Entwicklungen bei galvanischen und thermisch gespritzten Schichten – Verfahrenstechniken für neue Anwendungen

Das Werkstofftechnische Kolloquium WTK am 2. und 3. April an der TU Chemnitz bot eine breite Palette an Neuheiten an Beschichtungsverfahren sowohl auf dem Gebiet der Galvanotechnik als auch des thermischen Spritzens. Dabei wurden Entwicklungen der Verfahrenstechniken durch Untersuchung der grundlegenden Zusammenhänge der Beschichtungstechnologien präsentiert als auch neue Ansätze bei der Verwendung von Beschichtungsverfahren. Schwerpunkte bei den nasschemischen Beschichtungstechniken richten sich beispielsweise auf die Galvanoformung zur Herstellung von Bauteilen, die anodische Oxidation zur Optimierung von Aluminiumoberflächen oder die Nachbearbeitung von 3D-Druckteilen. Mittels thermischen Spritzens wird vor allem an der Erzeugung von verschleißfesten Oberflächen auf Hochleistungswerkstoffen gearbeitet, aber auch an neuen Anwendungen im Bereich des Gießens oder von antimikrobiellen Oberflächen.

Fortsetzung aus WOMag 5/2025

Verfahren der ­galvanotechnischen Oberflächenbehandlung

Galvanoformung

Die Herstellung von metallischen Werkzeugen über den Weg der Galvanoformung wurde vor vielen Jahrzehnten entwickelt und kam für verschiedenste Anwendungen zum Einsatz. Insbesondere für Spritzguss- oder Prägewerkzeuge (z. B. im Automobilbereich oder für die Fertigung von LPs oder CDs) war dieses Verfahren über viele Jahre ­konkurrenzlos. Neben diesen klassischen Anwendungen findet die Galvanoformung inzwischen ein großes Interesse im Bereich der Mikro- und Nanotechnik. Als abgeschiedenes Metall stehen vor allem Nickel und abscheidbare Nickellegierungen im Vordergrund. Diese bieten einerseits eine hohe Formgenauigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Beständigkeit gegen chemische Angriffe. Damit hergestellte Formwerkzeuge ermöglichen beispielsweise die kostengünstige Herstellung von Kunststoffteilen für optische Anwendungen oder für die Medizintechnik. Vor allem im Bereich der Nanotechnik lassen sich unter Einsatz der Galvanoformung auch Einheiten für Messgeräte oder Bauteile für die Datentechnik fertigen.

Vortrag von Dr. Markus Guttmann, Karlsruhe Institute of Technology KIT

Galvanische Zwischenschichten zur ­Verbindung von Wolfram und Kupfer

Eine der größten Herausforderungen in einem zukünftigen Fusionskraftwerk ist die Abführung von Wärme aus den Divertor-Targets, die von geladenen Teilchen mit hoher Energie beschossen werden. Um dies zu rea­lisieren, ist der Einsatz von Materialien mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit erforderlich. Beim aktuellen Ansatz zur Lösung der Anforderung werden Wolfram als plasmaseiti­ges Material und eine Kupferlegierung für die darunter liegende Wärmesenke herangezogen, wobei jedoch die Verbindungen zwischen Wolfram und Kupfer aus mehreren Gründen schwierig ist. Am Karlsruher Institut für Technologie KIT wird die Verbindung durch galvanisch abgeschiedene Zwischenschichten realisiert. Zur Umsetzung der Werkstoffkombination werden Divertor-Mock-ups in kleinem Maßstab hergestellt und qualifiziert (Zusammenarbeit mit EUROfusion-Partnern).

Vortrag von Dr. Carsten Bonnekoh, Karlsruhe Institute of Technology KIT

Einfluss von Oxalat und Citrat auf Funken im PEO-Prozess

In einer Untersuchung werden die Auswirkungen von Natriumoxalat und Natriumcitrat auf die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) der Legierung Al6082 und sich daraus ergebende Eigenschaften der Beschichtungen ermittelt. Eingesetzt wurde ein Elektrolyt auf Silikatbasis. Die hergestellten Beschichtungen wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), Oberflächenrauhigkeitsmessungen und Röntgenbeugungsanalyse (XRD) charakterisiert. Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit wurden mit dem Taber-Abriebtest und Salzsprühtests bewertet.

