Mikrostruktur und Eigenschaftenlichtbogengespritzter Schichten auf EisenbasisMicrostructure and properties of Fe-based wire arc sprayed coatings

K. Bobzin, T. Schlafer, K. Richardt, L. Zhao,P. Kutschmann

Neuartige eisenbasierte Lichtbogenspritzwerkstoffe stellen eineviel versprechende wirtschaftliche Alternative zu konventionellenKarbidwerkstoffen fur Verschleißschutzanwendungen dar. Derzeitwerden unterschiedliche Ansatze verfolgt, die Eigenschaften deraufgebrachten Funktionsschichten durch die Variation der Drahtzu-sammensetzung zu verbessern. Besonderes Interesse gilt dabei derBeeinflussung der Kristallstruktur und der Hartphasengroßen im re-sultierenden Gefuge. Das Ziel besteht darin, Spritzschichten miteinem Amorphphasenanteil sowie einer Submikro- und Nanostruk-tur zu erreichen, deren Ausbildungen durch die hohen Abkuhlge-schwindigkeiten des im Prozess auf- und angeschmolzenen Spritz-werkstoffs im Moment des Aufpralls auf das Bauteil begunstigt wer-den. Die dadurch erzielten Schichten zeichnen sich durch eine hoheHarte, einen hohen Korrosions- und Verschleißwiderstand aus.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit eisenbasierten Spritz-schichten, die durch Lichtbogenspritzen hergestellt wurden. Durchden Einsatz von Fulldrahten mit modifizierter Legierungszusam-mensetzung wird die Bildung der Amorphphase sowie der Submi-kro- und Nanostruktur begunstigt. Die Fullung der Lichtbogen-spritzdrahte basiert auf FeB mit einer Zusammensetzung nahedem Eutektikum, die durch Zumischen von Cr3C2, FeSi, FeCrCund AlMg variiert werden. Durch das Zulegieren von Legierungs-elementen wie Cr, C, Si, Al und Mg soll die Bildung der Amorph-phase weiter gefordert werden. Die hergestellten Schichten werdenim Hinblick auf die resultierenden Schichteigenschaften und vorlie-genden Phasen unter Variation der Legierungszusammensetzung derFulldrahte analysiert. Es konnte durch XRD-Analysen gezeigt wer-den, dass die gespritzten Schichten eine eisenbasierte amorphe Pha-se aufweisen.

Schlusselworte: Eisenbasisschicht, Amorphphase, Lichtbogen-spritzen, Mikrostruktur, Schichteigenschaften

Innovative iron based feedstocks for wire arc spraying are a pro-mising alternative for conventional carbide reinforced feedstocksfor wear applications. Recently the main area of research is focusedon improving the properties of deposited functional coatings byvarying the wire composition. The influence on the crystallinestructure and the dimension of the hard phases in the resulting mi-crostructure is of particular interest in this context. The objective ofthe investigation is to produce coatings with an amorphous phase,submicron and nanocrystalline structure. The forming of the amor-phous phase is influenced by high cooling rates of the molten andpartly molten particles impinging on the substrate. Thus, theachieved coatings are characterized by high hardness as well ashigh corrosion and wear resistance.

The present paper introduces iron based coatings produced bywire arc spraying. Due to the application of cored wires with a mod-ified alloy composition the forming of an amorphous phase as wellas a submicron- and nanocrystalline structure is promoted. The fill-ing of the cored wires are based on FeB with a eutectic compositionand is varied by adding Cr3C2, FeSi, FeCrC and AlMg. The addingof further elements like Cr, C, Si, Al and Mg should improve theforming of the amorphous phase. The deposited coatings are ana-lyzed regarding to the resulting coating properties and phase com-position in connection with the composition of the cored wires.XRD-analysis’ proved that the Fe-based coatings contain an amor-phous phase.

Key words: Iron based coatings, amorphous phase, wire arcspraying, microstructure, coating properties

1 Einleitung

Die Herstellung metallischer Glaser kann durch eine geziel-te Zusammensetzung metallischer Legierungen in Kombina-tion mit einer kontrollierten und hinreichend schnellen Ab-kuhlung erreicht werden. Aufgrund der besonderen Eigen-schaften der metallischen Glaser wie hohe Harte, hoher Kor-rosions- und hoher Verschleißwiderstand [1], ist die Entwick-lung korrosions- und verschleißbestandiger Beschichtungenmit Amorphphasen von großem Interesse. Im Bereich derthermischen Spritztechnik konnten aufgrund der verfahrens-bedingten hohen Abkuhlgeschwindigkeiten der auftreffendenauf- und angeschmolzenen Partikel Amorphphasen in derSpritzschicht verschiedener Werkstoffsysteme nachgewiesenwerden. Arbeiten, die sich mit eisenbasierten Spritzschichtenbefassen, wurden beispielsweise von Branagan [2, 3], Ko-bayashi [4], Shmyreva [5] und Cherigui [6] durchgefuhrt. Bra-nagan hat amorphe und nanokristalline Phasen in Fe-Cr-Mo-B-C-Si-Al [2] und Fe-Cr-Mo-W-B-C-Si-Mn Schichten [3]

