. Grundvoraussetzung fur einen spritzfahigen Werk-stoff ist eine stabile schmelzflussige Phase [1]. Jedoch konnenmaßgeschneiderte, funktionelle Schichtsysteme nur dann er-zielt werden, wenn Bauteildesign und Verfahrenstechnik andas angestrebte Eigenschaftsprofil angepasst werden.

Fur Al-Legierungen wurden bereits verschiedene Be-schichtungsarten und –verfahren untersucht. In Abhangigkeitvon der Zielsetzung und Art der Anforderungen an die Ober-flache konnten verschiedene Spritzverfahren zur Beschich-tung von Al-Legierungen erfolgreich genutzt werden. Lesterund Marantz [2, 3] haben mittels des Sonarc-Hybridverfah-rens (Prozesskombination zwischen Lichtbogen- und Hoch-geschwindigkeits-flammspritzen) verschleißfeste SiC-parti-kelverstarkte Leichtmetallschichten auf Al-Basis abgeschie-den. Dadurch wurde im Vergleich zu unbeschichteten Al-Substraten eine deutliche Steigerung der Verschleißbestandig-keit erreicht. Durch den Einsatz von SiC- und TiC-hartparti-kelhaltigen Schichten, abgeschieden mittels atmospharischenPlasmaspritzens, erzielten Lugscheider et al. und Ghosh et al.[4, 5] eine dreifach erhohte Lebensdauer von AlSi12-Substrat-werkstoffen. Bach et al. [6] haben mit dem gleichen VerfahrenAl2O3/Al-Schichten auf Al-Legierungen gespritzt und Haft-zugfestigkeitswerte bis zu 20 MPa ermittelt, was allerdingsaus technischer Sicht noch nicht befriedigen kann. Die Haft-zugfestigkeiten der abgeschiedenen harten Schichten auf Al-Substraten sind etwa dreimal niedriger als die Haftzugfestig-keiten gleicher Schichten abgeschieden auf Stahlsubstraten[7].

Der Grund dafur liegt in der hohen Affinitat des Alumini-ums zu Sauerstoff. Die Al-Oberflachen neigen zur Bildungeiner dunnen, aber festhaftenden, passiven Oxidschicht, diedie Haftung der Spritzschicht reduziert. Matthes et al. [8] ge-lang es durch den Einsatz von Haftvermittlerschichten wieNiCr oder NiAl die Haftung zwischen der Al-Legierungdes Grundwerkstoffs und der abgeschiedenen Schichten deut-lich zu verbessern. Da die Haftmechanismen auf mechani-scher Verklammerung basieren, sind die Haftfestigkeitenauch derartiger Schichten allerdings begrenzt. Eine weitereMoglichkeit, die Haftung zu verbessern, ist die Zerstorungder Oxidschicht und zeitgleiches partielles Verschweißen.Ein derartiger Effekt kann durch Spritzverfahren mit hoherkinetischer Partikelenergie wie dem Detonationsspritzenoder dem HVOF-Prozess ausgelost werden [9]. Korrespondie-rende Beschichtungsversuche mit beiden Verfahren an Al-Si9Mg zeigten, dass die abgeschiedenen Al/FexOy-Schichtenbei tendenziell kohasivem Versagen Haftfestigkeiten bis zu 40MPa erreichen.

An der Universitat Dresden erarbeiteten Wissenschaftler[10] vorteilhafte Losungen, um die Verschleißbestandigkeitvon Al-Werkstoffen zu erhohen sowie auch die Haftung derabgeschiedenen Schichten (Al2O3/ WC / TiO2 - AlSi12) zuverbessern. Dies erzielten sie durch die Anwendung einesflussmittelfreien Plasma-Pulver-Auftraglotprozesses. Gegen-uber unbeschichtetem Substrat erreichten sie eine ca. zwei-bis dreißigfache Erhohung der Verschleißbestandigkeit in Ab-hangigkeit von Hartstoffanteilen und -arten.

3 Experimentelles

Fur die eigenen Untersuchungen wurden Rundproben mitden Abmessungen Ø40 mm x 6 mm fur Verschleißuntersu-chungen und Flachproben mit den Abmessungen 50 mm x70 mm x 6 mm fur Rauhigkeitsmessungen und metallographi-sche Untersuchungen beschichtet.

