Laserauftragschweißen vs. Hartverchromen für Hydraulikzylinder und -stangen

HVOF-Thermospritzen

Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) wird halbschmelzflüssiges Pulver mit Überschallgeschwindigkeit aufgesprüht, um eine mechanisch gebundene Beschichtung zu erzeugen. Die Wärmeeinbringung in das Substrat ist sehr gering, was insbesondere bei dünnwandigen oder wärmeempfindlichen Bauteilen von Vorteil ist. Cr(VI)-freie Karbid- und Legierungspulver sind weit verbreitet. Die Grenzen liegen in der Haftfestigkeit und der erreichbaren Schichtdicke: HVOF-Beschichtungen sind typischerweise 0,1–0,5 mm dick und eignen sich nicht gut für hohe Kontaktspannungen. Daher sind sie besser für Anwendungen mit Verschleiß und Korrosion als für Anwendungen mit hoher Punktbelastung geeignet.[QUELLE: Datenblatt des Beschichtungslieferanten]

Chemisch Nickel

Chemisch abgeschiedenes Nickel verdient eine klare Aussage: Es handelt sich nicht um eine Verschleißschutzbeschichtung, wie sie beispielsweise durch Schmelzvernickelung erzielt wird. Wenn jedoch Korrosion und nicht Abrieb die Hauptursache für Schäden ist und die Belastungen gering sind, kann es die kostengünstigste Lösung sein – es lagert sich gleichmäßig in Vertiefungen ab, benötigt keinen elektrischen Kontakt und oft keine Nachbearbeitung. Die Empfehlung dieser Beschichtung in geeigneten Fällen unterscheidet eine technische Anleitung von einer reinen Verkaufsseite.

Laserauftragschweißen vs. Hartverchromen: Messbare Unterschiede

Hartchrom ist dünn, hart und wird bei Umgebungstemperatur hergestellt; Laserauftragschweißen ist dicker, metallurgisch gebunden und wird bei hoher Temperatur erzeugt. Diese vier Unterschiede – Dicke, Bindung, Hitze und Härtemechanismus – erklären nahezu alle praktischen Vor- und Nachteile der jeweiligen Verfahren.

Bindungsstärke und Porosität

Elektrolytisch hart verchromtes Material haftet, ohne das Substrat zu schmelzen. Die galvanisierten Schichten weisen typischerweise ein Netzwerk von Mikrorissen auf, das zwar zur Spannungsverteilung beiträgt, aber auch Korrosionspfade bietet. Bei hochfesten Stählen besteht beim Galvanisieren die Gefahr der Wasserstoffversprödung. Daher ist bei galvanisierten hochfesten Bauteilen üblicherweise ein Brennvorgang nach der Beschichtung erforderlich. Beim Laserauftragschweißen entsteht eine metallurgische Verbindung, sodass die charakteristische Versagensart nicht Delamination, sondern Verdünnung ist. Beide Angaben sollten nicht allein auf Basis eines Datenblatts akzeptiert werden: Fordern Sie Haft- oder Scherfestigkeitsprüfungen, metallografische Querschnitte und Eindringprüfungen an und halten Sie die Akzeptanzkriterien in der Bestellung fest. Risse in einer Schmelzschicht haben eigene Ursachen und sollten getrennt von Porosität diagnostiziert werden – sieheWarum Hartauftragsschichten reißen.

