High-Tech-Beschichtung für hohen Verschleißschutz

Seit August 2004 nutzt die Schoeller Bleckmann Oilfield Technologies im niederöster-reichischen Ternitz die Direct Metal Deposition für die Beschichtung stark verschleiß-beanspruchter Oberflächen bei nichtmagnetischen Bohrstrangkomponenten. Sie hat dabei eine Maschine des Typs TrumaForm DMD 505 von Trumpf im Einsatz, die ein äußerst abriebfestes Schichtsystem aus Nickelbasislegierungen mit eingearbeiteten sphärischen Wolframcarbid-Partikeln auf das Grundmaterial aufträgt.

Das Beschichten der exponierten Führungsbereiche nichtmagnetischer Bohrstrangkomponenten mit dem DMD-Verfahren bedeutet gegenüber früher eine wesentliche Vereinfachung und Beschleunigung des Herstellungsprozesses. Auch spätere Reparaturen bei Abnützung der Verschleißschicht sind weniger aufwändig als das bis anhin übliche manuelle Einlöten von Hartmetallplättchen oder -bolzen. Dazu kommt, dass die Werkstoffeigenschaften des wärmeempfindlichen austenitischen Grundmaterials durch den geringeren Wärmeeintrag des Laserverfahrens nicht beeinträchtigt werden. Durch den geringen Wärmeeintrag wird zudem der Verzug des Werkstücks minimiert, dies ist auch ein Vorteil
bei eventuellen Reparatur-Nachbeschichtungen. Das neue Verfahren erlaubt außerdem eine durchgehend nachvollziehbare Qualitätssicherung. Ein durch Schäden am Bohrgestänge oder dem Bohrwerk verursachter Stillstand einer Erdölbohrung kann Kosten von einer Million Dollar pro Tag erreichen. Auch aus diesem Grund werden höchste Anforderungen an das für die Bohrung eingesetzte Material und dessen Verarbeitung gestellt.
In der heute bei Erdölbohrungen üblichen Richtbohrtechnik (Measure While Drilling - MWD) dreht sich nicht das gesamte Bohrgestänge, sondern nur der Bohrkopf, der von einem direkt dahinter montierten Motor angetrieben wird. Die nichtmagnetischen Bohrstrangkomponenten sind als Navigations- und Sensorsysteme direkt nach dem Motor angeordnet. Der Motor selbst wird durch die Bohrflüssigkeit angetrieben, die von der Erdoberfläche mit hohem Druck durch das hohle Bohrgestänge bis zum Bohrkopf gepumpt wird. Sie tritt dort aus und gelangt auf dem Zwischenraum zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwandung wieder zurück zur Erd-oberfläche. Auf ihrem Weg nach oben transportiert sie als Bohrschlamm das vom Bohrkopf abgearbeitete Bohrklein nach oben aus dem Bohrloch hinaus.
In den nichtmagnetischen Bohr-strangkomponenten befinden sich unter anderem Sensoren, mit deren Daten der Weg der Bohrung dreidimensional gemessen wird. Die Sensoren ermitteln die Daten für das gerichtete Bohren, mit dem Ölbohrungen auf teilweise kompliziertem Weg mit großen Radien auch um Kurven an die Ölquellen herangeführt werden. Früher wurden solche Ablenkungen ¿ zum Beispiel beim Bruch eines Bohrkopfes ¿ durch gezieltes Einlegen von Stahlkeilen in das Bohrloch durchgeführt. Heute geschieht das Lenken des Bohrkopfs über seitliche Führungselemente, deren Ausfahren über einen Rechner gesteuert wird. Andere Sensoren ermöglichen die Bestimmung der Gesteinsschichten, durch welche die Ölbohrung führt.
Schwerpunkt ist die Produktion von nichtmagnetischen Bohrstrangkomponenten für die Richtbohrtechnologie. Die Teile bestehen aus einem nichtmagnetischen, austenitischen Edelstahl, der vor allem mit Chrom und Mangan legiert ist, der von Böhler Uddeholm nach den Anforderungen der Schoeller Bleckmann Oilfield Technology gemeinsam für diese Einsatzbereiche entwickelt wurde.