Vor dem Beschichtungsprozess wird die Oberflache desAluminiumsubstrates Al Zn 5,5 Mg Cu 1,5 (ENAW7075)mit Edelkorund F24 (Korngroße 600 –850lm, Fa. Munk &Schmitz) und einem Abstand von 100 mm bei 3 bar vorge-strahlt, in einem Ethanol-Ultraschallbad fur 20 Minuten gerei-nigt und abschließend in einem Warmeschrank bei 120 �C biszum Beschichtungsprozeß vorgewarmt.

NiCrBSi-Pulver (Korngroße -53 +20lm, Fa. GTV) undCr3C2 25NiCr-Pulver (Korngroße -45 +15 lm, Fa. SulzerMetco) werden eingesetzt und mittels Hochgeschwindigkeits-flammspritzens auf ein Aluminium (Al Zn 5,5 Mg Cu 1,5/ENAW7075) Substrat aufgebracht.

Alle Versuche werden mit einer Hochgeschwindigkeits-flammspritzanlage (Typ WokaJet 400, Fa SULZER METCO)mit angeschlossener Pulverfordereinheit (Typ TWIN-120-A/H 1.0, Fa SULZER METCO) durchgefuhrt. Die werkstoffspe-zifischen Spritzparameter sind in Tabelle 1 aufgelistet.

Die beschichteten Proben werden in metallographischerHinsicht auf Harte, Porositat, Oberflachenrauhigkeit, Schicht-

Tabelle 1. Spritzparameter

Table 1. Spray-parameter

Pulverzusammensetzung Cr3C2 25NiCr NiCrBSi

Pulver 80.15.1 WOKA 7302

Hersteller GTV Sulzer Metco

Partikelgroßenverteilung [lm] -53 +20lm -45 +15 lm

Dusengeometrie [inch] 6 / 8 4 / 6

O2 [l/min] 810 854

Kerosene [l/h] 22,7 21,8

Anzahl der Pulverforderer 2 2

Ruhrwerk [%] 50 50

Pulverfordergas Nitrogen Nitrogen

Pulverfordergasdurchflussmenge[slpm]

9,2 11,4

Pulverforderrate [g/ min] 2 x 35 2 x 35

Forderscheibengeschwindigkeit[%]

12 10

Abscheiderate(1 Forderer)at 20 % FDV [g/min]

61 g/min 72 g/min

Forderdruck [bar] 6,8 7,2

Spritzabstand [mm] 355 380

Geschwindigkeit in x-Achse[mm/min]

30000 30000

Abschnitt auf x-Achse [mm] 230 230

Geschwindigkeit in y-Achse[mm/min]

30000 30000

Abschnitt auf y-Achse [mm] 5 5

Druck des Kuhlungsstroms [bar] 4 4

Anzahl der Uberlaufe 6 6

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dicke, -morphologie und Volumenverlust mittels Lichtmikro-skopie, Rasterelektronenmikroskopie und digitaler Bildanaly-se untersucht.

Vor Beginn der Verschleißuntersuchungen werden die be-schichteten Proben auf eine identische Schichtdicke herunter-geschliffen und eine Oberflachegute von Rz 0,6 lm wird ein-gestellt, um den Einfluss der Oberflachenbeschaffenheit aufdie Verschleißmessungen zu reduzieren. Die Verschleißunter-suchungen werden mittels Tribometer (Typ PIN-DISC-MA-CHINE, Fa. CSEM) mit einer Kraft von 5 N auf einer Mess-strecke von 1000 m durchgefuhrt. Der Volumenverlust an denProben wird mittels 3D- Oberflachen-Profilometer (Typ Infi-niteFocus, Fa. Alicona) untersucht und bestimmt.

4 Ergebnisse

4.1 Pulver

Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen der bei-den verwendeten Pulver zeigen, dass das NiCrBSi- Pulvereine insgesamt spharische Teilchenform mit meist glatterund selten unebener Oberflache aufweist, die Korngroßenver-teilung liegt bei ca. 20 bis 50 lm (Bild 1).

Beim Cr3C2 25NiCr-Pulver liegen hauptsachlich auch spha-rische Partikel mit einer Partikelgroßenverteilung zwischen

15 und 45 lm vor. Jedoch ist zu erkennen, dass an einigenStellen Agglomeration bzw. Verschmelzung von feinen Teil-chen vorliegt (Bild 2).