Erreichbare Härte und Verschleißfestigkeit

Elektrolytisch hergestelltes Hartchrom weist typischerweise an der Oberfläche eine Oberflächenhärte im Bereich von HV 800–1000 auf, wobei die Schicht dünn und vergleichsweise spröde ist.[QUELLE: Spezifikation für die Galvanisierung oder veröffentlichte Normenreferenz]Die Plattierungslegierungen umfassen Systeme auf Kobaltbasis (Stellit-Typ), Nickelbasis und Eisenbasis, wobei auch karbidverstärkte Sorten erhältlich sind. Die in der Praxis üblichen Härtewerte liegen je nach gewählter Legierung im Bereich von 20–60 HRC. Die Wahl der Legierung hängt sowohl vom Verschleißmechanismus als auch von der Härte ab – sieheAuswahl der Hartauftragslegierung.[QUELLE: Datenblatt für Legierungspulver]

Der entscheidende redaktionelle Punkt ist folgender: Die Oberflächenhärte allein sagt die Verschleißlebensdauer nicht voraus. Eine 55 HRC-Beschichtung und eine 55 HRC-Plattierung verschleißen nicht gleich, da die Verschleißfestigkeit ebenso stark von der Mikrostruktur, dem Karbidanteil und der Gegenlauffläche wie von der Härte abhängt. Ein Vergleich bei gleicher Härte und gleicher Schichtdicke ist daher bedeutungslos.

Grenzwerte der Schichtdicke

Die Schichtdicke ist der größte praktische Unterschied bei einer verschlissenen Stange. Wirtschaftliche Aspekte der Plattierung sind dünne Schichten; dickere Schichten sind langsam, teuer und erhöhen das Risiko von Rissen und Abplatzungen. Eine Plattierung mit 0,5–3 mm Dicke verändert die Reparaturstrategie von der Oberflächenerhaltung hin zur Wiederherstellung der Geometrie.[QUELLE: Prozessdatenblatt oder Daten des Geräteherstellers]Eine Stange, die 0,8 mm zu klein ist, kann durch Verchromen nicht zu handelsüblichen Kosten auf das Nennmaß gebracht werden. Sie kann jedoch durch Plattieren wiederhergestellt und anschließend auf das gewünschte Maß bearbeitet werden. Geht es hingegen um die Wiederherstellung der Abmessungen, ist Plattieren nicht die gleiche Methode.

Verdünnungskontrolle als bestimmende Variable

Die Verdünnung ist der Anteil des Grundmetalls, der in die Beschichtung eingeschmolzen wird, ausgedrückt als Prozentsatz der Beschichtungsschicht. Sie ist die entscheidende Größe, da sie bestimmt, ob sich die Beschichtung wie die spezifizierte Legierung oder wie ein verdünnter Kompromiss mit veränderter Härte und Korrosionsbeständigkeit verhält. Beim Laserauftragschweißen wird die Verdünnung gering gehalten, üblicherweise im einstelligen Bereich, da das Schmelzbad klein ist und die Wärmeeinbringung kontrolliert wird. Jede Spezifikation für das Auftragschweißen sollte einen Grenzwert für die Verdünnung und ein Prüfverfahren festlegen.Verdünnungsrate bei PTA-Hartauftragist ein nützlicher Bezugspunkt dafür, wie die Zahl festgelegt und überprüft wird.[QUELLE: Prozessdatenblatt oder veröffentlichte Verdünnungsdaten]

Wärmeeintrag und Substrattemperierung

Dies ist der am wenigsten beachtete Kompromiss im Vergleich. Galvanisieren ist ein Kaltverfahren, Plattieren hingegen nicht. Bei einem hochfesten Stahlstab kann lokale Erwärmung das Substrat unter der Beschichtung anlassen und dessen Festigkeit an den wichtigsten Stellen verringern. Zudem kann unterschiedliche Wärmeausdehnung ein langes, schlankes Bauteil verformen. Beides lässt sich beherrschen – durch Vorwärmen, Temperaturkontrolle zwischen den Schweißlagen, Schweißfolge, kontrollierte Abkühlung und in manchen Fällen Wärmebehandlung nach dem Schweißen –, doch müssen diese Faktoren von vornherein in den Prozess integriert und dürfen nicht erst im Nachhinein entdeckt werden. Kann Ihnen ein Lieferant die maximale Temperatur zwischen den Schweißlagen für Ihr Stabmaterial nicht nennen, lässt das darauf schließen, ob er damit bereits Erfahrung hat.

