201109_PSpaw.pdf 64 Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Johannes Wilden auftragschweißen von nanokristallin erstarrenden eisenbasiswerkstoffen auf aluminiumsubstraten napawanie nanostrukturalnie krystalizujących materiałów  na osnowie żelaza na podłoże aluminium Prof. Dr.-Ing. habil. Johannes Wilden – Funk- tionswerkstoffe und Beschichtungen Hochschule Niederrhein, Niemcy. Streszczenie Przeanalizowano metody zmniejszenia wprowadze- nia ilości ciepła do napawanego podłoża. Wykazano ko- rzystne właściwości napoin o budowie nanostruktural- nej. Przedstawiono wyniki badań strukturalnych napoin z zastosowaniem drutów proszkowych (stopy na osnowie żelaza) na stop aluminium AlSi8Cu3, przy uzyskaniu ni- skoenergetycznych warstw napawania, w tym z zastoso- waniem warstw przejściowych. Abstract The methods of the heat input to the surfacing by weld- ing substrate decrease is analyzed. It is shown the good properties of nanostructure padding welds. Structure ana- lysis of padding welds deposited with the use of flux wire (Fe matrix alloys) on the AlSi8Cu3 aluminum alloy sub- strate is presented. The low energy and transient pad we- lded layers are reached. Einleitung Die zunehmenden Anforderungen an Fahrzeuge und andere Konstruktionen bezüglich ihrer Unterhalt- skosten, Umweltverträglichkeit und Leistungsdichte zwingen die Hersteller vermehrt zu Leichtbaukonstruk- tionen. Somit lässt sich beispielsweise über Gewicht- seinsparungen der Kraftstoffverbrauch senken und die Fahrdynamik verbessern. Neben neuartigen hochfe- sten Stahlwerkstoffen kommen vor allem Aluminium- legierungen zum Einsatz. Aluminiumguss- bzw. Knet- werkstoffe sind seit vielen Jahren als Werkstoffe für den konstruktiven Leichtbau etabliert und werden heu- te sehr umfangreich eingesetzt. Gilt es, an derartigen Bauteilen einen partiellen Verschleißschutz zum Be- ispiel für Dichtflächen wie beispielsweise Ventilsitze in Kompressoren, Motoren, Armaturen oder auch Lager- sitze in Getrieben oder Querlenkern zu realisieren, so kommen heute häufig Inlays aus einem verschleißbe- ständigen Werkstoff zur Anwendung, da Aluminium- legierungen im Allgemeinen nur einen geringen Ver- schleißschutz gewährleisten. Hierfür ist einerseits be- reits bei der Konstruktion Bauraum vorzusehen und andererseits der Fertigungsaufwand, beispielsweise für Passungen, sehr hoch. Um den sicheren Sitz von Inlays zu gewährleisten, muss sowohl der Sitz im Alu- minium als auch das Inlay mit hoher Genauigkeit gefer- tigt werden, das Inlay eingepresst oder eingeschrumpft und anschließend die Dichtfläche entsprechend den geforderten Form- und Lagetoleranzen sowie der Ober- flächenqualität endbearbeitet werden. Auch im Betrieb ist diese Konstruktion nicht unproblematisch, da sich beispielsweise bei Thermozyklen oder auch im Dau- ereinsatz bei erhöhter Temperatur infolge der unter- schiedlichen Ausdehnungskoeffizienten das Inlay loc- kern kann, was u.a. auch in Folge eines veränderten Wärmestromes zum Versagen des Dichtsitzes führen kann. Eine ideale Lösung wäre das Auftragschweißen bei- spielsweise des Dichtrings aus einer verschleißbestän- digen Legierung z.B. auf Eisenbasis. Für die techni- sche Umsetzung muss dabei sowohl die Problematik der Bildung intermetallischer Phasen im Interface und die Größe des Schmelzbades während des Beschich- tungsvorganges, als auch die Problematik während des Betriebs auftretender thermischer Spannungen 65Przegląd sPawalnictwa 9/2011 im Interface zwischen Al-Legierung und Beschichtung beherrscht werden. Die geregelte Kurzlichtbogentechnik, welche in den letzten Jahren bis zur Marktreife entwickelt worden ist, bietet die Möglichkeit, kostengünstig und sowohl auto- matisiert, teilmechanisiert als auch händisch Auftrag- schweißungen herzustellen. Aufgrund des kontrollier- ten Wärmeeintrages besitzt diese Technologie das Po- tenzial, die Bildung intermetallischer Phasen zu be- grenzen und die Schmelzbadgröße einzuschränken. Als Beschichtungswerkstoffe eröffnen innovative, nanokristallin erstarrende Eisenbasislegierungen völlig neue Eigenschaftsprofile. Neben hoher Verschleißbe- ständigkeit können