4.2 NiCrBSi- bzw. Cr3C2 25NiCr -Aluminium-Werkstoffverbund

Das Hybrid-Schichtsystem aus NiCrBSi-Schicht undENAW7075-Substrat besitzt mit Rz 40,29 lm eine leicht ho-here Oberflachenrauhigkeit als das Cr3C2 25NiCr-Schichtsy-stem mit einer Rauhigkeit von Rz 38,58 lm.

Lichtmikroskopische und rasterelektronenmikroskopischeAufnahmen der Schichtquerschliffe (Bild 3, 4, 5, 6) zeigen,dass beide Schichten eine gute Verbindung mit dem Alumi-niumgrundwerkstoff eingegangen sind. Im Cr3C2 25NiCr-Ge-fugen haben sich im Gegensatz zum NiCrBSi-System, das nureinphasig vorliegt, zwei Phasen (hellgrau, dunkelgrau) ausge-bildet. Eine Phase beinhaltet Cr3C2 (dunkelgrau) und die rest-liche besteht aus 25NiCr.

Weiterhin weist die Kombination NiCrBSi-Aluminium miteiner Porositat von 3,78% � 0,67 und einer Vickersharte von929,1 HV0,1� 120,4 eine um 100 % hohere Porositat und um

Bild 1. REM-Aufnahme NiCrBSi-Pulver

Figure 1. REM-picture NiCrBSi-powder

Bild 2. REM-Aufnahme Cr3C2 25NiCr-Pulver

Figure 2. REM-picture Cr3C2 25NiCr-powder

Bild 3. Lichtmikroskopische Aufnahme NiCrBSi-Aluminium-Verbund

Figure 3. light microscopy- picture NiCrBSi-aluminium-composite

Bild 4. Lichtmikroskopische Aufnahme Cr3C225NiCr-Alumini-um-Verbund

Figure 4. light microscopy - picture Cr3C2 25NiCr-aluminium-composite

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20 % geringere Vickersharte als die Cr3C2 25NiCr-Schicht auf(Tabelle 2).

Ein weiteres Indiz fur die Schichtqualitat sind Pin-on-Disc-Verschleißversuche. Der Volumenverlust beim NiCrBSi-Schichtsystem betragt 150� 43 mm3/Nm. Dieser ist 13 % ho-her als der des Cr3C2-25NiCr-Hybridverbundwerkstoffs (Ta-belle 2).

3D-Profilometeraufnahmen nach den Verschleißuntersu-chungen (Bild 7 und Bild 8) zeigen, dass es bei der NiCrB-Si-Schicht zu tieferen Verschleißstrecken gekommen ist alsin der Cr3C2 25NiCr-Schicht.

Diese Messergebnisse bestatigen, dass aus einer geringenHarte, eine geringe Verschleißbestandigkeit resultiert.

5 Diskussion

Die Untersuchungen zeigen, dass der untersuchte Cr3C2-25NiCr-Aluminium-Verbund bessere Eigenschaften mit Blickauf das Verschleißverhalten als der untersuchte NiCrBSi-Aluminium-Verbund besitzt. Nicht nur, dass die NiCrBSi-Schicht eine doppelt so hohe Porositat aufweist, sie besitztauch eine um 20 % geringere Vickersharte. Neben der mate-rialspezifisch hoheren Harte ist eine geringere Porositat undzusatzlich eine bessere Verbindung der einzelnen Phasen inder Cr3C2 25NiCr-Spritzschicht gegeben. Dies hat einedeutlich bessere Verschleißbestandigkeit zur Folge. DiePin-on-Disc-Verschleißstests zeigen, dass die KombinationCr3C2-25NiCr-Aluminum deutlich besser Verschleißbean-spruchungen kompensieren kann. Wahrend NiCrBSi beiidentischer Schichtdicke, einer Messstrecke von 1000 mund einer Belastung von 5 N einen Volumenverlust von150 � 43 mm3/Nm aufweist, liegt Cr3C2-25NiCr mit einemVolumenverlust von 131 � 56 mm3/Nm um 13 % niedriger.