Oberflächengüte und Nachbearbeitung

Beide Verfahren ermöglichen die für Hydraulikstangen erforderliche Oberflächengüte (Ra) und Rundheit, der Ablauf ist jedoch unterschiedlich. Eine verchromte Stange wird nach der Verchromung mit einem geringen Aufmaß geschliffen und poliert. Eine plattierte Stange muss gedreht und anschließend geschliffen werden, wobei ein Bearbeitungszuschlag in die Beschichtung eingearbeitet wird – typischerweise 0,3–0,8 mm, abhängig von der Schichtdicke und dem Werkzeug. Dies verursacht erhebliche Kosten und verlängert die Lieferzeit. Planen Sie dies von Anfang an ein.[QUELLE: Bearbeitungszugabe, gemessen an einem abgeschlossenen Werkstück]

Wie viel kostet Laserauftragschweißen im Vergleich zu Hartverchromung?

Die Kosten pro Teil und Serviceintervall sind ausschlaggebend – nicht der Preis pro Kilogramm Verbrauchsmaterial oder pro Quadratdezimeter Beschichtung. Ein günstigeres Verfahren, das innerhalb desselben Intervalls eine zweite Reparatur erfordert, ist letztendlich teurer.

Was sollte im Modell enthalten sein?

Acht Elemente gehören in die Berechnung, und das Weglassen eines einzigen davon begünstigt denjenigen Prozess, den Sie am wenigsten ausgelassen haben:

• Abtragen oder Entfernen der vorhandenen Schicht
• Aufbauzeit, einschließlich Vorheiz- und Zwischenpass-Wartezeiten
• Kosten für Verbrauchsmaterialien – Pulver oder Draht bzw. Galvanisierungschemikalien und Anoden
• Bearbeitungszeit bis zum Erreichen der Endabmessungen und Oberflächengüte
• Inspektion und Dokumentation
• Fracht- und Bearbeitungszeit
• Die Kosten für Ausfallzeiten werden an der Maschine gemessen, nicht in der Werkstatt.
• Voraussichtliches Serviceintervall bis zur nächsten Reparatur

Beispielrechnung: Eine Hydraulikstange mit 200 mm Durchmesser und 2000 mm Länge

Nehmen Sie eine für den Walzbetrieb verwendete Zylinderstange mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Länge von 2000 mm, die 0,6 mm untermaßig abgenutzt ist und umlaufende Riefen aufweist.

Das System ist einfach. Die Kosten für die galvanische Beschichtung werden anhand der abgetragenen Fläche und Dicke berechnet. Aufgrund der geringen maximalen Dicke kann sie nur einen Teil des Verschleißes beheben. Die Kosten für die Plattierung werden anhand des benötigten Materialvolumens zur Wiederherstellung der Geometrie zuzüglich der Nachbearbeitung zur Maßhaltigkeit berechnet. Beide Verfahren werden über das erwartete Wartungsintervall mit dem oben genannten Acht-Punkte-Modell berechnet.

Wenn Verchromen noch günstiger ist

Dieser Abschnitt bleibt bestehen, weil er der Wahrheit entspricht. Verchromen ist die beste Wahl für Neuteile, geringe Belastungen, enge Toleranzen, kurze Betriebszyklen und überall dort, wo bereits eine eigene Verchromungsanlage vorhanden ist. Es ist vorteilhaft, wenn der Verschleiß oberflächlich ist und keine Maßhaltigkeit wiederhergestellt werden muss. Es ist auch bei Geometrien überlegen, die mit einem Pulverbeschichtungsverfahren nur schwer zu erreichen sind. Ein Lieferant, der nicht sagen kann, wann sein bevorzugtes Verfahren die falsche Wahl ist, hat Ihnen keine fundierte technische Lösung geliefert.

