Oberflächenbehandlung von Metallen: Bedeutung, Typen und Auswahl
Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, erfahren Sie Folgendes: 1. Bedeutung der Oberfläche 2. Arten der Oberfläche 3. Auswahl eines Oberflächenprozesses 4. Material des Substrats 5. Auswahl eines Oberflächenmaterials 6. Anwendungen.
Bedeutung der Oberfläche:
Oberflächenbehandlung ist ein Verfahren, bei dem ein Metall oder eine Legierung über einem anderen (Basismetall oder Substrat) abgeschieden wird, um seine verschleißfesten Eigenschaften wie Abriebfestigkeit, Korrosion, Reibung oder das Erzielen einer Maßkontrolle und metallurgischer Anforderungen zu verbessern.
Die üblicherweise für die Oberflächenbearbeitung angewandten Verfahren sind Schmelzschweißverfahren wie Gasschweißen, Lichtbogenschweißen usw. Der Oberflächenprozess scheint anfangs für die Anforderungen der Ölbohrindustrie entwickelt worden zu sein, wird jedoch heute auf allen Arten von Anlagen weit verbreitet, Geräte und Behälter, um ihr Leben gegen Verschleiß und chemische Einflüsse zu verbessern.
Die Oberflächenbehandlung gilt gleichermaßen für die Herstellung neuer Produkte und die Rückgewinnung abgenutzter Produkte. In beiden Fällen verlängert es die Lebensdauer des Produkts und spart teures Material. Dies führt zu erheblichen wirtschaftlichen Gewinnen.
Oberflächenarten:
Es gibt verschiedene Arten von Oberflächen, nämlich Plattierung, Panzerung, Aufbau und Butterbildung, um Korrosionsbeständigkeit (für chemischen Verschleiß), Verschleißfestigkeit (für physischen Verschleiß), Maßkontrolle (zum Wiederaufbau verschlissener Bauteile) bzw. metallurgische Anforderungen zu erreichen.
Diese vier Arten von Oberflächenmethoden werden in diesem Abschnitt kurz beschrieben:
1. Verkleidung:
Beim Plattieren wird eine dicke Schicht aus Schweißgut wie Edelstahl auf eine Kohlenstoff- oder niedriglegierte Stahlplatte gelegt, um sie korrosionsbeständig zu machen. Die Ummantelung muss auch örtlich begrenzter Korrosion widerstehen, wie Lochfraß, Spaltkorrosion, Kornkorrosion und Spannungsrisskorrosion.
Zum Plattieren wird normalerweise Edelstahl oder eine der Nickelbasislegierungen verwendet, obwohl für einige spezifische Anwendungen auch Legierungen auf Kupferbasis, Silber und Blei verwendet werden.
Der Hauptvorteil der Plattierung ist zwar die Schaffung einer kostengünstigen, korrosionsbeständigen Oberfläche, sie kombiniert jedoch auch ein hochfestes Material wie niedrig legierte Stähle für den Träger mit korrosionsbeständigem Material wie Edelstahl. In der Regel wird jedoch die Festigkeit des Mantelwerkstoffs bei der Konstruktion des Bauteils nicht berücksichtigt.
Die Ummantelung wird vor allem bei der Herstellung von Behältern für die chemische Industrie, Papierfabrik, Erdölraffinerie und Kernkraftwerke eingesetzt. Mit Kupfer ausgekleidete Reaktoren werden für die Herstellung von Bier verwendet, das auch korrosiv wirkt, während Lebensmittelverarbeitungs- und Verpackungsanlagen Edelstahl verwenden, um die korrosive Wirkung von Lebensmitteln zu vermeiden.
2. Panzerungen:
Bei der Panzerung wird ein Metall auf einer anderen Oberfläche abgeschieden, um die Härte der Oberfläche zu erhöhen und sie gegen Abrieb, Stoß, Erosion, Reibung und Kavitation beständig zu machen. Wie beim Plattieren ist die Stärke der Panzerschicht nicht im Design des Bauteils enthalten.
