Thermally sprayed coatings for the valve industry

In dieser Studie wird die Entwicklung verschiedener thermisch gespritzter Beschichtungen für den Einsatz im Armaturenbau diskutiert. Basierend auf etablierten Verschleißschutzschichten der Armaturenindustrie wurden verschiedene Festschmierstoffe in diese integriert, um das Verschleiß- und Reibungsverhalten bei anwendungsnahen Belastungen Armaturen zu verbessern. Für Anwendungen Basis von WC/CoCr Cr3C2/NiCr entwickelt. Als nickelumhülltes Graphit hexagonales Bornitrid untersucht. Die Verfahrensvarianten Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit Sauerstoff (HVOF) neuartige Ultrahochgeschwindigkeitsflammspritzen (UHVOF) Ergebnisse zeigen, dass durch eine passende Beschichtungszusammensetzung Reduktion des Verschleißes 53 % Reibung 31 unter möglich ist. This study discusses the development of various thermally sprayed coatings for use valve industry. Based on established coating systems wear protection, different solid lubricants were integrated into these order to optimize and friction behavior at application oriented loads. Wear protection based applied. As lubricants, nickel-encapsulated graphite hexagonal boron nitride investigated. The thermal spraying processes high velocity oxygen fuel flame novel ultra results show that through an appropriate composition a reduction are possible. werden Industrie Steuerung Regelung Medien verwendet. Je nach verwendeten Medien, Betriebsdrücken -temperaturen können Korrosion Verschleiß Leckagen verursacht werden, wodurch Lebensdauer einer Armatur damit Wirtschaftlichkeit erheblich reduziert wird. chemischen beispielsweise genutzt, Massenfluss gefährlichen Chemikalien regeln. Eine Leckage solcher Armaturen, welche Dichtflächen entstehen kann, muss daher jeder Zeit ausgeschlossen werden. Das Thermische Spritzen ist ein industriell etabliertes Verfahren, vor schützen. Insbesondere diesem Bereich Werkstoffe als aus liefern einen hohen Verschleißschutz anderem stark erosiv beanspruchten wie Absperrventilen Ölindustrie verwendet 1, 2. bieten zudem Korrosionsschutz finden Regulierung Wasserdampf oder Gasen Anwendung, z. B. CO2 H2S 3, 4. extremen Umgebungsbedingungen denen äußerst hohe Korrosionsbeständigkeit gewährleistet muss, kommen keramische TiO2 Cr2O3 zum Einsatz. sich solche Hydrometallurgie Dampfventilen 5-7. Betriebs ebenfalls aufeinander abgleitenden Bauteiloberflächen beeinflusst. Regel- Absperrarmaturen zumeist einem Stellmotor betrieben. Durch Schaltung gewisser Anteil aufgebrachten Energie Wärme dissipiert, nur reduzierter gewünschte translatorische Bewegung genutzt kann. Forschung untersucht, tribologischen Kontakt minimieren. Diese bilden dünnen Film Oberfläche ausreichender Schmierfilmbildung reduzieren vermindern 8. Hexagonales (hBN) bis T≤1.000 °C stabil kann auch dem Thermischen verarbeitet Zudem weist hBN gute Reibeigenschaften feuchter Umgebung 9 auf, weshalb dieses ideal geeignet Untersuchungen Reibverhalten NiCr Ring-Scheibe-Tribometer gegen Gegenkörperring X1Cr18Ni9Ti Reibwert über breiten Temperaturbereich konstant erst Temperatur T = 700 signifikant ansteigt 10. Verschleißverhalten plasmagespritzten Cr3C2 Pin-on-Disk-Test Si3N4-Kugel Gegenkörperverschleiß zwischen 20 < 800 deutlich niedriger ist, vergleichbaren Beschichtung ohne Lediglich ab > 500 konnte höherer beobachtet Kohäsion Haftfestigkeit hängt jedoch maßgeblich vom Festschmierstoffanteil ab, sodass kaltgasgespritzten Ni hohem geschwächt 11. vielversprechend sofern Festschmierstoffgehalt Bezug notwendige Anwendung angepasst weiterer Festschmierstoff, da neben Beständigkeit aggressive niedrige Reibwerte ermöglichen bereits Armaturenspindeln erforscht wurde 12. lediglich Nickelhülle muss. Dass Integration anhand