Investigation of an innovative method for the production of diamond reinforced coatings by HVOF and Warm Spraying for highly wear loaded surfaces (re-submission)
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde die Herstellung von Diamant-Metall-Verbundschichten untersucht. Hierzu wurden Beschichtungen nach einem Screening-Versuchsplan (Plackett-Burman-Versuchsplan) und einem Optimierungs-Versuchsplan (Zentral zusammengesetzter Versuchsplan) hergestellt. Die erstellten Schichten wurden hinsichtlich der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften untersucht und die Ergebnisse in die Auswertung der Versuchspläne zurückgeführt. Um die Mikrostruktur der Schichten zu bewerten, kamen unter anderem die Rasterelektronenmikroskopie (REM), die Röntgenbeugungsanalyse (XRD mittels DELTA) und die Computertomographie (CT) zum Einsatz. Zur Charakterisierung der Diamant-Metall-Verbundschichten hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit wurden standardisierte Verschleißversuche nach ASTM G99 an den erstellten Proben durchgeführt. Anschließend wurden die Proben auf die Erosionsbeständigkeit untersucht. Zudem wurden die erstellten Beschichtungen in Hinblick auf die Schlagfestigkeit und –ermüdung untersucht und die gewonnenen Erkenntnisse für die Optimierung der Schichten genutzt. Die Mikrostruktur der Schichten wurde anschließend mit den mechanischen Eigenschaften der Schichten korreliert. Die Untersuchung des Reib-/Gleitverschleiß zeigte, dass die Anbindung der Nickelmatrix an den Diamanten für die Verschleißbeständigkeit der Schichten von entscheidender Bedeutung ist. So führt eine spaltfreie Anbindung der Diamanten zu einem geringeren Verschleißkoeffizienten. Darüber hinaus zeigte sich, dass ein Diamantgehalt von ca. 40 % zu einem verringerten Verschleißkoeffizienten an der Schicht beiträgt. Gleichzeitig führt der Diamantgehalt von 40 % zu einem hohen Verschleißkoeffizienten an dem Gegenkörper der Verschleißuntersuchung. Dieser Effekt zeigt die abrasive Wirkung der Schichten, was den Einsatz der Schichten als Werkzeugschicht für Schleif-/Polieranwendung interessant macht. Die Untersuchung der Erosionsbeständigkeit der Schichten zeigte, dass auch bei erosiver Belastung die Schichtmorphologie für die Beständigkeit der Schicht von großer Bedeutung ist. Es konnte dargestellt werden, dass Schichten mit einer homogen verteilten Matrix zwischen den Diamanten und einer spaltfreien Anbindung der Matrix an den Diamanten eine höhere Beständigkeit gegenüber erosiven Medien aufweist. Der Einfluss der Prozesstemperatur auf die Diamantstruktur wurde mit Hilfe von XRD- Messungen revidiert. Es zeigte sich, dass der untersuchte Parameterbereich keinen Einfluss auf die Kohlenstoffmodifikation der Diamanten hat. Einerseits schützt die vorhandene Nickelbeschichtung die Diamanten vor der Temperatureinwirkung durch den heißen Spritzstrahl, andererseits dient eben diese Nickelbeschichtung als Matrixmaterial zur Einbettung der Diamanten. Weiterhin zeigte sich, dass die kurze Expositionszeit der Diamanten im Spritzstahl nicht ausreicht, um thermisch aktivierte Diffusionsvorgänge anzuregen und eine Umwandlung der Diamanten in Graphit zu bewirken. Die im Projektverlauf gewonnen Ergebnisse liefern die Grundlage zur Optimierung von Diamant-Metall-Verbundschichten mit feinen Diamanten (gemittelte Diamantkörnung von 10 µm), hergestellt mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren, hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Diese zeigen das Potential für Anwendungen im Bereich der Werkzeugschichten auf, wie beispielsweise der Einsatz der Schichten als Schleif- oder Polierschicht. Um die Standfestigkeit der Werkzeugschichten weiter zu erhöhen, kann der Ansatz verfolgt werden, additives Matrixmaterial, bspw. Cr3C2-Ni20Cr zu verwenden. Weiterhin kann mithilfe des additiven Matrixmaterial eine Verarbeitung gröberer Diamanten (Diamantkorngröße 50 µm) untersucht werden, um die abrasive Wirkung der Schichten weiter zu erhöhen.
Publications
- Herstellung von Diamant-Metall- Verbundbeschichtungen mittels thermischer Spritzverfahren, In: Thermal Spray Bulletin, 11, 2017, No. 2, S. 136 – 142
Tillmann, W., Schaak, C., Brinkhoff, A.
- Self-sharpening-effect of nickel-diamond coatings sprayed by HVOF, In: Tagungsband zum 19. Werkstofftechnischen Kolloquium, Chemnitz, 2017, S. 430 – 438
Tillmann, W., Brinkhoff, A., Schaak, C., Zajaczkowski, J.
- Influence of spraying parameters on the diamond decomposition of HVOF-sprayed nickel-diamond coatings, In: Conference Proceedings of International Thermal Spray Conference and Exposition, Orlando, 2018, S. 799 – 805
Tillmann, W., Brinkhoff, A.
- Manufacture of composite diamond/metal coatings using thermal spraying procedures, In: Welding and Cutting, 17, 2018, No. 2, S. 142 – 148
Tillmann, W., Schaak, C., Brinkhoff, A.