Abriebfestigkeit ist die wichtigste Anwendung für das Panzern. Im Allgemeinen werden maximal drei Schichten von Hartmetalllegierungen abgeschieden. Da eine übermäßige Verdünnung die Effektivität der Panzerung verringert, ist es daher unerlässlich, ein übermäßiges Eindringen und ein schlechtes Einbetten benachbarter Perlen zu vermeiden. Das Design muss so gestaltet sein, dass es eine angemessene Unterstützung für die Oberfläche bietet und so weit wie möglich unter Druck und nicht unter Zug oder Scherung stehen sollte. Unter diesen Bedingungen kann das Panzerarbeiten seine wirtschaftlichen Vorteile beweisen.
Hardfacing wird in Baumaschinen häufig eingesetzt, darunter Bulldozer-Klingen, Schaberklingen und Steinrutschen sowie für Textilausrüstung und Motorventilverkleidungen.
3. Aufbau:
Aufbau-Overlay ist der Umbau abgenutzter Teile, um sie wieder in ihre ursprüngliche Form und Größe zu bringen. Im Gegensatz zu Plattierung und Panzerung ist die Festigkeit des Schweißgutes, das den Aufbau bildet, eine notwendige Überlegung bei der Bauteilkonstruktion, da das Material einen Teil des ursprünglichen Teils der Komponente ersetzen muss, der abgenutzt ist.
Deshalb sind Zusammensetzung und Eigenschaften des abgelagerten Schweißgutes normalerweise dem des aufzubauenden Grundmetalls ähnlich.
Aufbauverfahren für Oberflächen werden in Erdbewegungsmaschinen umfangreich eingesetzt, zum Beispiel werden die Zähne von Schleppschaufeln, Kanten von Bulldozer-Klingen und Schaber durch Ablagerungen zurückgewonnen. Die Eisenbahnen nutzen den Aufbau auch, um den Verschleiß der Eisenbahnräder sowie die Schienenpunkte und Anschlussstellen wieder herzustellen.
4. Buttering:
Butterbildung ist der Prozess des Abscheidens einer oder mehrerer Schichten eines Materials zwischen jenen metallurgisch nicht kompatiblen Materialien, die einzeln Kompatibilität mit dem Material haben, das die Butterungsschicht bildet. Es wird insbesondere zum Verbinden von Edelstahl mit einem unedlen Metall aus Kohlenstoff oder niedriglegiertem Stahl verwendet.
Wenn keine Butterungsschicht verwendet wird, wird die Korrosionsbeständigkeit von rostfreiem Stahl verringert, wenn jedoch vor dem Abscheiden des hochlegierten rostfreien Stahls auf dem Bassmetall eine Schicht aus Nickel oder Ni-Cr-Material abgeschieden wird, wird keine Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit beobachtet.
Ein übliches Beispiel für dieses Verfahren findet man im Kernkraftwerk zum Verbinden einer mit Ni-Cr-Fe-Legierung mit Butter versehenen Düse aus niedriglegiertem Stahl mit Edelstahlrohren unter Verwendung eines Ni-Cr-Fe-Füllmetalls. Es kann auch zum Verbinden von Kohlenstoffstahl mit niedriglegiertem Stahl verwendet werden, wenn der Spannungsabbau der fertigen Schweißnaht vermieden werden soll.
Die Komponente kann nach dem Buttervorgang wärmebehandelt werden. Bei der Gestaltung der Fuge muss die Stärke der Butterungsschicht berücksichtigt werden.
Anhäufung und Butterung sind zwar häufig verwendete Begriffe, sie haben jedoch keinen offiziellen Status. Oberflächenbelag oder häufiger verwendete Begriff Verkleidung soll sie umfassen.
Auswahl eines Oberflächenprozesses:
Die Auswahl eines Oberflächenprozesses hängt von dem Material des Substrats, der Art und der Art der erforderlichen Ablagerung, der Produktionsrate, der Größe und der Form des aufzubringenden Bauteils, dem Betriebszustand, dem es zu unterziehen ist, und der Verfügbarkeit der Ausrüstung ab.