diese je nach Gefügestruktur extrem geringe Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, wie sie bisher von keramischen Wärmedämmschichten bekannt sind. In dem Forschungsvorhaben sollen die prozess- technischen mit den werkstofftechnischen Möglichke- iten zu einer Technologie zum Beschichten von Alumi- niumlegierungen mit nanokristallin erstarrenden Eisen- basiswerkstoffen zusammengeführt werden. Stand der Technik Das Ausnutzen nanoskaliger Effekte bietet vielfälti- ge über den derzeitigen Stand der Technik hinausge- hende Möglichkeiten, Werkstoffeigenschaften auch auf sich scheinbar widersprechende Anforderungen auszu- legen. Die technische Umsetzung derartiger Möglich- keiten erfolgt in der „klassischen“ Beschichtungstech- nik bisher nicht, so dass dieses Potenzial ungenutzt bleibt. Jüngste Entwicklungen in der Werkstofftechno- logie haben dazu geführt, dass einige Eisenbasiswerk- stoffe verfügbar sind, die feinst-/ nanokristallin erstar- ren. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass durch Zuga- be von Legierungselementen auch bei relativ geringe- ren Abkühlraten ein amorphes/nano-/feinstkristallines Gefüge entsteht. Diese Werkstoffe weisen eine hohe Verschleißbeständigkeit, sowie eine extrem geringe Wärmeleitfähigkeit auf, was eine Anwendung sowohl als Verschleißschutz- als auch Wärmedämmschicht möglich erscheinen lässt. Beim Beschichten von Alu- miniumlegierungen mit Fe-Basiswerkstoffen stellt die Bildung spröder intermetallischer Phasen (FexAly) eine besondere Problematik dar. Der Einsatz der geregelten Lichtbogentechnik ermöglicht jedoch einen definierten Energieeintrag, so dass das Aufschmelzen des Grund- werkstoffes stark reduziert und somit die Bildung inter- metallischer Phasen weitgehend unterdrückt werden kann. Zudem scheint diese Verfahrensweise ein hohes Potenzial zu haben, da in Folge des minimalen Ener- gieeintrages in das Substrat hohe Abkühlraten reali- siert werden können. Für einen sicheren Einsatz dieser Werkstoff- und Beschichtungsstrategie in kmU gibt es derzeit keine abgesicherten Erkenntnisse, die es kmU ermöglichen, neue Arbeitsfelder mit einem kostengünstigen und in- novativen Prozess zu erschließen. Durch den zunehmenden Einsatz von Aluminium- legierungen treten vermehrt Verschleißprobleme an hoch belasteten Oberflächen auf. So sind beispielswe- ise Ventilsitze in Verbrennungsmotoren hohem Ver- schleiß aufgrund von Reibung und hoher Temperatu- ren ausgesetzt. Zum Verschleißschutz von Aluminium- legierungen kommen heutzutage unterschiedliche Ver- fahren, wie Beschichten der Oberflächen oder Einpres- sen von Inlays, zum Einsatz. Diese können die Lebens- dauer der Bauteile z.T. erheblich verlängern. Das Einpressen von Inlays in die Bauteile er- möglicht es, den Verschleiß, beispielsweise bei Gle- itlagern oder Ventilsitzen, zu minimieren. Zum Einsatz kommen dabei Einsätze beispielsweise aus Stahlwerk- stoffen oder Keramik [Wan 98, Ano 97]. Die Herstel- lung solcher Bauteile erfordert jedoch höchste Anfor- derungen an den Fertigungsprozess. So müssen Über- maßpassungen sowohl beim Inlay als auch beim Bau- teil gefertigt werden. Anschließend werden die Einsät- ze in bzw. auf die Bauteile aufgeschrumpft und/oder gepresst. Bei der Konstruktion ist zu beachten, dass ausreichend Platz für die Einsätze im Bauteil vorgese- hen wird und dass durch unterschiedliche Materialien die Wärmeleitung begünstigt bzw. verschlechtert wer- den kann. Während des Betriebes kann es aufgrund thermischer und mechanischer Beanspruchungen zum Lockern der Inlays kommen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Einsät- ze während des Gießvorganges in das Bauteil zu in- tegrieren. So werden häufig Graugussbuchsen in Pkw Motorblöcke eingegossen um das Reibungs- und Ver- schleißverhalten der Zylinder zu verbessern [Spa 01, Mai 95]. Jedoch ist auch hier ausreichender Bauraum bei der Konstruktion vorzusehen. Der Verschleißschutz von Aluminiumlegierungen mittels dünner Schichten, welche beispielsweise mittels PVD oder galvanischen Verfahren aufgetragen werd- en, ist ebenfalls möglich. Diese bieten trotz geringer Schichtdicken einen guten