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Einfluss von Pulver- und Carbidgrößen auf eine HVAF-WC-Co-Cr-Beschichtung für eine zukünftige Anwendung auf innenliegenden Oberflächen: Mikrostruktur und Verschleiß Effect of particle and carbide grain sizes on a HVOAF WC-Co-Cr coating for the future application on internal surfaces: microstructure and wear Jamie Pulsford, M. Eng.; Dr. James Murray, Dr. Mingwen Bai, Dr. Tanvir Hussain, Department of Mechanical, Materials and Manufacturing Engineering, University of Nottingham, Nottingham, UK; Dr. Spyros Kamnis, Castolin Eutectic-Monitor Coatings Ltd., North Shields, UK

Kurzfassung

Abstract

Die Verwendung von nanoskaligen WC-Korngrößen oder von feineren Spritzpulvern sind zwei Möglichkeiten, um die Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit von WCCo-Cr-Beschichtungen zu verbessern. Für die Entwicklung von Innenbeschichtungen wird die Verwendung von feineren Pulvern verfolgt. Dabei ist weniger thermische Energie notwendig, um diese, im Vergleich zu groben Pulvern, zu schmelzen. Dadurch ist eine Beschichtung mit kleineren Spritzabständen möglich. Es wurden drei verschiedene WC-10Co-Cr-Beschichtungen, mit zwei unterschiedlichen Partikelgrößen und zwei unterschiedlichen Karbidgrößen hergestellt. Eingesetzt wurde dabei ein Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren, welches gleichzeitig Sauerstoff und Luft zur Verbrennung des Brennstoffs verwendet (HVOAF), entwickelt von Monitor Coatings Ltd. (UK). Die Mikrostruktur des Pulvers und der Beschichtungen wurden mittels XRD und REM charakterisiert. Die Bruchzähigkeit und das Trockengleitverschleißverhalten wurden mittels eines Kugel-Scheibe-Tribometers mit einem WCGegenkörper untersucht. Es stellte sich heraus, dass das feinere Pulver eine höhere Härte aufweist, dafür aber eine relativ niedrige Bruchzähigkeit besitzt. Beim Gleitverschleißversuch mit der niedrigeren Last von 96 N wies die nanostrukturierte Beschichtung die beste Leistungsfähigkeit auf. Diese Beschichtung wies bei 240 N allerdings den größten spezifischen Verschleiß auf, wobei die zwei anderen Pulver ähnlich abschnitten.

The use of nanoscale WC grain or finer feedstock particles are two possible methods of improving the properties and performance of WC-Co-Cr coatings. Finer powders are being pursued for the development of coating internal surfaces, as less thermal energy is required to melt the finer powder compared to coarse powders, permitting spraying at smaller stand-off distances. Three WC10Co-4Cr coatings, with two different particle sizes and two different carbide grain sizes, were sprayed using a high velocity oxy-air fuel flame spraying (HVOAF: the flame spraying process using both, oxigene and air to burn the fuel) thermal spray system developed by Monitor Coatings Ltd. in the UK. in the UK. The powder and coating microstructure were characterised using XRD and SEM. Fracture toughness and dry sliding wear performance were investigated using a ball-on-disc tribometer with a WC counter-body. It was found that the finer powder had a higher hardness but relatively lower fracture toughness. When performing sliding wear testing at the lower 96N load the nanostructured coating performed best; however at 240N this coating was displayed the highest specific wear rates, with the other two powders performing to a similar, better standard.

1. Einleitung

1. Introduction In recent years, failure of critical components in high value manufacturing industries have been observed due to extreme sliding wear and one of the most extensively used types of wear resistant coatings are industrial hard chromium or electrolytic hard chrome (EHC) [1]. However, due to the recent introduction of restrictions regarding the use of hexavalent chromium, due to REACH legislations in the EU, the need for industry to replace this process has risen. High velocity oxy fuel (HVOF) thermal sprayed WC-Co-Cr cermet coatings are currently a promotion depo-

In den letzten Jahren wurde das Versagen wegen starkem Gleitverschleiß an kritischen Bauteilen beobachtet, welche in der verarbeitenden Industrie für hochwertige Produkte eingesetzt werden. Die Verschleißschutzbeschichtung, die am häufigsten eingesetzt wird, ist die elekrolytisch abgeschiedene Hartchrombeschichtung (EHC) [1]. Allerdings ist aufgrund der jüngsten Einführung von Beschränkungen hinsichtlich der Verwendung von sechswertigem Chrom durch die REACH-Verordnung in der EU, die Notwendigkeit in der Industrie gestiegen, diesen Prozess zu ersetzen.

Hochgeschwindigkeitsflammgespritzte (HVOF) WC-Co-Cr-Cermet-Beschichtungen stellen derzeit eine Beschichtungstechnik dar, welche möglicherweise EHC-Beschichtungen ersetzen kann; jedoch sind diese HVOF-Prozesse durch die Tatsache eingeschränkt, dass Sichtverbindung zum Beschichtungswerkstück bestehen muss. Die thermische Beschichtung von Innendurchmessern (ID) ist eine moderne Technik, die mit niedrigerer Leistung arbeitet dabei aber die hohe kinetische Energie beibehält, sodass eine größere Bandbreite innenliegender Oberflächen effektiv beschichtet werden kann. Thermische Innenbe-

sition technology that possibly can replace EHC coatings; however, HVOF processes are limited by their line of sight nature. Internal diameter (ID) thermal spraying is a modern technology operating at lower power levels but at the same time retaining high kinetic energy, allowing a greater range of internal surfaces to be effectively coated. ID thermal spraying is a field that has been gaining the attention of researchers, with Lyphout and Björklund successfully applying a WC-CoCr coating on an internal surface of a pipe with a 200 mm ID using a newly developed ID HVAF (high velocity air-


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