Das Aufbringen von Sauerstoff-Acetylen wird für viele Anwendungen sowohl im Werkstatt- als auch im Feldbereich eingesetzt, wo die Kohlenstoffaufnahme kein Problem darstellt. Dieser Prozess führt zu einer langsamen Erwärmung und Abkühlung des Substrats, so dass die Gefahr von Spannungsentwicklung und Rissbildung geringer ist. Die Ausrüstungskosten sind gering. Es wird normalerweise für das Aufbringen spezieller Kobaltlegierungen an relativ dünnen Kanten verwendet. Kohlenschneider-Meißel zum Beispiel werden oft mit einem Oxy-Acetylen-Oberflächenbehandlungsverfahren aufgerauht.
Das Aufbringen durch geschirmtes Metalllichtbogenschweißen ist schneller und insgesamt kostengünstiger, wenn eine große Anzahl von Bauteilen erforderlich ist. Die erforderliche Fertigkeit ist geringer als bei einem Oxy-Fuel-Gas-Oberflächenprozess. Aufgrund der schnelleren Erwärmungs- und Abkühlungsraten sind jedoch die im Basismetall und im Überzug entwickelten thermischen Spannungen ziemlich hoch, was zu einer erhöhten Rissanfälligkeit führt.
Dieses Verfahren wird umfassend für die allgemeine Reparatur und den Aufbau eingesetzt, für die die gewünschten Elektroden verfügbar sind. Das Verfahren ist wirtschaftlich und in den meisten Geschäften und Feldwerkstätten leicht verfügbar. Es findet breite Anwendung bei der Bearbeitung von geformten Bauteilen, erdbeweglichen Teilen, Baggerschneidköpfen, Wellen und Werkzeugen usw.
Unterpulverschichten werden in Geschäften und nicht im Außendienst eingesetzt. Es eignet sich am besten für die Aufhebung von Anwendungen, wenn dieselben oder ähnliche Teile routinemäßig aufgetaucht werden, z. B. Rollenlaufschuhe, Trommeln, Radbagger. Unterpulververfahren mit Edelstahlbandelektroden werden häufig zum Aufbringen von Kerngefäßen verwendet, um ihre Lebensdauer zu erhöhen und die Anfangskosten zu senken.
Das FCAW-Verfahren kann für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen SMAW normalerweise verwendet wird, jedoch ist die Verfügbarkeit von rohrförmigem Fülldraht in aufgewickelter Form erforderlich. Es kann sowohl im Laden- als auch im Außendienst verwendet werden, z.
GMAW wird häufig für Bauanwendungen wie kleine Wellen sowohl im halbautomatischen als auch im automatischen Modus verwendet. Es wird auch hauptsächlich zum Auftragen kleiner Bauteile mit komplexen Formen verwendet, die schwierig zu handhaben sind, wenn Schlacke zwischen verschiedenen Durchläufen entfernt werden muss. Das Auftragen des Kurzschlusslichtbogens, dh die Dip-Transfer-Technik, kann vorteilhaft auf zylindrische Bauteile mit einem Durchmesser von 8 bis 200 mm angewendet werden.
Das GTAW-Verfahren wird für die Oberflächenbehandlung verwendet, um Ablagerungen von hervorragender Qualität, die eine geringste Nachbearbeitung erfordern, z. B. Werkzeuge und Werkzeuge, zu legen.
Das Plasma-Lichtbogen-Oberflächenbehandlungsverfahren wird für Anwendungen verwendet, die denen des GTAW-Prozesses ähnlich sind. Aufgrund der sehr hohen Temperatur des Plasmas kann es jedoch in jenen Fällen verwendet werden, in denen eine Oberflächenbehandlung mit GTAW nicht möglich ist.
Das Elektroschlack-Oberflächenverfahren wird zum Ablagern großer Metallmengen oder für spezielle Anwendungen verwendet, zum Beispiel für den Wiederaufbau von Brecherhämmern. Für diese Anwendung werden spezielle Vorrichtungen eingesetzt, um die Erledigung der Aufgabe in kurzer Zeit zu beschleunigen.