Zuordnungsprozess zur Komponente

Die Bauteilgeometrie, nicht die Präferenz, bestimmt das Vorgehen. Die drei folgenden Fälle decken die meisten Anfragen ab.

Außenstangen.

Empfohlen	Warum
EHLA oder konventionelles Laserauftragschweißen	Außendurchmesser, Rundheit und Oberflächengüte sind die maßgeblichen Anforderungen, und eine geringe Wärmeeinbringung begrenzt die Verformung bei langen, schlanken Teilen.
PTA-Hartauftrag	Geeignet, wenn der Stab kurz und steif ist und die höhere Abscheidungsrate den höheren Wärmeeintrag ausgleicht.

Zylinderbohrungen und Innenflächen.

Empfohlen	Warum
PTA-Hartauftragschweißen mit einem Tieflochbrenner	Höhere Abscheidungsrate und bessere Abdeckung großer Innenflächen, die der thermischen Belastung standhalten können.
Internes Laserauftragschweißen	Bei Bedingungen, bei denen Verdünnung und Wärmeeintrag gering bleiben müssen und die Bohrung für den Zylinderkopf zugänglich ist.

Langhubstangen und Reparatur vor Ort.

Empfohlen	Warum
Tragbares Laserauftragschweißen	Wenn das Teil nicht aus der Maschine entnommen werden kann, sind die erreichbare Rundheit und Oberflächengüte eingeschränkt, daher muss die Toleranz vor Beginn der Bearbeitung vereinbart werden.
Ausbau und Werkstattreparatur	Ist weiterhin erforderlich, wenn die Ausführung vor Ort nicht der Zeichnung entspricht. Bitte geben Sie dies vor der Angebotserstellung an.

Checkliste für die Spezifikationen einer Angebotsanfrage

Fügen Sie dies bitte in die Bestellanforderung ein. Ein Lieferant, der nicht alle Fragen beantworten kann, ist nicht bereit, ein Angebot abzugeben.

• Legierungs- oder Beschichtungsbezeichnung mit Angabe im Datenblatt
• Schichtdicke, Minimum und Maximum
• Härteanforderung sowie genauer Messort und -methode
• Verdünnungsgrenze und das Prüfverfahren
• Akzeptanzkriterien für Bindung und Porosität
• ZfP-Verfahren und Akzeptanzniveau
• Endgültige Oberflächengüte, ausgedrückt als Ra
• Maßtoleranz und Rundheit
• Dokumentation: Schweißverfahrensspezifikation (WPS)/Prüfverfahrensprüfung (PQR), Pulver- oder Drahtzertifikate, Inspektionsbericht
• Ob die Bearbeitung auf Endgröße im Leistungsumfang enthalten ist
• Maximale Zwischenpasstemperatur für das Substratmaterial

Häufig gestellte Fragen

1. Womit kann eine Hartverchromung ersetzt werden?

Laserauftragschweißen, PTA-Hartauftragschweißen, HVOF-Thermospritzen und stromloses Vernickeln sind die vier praktikablen Alternativen. Laserauftragschweißen und PTA verbinden metallurgisch und können Geometrien im Millimeterbereich wiederherstellen; HVOF verbindet mechanisch mit sehr geringem Wärmeeintrag; stromloses Vernickeln eignet sich für korrosionsbedingte Ausfälle bei geringen Belastungen. Die richtige Wahl hängt von der erforderlichen Schichtdicke, der Belastung, dem Substrat und den Toleranzen ab.

2. Wird die Hartverchromung verboten?

Cr(VI) ist nicht gänzlich verboten, unterliegt aber zunehmend Beschränkungen. Gemäß der EU-REACH-Verordnung ist Chromtrioxid genehmigungspflichtig, daher ist für die weitere Verwendung eine Einzelfallgenehmigung mit zeitlicher Begrenzung erforderlich. In den USA wurden die Emissionsvorschriften der EPA für die Chromgalvanisierung verschärft. Die Transportrichtung gilt als festgelegt, der Zeitpunkt ist regionsspezifisch. Prüfen Sie daher die Primärquellen der ECHA und EPA anstelle von Zusammenfassungen.

