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Hier erläutern wir das Elektrofunken-Auftragsschweißen, das bei Metalllegierungen zur Reparatur von Defekten in Spritzgusswerkzeugen und Gussformen eingesetzt wird.
Das Elektrofunken-Auftragsschweißen (ESD) wird für die präzise Reparatur von hochwertigen, verschlissenen Bauteilen im kleinen Maßstab mittels Puls-Mikroschweißen eingesetzt. Elektrofunken-Auftragsschweißen ist auch bekannt als Puls-Elektroden-Oberflächenbehandlung, Puls-Schmelz-Oberflächenbehandlung, Elektrofunken-Legierung, Elektrofunken-Härtung und Funkenhärtung. In der Industrie wird das Verfahren zur Instandsetzung von Defekten an Spritzgusswerkzeugen und Gussformen verwendet.
ESD-Systeme verfügen über eine kapazitive Stromquelle, die Impulse über eine rotierende, verbrauchbare Drahtelektrode erzeugt. Diese Impulse sind sehr kurz, haben jedoch einen hohen Strom. Das Material der verbrauchbaren Elektrode (Anode) wird durch einen elektrischen Funken auf das Werkstück (Kathode) übertragen.
Zwischen der Spitze der Elektrode und dem Werkstück aus Metalllegierung wird durch die Entladung der Kapazitorenergie ein Hochtemperatur-Plasma-Lichtbogen erzeugt. Diese Temperaturen reichen von 8.000 bis 25.000 °C. Der Lichtbogen ionisiert die Anode, und das geschmolzene Material wird schnell auf das Werkstück übertragen.
Diese ionisierte Anode wird mittels kurzer Impulse auf das Substrat übertragen. Der Hochtemperatur-Lichtbogen besteht aus Anodenpartikeln, thermischem Fluss (Wärmestrahl) und Plasma (gebildet durch Zersetzung von Gasen sowie aktive Atome wie Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff). Der Hauptteil der Wärme wird durch den Wärmestrahl und das Plasma transportiert.
Da die Impulse sehr kurz sind, ist der Wärmeeintrag durch den Wärmestrahl und andere Gase minimal. Die einzige nennenswerte Wärmeübertragung auf das Substrat erfolgt durch die wenigen aufgebrachten Mikropartikel der Anode. Dadurch wird dem Substrat nur eine geringe Wärmemenge zugeführt, was keine Veränderung seiner Mikrostruktur zur Folge hat. Dieses Verfahren kann vorteilhafter sein als konventionelle Schweißprozesse, die bei der Reparatur von Legierungen mit schlechten Eigenschaften in der Wärmeeinflusszone (wie geringe Zähigkeit, hohe Härte, Aufschmelzungsrisse) eingesetzt werden.
Darüber hinaus ermöglicht dieses Verfahren eine starke metallurgische Verbindung zwischen Substrat und Beschichtung. Die Mikrolegierung zwischen Elektrodenschmelze und Grundwerkstoff initiiert die Plasmabildung durch Luftzersetzung sowie die Entstehung von Karbonaten, Karbiden und Nitriden.
Die Qualität der Beschichtung hängt von spezifischen Entladeparametern wie Impulsdauer, Stromstärke und Spannung ab, die wiederum von den chemischen und physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Elektrode abhängen. Die Parameter richten sich deshalb nach Art der Elektrodenbeschichtung, Temperaturabhängigkeit, Fließfähigkeit, elektrischem Widerstand, Dichte, Diffusionsvermögen, chemischer Reaktivität der Anodenelemente, Wärmeleitfähigkeit und Schmelztemperaturen.
