Werkstofftechnische Betrachtungen zum Heißdraht unterstützten MSG-Auftragschweißen hartstoffverstärkter Verschleißschutzlegierungen

Günther, Karsten

Das Metall-Schutzgas(MSG)-Auftragschweißen weist trotz der einfachen Bedienbarkeit nur eine geringe Akzeptanz im Bereich des Verschleißschutzes auf. Gründe hierfür liegen insbesondere in der unmittelbaren Korrelation zwischen dem Material- und Energieeintrag, wodurch hohe Drahtvorschübe zwangsläufig eine zunehmende thermische Werkstoff-beanspruchung und hohe Aufschmelzgrade mit sich bringen. Durch den Einsatz eines zusätzlichen Heißdrahtes wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt, um den Energie- und Materialeintrag beim MSG-Auftragschweißen zu entkoppeln. Neben einer von der Abschmelzleistung unabhängigen Einstellung des Aufschmelzgrades ergaben sich insbesondere positive Effekte auf die Mikrostruktur der Verschleißschutzlegierungen. Im Gegensatz zum MSG-Prozess gelang es hierdurch einlagige Verschleißschutzschichten mit einer bis zu 5-fach höheren Produktivität bei mindestens gleichwertigen Verschleißeigen-schaften herzustellen.

Despite the easy handling and the high degree of mechanization, gas metal arc welding (GMAW) of hardfacings has a low acceptance. The main reason is due to the direct correlation between the material and energy input, so that high wire feed rates immediately go along with an increasing thermal impact of the welding material. With respect to practical applications, high dilution rates of app. 40 % are the result of relatively low deposition rates of app. 5 kg/h, limiting the productivity and competitiveness. Furthermore, temperature sensitive hard phases such as fused tungsten carbides (FTC) underlie a high thermal load, which can mainly be attributed to the direct arc interaction. Degradation processes finally lead to a decrease of the FTC-content and wear resistance. By means of a hot wire additionally fed in the melt pool, a new approach was developed and investigated in order to decouple the energy and material input during GMA hardfacing. As a result, the mass specific process power and melt pool temperatures were reduced in comparison to conventional GMA welding, whereby high deposition rates of app. 12 kg/h and low dilution rates of app. 5 % could finally be realized. The effect on the hard phase characteristics was investigated for FeCr(V)C-hardfacings. It could be demonstrated, that the almost independent control of the deposition and dilution rate has a positive effect on the precipitation behaviour of primary carbides. In contrast to GMAW it was hence possible to produce single-layer overlay welds with a much higher primary carbide content and wear resistance. In case of FTC reinforced Ni-base alloys, the application of an additional hot wire influenced the hard phase distribution positively. Hereby, a hot wire induced modification of the melt bead flow contributed to a homogeneous distribution of the hard phases in the matrix, as typical FTC segregations were avoided. However, only half of the maximum FTC-content during GMA welding could be achieved. For clarifying this effect, an approach was developed in order to describe the thermal induced FTC degradation quantitatively. Based on the introduction of a degradation coefficient, the influence of the melt bead size, the dilution rate and the droplet transfer could be clarified for the first time. Hereby, the unexpected low FTC-content during HW-GMAW could mainly be traced back to the arc and the droplet transfer. Additionally, the formation of the FTC degradation seam was proven experimentally for the first time.

Das Metall-Schutzgas(MSG)-Auftragschweißen von hartstoffverstärkten Verschleißschutzlegierungen weist trotz der einfachen Bedienbarkeit und des hohen Mechanisierungsgrades nur eine geringe Akzeptanz im Bereich der Beschichtungstechnik auf. Gründe hierfür liegen insbesondere in der unmittelbaren Korrelation zwischen dem Material- und Energieeintrag, wodurch hohe Drahtvorschübe zwangsläufig eine zunehmende thermische Werkstoffbeanspruchung zur Folge haben. Im praktischen Einsatz führt dies bereits bei geringen Abschmelzleistungen von ca. 5 kg/h zu hohen Aufschmelzgraden von bis zu 40 %. Zudem unterliegen temperaturempfindliche Hartphasen, wie z.B. Wolframschmelzkarbide (WSC), einer hohen thermischen Beanspruchung, was unter anderem auf die direkte Lichtbogenwechselwirkung zurückzuführen ist. Thermisch bedingte Zersetzungsprozesse führen hierbei zu einer Abnahme des WSC-Anteils, wodurch die Verschleißbeständigkeit gemindert wird. Mit Hilfe eines zusätzlich dem Schmelzbad zugeführten Heißdrahtes wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt und erforscht, um den Energie- und Materialeintrag beim MSG-Auftragschweißen zu entkoppeln. Neben den verringerten Prozessleistungen bei gleichbleibender Auftragmasse wurde dies insbesondere durch die Verringerung der Schmelzbadtemperaturen nachgewiesen. Hierdurch konnte eine hochproduktive Herstellung aufmischungsarmer Verschleißschutzschichten umgesetzt werden. Die Auswirkung auf die Hartphasencharakteristik erfolgte zunächst anhand FeCr(V)C-Hartlegierungen. Es konnte aufgezeigt werden, dass sich die nahezu unabhängige Regelung von Abschmelzleistung und Aufschmelzgrad positiv auf die Ausscheidung von Primärkarbiden bzw. Hartphasen auswirken. Im Gegensatz zum MSG-Prozess gelang es hierdurch einlagige Verschleißschutzschichten mit einem deutlich höheren Hartphasenanteil und höherer Verschleißbeständigkeit herzustellen. Bei Ni-Basis-Legierungen mit eingelagerten WSC wurde festgestellt, dass sich der Einsatz eines Heißdrahtes positiv auf die Hartphasenverteilung auswirkt. Aufgrund modifizierter Schmelzbadströmungen konnten die für WSC typischen schwerkraftbedingten Seigerungseffekte unterbunden werden, einhergehend mit einer homogenen Verteilung der Hartphasen. Im Vergleich zum optimalen MSG-Prozessfenster betrug der erzielbare WSC-Anteil jedoch nur die Hälfte. Zur Klärung der Ursache wurde ein Ansatz entwickelt, um die thermisch bedingte Zersetzung von WSC quantitativ zu beschreiben. Basierend auf der Einführung eines Zersetzungskennwertes konnte hierdurch erstmals der Einfluss der Schmelzbadgröße, des Aufschmelzgrades und des Tropfenübergangs separat und quantitativ aufgeschlüsselt werden. Hierdurch konnte der geringere WSC-Anteil beim MSG-HD-Verfahren schließlich den Eigenschaften des Lichtbogens und Tropfenübergangs zugewiesen werden. Ferner wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals die Entstehung des Zersetzungssaums bei WSC experimentell nachvollzogen.

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Günther, Karsten: Werkstofftechnische Betrachtungen zum Heißdraht unterstützten MSG-Auftragschweißen hartstoffverstärkter Verschleißschutzlegierungen. Ilmenau 2018. Universitätsverlag Ilmenau.

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