Notaufträge lassen sich am besten durch Ofenfixierung erledigen, vorausgesetzt, ein geeigneter Ofen steht zur Verfügung.
Substratmaterial in der Oberfläche:
Während die Auswahl des Oberflächenmaterials auf der beabsichtigten Leistung basiert, wird die Auswahl des Basismaterials als Substrat nicht nur durch seine Schweißbarkeit und die mechanischen Eigenschaften bestimmt, sondern auch durch die Konstruktions- oder Formgebungsbetrachtung.
Für allgemeine Anwendungen ist das beste Grundmaterial in der Regel unlegierter Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0, 20 bis 0, 95 Prozent, der den Großteil der Stähle mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt und niedrigere Gehalte an Kohlenstoffstählen abdeckt. Das unedle Metall aus unlegiertem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0, 45% ist aufgrund seiner guten Schweißbarkeit und Festigkeit nach dem Auftragen sehr beliebt.
Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0, 50% oder mehr können aufgrund des geringen Wärmeeintrags und des langen Kühlzyklus aufgrund der Wärmeverteilung zufriedenstellend mit dem Oxy-Acetylen-Verfahren beschichtet werden. Das Vorwärmen auf eine Temperatur von 260 bis 315 ° C ist unerlässlich, um einen Wärmeschock durch die anfängliche Erwärmung und die schnelle Wärmeabfuhr zu vermeiden, wenn die Oberfläche mit einem geschirmten Metalllichtbogenschweißverfahren hergestellt wird.
Niedriglegierte Stahlkomponenten können mit nahezu demselben Verfahren beschichtet werden, das für Kohlenstoffstähle mit ähnlichen Tendenzen zum Härten verwendet wird.
Austenitischer Manganstahl, der als Hadfield-Stahl bekannt ist, ist wahrscheinlich der härteste auf dem Markt und in Form von Gussteilen recht billig. Es ist schweißbar und hat eine Streckgrenze von etwa 380 MPa.
Graugußeisen erfordern wegen ihrer Sprödigkeit besondere Vorsichtsmaßnahmen beim Auftragen mit Stahllegierungen; Einige der austenitischen Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt, Kobaltbasislegierungen und Nickel- und Kupferbasislegierungen sind jedoch anwendbar.
Weiße Gusseisen und Temperguss werden nicht als Untergrund verwendet, da sie durch Erwärmung ihre grundlegenden Eigenschaften verlieren. Kupfer, Messing und Bronze eignen sich auch nicht als Untergrund für die Oberflächenbehandlung.
Auswahl eines Oberflächenmaterials:
Die Wahl einer Oberflächenlegierung hängt von der Art des Verschleißes ab, dem die oberflächenbeschichtete Komponente während des Betriebs ausgesetzt werden soll.
Diese Abnutzungsbedingungen ergeben sich normalerweise aus den folgenden sechs Kombinationen:
1. Abrieb ohne starke Auswirkungen
2. Kombinierte Abnutzung und starke Auswirkungen
3. Rollen, Schieben und Metall-zu-Metall-Kontakt
4. Erosion und Korrosion
5. Schneiden bei normalen Temperaturen und
6. Oberflächen bei hohen Temperaturen.
Oberflächen, die einem Abrieb ohne starke Einwirkung ausgesetzt sind, wie Pflugscharen, Schaufeln, Traktorwalzen, rotierende Bohrmeißel, Formbretter, Dredge-Bolzenklemmen und Rutschen zum Fördern von Schüttgut, werden mit Material wie Chromkarbid beschichtet.
Kombinierter Abrieb und starker Aufprall werden in Geräten wie Löffelbaggern und Zähnen, Steinbrechkegeln, Bulldozer-Lippe, Muschelzähnen und Rutschen beobachtet, auf die schwere Teile geworfen werden. Materialien, die für die Beschichtung dieser Komponenten am besten geeignet sind, sind halbaustenitische Stähle und Manganstähle.
