Projekt 22123/01

Einfaches umweltfreundliches Beschichten von Bauteilen zum Verschleißschutz

Projektträger

Wendel GmbH
Am Güterbahnhof
35683 Dillenburg
Telefon: 02771/906-133

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Maschinenbauteile sind im betrieblichen Einsatz häufig besonderer Verschleißbeanspruchung ausgesetzt, welche die Lebensdauer der Teile vorzeitig begrenzt. Schutzschichten auf solchen Bauteilen, welche den Verschleißangriff reduzieren, werden häufig mit Verfahren aufgebracht, die aufgrund der Emissionen und des Ressourcenverbrauchs zu Umweltbelastungen führen. Generelles Projektziel war, ein Verfahren zu entwickeln, um derart beanspruchte Maschinenbauteile auf eine deutlich weniger umweltbelastende, einfache und kostengünstige Art mit einer verschleißhemmenden gut haftenden überwiegend metallischen Beschichtung zu versehen, ohne dass dafür eine aufwändige Beschichtungsanlage mit den damit verbundenen Umweltbelastungen benötigt wird. Auch sollte die Beschichtung von geometrisch komplexen Bauteilen z. B. mit Hinterschneidungen möglich sein.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie entwickelte Technologie beruht darauf, dass durch eine neuartige Kombination zweier völlig unterschiedlicher Verfahren eine metallische Beschichtung erzielt wird. Der Beschichtungswerkstoff, der eine so genannte selbstfließende Legierung darstellt, wie sie aus dem Bereich des thermischen Spritzens bekannt ist, wird in Pulverform gemischt mit einem Email als Schlicker aufgebracht und in einem nachfolgenden Brennvorgang in herkömmlichen Wärmebehandlungsanlagen zu einer porenfreien dichten Schicht mit metallurgischer Bindung zum Grundwerkstoff umgewandelt. Der Schichtauftrag erfolgt durch einfache Verfahren wie Tauchen, Streichen oder Druckluft-Handspritzen. Das Email übernimmt dabei die wesentliche Aufgabe, eine anfängliche Haftung zwischen den Metallpulverpartikeln untereinander und zum Substrat auch auf schrägen Flächen zu gewährleisten, bevor bei höheren Temperaturen während des Einbrennvorganges die metallurgische Bindung zum Grundmaterial erfolgt. Die Entwicklung eines Emails mit angepassten Eigenschaften sowie die Optimierung der Auftragsverfahren erfolgte beim Bewilligungsempfänger, der eng mit dem wiss. Kooperationspartner bei der Charakterisierung und Prüfung der Schicht sowie bei der Schichtherstellung zusammenarbeitete.


Ergebnisse und Diskussion

Aufbauend auf konventionell eingesetzten Emaillen wurde durch Anpassen der Zusammensetzung eine Serie neuer Schichtsysteme entwickelt. Dabei werden die Emaillen in Pulverform zusammen mit einer pulverförmigen Einschmelzlegierung auf Basis von NiCrBSi unter Zugabe von Wasser in Form eines Schlickers gemischt und aufgetragen. Sie bilden durch Glühung im Vakuumofen eine festhaftende harte Schicht. Die Entwicklung orientierte sich dabei an folgenden vier Kriterien:
- Erzielung einer Schichthärte wie sie thermische Spritzschichten erreichen,
- Ausbildung einer glatten Oberfläche,
- Erzielung eines dichten Schichtgefüges und
- Einstellung einer Fließfähigkeit des Schlickers, die zu einem guten Umfließen auch komplex geformter Bauteile führt.

Zum Abschluss des Projekts wurden Schichtsysteme realisiert, mit denen sich Härtewerte über 750 HV einstellen lassen. Die Beschichtungen weisen ein dichtes Gefüge mit vereinzelten Emailleeinschlüssen auf. Es kann eine auf den jeweiligen Anwendungsfall optimierte Oberfläche ausgebildet werden. Der Schlicker erlaubt das Auftragen durch Streichen, kann aber bei entsprechender Eigenschaftseinstellung auch durch Tauchen des Bauteiles aufgebracht werden.

Bereits während der Projektlaufzeit erfolgte ein Transfer der Entwicklungsergebnisse in die industrielle Praxis. Es konnte in Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen in zwei Anwendungsfällen eine Beschichtung von Bauteilen durchgeführt werden. In einem Fall, einem Mischaggregat-Bauteil, wurde diese bereits mit sehr gutem Erfolg im betrieblichen Einsatz getestet, im zweiten Fall, einem abrasiv beanspruchten Rohrleitungsteil, beginnt zum Projektende die betriebliche Testphase.

Durch die erfolgreiche Entwicklung dieser Beschichtungstechnologie ergeben sich unter umwelttechnischen Aspekten gegenüber herkömmlichen Beschichtungen u. a. folgende Vorteile:
- Reduzierung von Emission, z.B. an CO2, durch Einsparung des Einsatzes von Brenngasen,
- Verminderung von Verlusten der Einsatzwerkstoffe, da im Gegensatz zum Auftragen durch Thermisches Spritzen eine praktisch 100%-ige Ausnutzung des Schichtwerkstoffes erfolgt.
Mit einem einfachen kostengünstigen Hartbeschichtungsverfahren kann der Einsatz beschichteter Bauteile deutlich ausgeweitet werden. Die höhere Bauteilstandzeit verringert Instandhaltungskosten und vermeidet Neufertigung, damit werden Ressourcen im Rohstoffbereich und an Betriebsmitteln eingespart.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Während der Projektlaufzeit wurden zwei Patentanmeldungen zu der entwickelten Technologie beim Deutschen Patentamt eingereicht. Veröffentlichungen in Fachzeitschriften sind vorgesehen.


Fazit

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Es wurde ein Schichtsystem auf der Basis speziell hierfür ausgelegter Emaillen zusammen mit Einschmelzhartlegierungen entwickelt. Dieser Werkstoff kann in Form eines wässrigen Schlickers durch einfaches Aufstreichen oder durch Tauchen auf das Bauteil aufgetragen werden. Aufwändige Beschichtungsanlagen werden nicht benötigt. Durch Glühen in einem herkömmlichen Vakuumofen bildet der Schlicker eine feste beständige, gut haftende Schicht. Deren Härte kann dabei diejenige klassischer Thermischer Spritzschichten erreichen und auch übersteigen. Erste Anwendungen dieser Beschichtungstechnik befinden sich im industriellen Test.

Der Einsatz der entwickelten Beschichtungstechnologie bietet Vorteile bezüglich der Verringerung von Emissionen und Ressourcenverbrauch im Vergleich zu Konkurrenzverfahren.