3. Kann die Härte von Hartchrom durch Laserauftragschweißen erreicht werden?

Ja, und es kann diesen Wert sogar übertreffen. Elektrolytisch hartgebranntes Chrom weist typischerweise Oberflächenhärten von etwa 800–1000 HV auf. Kobalt-, Nickel- und Eisenlegierungen mit Karbidverstärkung erreichen routinemäßig 45–60 HRC, und einige Kobaltlegierungen behalten ihre Härte bei erhöhten Temperaturen besser als Chrom. Schichtdicke und Zähigkeit sind ebenso wichtig wie der Härtewert selbst.[QUELLE: Spezifikation für die Plattierung; Datenblatt für Legierungspulver]

4. Wie dick darf eine laserplattierte Schicht sein?

Konventionelles Laserauftragschweißen erzeugt typischerweise Schichtdicken von 0,5–3 mm, wobei bei Bedarf durch mehrere Durchgänge auch größere Schichtdicken erreicht werden können. EHLA (Elektrochemisches Laserauftragschweißen) ermöglicht dünnere Schichten von üblicherweise 0,1–0,5 mm. Bei der Reparatur von Hydraulikstangen wird der praktische Bereich in der Regel durch die Menge des zu ersetzenden Materials zuzüglich der Bearbeitungszugabe bestimmt, nicht durch die maximale Prozessstärke.[QUELLE: EHLA-Verfahrensliteratur; Gerätedatenblatt]

5. Ist Laserauftragschweißen günstiger als das Neuverchromen einer Hydraulikstange?

Nicht pro Flächeneinheit – die Beschichtung ist in der Regel teurer. Pro Nutzungsintervall kann sie günstiger sein, insbesondere dann, wenn die Stange eine Maßkorrektur benötigt, die durch Plattieren nicht wirtschaftlich erreicht werden kann. Ist die Stange 0,5–1 mm zu klein, lässt sich dies durch Plattieren nicht zu marktüblichen Kosten beheben; dann ist die Beschichtung die einzige Möglichkeit, die Sollmaße wiederherzustellen.

6. Kann eine Hydraulikstange repariert werden, ohne sie aus der Maschine auszubauen?

Manchmal. Tragbare Laserauftragschweißanlagen können für große oder unbewegliche Teile direkt an der Maschine eingesetzt werden. Die Bearbeitung vor Ort schränkt jedoch die erreichbare Rundheit und Oberflächengüte ein, und die Toleranz muss vor Beginn der Arbeiten vereinbart werden. Ist die erzielbare Oberflächengüte unzureichend, ist eine Entlackung erforderlich.

Abschluss

Die Entscheidungsfindung ist kurz. Zunächst wird die Ausfallursache identifiziert – Korrosion, Abrieb oder Geometrieverlust. Anschließend wird geprüft, ob das Substrat hitzebeständig ist, da dies die Auswahl der geeigneten Verfahren einschränkt. Danach werden die Gesamtkosten pro Bauteil und Wartungsintervall verglichen, nicht der Preis pro Beschichtungsvorgang. Bei Korrosion unter geringer Belastung kann beispielsweise stromloses Nickel zum Einsatz kommen. Bei der Wiederherstellung der Abmessungen eines stark belasteten Stabes ist fast immer ein Schmelzverfahren die richtige Wahl. Die verbleibende Frage ist, welches Verfahren am besten zur Geometrie passt.

Senden Sie uns die Zeichnung der Stange, das Grundmaterial und die gemessene Verschleißgeometrie, und unsere Ingenieure teilen Ihnen mit, welches Verfahren anzuwenden ist und warum.Kontaktieren Sie unsfür eine Bewertung oder ein Datenblatt.