Das ESD-Verfahren bei Metalllegierungen bietet zahlreiche Vorteile. Zum Beispiel ist keine spezielle Vorbereitung der Werkstückoberfläche erforderlich. Die aufgebrachte Schicht erhält durch die hohe Erstarrungsgeschwindigkeit amorphe Eigenschaften und bedarf oft keiner weiteren Nachbearbeitung. ESD kann problemlos auf komplexe Bauteiloberflächen angewendet werden, sodass eine Beschichtung an exakt definierten Stellen möglich ist. Sowohl Metalllegierungen als auch Reinstmetalle können als Elektrode verwendet werden. Außerdem ermöglicht ESD den Einsatz von schwer schmelzbaren Hartstoffen und metallischen Keramiken für die Beschichtung.
Ein weiterer Vorteil des ESD-Verfahrens bei Metalllegierungen ist die fehlende Erwärmung des Werkstücks während der Beschichtung. Zudem ist das Verfahren umweltfreundlich, da auf giftige, nichtmetallische Stoffe wie Cyanid in der Beschichtung verzichtet wird. Die Ausrüstung ist sehr einfach, und die Qualität der Zusatzwerkstoffe bestimmt die anfallenden Kosten beim ESD.
Ein zusätzlicher Vorteil des ESD-Verfahrens ist, dass die Wärmedichte des Werkstücks sehr gering ist, was die Erhaltung der Eigenschaften und der chemischen Zusammensetzung des Grundmaterials unterstützt. Die durch ESD erzeugten dünnen Schichten teilen sich in zwei Teilbereiche: Die innere Diffusionsschicht vereint die Eigenschaften von Grund- und Zusatzwerkstoff, während die äußere Schicht eine stark veränderte Struktur aufweist. ESD erhöht außerdem die Erosions- und Verschleißfestigkeit kleiner Oberflächenbereiche.
ESD eignet sich ideal zur Reparatur von flachen und kleinen Defekten, ist jedoch für größere Schäden ungeeignet, da der Prozess vergleichsweise langsam ist und die maximale Schichtdicke bei 2 mm liegt.
Mitunter begrenzt die Geometrie des Substrats die Beschichtung. Der Kontakt zwischen Elektrode und Oberfläche des Substrats ist für ESD notwendig, jedoch lassen manche Oberflächengeometrien dies nicht zu, sodass die Beschichtung nur in angrenzenden Bereichen möglich ist.
Die Eigenschaften der aufgebrachten Schichten werden durch Prozessparameter wie Druck auf die Elektrodenpitze, Anzahl der Überfahrten pro Bereich, Temperatur, Frequenz, Funken-Dauer, Funken-Energie usw. bestimmt. Eine Oberflächenwelligkeit mit einer Periode kleiner als der Elektroden-Durchmesser kann dazu führen, dass die Beschichtung nur auf den Erhebungen erfolgt. Manche Beschichtungsparameter können dazu führen, dass die Anfangsbedeckung unzureichend ist und einige Bereiche unbeschichtet bleiben. Da der Lichtbogen stets zur nächstgelegenen Oberfläche springt, werden bei fortgesetzten Überfahrten nur die höchsten Punkte weiter beschichtet. Die Lösung für dieses Problem besteht darin, durch geeignete Parameterauswahl ein optimales Arbeitsregime zu wählen.
In letzter Zeit wurde viel Forschung betrieben, um ESD in Kombination mit anderen Methoden zur Herstellung spezieller Legierungen einzusetzen. Beispielsweise veröffentlichten Forscher der Universität Politehnica Bukarest, Rumänien, im Jahr 2021 eine bahnbrechende Studie über eine hoch korrosionsbeständige Beschichtung, die mittels ESD aufgebracht wurde.
In dieser Studie wurde eine Hochentropie-Legierung aus den Pulvern Zr, Ti, Ta, Nb und Hf durch mechanisches Legieren und Funkenplasma-Sintern hergestellt. Eine dünne Schicht wurde mittels ESD auf eine Edelstahlprobe aufgebracht. Diese Beschichtung zeigte eine verbesserte Härte im Vergleich zum Substrat und wies bei Korrosionsprüfungen eine sehr geringe Korrosionsrate von nur 0,00024 mm/Jahr auf.