Verschleißschutz und ver- mindern die Reibung [Sch 97], [Rib 99]. Jedoch kann es aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung- skoeffizienten der Substrat- und Beschichtungswerk- stoffe zum Aufbrechen der Beschichtungen, dem soge- nannten „Eierschaleneffekt“, kommen [Sen 04]. Thermische Spritzschichten ermöglichen nahe- zu unbegrenzte Möglichkeiten Substrat- und Schich- twerkstoffe zu kombinieren. Daher werden Aluminium- substrate teilweise mit thermisch gespritzten Verschle- ißschutzschichten versehen. Durch die Optimierung der Legierungszusammensetzung können die Rei- bwerte und der Verschleiß vermindert und somit die Lebensdauer der Bauteile verlängert werden. Als Be- schichtungsverfahren kommen hier beispielsweise das atmosphärische Plasmaspritzen oder das Lichtbogen- spritzen zum Einsatz. Unter Berücksichtigung der In- nendurchmesser von Zylinderlaufbahnen müssen spe- ziell angepasste Brennersysteme eingesetzt werden [Gad 04, McC 95, Uoz 05]. Jedoch ergeben sich Nach- teile für diese Technologie aufgrund der geringen 66 Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Abb. 2. Zeitlicher Strom- /Spannungsverlauf beim coldArc- und beim konventionellen Kurzlichtbogenschweißen /www.ewm.de/ Rys. 2. Przebieg natężenia prądu i napięcia łuku dla procesu spa- wania metodą coldArc i konwencjonalnego spawania zwarciowego (www.ewm.de) Abb. 3. Nano-/feinstkristallin erstarrter FE-Basis Legierung www.nanosteelco.com/ Rys. 3. Nanokrystaliczna drob- noziarnista struktura stopu na osnowie Fe Haftfestigkeiten und der relativ großflächigen Anwend- ung. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Haftfestig- keiten wäre ein Beschichtungsprozess bei dem eine metallurgische Anbindung erfolgt. Mittels Auftrag- schweißen lassen sich Schichten mit guten Haftfestig- keiten zum Grundwerkstoff herstellen, da die Substra- te lokal aufgeschmolzen werden und eine gemeinsame Schmelze entsteht. Unterschiedliche Schichtsysteme wurden entwickelt, um die Verschleißeigenschaften zu optimieren. Dabei kommen häufig Verbundpulversys- teme mit eingelagerten Hartstoffen (z.B. Wolframsch- melzkarbide, Vanadiumkarbide oder Titanboride) zum Einsatz. Um wirtschaftlich Beschichtungen mit ausge- zeichnetem Verschleißverhalten aufzutragen, sollten Eisenbasiswerkstoffe verwendet werden. Jedoch erge- ben sich hieraus metallurgische Schwierigkeiten. Au- fgrund der geringen Löslichkeit von Aluminium in Eisen und der Bildung spröder intermetallischer Phasen (FexAly) kommt es zu Rissbildung in der Grenzschicht und somit zum Versagen der Verbindung [Wag 01, Rad 97, Zer 98]. Nur wenn es gelingt, die Ausbreitung des Phasensaumes durch eine angepasste Wärme- führung auf unter 5 µm zu begrenzen, kann eine sol- che Verbindung hinreichende Haftzugfestigkeiten erre- ichen. Eine Möglichkeit den Wärmeeintrag in den Grund- werkstoff zu minimieren, bietet die Lasertechnologie. Auftragschweißprozesse von Eisenbasislegierungen (FeCrC) auf Aluminiumsubstrate wurden beispielswe- ise von Iwatani durchgeführt [Iwa 05]. Es konnte na- chgewiesen werden, dass der Wärmeeintrag beim Au- ftragschweißen mittels Diodenlaser gegenüber dem Auftragschweißen mittels CO2 Laser verringert werden kann. Dadurch kann der Aufmischungsgrad auf ca. 8% begrenzt werden. Jedoch ergibt sich ein breiter Saum intermetallischer Phasen was zu Rissen an der Grenz- schicht Substrat/ Beschichtung führt. Aus der Schweiß-/ Löttechnik ist dieses Phänomen bereits hinreichend bekannt. Um das Phasenwach- stum zu begrenzen, werden dort speziell angepasste Prozesse angewandt. So kommen geregelte Kurzlicht- bogenprozesse zum Einsatz, um den Energieeintrag in die Bauteile zu steuern [Goe 05, Dor 01, Tro 05]. Das ist beispielsweise an dem zeitlichen Leistungsverlauf ersichtlich. In Abb. 1 ist der zeitliche Verlauf der Schwe- ißleistung eines konventionellen dem eines geregelten Kurzlichtbogenprozesses gegenübergestellt. Beim CMT Prozess (Fronius) wird während der Kurzschlussphase der Schweißstrom minimiert. Um jedoch ein Ablösen des Schweißtropfens zu gewähr- leisten, wird der Drahtvorschub umgekehrt und der Draht zurückgezogen. Die Neuzündung des