Der PEO-Prozess umfasste sowohl stromkonstante als auch spannungskonstante Beschichtungseinstellungen. Es zeigte sich, dass Natriumoxalat die Dauer des stromkonstanten Modus verlängerte und Natriumcitrat im Gegensatz dazu verkürzte. Im spannungskonstanten Modus führte eine zweistufige anodische Stromverschiebung zu einer milden Funkenbildung, wobei beide Additive den anfänglichen Stromabfall wirksam verringerten und den anschließenden Anstieg beschleunigten – ein Effekt, der bei Oxalat besonders auffällig war. Mittels Röntgenbeugungsanalyse wurde das Vorhandensein von γ- und α- Phasen von ­Aluminiumoxid (Al2O3) bestätigt. Die Anwesenheit beider Additive erhöhte das Verhältnis der α-Phase zur γ-Phase, was bei Oxalat deutlicher ausgefallen ist. Darüber hinaus verbesserten beide Additive die Verschleißfestigkeit: Der Verschleiß verringerte sich von etwas 15 mg auf 10 mg pro 1000 Zyklen. Zudem zeigten die Oberflächen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit nach 1000 Stunden Salzsprühnebelbelastung.

Vortrag von Dr. Mehri Hashemzadeh, Innovent Jena

Simulationsmodell der ­Barrierebildung bei der PEO

In der Anfangsphase der plasmaelektrolytischen Oxidation (PEO), also vor der Entstehung von Plasmaentladungen, findet eine herkömmliche Anodisierung zur Bildung einer Oxidschicht statt. Diese Oxidschicht bleibt auch bei Fortschreiten des ­Prozesses, auch nach dem Beginn der prozessspezifischen Entladungen, erhalten. Die Bildung der PEO-Oxidschicht während des Prozesses ist daher mit der vorhergehenden Anodisierung verbunden.

Um die Dynamik des PEO-Prozesses ­besser zu verstehen und das transiente Schichtwachstum auf der Anodenseite zu bewerten, sind Multiphysik-Simulationen eine geeignete Methode. Eine 2D-Simulation unter Einsatz des Hochfeldmodells wurde verwendet, um das Wachstum der Oxidschicht als Funktion der durchgeflossenen elektrischen Ladung zu berechnen. Dieses Modell wurde durch den Vergleich mit experimentell erhaltenen Dicken der Barriereschicht und dem gemessenen Strom als Funktion der Spannung während der Polarisationsexperimente mit linearen Spannungserhöhungen bei unterschiedlichen Scanraten validiert.

Vortrag von Igor Danilov, Chemnitz University of Technology, Micromanufacturing Group

Nutzung dynamischer Elektrochemie zur Nachbearbeitung im 3D-Druck

Gedruckte Metallteile benötigen fast immer eine Nachbearbeitung, damit sie ordnungsgemäß genutzt werden können. Allerdings gibt es kein allgemein anwendbares Nachbearbeitungsverfahren; vielmehr muss eine optimale Methode aus einer Vielzahl von verfügbaren Verfahren ausgewählt werden, die auf das zu bearbeitende Material sowie auf die Geometrie der Komponente ausgerichtet sind. Im Vordergrund steht hier häufig eine kostengünstige Reduzierung der Oberflächenrauheit. Allerdings führt hier oft keine einzelne Technik, sondern eine Kombination verschiedener Bearbeitungsschritte zum Ziel. So wird ein Bauteil im ersten Schritt gestrahlt, bevor es weiteren mechanischen oder (elektro-)chemischen Behandlungen unterzogen wird. Ebenso werden zum ­Beispiel elektropolierte Teile manchmal in einem letzten Schritt laserpoliert, um spiegelglatte Oberflächen zu erhalten.

Die Kombination von Verfahren wird als hybride Verarbeitungsmethode bezeichnet, die gleichzeitig oder sequenziell erfolgen kann. Da solche Kombinationen nicht nur aus der Perspektive der Prozessparameter heraus herausfordernd sind, sondern auch immer einen wissensbasierten Ansatz erfordern, sind die Definition, der Aufbau und die Parameterbewertung Gegenstand von aktuellen Forschungsaktivitäten. Entsprechende internationale Studien zur Kombination chemischer und elektrochemischer Prozessschritte zeigen ein interessantes Beispiel für hybrides Nachbearbeiten aus der Perspektive der Galvanotechnik.

Eine elektrochemische Methode der Wahl basiert auf dynamischer Elektrochemie (bezeichnet als Hirtisation). Dieser Prozess umfasst die Anwendung von komplexen, kurzen Strom- oder Potenzialpulsen, die es ermöglichen, die Feldlinientransportverteilungen und die lokalen (Oberflächen-)­Potentialfelder anzupassen. Dazu werden kinetische Studien zur Entfernung von Unterstützungsstrukturen und zur Oberflächenpolitur herangezogen. Für die Behandlung innerer Oberflächen wird eine vorhergehende chemische Behandlung eingesetzt und in einigen Fällen mit einem abschließenden mechanischen Polierprozess kombiniert. So ist es möglich, nicht nur Unterstützungsstrukturen, sondern auch geschmolzene Pulverrückstände von den Oberflächen zu entfernen. Dies wurde nicht nur an festen Materialien, sondern auch an sehr fragilen dreidimensionalen Strukturen erreicht, ohne diese zu beschädigen.

Vortrag von Dr. Wolfgang Hansal, EGM Institute, Wiener Neustadt

Chemische Kupferabscheidung auf ­Kupfer-Siliziumkarbid-Verbundpulver

Morphologie und die Größenmerkmale von Pulvern werden durch mechanische Bearbeitung angepasst. Sie ermöglicht es auch, verschiedene Materialien zusammenzubringen, um deren unterschiedliche Eigenschaften in einer einzigen Struktur zu kombinieren und leistungsstarke Materialien zu erhalten. Zu den Vorteilen der mechanischen Bearbeitung als Produktionsverfahren zählt, dass es kostengünstiger und deutlich weniger energieaufwendig ist. Es ist möglich, keramische und metallische Verbundwerkstoffe durch mechanische Bearbeitung herzustellen. Wiederholte Deformationen während des Mahlprozesses haben einen wichtigen Einfluss auf die Integration von keramischen Partikeln und Metall miteinander sowie auf die Bildung der Verbundstruktur.

Untersucht wurde die Herstellung von Kupfer-Siliziumcarbid-Verbundpulver durch mechanisches Mahlen, wobei das erzeugte Pulver durch chemisches Kupferabscheiden mit Kupfer beschichtet wurde. Die Untersuchungen zeigten, dass die Größe der endgültigen Verbundpulver mit zunehmendem SiC-Gehalt im mechanischen Mahlen abnimmt. Dies liegt daran, dass durch die Erhöhung der Menge an harten Partikeln, die im Mahlgefäß verstärkt werden, effektivere Deformationen erreicht werden. Ein chemischer Kupferabscheidungsprozess konnte erfolgreich bei allen der hergestellten Verbundpulver angewendet werden.

Vortrag von Prof. Temel Varol, Karadeniz Technical University, Türkei

Thermisches Spritzen und ­verwandte Verfahren

Kaltgasspritzen zur Restauration von Glocken

Kirchenglocken sind wertvolle Musikinstrumente, die langfristig einer Kombination aus Schlagabnutzung durch ihre Klöppel und einer erheblichen zyklischen Belastung durch die Glockenschwingung ausgesetzt sind. Seit kurzem wird das Kaltgasspritzen als eine Reparaturtechnologie genutzt. Zur Untersuchung der Technologie und der damit erzielten Eigenschaften wurden entsprechende Reparaturprozesse auf Gusssubstrat aus demselben Material simuliert. Mechanische, Bruch- und Ermüdungseigenschaften des Glockenmetalls, aufgebracht durch Kaltgasspritzen, wurden mit Aufprallverschleißtests untersucht.

Die Ergebnisse ermöglichen die Beschreibung von Versagensprozessen, die durch quasistatische, Ermüdungs- und Aufprallbelastungen bei diesem harten, aber relativ spröden Material ausgelöst werden. Auch die Adhäsion zum Substrat wurde bestimmt, wobei sich zunächst niedrige Werte ergaben. Diese wurden durch eine Lasertexturierung der Oberfläche des Substrats verbessert. Die Ergebnisse lassen erkennen, dass die Repa­ratur des Schlagschadens an der Glocke mit der derzeitig verfügbaren CS-­Technologie durchgeführt werden kann. Zudem ­wurde eine komplette kaltgespritzte Glocke mit CS hergestellt, um die guten mechanischen, Bruch-, Verschleiß- und akustischen Eigenschaften des kaltgespritzten Glockenmetalls zu demonstrieren.