Bild 5. REM Aufnahme NiCrBSi-Aluminium-Verbund

Figure 5. REM- picture NiCrBSi-aluminium-composite

Bild 6. REM Aufnahme Cr3C2 25NiCr-Aluminium-Verbund

Figure 6. REM- picture Cr3C2 25NiCr-aluminium-composite

Tabelle 2. Werkstoffanalytische Mittelwerte

Table 2. material analysis

Werkstoffanalytische Mittelwerte

Pulver Rauhigkeit Rz [lm] Porositat [%] Vickersharte [HV 0,1] Volumenverlust x [mm3/Nm]

Cr3C225NiCr 38,58 1,67 � 0,46 1137,2 � 151,7 131 � 56

NiCrBSi 40,29 3,78 � 0,67 929,1 � 120,4 150 � 43

Bild 7. Verschleißstreckenaufnahme NiCrBSi-Schicht

Figure 7. wear-track picture NiCrBSi-coating

Bild 8. Verschleißstreckenaufnahme Cr3C2 25NiCr-Schicht

Figure 8. wear-track-picture Cr3C2 25NiCr-coating

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Die hohe Harte und die daraus resultierende hohere Ver-schleißbestandigkeit im Cr3C2 25NiCr-Verbund ist darin zubegrunden, dass das Ausgangspulver und dadurch die abge-schiedene Schicht karbidische Partikel beinhaltet.

In weiteren Arbeiten ist geplant, die Beschichtungsparame-ter und die Vorbehandlung des Substrats weiter zu optimieren,um eine noch hohere Dichte und Verschleißbestandigkeit derSchicht-Aluminium-Verbunde zu erzeugen.

Insbesondere die Optimierung der Haftzugfestigkeit wirdvor dem Hintergrund der angestrebten Anwendung eine zen-trale Rolle spielen.

6 Danksagung

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemein-schaft DFG fur die Forderung des GraduiertenkollegsGRK1378/1 „Herstellung, Bearbeitung und Qualifizierunghybrider Werkstoffsysteme“ und den Universitaten in Dort-mund und Hannover, die durch ihre Kooperation dieses Gra-duiertenkolleg ermoglicht haben.

7 Literatur:

1. Fr.-W. Bach, K. Mohwald, A. Laarman, T. Wenz, Moderne Be-schichtungsverfahren, 2nd Edition, Wiley-VCH, 2004.

2. T. Lester, Improvements to the arc-spraying process. Disserta-tion Agron/GB, 1988.

3. D.R. Marantz, Method of forming metal-matrix-compositesand composite materials. US Patent 5.206.059, 1993.

4. E. Lugscheider, P. Jokiel, P. Remer, K. Yushchenko, Y. Borisov,P. Vitiaz, S. Steinhauser, Hard particle reinforced aluminium-alloys for aircraft applications. Proc. of the 7th NTSC, 1994,Boston/USA, 79 – 83.

5. K. Ghosh, T. Troczynski, A.C.D. Chaklader, Journal of Ther-mal Spray Technology 1998, 7 [1], 78.

6. Fr.-W. Bach, T. Duda, Z. Babiak, P. Bohling, B. Formanek,Characterisation of Al2O3 and SiC particles reinforced Al pow-ders and plasma sprayed wear resistance coatings on Al alloys.Proc. of ITSC 2000, Montreal/Canada, S. 299 – 302, 2000.

7. A. Matting, H.D. Steffens, Metall 6 – 12,1963.8. K.J. Matthes, G. Kolbe, Praktiker 2001, 1, 16.9. Fr.-W. Bach, L. Engl, L.A. Josefiak, Development of light me-

tal matrix composite coatings using high velocity thermal sprayprocesses. Proc. of ITSC 2003, Orlando/USA, S. 769 – 777.

10. N.D. Trung, Plasma-Pulver-Auftragloten zum Verschleiß-schutz von Aluminiumlegierungen. Diss. ISBN 3 – 937672 –61 – 3, 2004.

Korrespondenzautor: Bastian Ruther, Lehrstuhl fur Werkstofftech-nologie LWT, Technische Universitat Dortmund, Abteilung Be-schichtungsverfahren, Leonhard-Eulerstraße 2, 44227 Dortmund,E-mail: bastian.ruether@udo.edu

Eingegangen in endgultiger Form: 25. Juni 2008 T 332

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