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EFB-Forschungsbericht Nr. 062

Verminderung der Reibung an Umformwerkzeugen durch Laserbeschichten mit Aluminium-Mehrstoff-Bronzen

efb62

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. Heinz-Dietrich Haferkamp, Dipl.-Ing. Manfred Marquering, Laser Zentrum Hannover e.V.

153 Seiten (Sw 126, teils farbige Abb., 15 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-032-4

Preis (Digital) EUR 69,00

Preis (Print) EUR 77,00

Schlagwörter: Rissbildung

Zusammenfassung

Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten wurde das Laserstrahl-Auftragsschweißen im Einstufen-Beschichtungsprozeß mit pulverförmigem Zusatzwerkstoff untersucht.
Als Grundwerkstoffe wurden gegossene Eisenlegierungen verwendet.

Die Werkstoffe wurden außer prozeßseitiger Erwärmung keiner Wärmebehandlung zugeführt. Der zunächst verwendete Grauguß mit Lamellengraphit (GG25) war unter diesen Bedingungen nur eingeschränkt zu beschichten während Grauguß mit Graphit in Kugelform (GGG50 und GGG60) mit ausreichender Qualität beschichtet werden konnte.

Als Beschichtungswerkstoffe wurden verschiedene Aluminium-Mehrstoff- Bronzen mit den Herstellerbezeichnungen AMPCO 22 (Pulver 1), AMPCOTRODE (Pulver 2) und AMPCO 25 (Pulver 3) als Vormaterial verwendet. Die Materialien wurden in unterschiedlichen Herstellprozeßen zu Pulvern verarbeitet. Die Abhängigkeit der Beschichtungsergebnisse vom jeweiligen Herstellverfahren wird aufgezeigt und die notwendigen Anforderungen an die Pulverqualität werden spezifiziert. Es wird ein Parameterfeld für Einzelbahnen und flächige Beschichtungen vorgestellt, in welchem mit dem Laserstrahlbeschichten Bronzeschichten in einer Schichtdicke von 0,5 - 2 Millimeter mit Härtewerten von 300 bis 320 HB auf Gußeisen hergestellt werden können.

Es wurden weiterhin Modellwerkzeuge in Form von Ziehkanten auf einer wassergekühlten Spannvorrichtung unter 45° zur horizontalen Ebene mit Hilfe eines Fünf-Achsen-Portalsystems an zwei zueinander senkrechten Flächen und dem Kantenradius beschichtet.
Die Verschleißprüfung der Ziehkanten wurde auf einer Versuchsanlage im intermittierenden Streifenziehversuch mit Umlenkung durchgeführt.

Während der Versuche wurden kontinuierlich die Gesamtzugkraft F und die Reibzahl µ mittels EDV aufgezeichnet. Die ermittelten Meßwerte zeigen prinzipiell gleiche Verläufe und ein der massiven Bronze vergleichbares Betriebsverhalten bis zum Ende der Prüfdauer bei maximal 25.000 Lastspielen. Ebenso weisen die beschichteten Proben, die in der spröden Übergangszone nicht rißfrei sind, keine Materialausbrüche und gleichwertige Verschleißprofile bzw. -festigkeiten wie massive Bronze auf.
An einem Praxiswerkzeug wurde die Machbarkeit einer solchen Laserstrahl-Beschichtung für ein Realbauteil überprüft.

Das Forschungsvorhaben „Verminderung der Reibung an Umformwerkzeugen durch Laserbeschichten mit Aluminium-Mehrstoff-Bronzen“ wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.: 7908 von der EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V.) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 62 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

0. Formelzeichen
1. Einleitung
2. Ausgangssituation
2.1 Anwendung der Aluminium-Mehrstoff-Bronzen
2.2 Auftragsschweißen von Aluminium-Mehrstoff-Brenzen
2.3 Beschichten mit Pulvern
2.3.1 Grundlagen des Beschichtens mit Laserstrahlung
2.3.2 Einflußgrößen auf das Laserstrahl-Auftragsschweißen
2.3.3 Prozeßkennwerte
3. Versuchsaufbau
3.1 Laseranlage
3.2 Bearbeitungskopf
3.3 Fokussieroptiken
3.4 Spannvorrichtung
4. Arbeitsprogramme
4.1 Arbeitsprogramm für Einzelbahnen
4.2 Arbeitsprogramm für flächige Beschichtung
4.3 Arbeitsprogramm für Ziehkanten
5. Werkstoffe
5.1 Gußeisen-Grundwerkstoffe
5.2 Schichtwerkstoff Aluminium-Bronze
5.2.1 Zustandsschaubild Kupfer-Aluminium
5.2.2 Dreistoffsystem Kupfer-Aluminium-Eisen
5.3 Pulverspezifikationen
5.3.1 Pulvermodifikationen
5.3.2 Röntgenfeinstrukturanalyse der Beschichtungspulver
6. Auswertung der Beschichtungen
6.1 Einfluß der Oberflächenbeschaffenheit
6.2 Pulver 1 auf GG25
6.2.1 Perlenbildung
6.2.2 Rißbildung
6.2.3 Eruptionen im Grundwerkstoff
6.2.4 Bewertung der Ergebnisse Pulver 1 auf GG25
6.3 Pulver 1 auf GGG 50
6.3.1 Einfluß der Leistung auf die Nahtgeometrie
6.3.2 Bestimmung des Bahnversatzes
6.3.3 Flächige Beschichtungen
6.3.3.1 Untersuchung der Elementverteilung in der Schicht
6.3.3.2 Kleinlasthärtemessung
6.3.3.3 Härtemessung
6.3.4 Beschichtung der Ziehkanten
6.3.5 Pulverwirkungsgrad
6.3.6 Rauhheitsmessung
6.3.7 Untersuchung der Schichthaftung
6.3.7.1 Meißelprüfung
6.3.7.2 Biegeversuch
6.3.8 Perlen- und Porenbildung beim Laserbeschichten mit Aluminiummehrstoffbronze
6.3.9 Bewertung der Ergebnisse Pulver 1 auf GGG 50
6.4 Pulver 2 auf GGG60
6.5 Pulver 3 auf GGG60
6.5.1 Parametervariation
6.5.1.1 Sichtprüfung
6.5.1.2 Parameterbereich des Laser-Pulver-Auftragsschweißens
6.5.1.3 Einfluß der Laserstrahlleistung auf die Schichthöhe
6.5.1.4 Einfluß der Vorschubgeschwindigkeit
6.5.1.5 Einfluß des Pulvermassenstromes
6.5.2 Flächige Beschichtungen
6.5.2.1 Pulverwirkungsgrad
6.5.2.2 Härteprüfung
6.5.2.3 Rißbildung
6.5.3 Beschichtung der Ziehkanten
6.5.3.1 Rauheitsmessung
6.5.3.2 Metallographische Untersuchung
6.5.3.3 Härtemessung
7. Verschleißprüfung an Modellwerkzeugen
7.1 Aufbau der Streifenziehanlage
7.2 Untersuchung von Reibwert und Gesamtzugkraft
7.3 Verschleißprofilmessung
8. Praxiswerkzeug
9. Zusammenfassung
10. Literaturverzeichnis
11. Anhang