Korrosions- und Verschleißeigenschaften auftraggeschweißter Duplexstahlschichten: Eine Frage des Gefüges

Die erfolgreiche Erhöhung der Lebensdauer von korrosiv und tribologisch beanspruchten Bauteilen durch Auftragschweißen von Duplexstahlschichten mit beanspruchungsgerechten Eigenschaften auf Gusseisen mit Lamellengraphit erfordert detaillierte Kenntnisse um die Beeinflussung der Eigenschaften durch den Beschichtungsprozess. Es wurden verschiedene Lichtbogenschweißverfahren und Vorwärmtemperaturen zur Herstellung der Auftragschweißschichten angewendet, um trotz der sehr spezifischen und sehr unterschiedlichen Anforderungen der beiden Werkstoffe an die Wärmeführung während des Schweißens flächige Auftragschweißschichten zu erzielen. Die chemischen Aufmischungen und Phasenverteilungen, die Mikrohärten und Eindringhärten, die Korrosions- und Verschleißeigenschaften sowie die Beständigkeiten unter Strömungserosions- und Kavitationsbeanspruchungen wurden für verschiedene Bereiche dieser Auftragschweißschichten vergleichend untersucht. Als Vergleich wurden kommerziell hergestellter Duplexstahl und Gusseisen mit Lamellengraphit herangezogen. Unter nahezu sämtlichen Beanspruchungen wurde durch die Auftragschweißschichten eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Gusseisen mit Lamellengraphit erzielt, teilweise vergleichbar und manchmal sogar deutlich besser als reiner Duplexstahl. Die unterschiedlichen Eigenschaften, beispielsweise die Stabilität einer Passivschicht in künstlichem Meerwasser wurden auf die unterschiedlichen Bedingungen während des Auftragschweißens zurückgeführt, aus denen Variationen in Aufmischung und Gefüge resultierten. Geringe Energieeinbringung durch den Lichtbogen bewirkt niedrige Aufmischungen und hohe Abkühlgeschwindigkeiten, die Schichten erstarren schnell und mit teilweise hohen Eigenspannungen, was in Kombination mit Martensitbildung in der Wärmeeinflusszone zu Rissbildung im Grundwerkstoff führen kann. Diffusion und Phasenumwandlungen werden gehemmt, wodurch in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung Duplexgefüge aus Ferrit und Austenit entstehen. Durch Vorwärmung des Grundwerkstoffs schmilzt dieser in höherem Maße, die Aufmischung steigt und die Abkühlgeschwindigkeiten sinken, wodurch Diffusion und Phasenumwandlungen vermehrt stattfinden können. In der Arbeit werden die Ergebnisse der Charakterisierungen, die Beanspruchbarkeiten und die Korrosions- und Verschleißmechanismen der einzelnen Schichten geklärt und umfassend in Bezug auf die Schweißprozesse diskutiert. Daraus wird abgeleitet, welche Gefüge in Abhängigkeit der Aufmischung und der Wärmeführung beim Auftragschweißen entstehen, welche Eigenschaften diese haben und schließlich, wie durch die Prozessführung beim Auftragschweißen gezielte Eigenschaften eingestellt werden können. Über diese Arbeit hinausgehend können dann die Auftragschweißschichten gezielt auf die Beanspruchungsprofile in der Anwendung hergestellt werden.

Extensive knowledge on how to influence the properties during the welding processes is required to successfully increase the lifetime of grey cast iron parts under corrosive and tribological exposure by surface welding of duplex stainless steel. To this end, different arc welding processes were applied using various preheating temperatures to meet the very specific and very different heat treatment requirements of the two joining partners during welding and surface weld layers were successfully produced. The qualitative analysis of properties included chemical dilution, microstructural analysis of phase distribution, micro hardness and nanoindentation, corrosion and wear properties as well as resistance against flow erosion and cavitation. Those properties were related to duplex stainless steel and gray cast iron. It was found that the surface weld layers had better resistance than gray cast iron against almost every test environment, many of which achieved properties similar to duplex stainless steel while some even exceeded those. The reason for the different properties, corrosion and wear behaviours, e. g. the stability of a passive layer against corrosion in artificial sea water, is in the dilution and phase distribution of the surface weld layers which resulted from different weld parameters and cooling conditions. Low heat input during welding leads to very low dilution and high cooling rates, but martensite formation in the heat affected zone and residual stress may lead to cracking in the base material. Diffusion and phase transformation is hindered and for suitable chemical composition of the surface weld layer a duplex microstructure of ferrite and austenite can be achieved. Preheating of the base materials leads to easier melting, increases the dilution and reduces the cooling rates and facilitates diffusion and phase transformation. This work serves to discuss and eventually clarify the correlation between the results of chemical, microstructural and micromechanical characterization and the resistance against corrosion and wear of the individual surface weld layers in connection with the used welding processes. The interdependence of the resulting microstructure, the chemical dilution and the heat management during welding is deduced to finally describe how to control the properties of the surface weld layers by adjusting the welding process parameters. Beyond the contents of this dissertation, surface weld layers can be tailored to the service environments.