Lichtbo- gens kann somit nahezu leistungsfrei erfolgen. Die- ser Vorgang wiederholt sich bei jedem Kurzschluss wobei Frequenzen von bis zu 70 Hz erreicht werden. Der Gesamtwärmeeintrag ist dabei minimiert und eine Spritzerbildung nahezu ausgeschlossen [Tro 05]. Bei der von EWM entwickelten Anlage erfolgt ein Anste- igen des Schweißstromes im Kurzschlussfall, wodurch aufgrund des Pinch-Effektes der Tropfen vom Drahten- de abgelöst wird. Jedoch muss hierzu der Strom kurz vor Auflösen der Kurzschlussbrücke in einem kurzen Intervall digital heruntergeregelt werden. Der zeitliche Strom- /Spannungsverlauf beim herkömmlichen Kurz- lichtbogenschweißen und beim coldArc –Verfahren ist in Abb. 2 dargestellt. Somit wird jeder einzelne Tropf- enübergang kontrolliert. Durch diese Regelung wird der Wärmeeintrag in das Substratmaterial minimiert und ein äußerst spritzerarmer Lichtbogenprozess er- möglicht. Untersuchungen zum Fügen von Blechen mit geringerer Stärke sowie zur Bearbeitung zinkhaltiger Zusatzwerkstoffe belegen den Erfolg dieser Technolo- gien [Dor 01, Dor 05, Goe 05]. Weitere Technologien wie STT von Lincoln oder CP von Cloos arbeiten mit ähnlicher Technik. Hier wird ebenfalls der Wärmeein- trag und damit die Spritzerbildung minimiert. Neueste Entwicklungen in der Werkstofftechnologie haben zu nanokristallin erstarrenden Werkstoffen unter praxisnahen Einsatzbedingungen geführt. Insbesonde- Abb. 1. Leistung beim Wiederzünden des Lichtbogens beim konven- tionellen und beim geregelten Kurzlichtbogen /www.ewm.de/ Rys. 1. Moc łuku przy ponownym zajarzeniu dla konwencjonalnego i sterowanego łuku zwarciowego (www.ewm.de) 67Przegląd sPawalnictwa 9/2011 re handelt es sich hierbei um Fe-Basis Legierungen die mit Mo, W, C, Mn, Si und B legiert sind und amorph mit eingelagerten Nanokristalliten erstarren (Abb. 3) [Bra 05, Hof 06]. Die Beschichtungen besitzen gegenüber herköm- mlichen Stählen durch ihre nanokristalline/amorphe Struktur, die abhängig von den werkstoffspezifischen Prozessbedingungen (z.B. Abkühlrate, Unterkühlung) entstehen kann, erheblich größere Festigkeiten bei ausreichender Bruchdehnung. Ein weiterer durch die Nanokristallinität hervorgerufener Effekt ist eine deut- lich im Vergleich zu konventionellen Metallen geringe- re Wärmeleitfähigkeit, die in der Größenordnung von ZrO2-Keramiken liegt [Hol 03]. Abb. 4. Verringerung der Wärmeleitfähigkeit metallischer Werkstoffe beim Übergang zu amorpher Mikrostruktur [Nan 97] Rys. 4. Zmniejszenie przewodności cieplnej materiałów metalicz- nych przy przejściu do struktury amorficznej [Nan 97] Abb. 5. Verringerter Aufmischungsgrad bei Verwendung der gere- gelten Kurzlichtbogentechnologie (b) im Vergleich zu konventioneller Sprühlichtbogentechnik (a) Rys. 5. Zmniejszenie stopnia wymieszania napoin przy zastosowa- niu technologii sterowanego łuku zwarciowego (b) w porównaniu z konwencjonalnym łukiem natryskowym (a) Abb. 6. Beschichtung hergestellt mittels geregelter Kurzlichtbogen- technik mit erhöhtem Wärmeeintrag (links), mit optimiertem Wärme- eintrag (rechts) Rys. 6. Warstwa wytworzona przez napawanie techniką sterowane- go łuku zwarciowego z podwyższoną (z lewej strony) oraz z optymal- ną (z prawej strony) ilością wprowadzonego ciepła Abb. 7. Beschichtung aus nanokristallin erstarrendem Eisenbasiswerkstoff auf Alu- miniumsubstrat. Rys. 7. Warstwa z nanostruk- turalnie krystalizującego mate- riału na osnowie żelaza nało- żona na podłoże ze stopu alu- minium Die Wärmeleitfähigkeit in metallischen Festkör- pern wird von der Elektron-Elektron- und Elektron- Störstellen-Wechselwirkung sowie von der Phonon- Elektron und Phonon-Phonon-Wechselwirkung be- stimmt. Bei abnehmender Korngröße wird die Elek- tron-Elektron-Wechselwirkung zunehmend gestört und die Wärmeleitfähigkeit nimmt ab. Gleichzeitig nimmt die mittlere freie Weglänge der Phononen ab, so dass auch die Wärmeleitfähigkeit über Gitter- schwingungen abnimmt. Somit sinkt beim Übergang in nanokristalline/ amorphe Kristallstrukturen die Wär- meleitfähigkeit von metallischen Werkstoffen (Abb. 4) [Hol 03, Nan 97]. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit nanokri- stallin erstarrender Eisenbasislegierungen ergibt sich für derartige Beschichtungen ein zusätzliches Poten- zial für die Verwendung als metallische Wärmedämm- schichten [Bra 01, Bra 05, Shi 05]. Der gezielte Wärmeeintrag, der beim Fügen mit- tels geregelter Kurzlichtbogentechnik ermöglicht ist, ist auch für das Auftragschweißen vorteilhaft. Erste grundlegende Untersuchungen zum Auftragsschweiß- en mittels geregelter Lichtbogentechnik sind bereits veröffentlicht worden und verdeutlichen, dass Aufmi- schungsgrade unterhalb 5 % möglich sind /Wil 06/. Im Vergleich konventioneller Sprühlichtbogen – geregelter Kurzlichtbogen (Abb. 5) ist ersichtlich, dass der Ener- gieeintrag in die Grundwerkstoffe wesentlich verringert werden kann. Gilt es, Aluminiumsubstrate zu beschichten, muss der Energieeintrag in den Grundwerkstoff optimiert werden. Mittels konventioneller Kurzlichtbogentech- nik ist das Beschichten von Aluminiumwerkstoffen mit Eisenbasislegierungen, wie X8CrNi18-9, aufgrund des unkontrollierten Wärmeeintrages bei der Lichtbogen- neuzündung nicht ermöglicht. Jedoch kann mit gere- gelter Kurzlichtbogentechnik, wie dem coldArc-Pro- zess, der Energieeintrag soweit minimiert werden, dass das Wachstum intermetallischer Phasen begrenzt wird. Hierfür muss aber auch beim Beschichten mit ge- regelter Kurzlichtbogentechnik eine Prozessoptimier- ung erfolgen. In Abb. 6 – links ist eine Beschichtung abgebildet, welche mittels geregelter Kurzlichtbogen- technologie mit nicht optimiertem Energieeintrag auf- grtragen wurde. Es ist ersichtlich, dass es, aufgrund des hohen Energieeintrages und der damit verbunde- nen Sprödphasenbildung, zu Rissbildung in der Grenz- schicht zwischen Substrat und Beschichtung kommt. Beim Beschichten mit minimiertem Energieeintrag hin- gegen (Abb. 6 – rechts) kann die Phasenbildung be- grenzt werden, sodass keine Rissbildung auftritt. Die Machbarkeit des Auftragschweißens von nano- kristallin erstarrenden Eisenbasiswerkstoffen auf Alu- miniumsubstraten mittels geregelter Kurzlichtbogen- technologie wurde in grundlegenden Untersuchungen nachgewiesen [Wil 07]. Während der Untersuchungen kamen sowohl die CMT- als auch die coldArc-Techno- logie zum Einsatz. In Abb. 7 ist eine Auftragschweiß- ung von SHS7214 auf einer Aluminiumgusslegierung 68 Przegląd sPawalnictwa 9/2011 kostengünstiges Verfahren für das Auftragen hochwer- tiger Beschichtungen anzubieten und andererseits sol- len Aluminiumsubstrate mittels Auftragschweißens von Eisenbasislegierungen beschichtet werden. Insbe- sondere kann durch den geregelten MIG-Lichtbogen beim Beschichten von Aluminiumsubstraten eine „Rei- nigung“ und Aktivierung des Grundwerkstoffes erzielt werden, so dass günstige Bedingungen für die Benet- zung vorliegen. Darüber hinaus führen die Abkühlra- ten dazu, dass einerseits der aufzutragende Fe-Basi- swerkstoff amorph/nanokristallin erstarrt und die Bil- dung intermetallischer Phasen weitgehend unterdrückt werden kann. Weiterhin ergibt sich eine geringe Aufmi- schung, wodurch die Eigenschaften des Schichtwerk- stoffes nahezu erhalten bleiben. Erste grundlegende Untersuchungen werden an linienförmigen Auftragraupen auf einer AlSi-Gussle- gierung mit einem Fülldraht auf Fe-Basis (Fe Cr Mo W Ti B C Si Mn) durchgeführt. Dabei sollen grundle- gende Erkenntnisse zur Prozessführung (zeitlicher Strom-/Spannungsverlauf, Drahtvorschub, Schweiß- geschwindigkeit), sowie über die einzustellenden Prozessbedingungen zum Erlangen einer nanokri- stallinen Erstarrung erarbeitet werden. Das Prozess- fenster wird basierend auf den bereits beim Antrag- steller vorliegenden empirischen Erkenntnissen sys- tematisch erarbeitet, um zu einer direkten Korrelation der Prozessbedingungen und der Legierungszusam- mensetzung mit den herrschenden Erstarrungsbe- dingungen und Werkstoffeigenschaften zu gelang- en. Anhand von Temperaturmessungen im Prozess werden der Zeit-Temperatur-Verlauf und somit auch die für die Erstarrungsmorphologie wesentlichen Ab- kühlbedingungen abgeleitet. In weiteren Untersu- chungen sollen in Abstimmung mit den Mitgliedern des pbA Beschichtungen auf verschiedenen Al-Le- gierungen