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Microstructural Alterations of Commercial Metallic Alloys by Friction Surfacing

Hanke, Stefanie

The process of friction surfacing has been known in its basic arrangement for around 70 years, but only a limited amount of scientific studies has been carried out, and industrial use is marginal. Lately, the emerging shortness of energy and resources draws attention to alternative production routes, and interest in the friction surfacing process has revived. The process’ advantages base on the fact that the deposited material does not undergo the liquid state, but instead is “forged” onto the substrate. Little is understood of the metallurgical mechanisms involved. This work aims at revealing some of these mechanisms by electron-microscopy investigations, and at evaluating the microstructure resulting from friction surfacing as to the coatings’ behaviour under tribological loading. The materials tested are 6082 aluminium alloy, NiAl-bronze (CuAl10Fe5Ni4), tool steel (≈X50CrMoV5-1) and the alloy Cr60Ni40. The aluminium alloy, which is most easily processed by friction surfacing, undergoes dynamic and static recovery. It is a precipitation hardening alloy, and since the temperatures occurring during friction surfacing do not match the thermal sequence for artificial ageing, the material’s hardness is adversely affected. The other three alloys undergo major phase transformations during processing. The bronze assumes a high temperature bcc structure while being deposited. During cooling, small globular or acicular fcc α grains crystallise, followed by precipitation of second (κ-) phases in spherical shape, due to decreasing solubility. The tool steel completely converts into its fcc austenite state, followed by martensitic transformation during cooling. When several layers are deposited overlapping each other, both tempering and secondary hardening effects arise. The non weldable and non deformable Cr60Ni40 alloy consists of a Cr- and a Ni-rich phase during processing. In the coatings, an fcc supersaturated solid solution and a bcc phase rich in Cr, incorporating fine Ni-precipitates, prevail. Supersaturation of solid solution, spheroidisation of second phases and low grain size due to recrystallisation were found to be very beneficial for the wear resistance of all alloys against surface fatigue under cavitation. Sliding wear tests revealed comparable behaviour of the conventional and the friction surfaced material state. For the feasibility of friction surfacing, a material’s properties at the temperatures reached during the process are essential. In particular, it must be possible to transfer a sufficient volume of stud tip material into an adequate plasticised state. This opens up possibilities to join novel material combinations and achieve coatings with advantageous microstructures compared to conventional techniques.

Das Reibauftragschweißen ist in seinen Grundzügen bereits seit etwa 70 Jahren bekannt. Der Prozess ist dennoch nicht erschöpfend erforscht und wird selten industriell eingesetzt. Die zunehmende Knappheit von Energie und Ressourcen treibt aktuell die Auslotung alternativer Fertigungsmethoden voran, wodurch das Interesse am Reibauftragschweißen wieder belebt wurde. Die Vorteile des Prozesses sind dadurch bedingt, dass in der festen Phase gefügt wird. Die metallurgischen Vorgänge hierbei sind für die meisten Werkstoffe nicht untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist das Verständnis der Mikrostrukturentwicklung vier verschiedener Werkstoffe während des Reibauftragschweißens, sowie der daraus resultierenden Eigenschaften der Schichten unter tribologischer Beanspruchung. Hierfür wurden in erster Linie Elektronen-Mikroskopie und Verschleißprüfung herangezogen. Die untersuchten Werkstoffe sind die Aluminiumlegierung 6082, eine NiAl-Bronze (CuAl10Fe5Ni4), ein Werkzeugstahl (≈X50CrMoV5-1) sowie die Legierung Cr60Ni40. Die Aluminiumlegierung durchläuft dynamische und statische Rekristallisation. Da es sich um eine ausscheidungshärtende Legierung handelt, und die Temperaturen beim Reibauftragschweißen nicht mit denjenigen einer gezielten Wärmebehandlung übereinstimmen, wirkt sich der Prozess negativ auf die Schichthärte aus. Die übrigen drei Werkstoffe durchlaufen wesentliche Phasenumwandlungen. Die Bronze nimmt bei der erreichten Temperatur eine krz Struktur an, aus welcher beim Abkühlen kleine globulare und nadelförmige kfz α Körner kristallisieren, gefolgt von der löslichkeitsbedingten Ausscheidung globularer κ-Phasen. Der Werkzeugstahl erreicht den kfz Austenit-Zustand, mit anschließender martensitischer Umwandlung während des Abkühlens. Beim Auftragen mehrerer überlappender Lagen wurden sowohl Anlass-, als auch Sekundärhärtungsvorgänge beobachtet. Die als nicht schweiß- und umformbar geltende Legierung Cr60Ni40 besteht während des Prozesses aus einer Cr- und einer Ni-reichen Phase. In den Schichten existieren anschließend ein übersättigter kfz Mischkristall und eine Cr-reiche krz Phase mit feinen Ni-Ausscheidungen. Die Übersättigung von Mischkristallen, eine Einformung von Phasen und Kornfeinung durch Rekristallisation wirken sich bei allen untersuchten Werkstoffen positiv auf die Verschleißbeständigkeit unter Kavitation aus. In Gleitverschleißuntersuchungen zeigen die Schichten ein vergleichbares Verhalten wie der jeweilige konventionelle Werkstoffzustand. Für die Anwendbarkeit des Reibauftragschweißens sind die Materialeigenschaften bei den erhöhten Prozesstemperaturen relevant. Insbesondere muss es möglich sein, ein ausreichendes Materialvolumen in der Pinspitze zu plastifizieren. Ist dies der Fall, eröffnet das Reibauftragschweißen Möglichkeiten neuartiger Materialkombinationen, sowie Beschichtungen mit einer im Vergleich zum konventionellen Auftragschweißen vorteilhaften Mikrostruktur.

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Hanke, Stefanie: Microstructural Alterations of Commercial Metallic Alloys by Friction Surfacing. 2014.

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