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Dokumentenidentifikation DE102004062295A1 08.09.2005
Titel Thermisches Spritzpulver
Anmelder Fujimi Inc., Aichi, JP
Erfinder Mizuno, Hiroaki, Aichi, JP;
Itsukaichi, Tsuyoshi, Aichi, JP
Vertreter Maiwald Patentanwalts GmbH, 80335 München
DE-Anmeldedatum 23.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004062295
Offenlegungstag 08.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.09.2005
IPC-Hauptklasse C23C 4/10
IPC-Nebenklasse C22C 29/08   C09D 1/00   
Zusammenfassung Ein thermisches Spritzpulver enthält Cermet-Teilchen. Jedes Cermet-Teilchen enthält Wolframcarbid-Teilchen mit einer mittleren Primärteilchengröße von 3 bis 9 µm und Chrom-haltige Metall-Teilchen oder Keramikteilchen. Die mittlere Teilchengröße der Cermet-Teilchen beträgt vorzugsweise von 2 bis 50 µm und die Druckfestigkeit jedes Cermet-Teilchens beträgt vorzugsweise von 400 bis 900 MPa. Ein solches thermisches Spritzpulver ermöglicht die Bildung einer thermischen Spritzbeschichtung, die sowohl exzellente Kavitationserosionsbeständigkeit als auch Schlammerosionsbeständigkeit besitzt.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisches Spritzpulver bzw. ein Pulver zum Thermospritzen, das in Anwendungen zur Bildung einer thermisch gespritzten Beschichtung verwendet wird, z.B. durch das Hochgeschwindigkeitsmetallspritzen wie beispielsweise das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF, high velocity oxyfuel spraying) oder das Detonationsspritzen bzw. Flammschockspritzen.

Die Kavitationserosion, ein sich ergebender Effekt aus Stoßwellen und Mikrostrahlen und die durch den Zusammenbruch von Kavitationen, die eine feste Oberfläche korrodieren, erzeugt wird, ist ein Problem, das in Fluidvorrichtungen wie beispielsweise hydraulischen Turbinen oder Pumpen vorkommt. In bestimmten Situationen, in denen das Vorkommen der Kavitationserosion ein Grund für Besorgnis ist, schlossen herkömmliche Messungen zur Lösung dieses Problems das Bilden des betreffenden Teils aus einem Material mit exzellenter Kavitationserosionsbeständigkeit oder das Beschichten des betreffenden Teils mit einem Material mit exzellenter Kavitationserosionsbeständigkeit ein. Beispiele für Materialien mit bekannter exzellenter Kavitationserosionsbeständigkeit schließen Kobalt-basierte Legierungen wie beispielsweise eine Hartmetalllegierung, ein 13% Chrom umfassender Martensit-Edelstahl, und die Verbundmaterialien ein, die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 8-60278 offenbart sind. Beispiele für Beschichtungen mit bekannter exzellenter Kavitationserosionsbeständigkeit schließen die Beschichtungen aus den japanischen Patentoffenlegungsschriften Nrn. 2001-107833 und 2003-247084 ein.

Während diese herkömmlichen Techniken jedoch gute Kavitationserosionsbeständigkeit verleihen können, so sind sie doch in vielen Fällen nicht fähig, ausreichende Abnutzungsbeständigkeit zu verleihen, die durch in einem Fluid enthaltene Hartteilchen verursacht wird (d.h. Schlammerosionsbeständigkeit). Weil die in den japanischen Offenlegungsschriften Nrn. 2001-107833 und 2003-247084 offenbarten Beschichtungen außerdem entweder durch ein Plasmatransfer-Lichtbogenverfahren oder durch Erhitzen zum Schmelzen von thermisch gespritzten selbstschmelzigen Legierungsbeschichtungen gebildet werden, können die thermischen Auswirkungen auf das Substrat nicht ignoriert werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermisches Spritzpulver bereitzustellen, das eine thermische Spritzbeschichtung bilden kann, die sowohl in der Kavitationserosionsbeständigkeit und in der Schlammerosionsbeständigkeit überlegen ist.

Zur Erreichung der vorliegenden und anderer Aufgaben und gemäß dem Zweck der vorliegenden Erfindung wird ein thermisches Spritzpulver bereitgestellt. Das thermische Spritzpulver beinhaltet Cermet-Teilchen, wobei jedes Cermet-Teilchen Wolframcarbid-Teilchen mit einer mittleren Primärteilchengröße von 3 bis 9 &mgr;m und chromhaltige Metall-Teilchen oder Keramik-Teilchen beinhaltet.

Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung, die anhand von Beispielen die Prinzipien der Erfindung erläutert, deutlich werden.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.

Ein thermisches Spritzpulver gemäß einer ersten Ausführungsform wird hauptsächlich für Anwendungen zur Bildung einer thermischen Spritzbeschichtung durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Detonationsspritzen eingesetzt, und wird aus Cermet-Teilchen gebildet. Jedes Cermet-Teilchen ist ein Verbundmaterial aus Wolframcarbid-Teilchen und chromhaltigen Kobalt-basierten Legierungsteilchen. Die mittlere Teilchengröße der Cermet-Teilchen beträgt von 2 bis 50 &mgr;m.

Sollte die Druckfestigkeit jedes Cermet-Teilchens zu gering sein, so kann sich die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver hergestellt wird, etwas verschlechtern. Zur Vermeidung einer Verschlechterung in der Kavitationserosionsbeständigkeit aufgrund einer zu niedrigen Druckfestigkeit beträgt die Druckfestigkeit jedes Cermet-Teilchens vorzugsweise 400 MPa oder mehr, bevorzugter 500 MPa oder mehr, und am meisten bevorzugt 600 MPa oder mehr. Andererseits kann sich die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermisch gespritzten Beschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, auch leicht verschlechtern, wenn die Druckfestigkeit jedes Cermet-Teilchens zu hoch liegt. Zur Vermeidung einer Verschlechterung in der Kavitationserosionsbeständigkeit aufgrund einer zu hohen Druckfestigkeit liegt die Druckfestigkeit jedes Cermet-Teilchens vorzugsweise bei 900 MPa oder weniger, bevorzugter bei 800 MPa oder weniger, und am meisten bevorzugt bei 700 MPa oder weniger.

Wenn die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen unterhalb von 3 &mgr;m oder oberhalb von 9 &mgr;m liegt, ist die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, nicht gut und in vielen Fällen ist auch die Schlammerosionsbeständigkeit niedrig. Deshalb muss die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen von 3 bis 9 &mgr;m betragen. Selbst wenn die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen im Bereich von 3 bis 9 &mgr;m liegt, wenn die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen weniger als 4 &mgr;m beträgt, und selbst wenn sie weniger als 5 &mgr;m ist, so kann sich trotzdem die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermisch gespritzten Beschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, etwas verschlechtern. Deshalb ist zur Vermeidung einer Verschlechterung in der Kavitationserosionsbeständigkeit aufgrund einer zu kleinen mittleren Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen vorzugsweise 4 &mgr;m oder mehr, und bevorzugter 5 &mgr;m oder mehr. Wenn die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen über 8 &mgr;m beträgt, und selbst wenn sie mehr als 7 &mgr;m beträgt, kann sich die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, leicht verschlechtern. Zur Vermeidung einer Verschlechterung in der Kavitationserosionsbeständigkeit aufgrund einer zu hohen mittleren Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen liegt die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen vorzugsweise bei 8 &mgr;m oder weniger, und bevorzugter bei 7 &mgr;m oder weniger.

Falls die in jedem Cermet-Teilchen enthaltene Kobaltmenge zu gering ist, kann sich die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, dadurch etwas verschlechtern, weil die thermische Spritzbeschichtung nicht sehr hart bzw. strapazierfähig ist. Zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Kavitationserosionsbeständigkeit aufgrund des zu geringen Kobaltgehalts, liegt der Kobaltgehalt in jedem Cermet-Teilchen vorzugsweise bei 5 Gew.-% oder mehr, und bevorzugter bei 7 Gew.-% oder mehr. Andererseits kann sich die Schlammerosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet ist, etwas verschlechtern, wenn die in jedem Cermet-Teilchen enthaltene Kobaltmenge zu hoch liegt. Zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Schlammerosionsbeständigkeit aufgrund eines zu hohen Kobaltgehalts, liegt der Kobaltgehalt in jedem Cermet-Teilchen vorzugsweise bei 20 Gew.-% oder weniger, und noch bevorzugter bei 12 Gew.-% oder weniger.

Sollte der in jedem Cermet-Teilchen enthaltene Chromgehalt zu gering sein, so kann sich die Schlammerosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, leicht verschlechtern. Zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Schlammerosionsbeständigkeit wegen eines zu geringen Chromgehalts liegt der Chromgehalt in jedem Cermet-Teilchen vorzugsweise bei 1 Gew.-% oder mehr, und bevorzugter bei 3 Gew.-% oder mehr. Sollte der in jedem Cermet-Teilchen enthaltene Chromgehalt andererseits zu hoch sein, kann sich die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, leicht verschlechtern. Zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Schlammerosionsbeständigkeit wegen des zu hohen Chromgehalts liegt der Chromgehalt in jedem Cermet-Teilchen vorzugsweise bei 10 Gew.-% oder weniger, und bevorzugter bei 5 Gew.-% oder weniger.