hergestellt werden. Dabei sollen neben Gusslegierungen unterschiedlicher Zusammenset- zung auch Knetlegierungen (z.B. 5xxx und 7xxx) zum Einsatz kommen. Die Abkühlrate wird jedoch nicht nur vom Werkstoff, sondern auch von der Geo- metrie des Substrates bestimmt, so dass auch die- ser Einfluss Gegenstand der Untersuchungen ist. Im Hinblick auf den Ersatz von Inlay-Dichtsitzen werden vor allem kreisförmige Beschichtungen hergestellt, für die es Slope-in und Slope-out Strategien zu ent- wickeln gilt. Die Schichten werden licht- und rastere- lektronenmikroskopisch untersucht, darüber hinaus erfolgt eine hochaufgelöste Analyse der entstande- nen Phasen Ergebnisse Ausgehend von den Voruntersuchungen erfolgten umfangreiche Schweißversuche mit den in Bild 10 dar- gestellten Fülldrähten. Auf Grund der Rissbildungsproblematik wur- den zum Auftragschweißen 2 unterschiedliche Abb. 8. Ausbildung eines in- termetallischen Phasensaums < 5 µm Rys. 8. Tworzenie się faz mię- dzymetalicznych o wielkości < 5 µm Abb. 9. Nanokristallin erstarrtes Gefüge des Auftragschweißwerk- stoffes bei hinreichenden Abkühlbedingungen Rys. 9. Widok nanostrukturalnie krystalizujących struktur napoin przy różnych warunkach ich układania dargestellt, welche mit der coldArc-Technologie herge- stellt wurde. In der Vergrößerung ist zu erkennen, dass der wärmebeeinflusste Bereich im Aluminium nur ca. 0,2÷0,3 mm beträgt. Es ist anhand der Ergebnisse ersichtlich, dass der Wärmeeintrag in den Substratwerkstoff minimiert werd- en kann. Durch eine angepasste Prozessführung lässt sich die Bildung eines spröden Saumes intermetalli- scher Phasen auf unter 5 µm begrenzen (Abb. 8). Wie die EDX-Analysen verdeutlichen erfolgt nahezu keine Aufmischung mit dem Grundwerkstoff. Ca. 10 μm ne- ben dem Interface Schicht/Grundwerkstoff ist in der Schicht kein Al und in dem Grundwerkstoff kein Fe zu analysieren. Das Interface selber wird aus einem ca. 2 μm breiten Phasensaum gebildet. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums wird die zugeführte Wärme schnell abgeleitet, sodass günstige Bedingungen für eine nanokristalline Erstarr- ung vorliegen. In Abb. 9 ist das Gefüge des Auftrag- werkstoffes dargestellt. Zu erkennen sind Strukturen deren Abmessungen deutlich unter 1 µm betragen. Auf- grund der feinstkristallinen Erstarrung ergeben sich Härtewerte von 1008 ± 112 HV0,01. Vorgehensweise Mit dem Einsatz der geregelten Kurzlichtbogentech- nik werden zwei Ziele verfolgt. Einerseits gilt es, ein 69Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Prozessstrategien verfolgt. Zum einen kam ein ener- giereduzierter Kurzlichtbogen mit WIG-Vorwärmung und ein energiereduzierter Impulslichtbogen zum Ein- satz. Im Ergebnis muss festgehalten werden, dass ein rissfreies Auftragschweißen mit diesen Prozessen und den o.g. Fülldrähten trotz umfasssender Parameterop- timierung nicht möglich war (ABB: 11). In Abbildung 12 sind Querschliffe durch die „opti- mierten“ Auftragschweißungen dargestellt. Auffällig ist, dass im Gegensatz zu den Ergebnissen der Vorver- suche unabhängig von der gewählten Prozessstra- tegie ein recht hoher Aufmischungsgrad mit ca. 20% vorhanden ist. Abb. 10. Fülldrahtzusammensetzungen und Drahtquerschliffe Rys. 10. Skład chemiczny i przekrój drutów proszkowych Abb. 11. Aufsicht auf Auftragschweißungen mit einem energieredu- zierten AC-Impulslichtbogen (nach oben) und einem energieredu- zierten Kurzlichtbogen mit WIG-Vorwärmung Rys. 11. Widok napoin napawanych łukiem impulsowym AC o zredu- kowanej energii (u góry) i łukiem zwarciowym o zredukowanej ener- gii z podgrzewaniem metodą TIG Abb. 12. Querschliffe und Elementanalysen „optimierter“ Auftrag- schweißungen Rys. 12. Mikrostruktura i analiza punktowa optymalnych napoin Abb. 13. EBSD-Analyse einer Auftragschweißung Rys. 13. Analiza ESBD napoin Abb. 14. Berechnetes Phasendiagramm des Systems Cu-Fe-Al-10Ni Rys. 14. Obliczeniowy równowagowy układ fazowy Cu-Fe-Al.