festgestellt, die durch Hochgeschwindigkeitsflamm- bzw.Lichtbogenspritzen hergestellt wurden. Kobayashi hat ge-zeigt, dass amorphe Fe-Si-B-Cr-Mo Schichten mittels desPlasmaspritzprozesses erzeugt werden konnen. Shmyrevahat sich mit dem Detonationsflammspritzen von Fe-Cr-P-CPulver beschaftigt, wahrend Cherigui nanostrukturierte Fe-Nb und Fe-Si Pulver mittels Hochgeschwindigkeitsflamm-spritzen verarbeitet hat.

In der vorliegenden Arbeit beschrankt sich die Herstellungeisenbasierter Schichten auf das Lichtbogenspritzen, das alsdas wirtschaftlichste thermische Spritzverfahren anzusehenist. Die eingesetzten Fulldrahte weisen eine entsprechend mo-difizierte Legierungszusammensetzung auf, die die Bildungder Amorphphase begunstigt. Im Hinblick auf die stetig stei-genden Rohstoffpreise wurde auf die teuren Legierungsele-mente W und Mo verzichtet, mit dem Ziel ein kostengunstigesSchichtsystem fur Verschleiß- und Korrosionsanwendungenzu entwickeln.

Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2008, 39, No. 12 DOI: 10.1002/mawe.200800393

F 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 867

2 Experimentelles

Die Herstellung der lichtbogengespritzten Schichten er-folgte durch die Verarbeitung von Fulldrahten mit einemDurchmesser von 1,6 mm. Die Fullung der Lichtbogenspritz-drahte basierte auf FeB mit einer Zusammensetzung nahe demEutektikum, die durch Zumischen von Cr3C2, FeSi, FeCrCund AlMg variiert wurden. Als Ummantelung wurde ein un-legierter Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt < 0,004 Gew.-%verwendet. Tabelle 1 gibt einen Uberblick uber die Zusam-mensetzungen der eingesetzten Eisenbasisfulldrahte.

Fur die Durchfuhrung der Beschichtungsversuche wurdedie Lichtbogenspritzanlage Modell 9000 ArcJet von TAFAPraxair (Wiggensbach, Deutschland) eingesetzt. Die Verarbei-tung der verschiedenen Fulldrahte erfolgte mit dem gleichenSpritzparametersatz. Dieser wurde mit Hilfe einer statisti-schen Versuchsplanung optimiert. Folgende Spritzparameterwurden fur die Herstellung der Schichten gewahlt: Stromstar-ke 300 A, Spannung 33 V, primare und sekundare Zerstauber-gas jeweils 3,5 bar und Spritzabstand 80 mm. Die Schichtenwurden mit Schichtdicken zwischen 250 –350 lm auf sandge-strahlten Baustahlsubstrate (1.0037) aufgebracht, wobei dieProben wahrend des Spritzprozesses mit Druckluft gekuhltwurden.

Die Charakterisierung der hergestellten Spritzschichtenhinsichtlich ihrer Mikrostruktur erfolgte licht- und rasterelek-tronenmikroskopisch anhand von Querschliffen. Eine Ener-giedispersive Rontgenspektroskopie (EDX) wurde mit demEDX/EBSD (Electron backscatter diffraction) - System Pega-sus von EDAX (Wiesbaden, Deutschland) durchgefuhrt, wo-bei zu beachten ist, dass die leichten Elemente C und B nichtmittels EDX quantifiziert werden konnen. Die Phasenzusam-

mensetzung wurde anhand von geschliffenen Proben mit demRontgendiffraktometer Seifert XRD 3000 (Ahrensburg,Deutschland) analysiert, wobei die Untersuchungen mit CoKa–Strahlung im Winkelbereich (2h) zwischen 15 und110 � durchgefuhrt wurden. Die Porositatswerte der Schichtenwurden an Querschliffbildern mithilfe der digitalen Bildana-lyse (Axio Vision, Carl Zeiss AG, Gottingen, Deutschland)ermittelt. Die Kleinlasthartemessung nach Vickers (Micro-met 1, Buhler GmbH, Dusseldorf, Deutschland) wurde untereiner Lastbeaufschlagung von 300 g ausgefuhrt.