Schneckenförderer und Erdbohrwerkzeuge werden im Allgemeinen durch harte Materialien wie Karbide geschützt. Rostfreie Stähle werden verwendet, um Korrosionsbeständigkeit und Erosionsschutz in Wasserpumpen zu gewährleisten, und dies erfordert eine gute Schlagfestigkeit.
Oberflächen, die Wälz-, Gleit- und Metall-Metall-Kontakten ausgesetzt sind, wie z. B. Kettenradzähne, -buchsen und -buchsen, Rolloberflächen, Kranräder und Wellen, die mit Schmierung arbeiten sollen, können mit austenitischem Mn-Stahl oder austenitischen rostfreien Stählen beschichtet werden Lager, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, sind mit Chromkarbid, rostfreien Stählen und Chrom- und Ni-Legierungen beschichtet.
Kombinierte Effekte oder Erosion und Korrosion, wie sie in Ventilen und ihren Sitzen zur Steuerung von Dampf, Wasser, Öl usw. auftreten, können durch Ablagerungen, die durch Aufbringen von Oberflächen aus austenitischen Edelstahllegierungen entstehen, verringert und ausgeglichen werden.
Schneidkanten, die bei normalen Temperaturen arbeiten, wie z. B. Metallscheren, Stanzen, Futterzerhackern (für Futtermittel), Erdabstreifwerkzeuge, Erdbohrmeißel, Schredderklingen usw., müssen mit einem Material mit selbstschärfenden Eigenschaften versehen sein; Wolframkarbid-Ablagerungen dienen diesem Zustand gut.
Oberflächen, die heißen Einsätzen ausgesetzt sind, wie z. B. Motorventilsitze, Warmzieh- oder Warmumformwerkzeuge usw., erfordern Zähigkeit, Warmfestigkeit, Kriechfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Beständigkeit gegen Abgaserosion. Das für diese Anwendungen am besten geeignete Oberflächenmaterial sind Cr-Co-W-Legierungen, austenitische Stähle, martensitische mittelkohlenstoffhaltige Stähle und Ni-Cr-Mo-Legierungen.
Anwendungen der Oberflächenbehandlung:
Die Oberflächenbehandlung gilt gleichermaßen für die Herstellung neuer und die Wiedergewinnung abgenutzter Bauteile. In beiden Fällen verlängert es die Lebensdauer des Produkts und spart teure Materialien.
Es gibt unzählige technische Produkte, die regelmäßig aufgetaucht werden, um sie in Betrieb zu halten, bis sie wirtschaftlich sind.
Im Besonderen wird die Oberflächenbehandlung bei der Herstellung oder Rekultivierung der folgenden Ausrüstungstypen eingesetzt:
1. Teile von landwirtschaftlichen und Erdbewegungsmaschinen wie Stützwalzen von Traktoren, Löffelzähne, Pflugscharen, Bohrkegel, Bulldozer-Trunion, Schleppschaufeln, Schaufelbagger, Schaufelbagger usw.
2. Zerkleinerungsanlagen für Kohle und Zement sowie metallurgische Anlagen wie Formen, Brecherbacken, Hochofenkegel, Brecherwalzen und -hämmer, Förderschnecken, Kohleschutzförderschnecken, Asphaltmischer, etc.
3. Schmieden und pressen Sie Komponenten wie Matrizen, Stempel usw.
4. Bohrgeräte und Kohlefräsen, zum Beispiel Bohrer, Fräszähne usw.
5. Zerspanungswerkzeuge wie blühende Mühlen, Schneid-, Bohr-, Reib- und Fräswerkzeuge usw.
6. Walzen von Walzwerken.
7. Radfelgen, Eisenbahnpunkte, Kreuzungen und Frösche von Eisenbahnen.
8. Ventile und Ventilsitze für Verbrennungsmotoren.
9. Druckbehälter und Lagertanks.
10. Messer und Schneidwerkzeuge wie Futterhäcksler (für Futter), Sortiermesser, Mühlenmesser usw.
