Zusammenfassung und Ausblick

Volltext

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Kapitel 7

Zusammenfassung und Ausblick

7.1 Zusammenfassung

Das Ziel dieser Arbeit war der Aufbau und die Inbetriebnahme einer Kurzzeits-interanlage (EDS-Anlage) zur Herstellung verschleißbeständiger Verbundwerkstoffe auf PM-Basis. Die infolge stattfindenden Verdichtungsversuche dienten der Untersu-chung des Verdichtungsmechanismus einer Pulverschüttung. Darauf aufbauend wur-den die hergestellten Proben hinsichtlich der mechanischen und tribologischen Ei-genschaften charakterisiert. Als Stahlpulver wurde maßgeblich der Kaltarbeitstahl X230CrVMo13-4 eingesetzt. Dieser kam auch für die Herstellung von MMC mit ke-ramischen Hartstoffen zum Einsatz.

Aufbau und Verwendung einer EDS-Anlage

Die EDS-Anlage setzt sich aus einer hydraulischen Einheit (hydraulische Trocken-presse) und einer elektrischen Einheit (Kondensator-Entladungs-Schweißmaschine) zusammen. Die hydraulische Einheit wird verwendet, um Stahlpulver in einer nicht leitenden Keramikmatrize mit zwei Cu-Elektroden durch einen mechanischen Druck axial vorzuverdichten. Die elektrische Einheit besteht aus 12 Kondensatoren mit je-weils 1280 μF in denen mit max. 3300 V eine elektrische Energie von 80.000 J

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Transfor-160 Zusammenfassung und Ausblick

matorübersetzungsverhältnis von 50:1 liegt an der Sekundärspule der Transformato-ren ( Cu-Elektroden) eine elektrische Spannung von max. 50 V an. In Abhängigkeit des zu verdichtenden Metallpulvers resultieren elektrische Ströme >300 kA. Um einen hohen Prozesswirkungsgrad zu erreichen muss möglichst viel elektrische Energie in die Pulverschüttung entladen werden. Die Anforderung an die verwendete Kupferle-gierung der Cu-Elektroden war somit eine möglichst hohe Festigkeit (mechanischer Druck) bei einer gleichzeitig hohen elektrischen Leitfähigkeit (elektrische Energie). Hierfür hat sich die Cu-Legierung CuCoBe bewährt, da diese die Kombination aus mechanischem Druck und thermischer Belastung mit den geringsten Verschleißer-scheinungen ertragen hat. Der Verschleiß an den Cu-Elektrodenoberflächen entsteht durch die Wechselwirkung mit der Pulverschüttung während der Vorverdichtung und während der Energieentladung. Die keramischen Matrizen versagen durch Thermo-schock während der Probenverdichtung oder durch die Delamination von Fragmenten der Keramikmatrize (bei Änderungen der Werkzeugpositionen, z.B. zur Probenent-nahme).

Verdichtungsmechanismus beim EDS-Verfahren

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nach-gewiesen werden. Aufgrund der kurzen Prozesszeit kommt es bei der Kompaktierung mittels EDS somit nicht zu einer diffusionsbasierten Verdichtung wie bei herkömmli-chen

Sinterverfahren. Wird die Energiedichte in der Pulverschüttung erhöht, ist es möglich eine Pulverschüttung vollständig aufzuschmelzen. Das dann wiedererstarrte Gefüge besitzt eine feineutektische Struktur über dem gesamten Probenquerschnitt. Wird eine zu hohe Energie in eine Pulverschüttung entladen, kann die Schmelztempera-tur des Cu-Elektrodenwerkstoffs im Kontakt mit der Pulverschüttung überschritten werden. Infolge dessen verschweißen die Elektrodenoberfläche und das Stahlpulver miteinander, was zur Zerstörung der Elektroden führt. Durch die Erhöhung der Pul-vermasse reduziert sich die Energiedichte in der Pulverschüttung. Eine vollständige Verdichtung konnte wegen eines unzureichenden Flüssigphasengehaltes an den Parti-kelkontaktpunken nicht erreicht werden. In diesem Fall hat sich eine mehrfach aufein-anderfolgende Energieentladung oder die Verwendung von wasserverdüstem Pulver, aufgrund der besseren Verpressbarkeit, bewährt.

Verdichtung von MMC Bei Verdichtungsversuchen von Metallpulvern mit kerami-schen Hartstoffen wurde beobachtet, dass der Matrixwerkstoff partiell oder komplett in die flüssge Phase übergeht und die Zwickel um die Hartstoffe auffüllt. Die Verdich-tung von MMC auf Basis des Stahlpulvers X230CrVMo13-4 mit Hartstoffen ist dann sinnvoll mit dem EDS-Verfahren auszuführen, wenn die Hartstoffe elektrisch leitfä-hig sind. Es zeigte sich, dass bei Zugaben elektrisch isolierender Hartstoffe (Al2O3,

SiC) > 20 Vol.-% keine Verdichtung von Proben mit ausreichender mechanischer Festigkeit möglich war. Wurden elektrisch leitfähige Hartstoffe (TiB2, WSC)

verwen-det, konnten diese in beliebig hohen Volumengehalten einem Matrixwerkstoff zugege-ben werden. Die Menge der Hartstoffe ist in diesem Fall durch die technische Sinn-fälligkeit begrenzt. Aufgrund der hohen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit beim EDS-Verfahren entsteht an den Hartstoffen eine hohe Thermoschockbelastung, was zu Rissbildungen in den Hartstoffen führte. Bei der Zumischung von Hartstoffen in eine Fe-Matrix kommt es durch die kurze Prozesszeit nur zu minimalsten diffusions-bedingten Auflösungserscheinungen zwischen Hartstoff und Matrixwerkstoff. Somit konnten z.B. der Hartstoff TiB2 in eine Fe-Matrix metallurgisch eingebunden