3 Ergebnisse und Diskussion

Die eisenbasierten Schichten werden hinsichtlich ihrer Mi-krostruktur und Eigenschaften charakterisiert. Zunachst wirdder Schichtaufbau mittels licht- und rasterelektronenmikro-skopischer Untersuchungsmethoden gezeigt und die Ergeb-nisse der Harte- und Porositatsmessungen dargestellt. Danacherfolgt die Analyse der Schichten hinsichtlich ihrer Phasen-zusammensetzung mittels XRD.

3.1 Mikrostrukturuntersuchungen

Alle lichtbogengespritzten Schichten weisen eine typischelamellare Struktur mit wenigen ungeschmolzenen Partikelnauf. Dies deutet darauf hin, dass die meisten zerstaubten Par-tikel im geschmolzenen oder angeschmolzenen Zustand aufdem Substrat auftrafen. Bild 1 zeigt Querschliffe der Schich-ten aus den Fulldrahten 1 und 7.

Die EDX-Analysen der Spritzschichten fuhren zu der Er-kenntnis, dass sich in den untersuchten Schichten eine eisen-basierte Matrixphase in Abhangigkeit der Zusammensetzungder Drahtfullung ausbildet. Als Beispiel sind in Bild 2 dieEDX-Analysen ausgewahlter Bereiche der Spritzschicht ausFulldraht 7 (FeB + Cr3C2 + AlMg) dargestellt. Die Metall-matrix weist außer Eisen die Fullungsbestandteile Chromund Aluminium auf (Punkt 1, Bild 2 b), was darauf hindeutet,dass es wahrend des Spritzprozesses zu metallurgischen Re-aktionen kam. So trat zum einen eine Zersetzung der Hart-phase Cr3C2 und zum anderen eine Auflosung und Verteilungder Fullwerkstoffe im Drahtwerkstoff auf. In den Matrix-phasen der Schichten aus den Fulldrahten 2 bis 6 wurdeChrom und bei den Schichten aus Fulldraht 6 zusatzlich Si-lizium detektiert. Des Weiteren fuhrte die Zerstaubung desSpritzzusatzes mit Druckluft zur Oxidation einiger Partikel(Punkt 2, Bild 2 c). Zwischen den einzelnen Lamellen desMatrixwerkstoffes konnen farblich dunklere Bereiche unter-schieden werden, die sich aus der Hartphase Cr3C2 zusam-mensetzten (Punkt 3, Bild 2 d).

Tabelle 1. Zusammensetzung der Eisenbasisfulldrahte (Gew.-%).

Table 1. Composition of the iron based cored wires (w%).

Full-draht

Fullung Zusammensetzung

1 FeB Fe 5,5B 0,045 C

2 FeB + Cr3C2 Fe 5B 4,7Cr 0,66C

3 FeB + Cr3C2 Fe 4,5B 6,6Cr 1,04C

4 FeB + Cr3C2 Fe 4B 8,4Cr 1,29C

5 FeB+ FeCrC Fe 4B 6,4 Cr 0,96C

6 FeB + Cr3C2+ FeSi

Fe 4B 6,2Cr 0,96C 1,41Si

7 FeB + Cr3C2+ AlMg

Fe 4B 6,5Cr 0,99C 1,04Al 1,27Mg

Bild 1. Lichtmikroskopische Aufnahme zweier Spritz-schichten: a) Schicht des Fulldrahtes 1, b) Schicht desFulldrahtes 7.

Figure 1. Light-optical micrographic of two coatings:a) coating of cored wire 1, b) coating of cored wire 7.

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Die Charakterisierung der Schichten hinsichtlich ihrer Har-te und ihres Porositatsanteils ist in Tabelle 2 aufgelistet. Diegemessen Hartewerte liegen zwischen 490 und 680 HV0,3.Ein Zusammenhang zwischen einem steigenden Hartstoffan-teil in der Drahtfullung und einem Anstieg des Hartewerteskann nicht abgeleitet werden. Mit Porositatswerten zwischen1,1 und 2,9 % sind die Schichten relativ dicht, was auch an-hand der Querschliffe in Bild 1 erkennbar ist.