Das thermische Spritzpulver gemäß der ersten Ausführungsform wird durch ein Granulations- und Sinterverfahren hergestellt. Während der Herstellung des thermischen Spritzpulvers durch ein Granulations- und Sinterverfahren wird der Schlamm durch Dispergieren von Wolframcarbid-Teilchen und chromhaltigen Kobalt-basierten Legierungsteilchen in einem geeigneten Dispersionsmedium hergestellt. Ein granuliertes Pulver wird danach durch Sprühtrocknen des hergestellten Schlammes unter Verwendung eines Sprühgranulators hergestellt. Das so erhaltene granulierte Pulver wird gesintert und einer weiteren Zerkleinerung und Sortierung unterworfen, wodurch ein thermisches Spritzpulver gemäß der ersten Ausführungsform erhalten wird.

Eine zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.

Ein thermisches Spritzpulver gemäß einer zweiten Ausführungsform wird, auf die gleiche Art und Weise wie ein thermisches Spritzpulver gemäß der ersten Ausführungsform, hauptsächlich für Anwendungen zur Bildung einer thermisch gespritzten Beschichtung durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Detonationsspritzen verwendet und wird aus Cermet-Teilchen gebildet. Jedes Cermet-Teilchen ist ein Verbundmaterial aus Wolframcarbid-Teilchen, Chromcarbid-Teilchen und metallischen Nickel-Teilchen. Die mittlere Teilchengröße der Cermet-Teilchen beträgt von 2 bis 50 &mgr;m.

Sollte die Druckfestigkeit jedes Cermet-Teilchens zu gering sein, so kann sich die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, leicht verschlechtern. Zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Kavitationserosionsbeständigkeit wegen einer zu geringen Druckfestigkeit beträgt die Druckfestigkeit jedes Cermet-Teilchens vorzugsweise 400 MPa oder mehr, bevorzugter 500 MPa oder mehr, und am meisten bevorzugt 600 MPa oder mehr. Andererseits kann sich die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermisch gespritzten Beschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, auch leicht verschlechtern, wenn die Druckfestigkeit jedes Cermet-Teilchens zu hoch liegt. Zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Kavitationserosionsbeständigkeit wegen einer zu hohen Druckfestigkeit liegt die Druckfestigkeit jedes Cermet-Teilchens vorzugsweise bei 900 MPa oder weniger, bevorzugter bei 800 MPa oder weniger, und am meisten bevorzugt bei 700 MPa oder weniger.

Falls die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen unterhalb von 3 &mgr;m oder oberhalb von 9 &mgr;m liegt, so ist die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet ist, nicht gut. Deshalb muss die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen von 3 bis 9 &mgr;m betragen. Selbst wenn die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen im Bereich von 3 bis 9 &mgr;m liegt, wenn die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen weniger als 4 &mgr;m beträgt, und auch wenn sie weniger als 5 &mgr;m beträgt, so kann sich die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet wird, jedoch leicht verschlechtern. Zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Kavitationserosionsbeständigkeit wegen einer zu geringen mittleren Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen liegt die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen deshalb vorzugsweise bei 4 &mgr;m oder mehr, und bevorzugter bei 5 &mgr;m oder mehr. Wenn die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen größer als 8 &mgr;m ist und selbst wenn sie mehr als 7 &mgr;m beträgt, kann sich die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet ist, leicht verschlechtern. So liegt zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Kavitationserosionsbeständigkeit wegen einer zu großen mittleren Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen vorzugsweise bei 8 &mgr;m oder weniger, und bevorzugter bei 7 &mgr;m oder weniger.

Falls der in jedem Cermet-Teilchen enthaltene Chromgehalt zu gering ist, kann sich die Schlammerosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet ist, etwas verschlechtern. Zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Schlammerosionsbeständigkeit wegen eines zu geringen Chromgehalts liegt der Chromgehalt in jedem Cermet-Teilchen vorzugsweise bei 12 Gew.-% oder mehr, und bevorzugter bei 14 Gew.-% oder mehr. Die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet ist, kann sich dagegen leicht verschlechtern, falls der in jedem Cermet-Teilchen enthaltene Chromgehalt zu hoch ausfällt. Zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Schlammerosionsbeständigkeit wegen des zu hohen Chromgehalts liegt der Chromgehalt in jedem Cermet-Teilchen vorzugsweise bei 25 Gew.-% oder weniger, und noch bevorzugter bei 20 Gew.-% oder weniger.