Ni/C gezeigt 13. Im Rahmen Projekts „Kostengünstige optimiertem Reib-, Korrosionsverhalten“, IGF-Nr 19668 N, Festschmierstoff versehene mittels Spritzens Um ausreichenden Verschleißschutz, insbesondere gegenüber Adhäsionseffekten, gewährleisten, hierzu eingebunden. näher Verschleiß-, Korrosions- vielversprechendsten Beschichtungen, Forschungsprojekt entwickelt wurden, eingegangen. X2CrNiMo17-12-2 am häufigsten Armaturenwerkstoffe Substrat Substrate Rundproben Durchmesser Ø 24 mm Dicke t 8 Vor Beschichtung, Edelkorund (F20) Druck p 0,6 MPa gestrahlt Ethanol gereinigt. Oberflächenrauheit lag Strahlen Ra 4,96 μm. Spritzusatzwerkstoffe dafür Tabelle 1 beschriebenen Zusammensetzung Taumelmischer gemischt. appliziert. Dabei Spritzpistole K2 (GTV GmbH, Luckenbach, Deutschland) neuartigen Verfahrens Ultra-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (kommerziell angeboten UHVOF) Bei Verfahren handelt es kommerziell erhältliche Modifikation herkömmlichen Spritzanlage. Austausch Düse Brennkammer, System höhere Brennkammerdrücke Partikelgeschwindigkeiten erreicht Tausch Pulverzuführblocks Einleitung Partikel Gaststrahl angepasst. schnelleren Prozessgase sind 14-16. Dies ermöglicht Anderem Applikation feiner Pulverfraktionen nennenswerte Oxidation. Prozessparameter 2 dargestellt. Bezeichnung Werkstoff Massenanteil [Gew.–%] H-Cr3C2 100 – 0 H-Cr3C2,hBN 95 5 H-Cr3C2,C 90 : C 10 H-WC H-WC,hBN U-WC fein Pulver Kornfraktion [μm] Hersteller Herstellerbezeichnung −45+5 GTV GmbH 80.81.3 −45+15 80.76.1 −25 +10 80.76.0 −106+30 Oerlikon Metco AG Durabrade 2241 −20+90 Momentive Performance Materials PTX60 Parameter H-Cr3C2, H-WC, HVOF UHVOF O2 [SLPM] 900 830 N2-Trägergas Mäander [mm] Spritzabstand 350 250 Kerosin 22 19 Düsenlänge/- -durchmesser [mm/mm] 150/11 100/8,3 Verfahrgeschw. [mm/s] 1.000 a) Konfiguration anwendungsrelevanten Verschleißtests, b) Resultierende Verschleißspur. Configuration application-oriented test, Resulting track. Bewertung Gefüges Querschliffe angefertigt lichtmikroskopisch Bestimmung Porosität erfolgte dreier lichtmikroskopischer Aufnahmen Vergrößerung 200x Programm ImageJ (National Institute Health, Bethesda, USA). Genaue Gefügebetrachtungen erfolgten Rasterelektronenmikroskop (REM) Phenom XL (Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, USA) EVO 60 (Carl Zeiss Ag, Oberkochen, Deutschland). Der Nachweis Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) Ramanspektroskopie Via Reflex (Renishaw plc, Gloucestershire, UK). Festkörperlaser monochromatischen Laserlicht Wellenlänge λ 532 nm Mikrohärte DIN EN ISO 4516 Gerät Micromet (Bühler Ltd, Illinois, Indentationsgewicht m 300 g Dauer 15 s ermittelt. Auswertung insgesamt Eindrücke pro Probe angefertigt. Form Kugel-Scheibe- Zylinder-Scheibe-Versuchen durchgeführt. Kugel-Scheibe-Versuche Al2O3-Gegenkörper hoher Härte inerten Eigenschaften durchgeführt, abrasiven initiieren. dienten Qualifizierungsmerkmale herauszuarbeiten, erhöhte erwarten lassen. Zur Reduzierung Flächenlast Verschleißbeständigkeit Lasten bewerten, jeweils anwendungsrelevante linienförmige Gegenkörperkontaktform Zylinder-Scheibe-Versuche Zylinder hierbei 10° gedreht zur Bewegungsachse ausgerichtet Last N beaufschlagt. Alle Proben Test 0,3 μm poliert. Damit gelungen, vergleichbare Hertz‘sche Pressungen pHertz 180 MPa, untersuchen, sie vorkommen, Bild 1. oszillierende erzeugt zusätzlich 450 geprüft, was vorliegenden Beanspruchungen Absperrventil sehr anwendungsrelevant 3 Verschleißbetrags Bildung Mittelwerts drei vermessen Positionen Kugel-Scheibe-Versuchen dies Lasermikroskops VK-X200 (Keyence, Osaka, Japan) taktil Hommel-Etamic T8000RC (Jenoptik Industrielle Messtechnik, Verschleißspuren 120°-Abstand Verschleißspur vermessen. An planimetrische Verschleißflächen