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Verdichtung Sonderwerkstoffe Die kurzen Prozesszeiten des EDS-Verfahrens sind nachteilig wenn Werkstoffe verdichtet werden sollen, die üblicherweise mittels Flüs-sigphasensintern hergestellt werden. Bei Verdichtungsversuchen mit den Sonderwerk-stoffen Ferro-Titanit® und WC/Co Hartmetall stellten sich nicht die geforderten mikrostrukturellen Eigenschaften der Metallmatrix ein. Durch das Flüssigphasensin-tern lösen sich z.B. die WC in der Co-Matrix auf und scheiden sich in hexagonaler Form wieder aus. Bei der Verdichtung von WC/Co Ausgangspulver mittels EDS lösten sich die WC-Hartstoffe nicht in der Co-Matrix auf und erhalten ihre globulare Form. Bei den Ferro-Titanit® Güten konnte ebenfalls nur eine unzureichende Auflösung der einzelnen elementaren Pulverpartikel beobachtet. Aus diesem Grund konnten für Ferro-Titanit® und Hartmetall nicht die geforderten Gefügeeigenschaften hinsichtlich Härte und Verschleißbeständigkeit eingestellt werden.

Mechanische Eigenschaften von EDS-Proben

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Dauerfes-tigkeit bei ca. der Hälfte der Spannung des Stahlpulvers, wobei die Rissausbreitung durch die Hartstoffe erfolgte.

Tribologische Eigenschaften von EDS-Proben

Das Verschleißverhalten der MMC (X230CrVMo13-4 + WSC bzw. TiB2 mit je 10

bzw. 30 Vol.-%) wurde an einem 2-Körper Stift-Papier Versuch (Furchenverschleiß) und an einem 3-Körper Rubber-Wheel Versuch (Korngleitverschleiß) charakterisiert. Beim Stift-Papier Versuch konnte mit zunehmendem Hartstoffvolumengehalt eine Re-duzierung der Verschleißrate gemessen werden, weil die Hartstoffe zunehmend einem Eindringen der Abrasive in die Probenoberfläche entgegenwirken. Aufgrund der ho-hen Härte der Hartstoffe versagten diese z.T. spröde im Kontakt mit den Abrasi-ven. Dennoch konnte gezeigt werden, dass es mit dem EDS-Verfahren möglich ist, Hartstoffe wie z.B. WSC durch TiB2 zu substituieren und gleiche, bzw. geringere

Verschleißraten zu erreichen. Mit dem Rubber-Wheel Versuch (nach ASTM G65) wurden gleiche Verschleißraten von PM-Stahlproben in den Zuständen HIP + WB und EDS + WB gemessen. Durch die Zugabe von Hartstoffen zu einer Fe-Matrix stellte sich unabhängig vom Zustand der WB oder dem Typ des Hartstoffs eine höhe-re Verschleißrate (im Vergleich zum höhe-reinen Matrixwerkstoff) ein. Der in diesen MMC entstandene Verschleißmechanismus gleicht der Evorsion, wie diese an Strömungswi-derständen in bewegten Fluiden vorliegt. Der Verschleiß wurde beim 3-Körper Versuch erfolgreich durch die Erhöhung des Hartstoffgehalts unterbunden, weil die Abrasive nicht weiter in die freie Matrixweglänge eindringen konnten. Die Verschleißversuche an Sonderwerkstoffen im Zustand EDS zeigten, dass durch die kurze Prozesszeit des EDS-Verfahrens nicht das erforderliche Gefüge und die damit verbundenen Eigen-schaften eingestellt werden konnten, sodass das vollständige tribologische Potential dieser Werkstoffe nicht erreicht wurde.

7.2 Ausblick

Weiterentwicklung der EDS-Anlagentechnik

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der elektrischen Zuleitungen für einen möglichst verlustfreien Transport der elektri-schen Energie in das Verdichtungswerkzeug. Weiterhin wurden die Cu-Elektroden angepasst, mit auswechselbaren Verschleißteilen ausgestattet und die Keramikmatri-ze konstruktiv optimiert. Dennoch bieten sich an dieser Stelle Untersuchungen mit weiteren Keramiken oder Keramikverbundwerkstoffen an, mit denen eine höhere Le-bensdauer aufgrund eines reduzierten Versagens durch Thermoschock zu erwarten ist. Dies Versuche sollten parallel durch eine Betrachtung zur Neuentwicklungen von Cu-Legierungen oder Cu-Basis MMC begleitet werden, um zukünftig längere Stand-zeiten der Cu-Elektroden zu gewährleisten. Des Weiteren konnte bei den Untersu-chungen des Verdichtungsmechanismus von Pulverschüttungen gezeigt werden, dass die Kompaktierung einer Pulverschüttung mit abfallender Energieimpulsentladungs-dauer zunimmt. Eine kürzere Energieimpulsentladung könnte durch die Reduzierung des Transformatorübersetzungsverhältnisses von 50:1 auf z.B. 25:1 realisiert werden. Schließlich erscheint es sinnvoll die Ladezeit der Kondensatoren von 6 s auf ca. 2 s zu reduzieren, um eine schnellere Wiederentladung zu gewährleisten. Bei der Verdichtun-gen geeigneter Stahlpulver (X60CrB2-2) konnte gezeigt werden, dass die kompaktierte Probe im Zustand EDS martensitisch gehärtet ist. In solchen Fällen könnte die Entla-dung eines zweiten Energieimpulses genutzt werden, um eine WB in den EDS-Prozess zu implementieren, den verdichteten Werkstoff anzulassen und somit die Zähigkeit zu steigern.

Nutzung der werkstofflichen Vorteile

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Abbildung

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Referenzen

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