Falls der in jedem Cermet-Teilchen enthaltene Nickelgehalt zu gering ist, kann sich die Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet ist, leicht verschlechtern. Zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Kavitationserosionsbeständigkeit wegen eines zu geringen Nickelgehalts liegt der Nickelgehalt für jedes Cermet-Teilchen vorzugsweise bei 5 Gew.-% oder mehr. Andererseits kann sich die Schlammerosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung, die aus dem thermischen Spritzpulver gebildet ist, leicht verschlechtern, wenn der in jedem Cermet-Teilchen enthaltene Nickelgehalt zu hoch liegt. Zur Verhinderung einer Verschlechterung in der Schlammerosionsbeständigkeit wegen eines zu hohen Nickelgehalts liegt der Nickelgehalt für jedes Cermet-Teilchen vorzugsweise bei 15 Gew.-% oder weniger.

Das thermische Spritzpulver gemäß der zweiten Ausführungsform wird, auf die gleiche Art und Weise wie das thermische Spritzpulver gemäß der ersten Ausführungsform, durch ein Granulations- und Sinterverfahren hergestellt. Als Rohmaterial für das thermische Spritzpulver wurden jedoch Wolframcarbid-Teilchen, Chromcarbid-Teilchen und metallische Nickel-Teilchen anstelle von Wolframcarbid-Teilchen und chromhaltigen Kobalt-basierten Legierungsteilchen, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, eingesetzt.

Die dargestellte Ausführungsform weist die folgenden Vorteile auf.

Allgemein gesprochen wird in einer thermischen Spritzbeschichtung, die durch thermisches Spritzen von Cermet-Teilchen gebildet wird, eine Matrix aus Metall-Teilchen in den Cermet-Teilchen gebildet, wobei die Keramik-Teilchen in den Cermet-Teilchen in der Matrix dispergiert sind. In dem Maße, wie sich die Größe der Keramik-Teilchen in den Cermet-Teilchen erhöht, so erhöht sich die Adhäsionsstärke (interpartikuläre Bindungsstärke) unter den Cermet-Teilchen in der thermischen Spritzbeschichtung als Folge eines Peening-Effekts. In dem Maße, wie sich die Größe der Keramik-Teilchen in den Cermet-Teilchen erhöht, so erhöht sich auch die Kontaktoberfläche jedes Keramik-Teilchens hinsichtlich der Matrix in der thermischen Spritzbeschichtung. Eine aus einem thermischen Spritzpulver gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform gebildete thermische Spritzbeschichtung, dessen mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen eine verhältnismäßig erhebliche Größe von 3 &mgr;m oder mehr aufweist, kann deshalb das „Dropping-out" von Keramik-Teilchen und Cermet-Teilchen aus der thermischen Spritzbeschichtung dramatisch verringern, wenn Stoß bzw. Verdichtungsstoß durch den Kavitationskollaps oder Reibung durch Hartteilchen im Fluid angewandt wird. Deswegen ermöglicht ein thermisches Spritzpulver gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform die Bildung einer thermisch gespritzten Beschichtung mit exzellenter Beständigkeit sowohl hinsichtlich Kavitationserosion als auch Schlammerosion.

Sollte die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen zu gering sein, kann die Oxidation der Wolframcarbid-Teilchen durch thermisches Spritzen leicht erfolgen. Da oxidierte Wolframcarbid-Teilchen schlechte Haftfähigkeit an der Matrix besitzen, verschlechtert sich die interpartikuläre Bindungsstärke, was auch zur Verschlechterung in der Kavitationserosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung führen kann. Weil die thermische Spritzbeschichtung gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform jedoch eine relativ hohe mittlere Primärteilchengröße von 3 &mgr;m oder mehr hinsichtlich der Wolframcarbid-Teilchen aufweist, wird die Oxidation der Wolframcarbid-Teilchen während des thermischen Spritzens unterdrückt. Diese Tatsache ist womöglich auch ein Grund dafür, warum eine thermische Spritzbeschichtung, die aus einem thermischen Spritzpulver gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform gebildet wird, eine exzellente Kavitationserosionsbeständigkeit und Schlammerosionsbeständigkeit aufweist.