Vortrag von Dr. Ondřej Kovářík, Czech Technical University Prag

Vorbehandlung für thermisches ­Spritzen durch Laseroberflächentexturierung

Die Laseroberflächentexturierung (LST) zur Substratvorbereitung stellt eine ­sauberere, reproduzierbare Alternative zu herkömmlichem Korundstrahlen dar, insbesondere für harte und spröde Materialien wie gehärteten Stahl oder Keramiken. Fortschrittliche Techniken mit Hochleistungslasern erhöhen die Bearbeitungsgeschwindigkeit auf Werte, die einen industriellen Einsatz lohnend machen. Entsprechende Verfahren wurden zur Vorbereitung verschiedener Arten von Texturen auf unterschiedlichen Substraten, verschiedenen Spritztechnologien und Beschichtungsmaterialien geprüft.

Vortrag von Dr. Šárka Houdková, VZU Plzeň, Tschechien

Entwicklung eines neuen Doppeldraht-Arc-Spritzverfahrens

Das Doppeldraht-Lichtbogenspritzen (TWAS) ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Erzeugung von Korrosions- und Verschleißschutz durch thermisches Spritzen. Die Verarbeitung von Spritzdrähten mit niedrigem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Zink oder Zink-Aluminium-Legierungen, führt jedoch zu einer erheblichen Feinstaubentwicklung, geringer Abscheidungseffizienz und schlechter Oberflächenqualität der Beschichtungen. Durch den großen Unterschied zwischen der Lichtbogentemperatur und dem Schmelzpunkt von Zink-Aluminium-Legierungen kommt es zu einem ­unkontrollierten Aufschmelzen und daraus folgend zu einer schnellen Verdampfung der Partikel und zum Abreißen großer Teile der Drahtspitzen. Zudem bilden sich inhomogene Beschichtungen mit geringer Adhäsion, unzureichender Kohäsion und hoher Porosität.

Zur Beseitigung dieses Problems wurde an der Entwicklung eines neuen TWAS-Verfahrens gearbeitet. In der ersten Phase der Untersuchung wurden das Schmelzverhalten der Spritzdrähte und die Oberflächenqualität bei unterschiedlichen Spritzparametern untersucht. Anschließend wurden die Ergebnisse einer Simulation unterzogen, um die Kombination von Parametersätzen zu ermitteln, die die optimale Abscheidungseffizienz und verbesserte Schichteigenschaften ergibt.

Vortrag von Eduard Drehband, Universität Dortmund

Anwendung von hochreaktiven ­Metallen in sauerstofffreier Umgebung

Das thermische Spritzen von hochreaktiven Metallen wie Titan stellt aufgrund ihrer starken Affinität zu Sauerstoff eine große Herausforderung dar. Aus diesem Grund wurden mehrere Beschichtungsverfahren entwickelt, die die Oxidation weitgehend unterdrücken können, darunter Kaltgasspritzen und Vakuumplasmaspritzen. Keines dieser Verfahren verhindert jedoch die Oxidbildung vollständig.

Bei einem neuen, alternativen Beschichtungsverfahren wird der Spritzprozess in einer mit Silan dotierten Argongasumgebung mit extrem niedrigem Sauerstoffpartialdruck durchgeführt. Die Nutzung des Drahtbogen­spritzens ermöglicht das Aufbringen oxidfreier und hochdichter Titanschichten. Darüber hinaus wird die ursprüngliche Oxidschicht des Substrats durch Korundstrahlen in der gleichen kontrollierten Umgebung entfernt, was ihre Neubildung verhindert und eine vollständige Materialbindung gewährleistet. Infolgedessen weisen die Beschichtungen außergewöhnlich hohe Haftfestigkeiten auf.

Vortrag von Manuel Rodriguez Diaz, Universität Hannover

Bindung und Schichtbildung bei der Kaltgasbeschichtung

Abscheidungsverfahren durch Kaltgasspritzen und Aerosolabscheidung werden für verschiedene Materialarten von Metalllegierungen bis hin zu Keramiken eingesetzt. Die wichtigsten Unterschiede der beiden Techniken betreffen die erforderlichen Pulvergrößen, die beim Kaltgasspritzen im Bereich von einigen Dutzend Mikrometern und bei der Aerosolabscheidung vorzugsweise im Mikro­meterbereich liegen. Auch die für eine erfolgreiche Abscheidung erforderlichen Partikelgeschwindigkeiten sind bei Metallen im Kaltgasspritzverfahren in der Regel höher als bei Keramiken im Aerosolverfahren. ­Beiden gemeinsam ist, dass höhere ­Materialstärken höhere Partikelaufprallgeschwindigkeiten für eine erfolgreiche Schichtbildung erfordern.