3.2 Phasenzusammensetzung

Die Legierungszusammensetzung der Fulldrahte wurde imHinblick auf die Bildung der Amorphphase in der Spritz-schicht ausgewahlt. Um die Phasenzusammensetzung derSchichten zu bestimmen, wurden die Schichten mithilfe Ront-gendiffraktometrie untersucht. Bild 3 zeigt die XRD-Dia-gramme einiger Schichten. Bei allen Schichten kann eine mit-tig um den Beugungswinkel von ca. 53 � gering aufgeweiteteKurve beobachtet werden. Dies deutet darauf hin, dass eineeisenbasierte amorphe Phase in den Schichten existiert. DieSchichten aus den Fulldrahten der Zusammensetzung FeB+ Cr3C2 weisen dabei die geringsten Aufweitungen auf. Einhoherer Anteil an verschiedenen Legierungselementen in me-tallischen Glasern fordert die Bildung der Amorphphase [1].Die Peaks in den XRD-Diagrammen indizieren die kristalli-

nen Phasen der Schichten. Die Phasen Fe, Fe2B und Fe3O4konnen in den Schichten identifiziert werden. FeB hat sichin die hartere Phase Fe2B umgewandelt. Die Fullungsbestand-

Bild 2. REM-Aufnahme einer Spritzschicht hergestelltaus Fulldraht 7 (FeB + Cr3C2 + AlMg): a) Rasterelek-tronenmikroskopische Abbildung, EDX-Analyse: b)Punkt 1, c) Punkt 2, d) Punkt 3.

Figure 2. SEM-analysis of the coating of the coredwire 7 (FeB + Cr3C2 + AlMg): a) scanning electron mi-crograph, b) spot 1, c) spot 2, d) spot 3.

Tabelle 2. Ergebnisse der Porositats- und Hartemessungen.

Table 2. Results of the porosity and hardness measurements.

Spritzschicht des Fulldrahtes Fullung Harte HV0,3 Porositat [%]

1 FeB 584 1,1

2 FeB + Cr3C2 573 2,5

3 FeB + Cr3C2 660 2,9

4 FeB + Cr3C2 594 1,7

5 FeB+ FeCrC 580 1,7

6 FeB + Cr3C2 + FeSi 678 2,4

7 FeB + Cr3C2 + AlMg 495 1,6

Bild 3. XRD-Analyse dreier Schichten folgender Fulldrahte: Full-draht 1 (FeB), Fulldraht 4 (FeB + Cr3C2) und Fulldraht 7 (FeB +Cr3C2 + AlMg).

Figure 3. XRD-analysis of three coatings of the following coredwires: cored wire 1 (FeB), cored wire 4 (FeB + Cr3C2) and coredwire 7 (FeB + Cr3C2 + AlMg).

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teile der Spritzdrahte, Cr3C2, FeCrC, FeSi und AlMg, wurdenwahrend des Schmelzens im unlegierten Stahlmaterial gelost,was bereits aus den EDX-Analysen abgeleitet wurde. Diemoglichen auftretenden Phasen konnten nicht in den XRD-Diagrammen identifiziert werden. Des Weiteren kannFe3O4 als Hauptoxidationsprodukt in der Schicht angesehenwerden. Bereits in den EDX-Analysen konnte in einigen Par-tikeln Sauerstoff nachgewiesen werden (Bild 2 c).

4 Zusammenfassung

Es wurden die Mikrostruktur und Eigenschaften eisenba-sierter Schichten untersucht, die durch den Lichtbogenspritz-prozess aus Fulldrahten unterschiedlicher Legierungszusam-mensetzungen hergestellt wurden. Die Ergebnisse der Unter-suchungen der Schichten haben gezeigt, dass Amorphphasenin den Schichten vorliegen. Die Bildung der Amorphphasenwahrend der Abkuhlung der aufgeschmolzenen Spritzpartikelstellte das Ziel der Legierungsentwicklung dar. Wahrend desSpritzprozesses treten metallurgische Reaktionen auf, die zurZersetzung und Auflosung der Fullungsbestandteile in derMetallmatrix fuhren. Die Charakterisierung der Schichtenhinsichtlich ihrer Porositat und Harte zeigte, dass die Schich-ten eine geringe Porositat aufweisen. Ein Zusammenhangzwischen dem Hartstoffanteil und der resultierenden Schicht-harte konnte nicht nachgewiesen werden.

Die Ergebnisse sind als Grundlage fur weiterfuhrende Un-tersuchungen anzusehen. So soll durch eine gezielte Warme-behandlung die Moglichkeit der Umwandlung der Amorph-phase in eine nanokristalline Phase untersucht werden.Gleichzeitig wird der Drahtwerkstoff stetig im Hinblick aufdie Bildung der Amorphphase in den Spritzschichten modifi-ziert.

5 Danksagung

Das Forschungsvorhaben ZH 205/1 – 1 wird durch dieDeutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert. Furdiese Forderung und Unterstutzung sei an dieser Stelle ge-dankt.

6 Literatur

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192, 19.

Korrespondenzautor: Pia Kutschmann, RWTH Aachen, Institut furOberflachentechnik, Julicher Str. 344a, D-52070 Aachen, E-Mail:kutschmann@iot.rwth-aachen.de

Eingegangen in endgultiger Form: 27. November 2008T 393

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