Ein thermisches Spritzpulver gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform ermöglicht die Bildung einer thermisch gespritzten Beschichtung mit hoher Abscheidungseffizienz (in einen hohen thermischen Sprühertrag). Die Tatsache, dass die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen, die in dem thermischen Spritzpulver enthalten sind, bei einer Größe von 9 &mgr;m oder weniger nicht zu groß ist, kann vermutlich als Grund hierfür angesehen werden. Sollte die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen zu groß sein, prallen die während des thermischen Spritzens in Richtung des Substrats geblasenen Cermet-Teilchen zurück, ohne an dem Substrat haften zu bleiben. Wenn die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen jedoch 9 &mgr;m oder weniger beträgt, so wird die Abscheidungseffizienz des thermischen Spritzpulvers verbessert, weil ein Rückprall der Cermet-Teilchen unterdrückt wird.

Falls die Druckfestigkeit der Cermet-Teilchen 400 MPa oder mehr beträgt, so wird nicht nur die Kavitationserosionsbeständigkeit vor einer Verschlechterung aufgrund der zu geringen Druckfestigkeit verhindert, sondern es werden auch Probleme wie das „Spitting", das sich aus dem Kollaps bzw. Zusammenfall der Cermet-Teilchen ergibt, ebenso unterdrückt.

Sollte die Druckfestigkeit der Cermet-Teilchen 900 MPa oder weniger betragen, so wird nicht nur die Kavitationserosionsbeständigkeit vor einer Verschlechterung aufgrund der zu hohen Druckfestigkeit verhindert, sondern es verbessert sich auch die Abscheidungseffizienz des thermischen Spritzpulvers als Folge der in der thermischen Sprühflamme viel leichter zu erweichenden oder zu schmelzenden Cermet-Teilchen.

Die gemäß einem Granulations- und Sinterverfahren hergestellten Cermet-Teilchen besitzen gute Fließfähigkeit, da sie fast kugelig gebaut sind und eine relativ gleichmäßige Korngröße aufweisen. Ein thermisches Spritzpulver gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform, das aus den Cermet-Teilchen gebildet ist, kann deshalb auch gute Fließfähigkeit besitzen. Gemäß einem Granulations- und Sinterverfahren hergestellte Cermet-Teilchen besitzen außerdem einen entsprechend leicht-schmelzbaren Charakter, da sie porös sind und eine große spezifische Oberfläche aufweisen. Ein thermisches Spritzpulver gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform, das aus Cermet-Teilchen gebildet ist, verfügt dementsprechend auch über einen geeignet leicht-schmelzbaren Charakter, und daher verbessert sich die Abscheidungseffizienz des thermischen Spritzpulvers.

Für den Fachmann sollte somit deutlich werden, dass die vorliegende Erfindung in vielen anderen spezifischen Formen ausgeführt werden kann, ohne vom Erfindungsgedanken oder vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich insbesondere, dass die Erfindung in den folgenden Formen ausgeführt werden kann.

Ein thermisches Spritzpulver gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform kann durch ein Sinter- und Zerkleinerungsverfahren anstelle eines Granulations- und Sinterverfahrens hergestellt werden. In einem Sinter-Zerkleinerungsverfahren wird ein durch Druckformung eines Gemisches aus Keramik-Teilchen und Metall-Teilchen erhaltener Presskörper gesintert und anschließend einer Zerkleinerung und Sortierung zur Erzeugung des gewünschten thermischen Spritzpulvers unterworfen.

Die Cermet-Teilchen in dem thermischen Spritzpulver können ein Verbundmaterial aus Wolframcarbid-Teilchen, Chromcarbid-Teilchen, und chromhaltigen Kobalt-basierten Legierungsteilchen sein, oder können ein Verbundmaterial aus Wolframcarbid-Teilchen, Chromcarbid-Teilchen und metallischen Kobalt-Teilchen sein. Alternativ können die Cermet-Teilchen ein Verbundmaterial aus Wolframcarbid-Teilchen, Chromcarbid-Teilchen und chromhaltigen Nickel-basierten Legierungsteilchen sein.

Beispiele und Vergleichsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben.

In den Beispielen 1 bis 38 und Vergleichsbeispielen 1 bis 11 wurden Teststücke hergestellt, auf denen eine 300 &mgr;m-dicke Beschichtung, die aus thermischem Spritzpulver gebildet ist, auf einem aus Edelstahl (SUS316) hergestellten Substrat aufgetragen. In Vergleichsbeispiel 12 wurde ein Teststück bestehend aus Martensit-Edelstahl (SUS403) hergestellt.