80 % der nichtmagnetischen Bohrstrangkomponenten werden in die USA exportiert.
Aufgrund seines Know-hows hat sich das Unternehmen zum weltweiten Marktführer bei Hochpräzisionsteilen für die Ölfeld-Ausrüstungsindustrie entwickelt. Der Standort Ternitz ist nur einer der Firmenstandorte des weltweit aktiven Unter-nehmens. Die gesamte Unter-nehmensgruppe beschäftigt weltweit 800 Mitarbeiter und erwirtschaftet im Jahr 2003 einen Umsatz von zirka 140 Mio. Euro.
Bei ihrem Einsatz im Bohrloch ist die nichtmagnetische Bohrstrangkomponente vollgepackt mit empfindlicher Elektronik. Der Einsatz verlangt hohe mechanische Stabilität, denn neben der stetigen, höchst verschleißintensive Reibung ihrer Führungskomponenten an der Bohrlochwandung bedeutet auch der hohe Druck der Bohrflüssigkeit eine beachtliche Beanspruchung. Bei jedem einzelnen der bis zu zehn oder elf Meter langen Komponenten wird die Einhaltung der geforderten Werkstoffeigenschaften und Maßtoleranzen von einem schnell reagierenden Qualitätssicherungssystem während des gesamten Fertigungsprozesses produktionsbegleitend gesichert. Die aus dem Stahlwerk kommenden, warm vorgeformten Rundstahl-Rohlinge werden zunächst durch Hämmern kaltverfestigt. Anschließend wird die harte Zunderschicht auf einer Schälmaschine von einem rotierenden Vielmesserkopf abgedreht. Nach dem präzisen Richten des Rohlings folgen die zerspanenden Produktionsprozesse, bei denen als erstes die große zentrische Axialbohrung eingebracht wird. Zusätzliche Axialbohrungen mit etwa acht Millimetern Durchmesser in der Wandung der Bohrstrangkomponenten führen später elektrische Energiezuführungs- und Steuerleitungen. In weiteren zerspanende Produktionsschritten werden Schultern, Krägen, Einstiche, Taschen und Ausnehmungen zur Aufnahme von Sensoren und Aktoren herausgearbeitet.
Ebenfalls durch Zerspanung hergestellte Führungspartien sorgen später beim Abteufen der Ölbohrung für
die Einhaltung des ringförmigen Zwischenraumes zwischen Bohrgestänge und der Bohrlochwandung. Die Umfangsflächen dieser Führungspartien sind durch ihr stetiges Gleiten am Gestein der Bohrlochwandung einer besonders hohen Verschleißbeanspruchung ausgesetzt. Um diesen zu vermindern, wurden in diesen Bereichen bis anhin Hartmetallplättchen aufgelötet. Die heute mit dem DMD-Verfahren durchgeführte Panzerung mit einer Kombination hoch verschleißfester Schichten bedeutet eine wesentliche Vereinfachung dieses Herstellungsschrittes und erlaubt eine nachvollziehbare Qualitätssicherung. Die beim DMD-Prozess aufgetragene Schicht muss sowohl hart sein und für Verschleißschutz  sorgen, als auch zuverlässig am Grundmaterial haften. Die Beschichtung besteht deshalb aus mehreren Lagen. Die unterste Schicht bildet eine Art Puffer. Sie sorgt für die zuverlässige Anbindung der bis zu drei darüber aufgetragenen Schichten mit dem Grundmaterial. Die hoch verschleißfesten Schichten bestehen aus Nickelbasislegierungen, welche die Matrix für einen hohen Anteil sphärischer Wolframcarbid-Partikel bilden.
Vom Prinzip her ist die Direct Metal Deposition ein generatives Laserverfahren, bei dem mit Hilfe eines CO2-Lasers auf einer TrumaForm DMD 505 ein Metallpulver auf der Oberfläche des Werkstücks eingeschmolzen wird. Die fünf Achsen der von Trumpf gebauten Maschine ermöglichen mit ihrer Bewegungsfreiheit den maßgenauen Materialauftrag. Das so entstehende Hardfacing ist abriebfest und porenfrei, bildet keine Risse und haftet zuverlässig auf dem Grundmaterial. Es entspricht damit allen Einsatzanforderungen.