-10Ni Abb. 15. Berechnete Phasenfelder in Abhängigkeit von der Al-Kon- zentration Rys. 15. Obliczone obszary fazowe w zależności od zawartości Al 70 Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Abb. 17. Berechnete Gefügebestandteile in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung bei einer Aufmischung von 20% Al Rys. 17. Obliczeniowy równowagowy układ przy wymieszaniu z 20% Al Abb. 18. Auftragschweißung ohne Pufferschicht mit Vor- und Na- chwärmen Rys. 18. Widok i struktury napoiny bez warstwy buforowej z pod- grzaniem przed i po procesie napawania Abb. 19. Temperaturführung zum rissfreien Auftragschweißen Rys. 19. Przebieg temperatury dla wykonywania napoin bez wystą- pienia pęknięć Abb. 16. Auftragschweißung mit dem Pufferwerkstoff AlBz5Ni2 (links) und Prozessführung zur Vermeidung Nahtanfangs- und –end- fehlern Rys. 16. Napawanie z materiałem buforowym AlBZ5Ni2 i sterowa- nie procesu w celu zmniejszenia wad na początku i końcu napoiny Mit dem Ziel, die Auftragschweißwerkstoffe für das Beschichten von Aluminium weiter zu entwickeln, er- folgten umfangreiche Phasenanalysen in den Be- schichtungen. Mit den in Abbildung 13 dargestellten EBSD Ergebnissen konnte allerdings keine Korrelation zwischen Rissbildung und Phasenausbildung oder – anordnung abgeleitet werden. Als Lösungsansatz wur- de das Einbringen von Pufferschichten gewählt. Mittels Phasendiagrammberechnungen erfolgte die Auslegung der Pufferschicht im System Cu-Fe-Al- Ni (Abb. 14, 15). Aus den Berechnungen geht hervor, dass die Aufmischung unter 12% Al gehalten werden muss, um intermetallische Phasen zu vermeiden. Mit der Legierung AlBz5Ni2 gelang es mittels ener- giereduziertem Impulslichtbogen rissfreie Kreisnähte zu erzeugen (Abb. 16) Die phasentheoretischen Betrachtungen erfolgten in der weiteren Folge auch für die Entwicklung von Eisenbasislegierungen zum direkten Auftragschweiß- en sowie einer erforderlichen Temperaturführung. In Abb. 17 sind die Anteile an Fe-Mischkristall und Kar- biden in Abhängigkeit von unterschiedlichen Legie- rungszusammensetzungen dargestellt. In den Be- rechnungen wurde eine Aufmischung von 20% Al be- rücksichtigt. 71Przegląd sPawalnictwa 9/2011 Zusammenfassung Das Auftragschweißen von Fe-Basislegierun- gen auf Al-Gusswerkstoffe ist auf Grund der Bil- dung intermetallischer Phasen prozess- und le- gierungstechnisch problematisch. Es wurden zwei unterschiedliche Prozessstrategien erarbe- itet. Zum einen ist das Einbringen einer Al-Bronze eine Lösungsvariante und zum anderen das Ein- halten einer definierten Temperaturführung bei der der Werkstoff zunächst vorgewärmt und nach dem Schweißprozess nachgewärmt werden muss. Zur gezielten Legierungs- und Prozessentwicklung wur- den phasentheoretische Berechnungen eingesetzt, um abschätzen zu können, welche Phasen sich in Abhängigkeit von der Aufmischung ausbilden. 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[McC 95] McCune, R.C.; Thermal spraying of cylinder bore sur- Aluminiumlegierungen kostengünstig herstellbar sind bzw. mit geringem experimentellem Aufwand die ausgearbeiteten Prozessstrategien auf die je- weilige Anwendung zu projiziert werden kann. Die wirtschaftlichen Vorteile bestehen vor allem in der leichten Handhabbarkeit, der hohen Energieeffi- zienz und den damit verbundenen niedrigen Pro- zesskosten. So ist beispielsweise bei der Herstel- lung von Ventilsitzen eine Verkürzung der Ferti- gungsfolge möglich. Bisher wurden sowohl die Al-Guss als auch die Inlays mit Passungen verse- hen, welche in weiteren Prozessschritten aufge- schrumpft und/oder eingepresst wurden. Mit der Bereitstellung einer Technologie zum Beschichten der Aluminiumbauteile kann die Fertigungsfolge auf Beschichten und Endbearbeiten reduziert wer- den. Weiterhin ergeben sich Vorteile aufgrund ver- längerter Lebensdauer und somit verringerter In- stand-haltungskosten. faces for aluminium engine blocks; Welding Journal, New York; Band 74; 1995; Heft 8; Seite 41-47. [Mai 95] Maier K.; Zylinderlaufflächen im modernen Motorenbau; Ulmer Gespräch, 17, 1995; Seite 44-50. [Man] Mantel W.; Die MIG- Schweißung von Al-Legierungen; Linde AG Werksgruppe München, Schweißtechnik- Hin- weise für die Praxis X 65/1. [Nan 97] Nan C-W.; Birringer R.; Clarke D.R.; Gleiter H.; Effective thermal conductivity of particulate composites with inter- facial thermal resistance; J. Appl. Phys. 81; 10, 15 May 1997. [Uoz 05] Uozato S.; Nakata K.; Ushio M.; Evaluation of ferrous po- wder thermal spray coatings on diesel engine cylinder bo- res; Surface and Coatings Technology Band 200, 2005; Heft 7; Seite 2580-2586. 