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Dokumentenidentifikation DE102005020999A1 09.11.2006
Titel Verfahren zur Beschichtung von verschleißbeaufschlagten Bauteilen und beschichtetes Bauteil
Anmelder Flamang, Alfred, 47906 Kempen, DE
Erfinder Flamang, Alfred, 47906 Kempen, DE
Vertreter Andrejewski, Honke & Sozien, 45127 Essen
DE-Anmeldedatum 03.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005020999
Offenlegungstag 09.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.11.2006
IPC-Hauptklasse C23C 4/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02F 3/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Verfahren zur Beschichtung von verschleißbeaufschlagten Bauteilen, wobei die Bauteile mit einer Hartmetallschicht beschichtet werden, indem ein pulverförmiges Hartmetall, das aus zumindest einem Hartstoff und einem Bindemittel besteht, mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf die Bauteile aufgebracht wird. Als Hartstoff wird Chromkarbid eingesetzt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von verschleißbeaufschlagten Bauteilen, insbesondere von Bauteilen in Großdieselmotoren, wobei die Bauteile mit einer Hartmetallschicht beschichtet werden, indem ein pulverförmiges Hartmetall, das aus zumindest einem Hartstoff und einem Bindemittel besteht mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf die Bauteile aufgebracht wird. Die Erfindung betrifft fernerhin ein beschichtetes Bauteil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. – Die Erfindung eignet sich vor allem zur Beschichtung von Bauteilen in Großdieselmotoren von Seeschiffen, insbesondere zur Beschichtung von Kolbenböden in diesen Motoren, aber auch zur Beschichtung der Ventilteller der Auslassventile.

Große Seeschiffe werden von Großdieselmotoren mit bis zu 14 Zylindern und Leistungen bis fast 80000 kW angetrieben. Diese Motoren haben hohe Wirkungsgrade bis fast 50%. Die für die Motoren verwendeten Brennstoffe sind Schweröle mit Schwefelgehalten von bis zu 4 % und Gehalten an Natrium und Vanadium von bis zu 70 mg/kg bzw. 350 mg/kg. – Aufgrund neuer internationaler Konventionen sollen die Stickoxid-Emissionen von Schiffsmotoren gesenkt werden. Eine Senkung dieser Emissionen kann durch Erhöhung der Verbrennungstemperaturen in den Motoren erreicht werden. Die bislang bekannten Komponenten bzw. Bauteile der Großdieselmotoren sind aber nur bis zu bestimmten Höchsttemperaturen problemlos einsetzbar.

Demgegenüber liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Bauteile geschaffen werden können, die problemlos bei sehr hohen Temperaturen bzw. Verbrennungstemperaturen einsetzbar sind. Der Erfindung liegt fernerhin das technische Problem zugrunde entsprechende Bauteile anzugeben.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung von verschleißbeaufschlagten Bauteilen, insbesondere von Bauteilen in Motoren bzw. Großdieselmotoren der eingangs genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass als Hartstoff Chromkarbid (Cr3C2) eingesetzt wird. Es liegt dabei im Rahmen der Erfindung, dass das pulverförmige Hartmetall aus zumindest einem Hartstoff und aus zumindest einem Bindemittel gesintert ist. Die Bauteile, insbesondere die Bauteile in Motoren bzw. Großdieselmotoren werden also mit einer Hartmetallschicht beschichtet, indem ein pulverförmiges Hartmetall mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf die Bauteile aufgebracht wird. Das Hartmetall besteht aus einem Hartstoff in Form von Chromkarbid und einem Bindemittel bzw. ist aus einem Hartstoff in Form von Chromcarbid und einem Bindemittel gesintert.

Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird im internationalen Sprachgebrauch mit der Kurzbenennung HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) bezeichnet. Es handelt sich um ein Verfahren, bei dem der Spritzwerkstoff wie beim Flammspritzen in einer Brenngas/Sauerstoffflamme oder in einer Brennflüssigkeit/Sauerstoffflamme erwärmt wird, wobei die Geschwindigkeit der Partikel um ein Mehrfaches höher ist als beim üblichen Flammspritzen. Das wird dadurch erreicht, dass die Verbrennung unter hohem Druck erfolgt, so dass der heiße Gasstrahl mit etwa 2000 m/sek ausströmt. Dabei wird das pulverförmige Spritzmaterial in den heißen Gasstrahl injiziert. Ein Kennzeichen der hohen Strömungsgeschwindigkeit sind die deutlich sichtbaren Überschallknoten im Gasstrahl.

Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung besteht das Hartmetall zu 40 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise zu 50 bis 94 Gew.-% aus Hartstoffen in Form von Chromkarbid und im Rest jeweils aus Bindemittel. Zweckmäßigerweise besteht das Hartmetall zu 60 bis 94 Gew.-%, vorzugsweise zu 70 bis 94 Gew.-%, bevorzugt zu 80 bis 94 Gew.-% und besonders bevorzugt zu 85 bis 94 Gew.-% aus Hartstoffen in Form von Chromkarbid und im Rest jeweils aus Bindemittel.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass ein Bindemittel auf Basis von Nickel eingesetzt wird. Mit anderen Worten enthält das Bindemittel nach dieser Ausführungsform Nickel, und zwar besteht ein wesentlicher Bestandteil des Bindemittels aus Nickel, nämlich vorzugsweise zumindest 40 Gew.-%, bevorzugt zumindest 50 Gew.-% des Bindemittels. Es hat sich bewährt, dass das Hartmetall ein Bindemittel in Form von Nickel bzw. reinem Nickel und/oder Nickel-Chrom und/oder Nickel-Kupfer ist. Zweckmäßigerweise besteht das Hartmetall zu 40 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise zu 50 bis 94 Gew.-%, bevorzugt zu 60 bis 94 Gew.-%, sehr bevorzugt zu 70 bis 94 Gew.-%, besonders bevorzugt zu 80 bis 94 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt zu 85 bis 94 Gew.-% aus Hartstoff in Form von Chromkarbid und im Rest jeweils aus Bindemittel in Form von Nickel bzw. reinem Nickel und/oder Nickel-Chrom und/oder Nickel-Kupfer. Besonders bevorzugt ist dabei der Einsatz von Nickel bzw. reinem Nickel als Bindemittel. Eine Ausführungsform, die sich bewährt hat, ist dadurch kennzeichnet, dass sie zu 90 Gew.-% aus Chromkarbid als Hartstoff und zu 10 Gew.-% aus Nickel als Bindemittel besteht.