Die Materialabscheidung von metallischen Schichten durch Kaltgasspritzen ist bisher gut verstanden. Im Gegensatz dazu werden die grundlegenden Mechanismen der keramischen Schichtbildung bei der Aerosol­abscheidung noch kontrovers diskutiert. Der Wechsel von spröder zu duktiler Verformung von Keramiken in kleinen Maßstäben könnte jedoch eine gemeinsame Grundlage für die Erklärung beider kinetischer Spritztechniken im Sinne einer Plastizität mit hoher Dehnungsrate liefern.

Jüngste experimentelle und Modellierungsversuche könnten das unterschied­liche Verhalten beim kinetischen Aufprall von Keramiken und Metallen auf individuelle Versetzungsdichten und -verteilungen und deren Einfluss auf das Verformungsmuster bei hoher Verformungsgeschwindigkeit zurückführen. Auf dieser Grundlage könnte wiederum ein Teil des Wissens über das Kaltgasspritzen auf die Aerosolabscheidung übertragen werden, um Vorhersagen zur Schichtbildung zu unterstützen.

Vortrag von Dr. Frank Gärtner, HSU Hamburg

Kaltgasspritzen für ­Reparaturanwendungen

Mittels Hochdruck-Kaltgasspritzens (HPCS) sind die Reparatur von beschädigten Druckbehältern mit Stahlpulver und die Wiederherstellung von Bauteilen des Flugzeugfahrwerks mit Aluminiumlegierungen möglich. Die Ergebnisse von durchgeführten Untersuchungen zeigten die effektive Fähigkeit der HPCS-Technologie, beschädigte Komponenten in ihre ursprüngliche Funktionalität zurückzuführen. Die Ergebnisse heben das Potenzial dieser Technologie als praktikable Lösung für Wartung und Reparatur in kritischen Industrie- sowie Luft- und Raumfahrt­anwendungen hervor.

Vortrag von Dr. Ondřej Chocholatý, VZU Plzeň, Tschechien

Hartmetallbeschichtungen durch thermisches Spritzen

Der Werkstoff Wolframcarbid-Kobalt (WC-Co) wird seit mehr als 100 Jahren erfolgreich als Verbundwerkstoff sowie Verschleißschutzschicht auf Werkzeugen eingesetzt. Dies beruht auf den besonderen Eigenschaften von Wolframcarbid in Kombination mit ­Kobalt als Binder, wobei der Einsatz bei niedrigen Temperaturen seine beste Wirkung entfaltet. Für hohe Temperaturen und korrosive Umgebungen hat sich Cr3C2-NiCr als zweiter erfolgreicher Verbundwerkstoff etabliert. Die Standardzusammensetzungen wurden auf empirischer Basis entwickelt und haben sich über Jahrzehnte hinweg nur wenig verändert, im Gegensatz zu den Technologien der Herstellung von Pulverrohstoffen.

Inzwischen werden aus unterschiedlichen Gründen sowohl Kobalt als auch Wolfram als kritische Rohstoffe eingestuft und sollen deshalb ersetzt werden. Verschiedene komplexe Bindemittellegierungen werden derzeit für thermische Spritzschichten auf WC-Basis untersucht. Diese werden zusammen mit anderen alternativen Bindemitteln wie Nickel- oder Eisen-Basis-Legierungen vergleichend in Betracht gezogen.

Als alternative Hartstoffe gelten Chromcarbid mit Zusätzen von Wolframcarbid zur Verbesserung der Tieftemperatur-Verschleißfestigkeit von Chromcarbid-NiCr, TiC/TiCN oder NbC/NbCN als kubische Hartstoffe mit Legierungsbindern auf Nickel- oder Eisenbasis sowie hochentrope Karbide. Einer der Vorteile dieser alternativen Hartstoffe ist ihre bessere Verträglichkeit mit kobaltfreien Bindemitteln. Um wirksame Zusammensetzungen von Beschichtungswerkstoffen zu entwickeln, ist ein zuverlässiges Konzept für ihre Auswahl erforderlich. Mit Hilfe von Sinterkörpern können die Wechselwirkungen zwischen der Hartphase und dem Bindemittel untersucht und das Potenzial einzelner Zusammensetzungen bewertet werden.