Kernstück des DMD-Verfahrens ist ein konzentrisches, wassergekühltes Düsensystem. In der mittigen Bohrung tritt der Laserstrahl aus. Aus der um diese Bohrung herum angeordneten, konzentrischen Ringdüse wird der aufzutragende Werkstoff koaxial zum Laserstrahl als Pulver-Argon-Gemisch aufgesprüht. Konzentrisch um diese Düsenkombination herum befinden sich weitere dünne Düsen, aus denen Argon austritt und eine dichte Schutzgasglocke um die zu beschichtende Stelle bildet. Das Pulver, das keinerlei zusätzliche Binder enthält, wird in das vom Laserstrahl auf der Bauteiloberfläche erzeugte Schmelzbad eingesprüht und vollständig aufgeschmolzen. Die vier Pulverförderer für die Pulverbeschickung können sowohl einzeln als auch gleichzeitig zur Zuführung zielgenau abgestimmter Pulvermischungen eingesetzt werden. Die Pulverzuführungen sind umschaltbar und erlauben mit dem wechselweisen Auftrag unterschiedlicher Pulvermischungen den Aufbau präzise auf die konkreten Anforderungen abgestimmter Schichtsysteme.
Der Arbeitsbereich der sowohl von der Steuerkonsole als auch vom Handprogrammiergerät aus bedienbaren Maschine umfasst zwei Meter in Längsrichtung, einen Meter quer zur Maschinenlängsachse und 750 mm in der Hochachse. Der Werkzeugkopf lässt sich in der B-Achse um ± 45° und
in der C-Achse um ± 190° schwenken. Außerdem kann das Werkstück um seine eigene Achse (A-Achse) gedreht werden. Das gesamte Maschinenbett ist 22 m lang. Der mit bis zu sieben Tonnen belastbare Arbeitstisch wird auf der einen Seite beladen, während der gesamte Längenbereich der anderen Seite für Arbeitsoperationen an den bis zu zehn oder elf Meter langen Werkstücke zur Verfügung steht. Das Arbeitsprogramm sowohl der Fünfachskinematik als auch des DMD-Prozesses lässt sich wie bei NC-Maschinen üblich programmieren oder direkt aus der CAD-Zeichnung des zu beschichtenden Teiles generieren. Für das Einrichten der Maschine steht dem Bediener ein Touch-Panel zur Verfügung.
Drei CCD-Kameras nehmen die aktuellen Geometriedaten auf und ermitteln so die Basisdaten für die "in time"-Regelung der Laserleistung im Bereich zwischen zwei und sechs Kilowatt. Diese Regelung ermöglicht das Auftragen einer konstanten, reproduzierbaren Schichtdicke, auch wenn der Laserstrahl geometrie- oder prozessbedingt seine Richtung ändert und beispielsweise eine gekrümmte Partie des Werkstücks zu beschichten ist. Mit der Regelung der Laserleistung ist in diesen Situationen ein wesentlich schnelleres Reagieren möglich, als mit der Fahrgeschwindigkeit des Laserkopfs oder der Massestromänderung des zugeführten Metallpulvers.
Aufbau und Funktionsweise der TrumaForm DMD 505 von Trumpf nutzen bewährtes, auf der Praxiserfahrung von Jahrzehnten basierendes Know-how. Bei ihrer Zusammenarbeit  mit den Experten der Schoeller Bleckmann Oilfield Technologies stützten sich die Entwickler damit auf einen reichhaltigen Fundus an Fachkompetenz sowohl aus dem Bereich Laser-Materialbearbeitung als auch aus dem Bau von Anlagen zum Schweißen und Schneiden. Das DMD-Verfahren ist ein weiterer Meilenstein in der Metallbearbeitung per Laser. Durch das Auftragen dichter, poren- und rissfreier metallischer Schichten auf dem Grundmaterial ermöglicht es die an der konkreten Einsatzanforderung orientierte Veredelung von Oberflächen.

www.trumpf-laser.com
www.sbo.at

 Autor: Martin Wohlgenannt