Jedes der in den Beispielen 1 bis 19 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 verwendeten thermischen Spritzpulver wurde aus Cermet-Teilchen enthaltend Wolframcarbid, Kobalt und Chrom gebildet. Jedes der in den Beispielen 20 bis 38 und Vergleichsbeispielen 5 und 6 verwendeten thermischen Spritzpulver wurde aus Cermet-Teilchen enthaltend Wolframcarbid, Chrom und Nickel gebildet. Das im Vergleichsbeispiel 3 verwendete thermische Spritzpulver wurde aus Cermet-Teilchen enthaltend Wolframcarbid und Kobalt gebildet. Das im Vergleichsbeispiel 4 verwendete thermische Spritzpulver wurde aus Cermet-Teilchen enthaltend Chromcarbid, Nickel und Chrom gebildet. Das im Vergleichsbeispiel 7 verwendete thermische Spritzpulver war ein Dialuminiumtrioxidpulver. Das im Vergleichsbeispiel 8 verwendete thermische Spritzpulver war ein Dichromiumtrioxidpulver. Jedes der in den Vergleichsbeispielen 9 bis 11 verwendeten thermischen Spritzpulver war ein Kobaltbasiertes (Co-28Cr-4,5W-3Ni-3Fe-1,2C-1,1Si-1,0Mn)-Legierungspulver.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Zusammensetzung der Cermet-Teilchen, die in den jeweiligen thermischen Spritzpulvern der Beispiele 1 bis 38 und Vergleichsbeispiele 1 bis 6 enthalten sind, die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen in diesen Cermet-Teilchen und die Druckfestigkeit dieser Cermet-Teilchen. Obwohl nicht in den Tabellen 1 und 2 dargestellt, betrugen die mittleren Teilchengrößen der in den jeweiligen thermischen Spritzpulvern enthaltenen Cermet-Teilchen alle annähernd 30 &mgr;m. Die Druckfestigkeit der Cermet-Teilchen wurde unter Verwendung der folgenden Formel 1 berechnet. Die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen wurde gemäß der Fisher-Methode (siehe Japanese Industry Standard (JIS) Nummer H2116) unter Verwendung eines Fisher-Feingut-Sizers (subsieve sizer) gemessen.

&dgr; = 2,8 × 9,8 × L/&pgr;/d2Formel 1

In Formel 1 bezeichnet das Referenzsymbol &dgr; die Druckfestigkeit (MPa) der Cermet-Teilchen, Referenzsymbol L bezeichnet die kritische Last (kgf, kilogram force) und Referenzsymbol d bezeichnet die mittlere Teilchengröße (mm) der Cermet-Teilchen. Kritische Last ist, wenn die Cermet-Teilchen durch einen Prüfstempel (indenter) einer Drucklast ausgesetzt werden, die bei einer bestimmten Rate zunimmt, die Größenordnung der Drucklast, die an den Cermet-Teilchen an dem Punkt angewandt wird, an dem die Verdrängungsgröße des Prüfstempels rasch ansteigt. Die kritische Last wurde unter Verwendung eines Micro Compression Tester, "MCTE-500", hergestellt von Shimadzu Corporation, gemessen.

In den Beispielen 1 bis 19 und Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurden die Beschichtungen durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen gebildet. Ein durch PRAXAIR/TAFA hergestellter "JP-5000" wurde als thermisches Spritzgerät eingesetzt, wobei die Sauerstoffzuführungsrate 870 l/min und die Kerosinzuführungsrate 0,38 l/min betrug. Die Zylinderlänge (Länge der Injektionsdüse) betrug 203 mm, der Sprühabstand betrug 380 mm, die Bewegungsrate der Pistole (die Bewegungsrate der Injektionsdüsenspitze während des thermischen Spritzens) betrug 750 mm/s, die Pitch-Breite (der Bewegungsabstand der Injektionsdüsenspitze während des thermischen Spritzens) betrug 6,0 mm, und die Zuführungsrate des thermischen Spritzpulvers betrug 70 g/min.

Die Beschichtungen für die Beispiele 20 bis 38 und Vergleichsbeispiele 5 und 6 wurden durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen unter den gleichen Bedingungen wie denen der Beispiele 1 bis 19 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3 gebildet, außer dass die Sauerstoffzuführungsrate auf 893 l/min und die Kerosinzuführungsrate auf 0,32 l/min abgeändert wurden.

Die Beschichtung von Vergleichsbeispiel 4 wurde durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen unter den gleichen Bedingungen wie denen der Beispiele 1 bis 19 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3 hergestellt, außer dass der Sprühabstand auf 355 mm abgeändert wurde.