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[Wan 98] Wang Y.S.; Narasimhan S.; Larson J.M.; Schaefer, S.K.; Wear and wear mechanism simulation of he- avy-duty engine intake valve and seat inserts; Jour- nal of Materials Engineering and Performance, Band 7 1998; Heft 1; Seite 53-65. [Wil 06] Wilden J.; Bergmann J.P.; Dolles M.; Muether R.; Go- ecke S.-F.; Cladding with new short arc devices, ITSC 2006, Seattle, USA. [Wil 07] Wilden J.; Bergmann J.P.; Reich S.; Schlichting S.; Schnick T.; Cladding of Aluminum Substrates with Nano Crystalline Solidifying Wear Resistant Iron-Ba- sed Materials; ITSC 2007; Beijing, China. [Zer 98] Zerner I.; Schubert E.; Sepold G.; Laserstrahlfügen von Aluminium mit Stahl. Proceedings „Neues zum Schweißen von Leichtbauwerkstoffen“; Tagungsreihe Dünnblechverarbeitung, Erding; 1998; S. 221-230. Danksagung Die Untersuchungen wurden aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeits- gemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. gefördert und von der Forschungsvereinigung „Schweiß- en und verwandte Verfahren“ e. V. des DVS unterstützt. Für diese Förderung und Unterstützung sei herzlich gedankt. Okulary ochronne od 3M – moda na bezpieczeństwo Firma 3M Poland, oddział światowego lidera w dziedzinie innowacji, prezentuje szeroką gamę okularów i gogli ochronnych. Oferta obejmuje m.in. okulary przeciwsłoneczne, okulary do strzelania czy okulary z wy- miennymi soczewkami. Wszystkie produkty 3M z zakresu ochrony wzroku charakteryzuje nie tylko niezawodna jakość, ale również nowoczesny design. Stylowa jakość, która wyróżnia ofertę okularów ochronnych 3M Poland, to wysoka jakość i gwarancja peł- nej ochrony ale również modne kształty i elegancki styl. Większość modeli wyposażono w regulowane elementy, a ich powierzchnie stykające się ze skórą wykonano z miękkich materiałów. Dzięki temu zwiększyła się po- wierzchnia dopasowania okularów do twarzy, a komfort użytkowania znacząco się poprawił. Jednym z priorytetów firmy 3M jest zapewnienie naszym klientom bezpieczeństwa w pracy, w domu i w życiu codziennym. Wierzymy bowiem, że zdrowie jest najważniejsze, a większa wygoda poprawia ochronę pracownika, zwiększa jego wydajność i zapewnia zgodność z przepisami. Nasza oferta okularów i gogli ochronnych zapewnia nie tylko funkcje ochronne, ale również elegancki wygląd – mówi Marta Kapała, starszy koordynator marketingu w dzia- le Bezpieczeństwa Pracy w 3M Poland. – Większość okularów i gogli od 3M chroni również przed promieniowaniem UV oraz została zatwierdzona do użytku zgodnie z normą PN-EN166 i ma oznaczenie CE – dodaje Marta Kapała. Z myślą o osobach użytkujących sprzęt ochrony wzroku w połączeniu z innym sprzętem ochrony indy- widualnej firma 3M Poland poszerzyła swoją ofertę okularów o dwie nowe serie: Tora™ CCS i Virtua™ AP. Dla przykładu. Okulary Tora™ CCS mają zintegrowany System 3M™ Cord Control (CCS) pozwalający użyt- kownikowi na dołączenie wkładek przeciwhałasowych na sznurku, a tym samym jednoczesne wykorzy- stanie ochronników wzroku i słuchu. Seria Virtua™ AP ma z kolei ochronny pasek na linii brwi, który chroni oczy przed ewentualnymi odłamkami. W przypadku tego modelu dostępne są różne kolory soczewek. Coś dla Pań i Panów Dla kobiet, których praca wymaga korzystania z okularów ochronnych, firma 3M przygotowała serię Refine 300. Te modne okulary zaprojektowano w taki sposób, aby lepiej przylegały do głowy i twarzy użytkowniczek. Z kolei dla panów, zwracających uwagę na nowoczesny design, firma wprowadziła okulary 3M™ Marcus Grönholm, sygnowa- ne przez znanego kierowcę rajdowego. Mają one oprawki z hipoalergicznego metalu z regulowanym noskiem, pla- styczne końcówki zauszników zwiększające możliwość regulacji oraz soczewki pokryte powłoką AS-AF zabezpie- czające okulary przed zarysowaniem i zaparowaniem. Tomasz Gołębiewski Nowości techniczne