Vortrag von Dr. Lutz-Michael Berger, Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden

Herstellung von Aluminium-­Aluminium-Verbundguss

Der Begriff Verbundguss beschreibt die Verbindung von Metalleinlagen mit Gusskomponenten während des eigentlichen Gießprozesses, was die Herstellung besonderer Strukturkomponenten ermöglicht, beispielsweise durch Druckguss (HPDC). Aluminium­einsätze sind in der Regel von einer natürlichen Oxidschicht bedeckt, welche die Bildung einer Materialverbindung verhindert. Diese Oxide auf der Oberfläche der Einsätze lassen sich durch eine Zwischenschicht mittels Kaltgasspritzen entfernen und damit eine metallurgische Verbindung zwischen Einsatz und Gussteil erzeugen.

Im Rahmen einer Untersuchung wurden die optimalen Parameter für das ­Kaltgasspritzen mit Fokus auf die Schichtdicke und die spätere Schmelz- und Formtemperatur beim Gießen ermittelt. Die erhaltenen Proben wurden hinsichtlich ihrer Grenzflächenmikrostrukturen und möglicher Bindungen zwischen Schlichte und Einsatz beziehungsweise Schlichte und Gussteil sowie der erreichbaren mechanischen Eigenschaften untersucht.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die richtige Abstimmung der Grenzflächenqualität und der lokalen Grenzflächentemperaturen Reaktionen im flüssigen Zustand mit der Zwischenschicht fördern kann, welche die Qualität der Bindung verbessern.

Vortrag Dr. Alexander List, HSU Hamburg

Kaltplasmagespritzte antimikrobielle Beschichtungen mit definierter Porosität

Antimikrobielle Oberflächen stellen ein wichtiges Mittel zur Vorsorge gegen die Übertragung und Verbreitung von Mikroorganismen dar. Im Rahmen eines iGF-Forschungsprojekts wurde eine dauerhaft antimikrobiell aktive Aluminiumoxidbeschichtung für metallische Kontakt- und Kontaminationsflächen auf Metallen und temperaturstabilen Kunststoffen entwickelt.

Durch den Einbau von geringen Mengen an Kupferpulver werden die Beschichtungen dauerhaft antibakteriell und antiviral wirksam. Gleichzeitig verbessern die Kupferpartikel die Haftungs- und Abrasionseigenschaften. Diese Beschichtung im µm-Bereich wird mittels Kaltplasmaspritzen aus Pulvern abgeschieden und eignet sich ­insbesondere für Gegenstände des täglichen Bedarfs. Aufgrund der Porosität der Beschichtungen liegt eine weitere potenzielle Anwendung in der Filtertechnik. Die Schichten besitzen ein mattgrau-metal­lisches Erscheinungsbild und werden in einem Prozessschritt hergestellt. Dabei ist die Porosität definiert einstellbar. Die antimikrobielle Wirksamkeit der Oberflächen wurde erfolgreich in Anlehnung an die Normen ISO 22196 und ISO 21702 getestet. Dabei wurden insbesondere kurze Kontaktzeiten (1 und 3 Stunden) untersucht, um realitätsnahe Ergebnisse zu erzielen.

Vortrag von Dr. Kerstin Horn, Innovent Jena

Atmosphärisches ­Plasmaspritzen von Hadfield-Stahl

Hochmanganhaltige Stähle (HMnS bzw. Hadfield-Stahl) zeichnen sich durch eine hohe Kaltverfestigung und ein ­hervorragendes Verhältnis zwischen Zähigkeit und Verformbarkeit aus, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für Schutzschichten zur Steigerung der dynamischen Verschleißbedingungen macht.

Diese Stähle zeigen jedoch eine begrenzte Verschleißbeständigkeit bei statischer abrasiver Belastung, da es ohne Stoßeinwirkung weniger stark verfestigt wird. Deshalb wurden die Auswirkungen von Härtungsbehandlungen auf das Verschleißverhalten und die Mikrostruktur von HMnS-Schichten, abgeschieden durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), untersucht.

Nach der Abscheidung wurden die Schichten Oberflächenmodifikationen unterzogen – Schleifen, Kugelstrahlen und Hämmern – um eine Vorhärtung zu induzieren und die statische Verschleißfestigkeit zu verbessern. Hierzu wurden mikrostrukturelle Veränderungen innerhalb der modifizierten Schichten unter­sucht, Härte und Verschleißfestigkeit gemessen und mit alternativen Schichten verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Vorhärtung die Haltbarkeit von HMnS-Beschichtungen erheblich verbessert.

Vortrag von Dr. Aleksandra Małachowska, Universität Wroclaw, Polen

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