Die Beschichtungen der Vergleichsbeispiele 7 und 8 wurden durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) gebildet. Als thermisches Spritzgerät wurde ein von PRAXAIR hergestellter "SG-100" verwendet, bei dem die Stromstärke 900 A betrug, die Spannung 36 V war, der Argongasdruck 45 MPa betrug, der Heliumgasdruck 69 MPa betrug, der Spritzabstand 100 mm betrug, die Bewegungsrate der Pistole 750 mm/s betrug, die Abstandsbreite 6,0 mm betrug und die Zuführungsrate des thermischen Spritzpulvers 30 g/min betrug.

Die Beschichtung aus Vergleichsbeispiel 9 wurde durch ein Plasmatransfer-Lichtbogen (PTA)-Verfahren gebildet. Als thermisches Spritzgerät wurde ein von THERMADYNE hergestellter "THERMAL ARC WC 100B" verwendet, bei dem die Stromstärke 160 A betrug, die Spannung 22 V betrug, die Argongas-Zuführungsrate 2 l/min betrug, und die Schweißrate 100 mm/min betrug.

Die Beschichtung von Vergleichsbeispiel 10 wurde durch atmosphärisches Plasmaspritzen gebildet. Als thermisches Spritzgerät wurde ein von PRAXAIR hergestellter "SG-100" verwendet, wobei die Stromstärke 850 A betrug, die Spannung 32 V betrug, der Argongasdruck 34 MPa betrug, der Spritzabstand 100 mm betrug, die Bewegungsrate der Pistole 750 mm/s betrug, die Abstandsbreite 6,0 mm betrug und die Zuführungsrate des thermischen Spritzpulvers 70 g/min betrug.

Die Beschichtung im Vergleichsbeispiel 11 wurde durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen unter den gleichen Bedingungen hergestellt wie unter denen von den Beispielen 1 bis 19 und Vergleichsbeispielen 1 bis 3, außer dass die Kerosinzuführungsrate auf 0,331/min und der Sprühabstand auf 355 mm abgeändert wurden.

Die auf die Schlammerosionsbeständigkeit von jedem der Teststücke, die in den Beispielen 1 bis 38 und Vergleichsbeispielen 1 bis 12 hergestellt wurden, bezogenen Ergebnisse sind in der Spalte mit dem Titel "Schlammerosionsbeständigkeit" der Tabellen 1 bis 3 gezeigt. Die Schlammerosionsbeständigkeit für jedes der Teststücke wurde über sieben Stufen, bezogen auf das Erosionsverhältnis, erhalten unter Verwendung der folgenden Formel 2, bewertet, wenn die Teststücke zusammen mit einer Standardprobe (STKMI2C) einem Schlammerosionstest unter Verwendung der Nassabrasionstestvorrichtung, wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-180331 offenbart, unterworfen wurden. Das heißt, die Fälle, in denen das Erosionsverhältnis weniger als 0,1 betrug, wurden mit der Stufe "1 ", 0,1 oder mehr bis weniger als 0,15 mit der Stufe " 2", 0,15 oder mehr bis weniger als 0,2 mit der Stufe " 3", 0,2 oder mehr bis weniger als 0,25 mit der Stufe "4", 0,25 oder mehr bis weniger als 0,3 mit der Stufe "5", 0,3 oder mehr bis weniger als 0,35 mit der Stufe "6", und 0,35 oder mehr mit der Stufe "7" bewertet.

E = (Ms/Ds)/(Mr/Dr)Formel 2

Referenzsymbol E in Formel 2 bezeichnet das Erosionsverhältnis, Referenzsymbol Ms bezeichnet das Gewicht (g) des Teststücks, das aufgrund des Erosionstests abnimmt, Referenzsymbol Ds bezeichnet die theoretische Dichte (g/cm3) des Teststücks, Referenzsymbol Mr bezeichnet das Gewicht (g) der Standardprobe, das aufgrund des Erosionstests abnimmt, und Referenzsymbol Dr bezeichnet die theoretische Dichte (g/cm3) der Standardprobe.