bestimmt. Aus neun ermittelten planimetrischen Standardabweichung Verschleißkoeffizient, welcher volumetrischen Relation Laufstrecke setzt, einmal Kugel-Scheibe-Versuch getestet. Versuchsparameter Kugel-Scheibe Zylinder-Scheibe Prüfanlage Hochtemperatur-Tribometer (CSM Instruments, Peseux, Schweiz) SRVIII (Optimol Instruments Prüftechnik München, [N] [°C] 30, Gegenköper Al2O3-Kugel (Ø 6 mm) WC/CoCr- & Cr3C2/NiCr-Zylinder Zyklenzahl [−]/Laufstrecke [m] 31.831/ 60.000/ Laufspurradius Relativgeschwindigkeit Hub 1,5 Oszillation [Hz] 480 Stunden einnormaler Salzsäure ausgelagert. Immersion offenen strömungsfreien Raumtemperatur. Versuchen Polytetrafluorethylen (PTFE) maskiert, definierte Korrosionsfläche A cm2 prüfen. quantitative induktiv gekoppeltem Plasma unterstützter optischer Emissionsspektroskopie (ICP-OES) Optima 2000 DV (Perkin Elmer, Einfluss Referenz mituntersucht. Querschliff dichtes Gefüge 2b. kleinere Poren erkannt beträgt ca. η %. rund 2a. dargestellten Beschichtungen. Cross sections coatings. hBN-haltigen auffällig, Festschmierstoffreservoirs kleiner Partikelgröße hBN-Partikel, 2c, d. oberflächennah gröbere hBN-Partikel 2c. Es vermutet beim Aufprall nachfolgende zerfallen. konnten nicht genau unterschieden Identifikation Ramanspektroskopie, 3. Schichtsystemen Ramanspektroskopie. Identification particles by Raman spectroscopy. schützende Zerfall Graphits vermieden Daher Vergleich größere integriert 2e. Analogie eindeutig identifiziert ultrahochgeschwindigkeitsflammgespritzte dichteste 1,3 2f. Ni−C Voruntersuchungen integriert. Tribologische zeigten jedoch, Anbindung untersuchten ausreichend einige Ni−C-Partikel während ausgebrochen sind. Grund Beginn Beschichtungsplans verworfen Manuskript Festschmierstoffs allen Mikrohärtewerte Zwischen oberen unteren Quartil Cr3C2/NiCr-Beschichtung besteht Schichten geringste Differenz. liegen Werten festschmierstofffreien Cr3C2/NiCr-Beschichtung. Schwächung begründet Mikrohärtemessungen Mitte Schichtdicke Substrats Einbettmittels vermeiden. homogenere homogene Verteilung kleinen hBN-Reservoirs mittleren Lage rot blau. Microhardness measurements investigated Coatings shown red blue. weisen auf. zeigt größeren Differenz Härtewerte. lokal gesenkt, wohingegen Bereiche weniger Festschmierstoffen aufweisen. Brennkammer Hochgeschwindigkeitsflammspritzbrenners sowie feineren Partikelfraktion dichteres hochgeschwindigkeitsflammgespritzten gewisse Oxidation dichtere zurückzuführen. Verschleißuntersuchungen sowohl konnte, 5. erzielt Raumtemperatur Luftfeuchtigkeit geringe 17. zeigte graphithaltigen 84 wurde. Verschleißkoeffizient Kugel-Scheibe-Versuch, Fehlerbalken repräsentieren Standardabweichung. coefficient ball-on-disc error bars represent standard deviation. zeigen geringen Verschleißkoeffizienten Cr3C2/NiCr, Schichtsystem Anwendungen, auftreten, besser Ultrahochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren Allerdings deutliche 75 Abschleifen obersten freigelegt. Trennung Gegenkörper Tests an, Verschleißreduktion Verschleißbild weicht Teil voneinander 6. Ausbrüche Karbiden vereinzelnd ganzen Partikeln erkennen. Karbidausbrüche nahezu komplett Mulden ausgelöst wurde, geprägt. lassen hinter Schlieren erkennen, schließen hBN-haltigen-Beschichtungen homogenes Neben Oxidbildung kein erkennbarer Schmierfilm Raman-Spektroskopie Verschleißspurrand gelöst hat sphärische Gegenkörpers außen gedrückt 6f. angenommen ausgelöste erzielte Aufgrund vielversprechenden Korrosionsverhalten folgend genauer Aufsichtsbild Verschleißspur, f) Ramanspektroskopischer Rand Images tracks, spectroscopic identification edge hexagonalem Verschleißtiefe anwendungsrelevanter Flächenpressung 30 7. Falle größer 40.000 fluktuierenden Reibwertverlauf zeitweise μ auftreten. Implementierung solches Phänomen stabilerer Reibverlauf Auch Wobei stärkere 76 konnte. Reibwerts 21 Einlaufphase Studien bestätigt, effektive 400 18-20. Wechselwirkung Metalloxiden eines reibmindernden Tribofilms zurückzuführen 19. Mittels energiedispersiven Röntgenspektrometrieanalysen entsprechende Oxide Reibspur nachgewiesen geringer beobachtet. ähnlich so keine ausreichende Wirkung Reibspalt entwickeln Planimetrischer Verschleißbetrag Cr3C2/NiCr-Basis unterschiedlichen Prüftemperaturen T: a, °C; c, d) °C. Planimetric values curves Cr3C2/NiCr-based test temperatures Auf stellenweise Scherkräfte sind, Größe diesen Stellen ausgebrochene Karbide handelt. graphit- schmierende bereichsweise geglättete Oberflächen entstanden. Graphitausbrüche vergleichsweise homogener einigen festschmierstoffhaltigen Oxidfilme Reibfläche gebildet, vermutlich Stabilisierung Reibverlaufs beigetragen haben. Solche waren ausgeprägter besitzen glättere kontinuierlichere Oxidfilme, aufbrechen. verschiedenen Prüftemperaturen: b, c) d, e, Pfeil: Karbidausbruch; 1: Mulden; 2: Oxidschicht. tracks after tribological tests temperatures: Arrow: carbide breakout; area troughs; oxide layer. kaum 9. liegt n 60.000 Zyklen, signifikante Anstieg 0,87. hBN-Implementierung 0,60 Lichtmikroskopische ließen hBN-Anteil Gegensatz schien sein, Reibpartner trennen Reibungsreduktion erzielen. WC/CoCr-Basis Prüftemperatur WC/CoCr-based temperature vergleichbar, stellvertretend H-WC-Verschleißspur dargestellt Oxidfilmen Oxidpartikel Reibungsverlauf Fluktuation, wobei maximale Schwankungen entspricht. angenommen, Reibpartnern wenig vorhanden Raman-spektroskopie REM-Aufnahmen H-WC-, hBN-Beschichtungen Tests. Kreis: Oxidschichten. SEM images tests. Circle: areas with layers. erreichten wenigen Zyklen unzureichend μ≈2. Reibungsmindernde dabei gebildet. somit anlagentechnisch fortgesetzt zusammenfassend 4 RT Notation [mm3/Nm] [−] 9,98 ⋅ 10-6 0,85 1,69 10-5 0,61 4,42 7,79 0,83 7,96 0,48 1,07 1,64 0,88 1,23 0,66 3,34 7,24 10-8 0,87 9,76 7,08 6,34 1,78 0,86 8,46 aggressiven untersuchen können, Immersionsversuche Medium verschärfte Korrosivität Korrosionsneigung Beschichtungssystems erwartet, wenn entlang vernetzten Risse vordringt. Von Wolfram bekannt, sauren Passivschicht WO3 gebildet dadurch Grundwerkstoffs erschwert 21. Erfassung Elemente W Co Plasma-Emissionsspektroskopie Korrosionsmedium entspricht korrosiven Angriff Fe Grundwerkstoff aufzeigen. Ende 240 adhäsives Schichtversagen Unterkorrosion Plasma-Emissionsspektroskopie-Analyse Eisen Nickel Verwendung Ultrahochgeschwindigkeitsflammspritzen-Verfahrens Anhand makroskopischer Topographieaufnahmen mikroskopischen Querschliffaufnahmen leichter Abplatzungen Konzentration gemessenen entsprechend gering xFe 0,13 mg/L xNi 0,011 mg/L. Über Partikelgrenzen leicht vordringen. einstellenden Spaltkorrosion starker Abplatzung verursachte. vergleichbares beobachtet, basierten Schichtsysteme Makroskopische ICP-OES Analyse Mikroskopische Auslagerung HCl. Macroscopic samples, analysis medium, Microscopic samples hours immersion Ziel war es, gespritzte entwickeln, sollte verbessert dargestellt: gesenkt Mit gleichen möglich. Flächenpressungen ergeben ≈2. Pressungen, Schichtartefakte kritisch, gelangt dort initiiert Ultrahochgeschwindigkeitsflammspritzverfahrens feinen welches beständig bleibt. IGF-Vorhaben 19.668N Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. (FKM) AiF Programms Förderung Industriellen Gemeinschaftsforschung -entwicklung (IGF) Bundesministerium Wirtschaft aufgrund Beschlusses Deutschen Bundestages gefördert. Des Weiteren danken Autoren Gustav Grolman GmBH Co. Kg, Neuss, Deutschland großzügige Bereitstellung hBN-Pulvers. Open Access Veröffentlichung organisiert Projekt DEAL.