Nach besonders bevorzugter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen zur Beschichtung der Bauteile als Flüssigbrennstoff-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen durchgeführt. Der Spritzwerkstoff wird hier also in einer Flüssigbrennstoff/Sauerstoffflamme erwärmt. Nach sehr bevorzugter Ausführungsform wird das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen als Kerosin-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen durchgeführt. Der Spritzwerkstoff wird dabei also in einer Kerosin/Sauerstoffflamme erwärmt. Diese letztgenannte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich besonders bewährt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass eine erfindungsgemäße Beschichtung von 0,2 bis 3 mm Schichtdicke auf einem Bauteil aufgebracht wird. Im Rahmen der Erfindung werden in vorteilhafter Weise nahezu spannungsfreie Chromkarbidschichtensysteme mit mehreren Millimetern Dicke ermöglicht. Im Übrigen wird die Beschichtung zweckmäßigerweise mit der Maßgabe aufgebracht, dass sie eine Porosität von 0,4 bis 0,8 % aufweist.

Die Erfindung betrifft im Übrigen auch ein beschichtetes Bauteil, das mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. Bei diesen Bauteilen handelt es sich vorzugsweise aber nicht beschränkend um Kolben von Motoren bzw. Großdieselmotoren, insbesondere deren Kolbenböden oder aber auch um Ventilteller von Auslassventilen. Grundsätzlich sind aber eine Vielzahl von Bauteilen, vorzugsweise Motorbauteilen mit der erfindungsgemäßen Beschichtung beschichtbar.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren spannungsfreie Chromkarbidschichtensysteme hoher Qualität hergestellt werden können, die zum Einsatz bei sehr hohen Temperaturen bis zu 1000°C geeignet sind. Mit der erfindungsgemäßen Beschichtung von Motorkomponenten ist deshalb eine beachtliche Anhebung der Arbeitstemperatur von Motoren bzw. Großdieselmotoren möglich, sowie eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades dieser Motoren. Mit den aufgrund der erfindungsgemäßen Beschichtung möglichen Arbeitsbedingungen wird eine beachtliche Verringerung des Schadstoffausstoßes, insbesondere eine erhebliche Reduzierung der Stickoxid-Emissionen erzielt. Fernerhin ist zu betonen, dass sich die erfindungsgemäße Beschichtung durch eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auch bei sehr hohen Temperaturen auszeichnet. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass bezüglich des Kerosin-Hochgeschwindigkeitsflammspritzens in vorteilhafter Weise Spritzparameter erarbeitet werden können, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen thermischer und kinetischer Energie aufweisen. Es werden Chromkarbidschichtensysteme ermöglicht, die eine Haftzugfestigkeit von 60 bis 70 MPa (gemessen nach DIN EN 582) aufweisen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

1 einen Kolben aus einem Motor in Seitenansicht und

2 eine Seitenansicht eines Motorteils teilweise im Schnitt.

Vorzugsweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kolbenboden 1 eines Kolbens 2 für Motoren bzw. Großdieselmotoren mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung 3 versehen. Es ist weiterhin vorteilhaft auch den Ventilteller 4 eines dem Kolben 2 zugeordneten Auslassventils 5 mit der erfindungsgemäßen Beschichtung 3 zu versehen (2). Zwischen Kolbenboden 1 und Auslassventil 5 ist der Brennraum 6 angeordnet. Aufgrund der erfindungsgemäßen Beschichtung 3 ist es im Ausführungsbeispiel möglich die zulässige Arbeitstemperatur im Brennraum 6 auf 500 bis 550°C anzuheben. Ohne erfindungsgemäße Beschichtung 3 wäre nur eine Arbeitstemperatur zwischen 350 und 400°C möglich.


Anspruch[de]
Verfahren zur Beschichtung von verschleißbeaufschlagten Bauteilen, insbesondere von Bauteilen für Großdieselmotoren, wobei die Bauteile mit einer Hartmetallschicht beschichtet werden, indem ein pulverförmiges Hartmetall, das aus zumindest einem Hartstoff und aus zumindest einem Bindemittel besteht, mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf die Bauteile aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoff Chromkarbid eingesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Hartmetall aus zumindest einem Hartstoff und aus zumindest einem Bindemittel gesintert ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmetall zu 40 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise zu 50 bis 94 Gew.-% aus Hartstoff in Form von Chromkarbid besteht. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmetall ein Bindemittel in Form von Nickel und/oder Nickel-Chrom und/oder Nickel-Kupfer aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen als Flüssigbrennstoff-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen als Kerosin-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung von 0,2 bis 3 mm Schichtdicke auf die Bauteile aufgebracht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit der Maßgabe aufgebracht wird, dass sie eine Porosität von 0,4 bis 0,8% aufweist. Beschichtetes Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 hergestellt ist.






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