Die Ergebnisse betreffend die Kavitationserosionsbeständigkeit jedes der Teststücke, die in den Beispielen 1 bis 38 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 12 hergestellt wurden, sind in der Spalte mit dem Titel "Kavitationserosionsbeständigkeit " der Tabellen 1 bis 3 dargestellt. Die Kavitationserosionsbeständigkeit für jedes der Teststücke wurde über sieben Stufen, bezogen auf das Erosionsverhältnis erhalten unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Formel 2, wenn die Teststücke zusammen mit einer Standardprobe (SUS316) einem Kavitationserosionstest unterworfen wurden, bewertet. Das heißt, die Fälle, in denen das Erosionsverhältnis weniger als 0,1 betrug, wurden mit der Stufe "1 ", 0,1 oder mehr bis weniger als 0,3 mit der Stufe "2", 0,3 oder mehr bis weniger als 0,5 mit der Stufe "3", 0,5 oder mehr bis weniger als 0,7 mit der Stufe "4", 0,7 oder mehr bis weniger als 0,9 mit der Stufe "5", 0,9 oder mehr bis weniger als 1,1 mit der Stufe "6", und 1,1 oder mehr mit der Stufe "7" bewertet.

In dem Kavitationserosionstest wurde ein magnetostriktiver Schwinger verwendet. Der magnetostriktive Schwinger wurde mit einem Trichter bzw. Horn zur Verstärkung der Schwingungen, die durch den magnetostriktiven Schwinger erzeugt wurden, ausgestattet. Während des Testens wurden die Teststücke und die Standardprobe an der Spitze des Horns befestigt und in destilliertes Wasser mit einer Temperatur von ungefähr 20°C eingetaucht, in welchem die Teststücke und die Standardprobe für 4 Stunden den Schwingungen mit einer Frequenz von 18 kHz und einer Amplitude von 30 &mgr;m, die durch den magnetostriktiven Schwinger erzeugt wurden, ausgesetzt wurden. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass die Teststücke poliert wurden, bis sie eine Beschichtungsoberflächenrauheit Ra von 0,05 &mgr;m aufwiesen, bevor sie dem Kavitationserosionstest ausgesetzt wurden.

Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3

Die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen dienen nur der Veranschaulichung der Erfindung und sollen diese nicht einschränken, und die Erfindung soll nicht auf die hier angegebenen Details beschränkt werden, jedoch kann innerhalb des Umfangs und Äquivalenz der anhängigen Ansprüche modifiziert werden.


Anspruch[de]
  1. Ein thermisches Spritzpulver gekennzeichnet durch Cermet-Teilchen, wobei jedes Cermet-Teilchen Wolframcarbid-Teilchen mit einer mittleren Primärteilchengröße von 3 bis 9 &mgr;m und Chrom-haltige Metall-Teilchen oder Keramik-Teilchen enthält.
  2. Thermisches Spritzpulver gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Primärteilchengröße der Wolframcarbid-Teilchen von 5 bis 7 &mgr;m beträgt.
  3. Thermisches Spritzpulver gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Teilchengröße der Cermet-Teilchen von 2 bis 50 &mgr;m beträgt.
  4. Thermisches Spritzpulver gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfestigkeit jedes Cermet-Teilchens von 400 bis 900 MPa beträgt.
  5. Thermisches Spritzpulver gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfestigkeit jedes Cermet-Teilchens von 600 bis 700 MPa beträgt.
  6. Thermisches Spritzpulver gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Cermet-Teilchen außerdem Kobalt-haltige Metall-Teilchen oder Keramik-Teilchen enthält.
  7. Thermisches Spritzpulver gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kobaltgehalt in jedem Cermet-Teilchen von 5 bis 20 Gew.-% beträgt und der Chromgehalt in jedem Cermet-Teilchen von 1 bis 10 Gew.-% beträgt.
  8. Thermisches Spritzpulver gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kobaltgehalt in jedem Cermet-Teilchen von 7 bis 12 Gew.-% beträgt.
  9. Thermisches Spritzpulver gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromgehalt in jedem Cermet-Teilchen von 3 bis 5 Gew.-% beträgt.
  10. Thermisches Spritzpulver gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Cermet-Teilchen außerdem Nickel-haltige Metall-Teilchen oder Keramik-Teilchen enthält.
  11. Thermisches Spritzpulver gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Nickelgehalt in jedem Cermet-Teilchen von 5 bis 15 Gew.-% beträgt und der Chromgehalt in jedem Cermet-Teilchen von 12 bis 25 Gew.-% beträgt.
  12. Thermisches Spritzpulver gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromgehalt in jedem Cermet-Teilchen von 14 bis 20 Gew.-% beträgt.
  13. Thermisches Spritzpulver gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Cermet-Teilchen durch ein Granulations- und Sinterverfahren hergestellt werden.
  14. Thermisches Spritzpulver gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das thermische Spritzpulver in einer Anwendung zur Bildung einer thermisch gespritzten Beschichtung durch Hochgeschwindigkeitsmetallspritzen oder durch Detonationsspritzen verwendet wird.
Es folgt kein Blatt Zeichnungen






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