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Dokumentenidentifikation DE102005020611A1 16.11.2006
Titel Werkstoffsystem zum thermischen Beschichten zur Herstellung einer Schutzschicht auf metallischen Werkstücken
Anmelder Bouaifi, Belkacem, Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil., 37520 Osterode, DE
Erfinder Bouaifi, Belkacem, Dr.-Ing. habi., 37520 Osterode, DE;
Gebert, Andreas, Dipl.-Ing., 09126 Chemnitz, DE;
Aydin, Irfan, Dr.-Ing., 47877 Willich, DE
Vertreter Helge, R., Dipl.-Ing. Faching. f. Schutzrechtswesen, Pat.-Anw., 08223 Falkenstein
DE-Anmeldedatum 03.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005020611
Offenlegungstag 16.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.11.2006
IPC-Hauptklasse C23C 4/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Werkstoffsystem zum thermischen Beschichten, vorzugsweise durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, zur Herstellung einer Schutzschicht mit hohem Verschleiß- und/oder Korrosionswiderstand.
Die Aufgabe, ein verbessertes Werkstoffsystem zum thermischen Beschichten, vorzugsweise durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, zur Herstellung einer Schutzschicht mit hohem Verschleiß- bzw. Verschleiß- und Korrosionswiderstand zu schaffen, wird dadurch gelöst, daß das Werkstoffsystem aus 10 bis 80 Gewichtsprozent Mischkarbidpulver, bezogen auf die Gesamtmasse, auf der Basis von Titan-, Vanadium- und/oder Wolframschmelzkarbiden und aus 20 bis 90 Gewichtsprozent eines Metallmatrixpulvers, bezogen auf die Gesamtmasse, auf Eisen-, Nickel- und/oder Kobaltbasis besteht und dabei die Kornfraktion des Mischkarbidanteils bei Verwendung als Plasma-Spritz-Pulver eine Größe von 5-50 µm und bei Verwendung für das Auftragschweißen eine Größe von 45-250 µm aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Werkstoffsystem zum thermischen Beschichten, vorzugsweise durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, zur Herstellung einer Schutzschicht mit hohem Verschleiß- bzw. Verschleiß- und Korrosionswiderstand.

Aus der DE 103 24 713 A1 ist ein Spritzwerkstoff in Form von Fülldrähten oder Füllbändern zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von auf Verschleiß und Korrosion beanspruchten Funktionsoberflächen im Leichtbau, bestehend aus einem metallischen Mantel und einem darin befindlichen pulverförmigen Füllmaterial bekannt, bei dem der Mantelwerkstoff und/oder das Füllmaterial bis zu 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise 5 bis 35 Gewichtsprozent, Si-Verbindungen oder reines Silizium zugesetzt sind, wobei das Füllmaterial aus Siliziumkarbid, Borkarbid, Titankarbid, Niobkarbid, Vanadiumkarbid, Wolframschmelzkarbid oder Chromkarbid mit einem Kornbereich von 3,5 bis 400 &mgr;m einzeln oder als Gemisch besteht und bei dem als Si-Verbindung Ferrosilizium mit einem Si-Gehalt größer 60% Verwendung findet.

Die DE 102 49 125 A1 gibt ein Legierungssystem für das thermische Beschichten mit Pulver und Fülldrähten von auf Verschleiß und Korrosion beanspruchten Funktionsflächen im Strukturleichtbau durch thermisches Auftragen wider, bei dem das Legierungssystem aus einer Leichtmetallmatrix mit eingelagerten Karbiden der Elemente Bor, Silizium und/oder Titan besteht, wobei der Anteil der Karbide einzeln oder gemischt von 1 bis 30 Gewichtsprozent beträgt und bei dem der Leichtmetallmatrix-Werkstoff aus Reinaluminium, Aluminiumlegierungen oder Aluminium-Magnesium-Legierungen besteht.

Desweiteren wird in der DE 102 59 141 A1 ein Werkstoffsystem zum thermischen Beschichten von auf Verschleiß und Korrosion beanspruchten metallischen Bauteilen beschrieben, bei dem das Werkstoffsystem ein Fülldraht oder ein Füllband ist, bei welchem der metallische Mantel aus Nickel oder Nickellegierung besteht und die Füllung aus eingelagerten Vanadiumkarbiden (VC), die als grobe Sinterkarbide und/oder Feinstkornagglomerate mit 10 bis 35 Gewichtsprozent und mehreren anderen Komponenten, wie Kohlenstoff, Silizium Molybdän, Vanadium, Bor, Titan und Eisen besteht.

Die Verwendung reiner Karbide weisen eine Reihe Vorteile aber auch Nachteile auf, aus denen sich bestimmte Schicht- und Verarbeitungseigenschaften ableiten lassen.

Wolframschmelzkarbid (WSC) weist im Vergleich zu Titan- und Vanadiumkarbid eine geringe Raumtemperatur (RT)-Härte auf; besitzt jedoch eine hohe Warmhärte, eine gute Benetzbarkeit, eine gute Fähigkeit bei groben Karbiden und eine hohe Neigung zur Auflösung in Fe- und Ni-Matrix.

Titankarbid hat die höchste RT-Härte, aber eine schlechte Benetzbarkeit, geringe Zähigkeit und eine geringe Lösungsneigung.

Vanadiumkarbid weist eine gute RT- und Warmhärte auf, besitzt jedoch keine Lösungstendenz in Fe- und Ni-Matrix und neigt zu Sprödebruch bei groben Partikeln. Aufgeschmolzene Karbide bilden keine Mischkarbide. Die Primärkarbidauscheidung führt zu Kornfeinung der Beschichtung.

Die Einzelkarbide besitzen folgende Nachteile:

Wolframschmelzkarbid:

  • • Schwerkraft-Seigerungen bei < 50 % Karbidanteil;
  • • Starke Lösungs- und Entkohlungstendenz, deshalb nur in selbstfließenden Matrixwerkstoffen und mit groben Korn verarbeitbar.

Titankarbid:

  • • Aufschwimmen im Schmelzbad durch niedrigere Dichte;
  • • schlechtere Benetzbarkeit;
  • • spröde, da keine eutektische feinfiedrige Form existiert.

Vanadiumkarbid:

  • • Sprödigkeit bei groben Karbidkonfigurationen, wegen fehlender feinfiedriger eutektischer Anordnung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Werkstoffsystem zum thermischen Beschichten, vorzugsweise durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, zur Herstellung einer Schutzschicht mit hohem Verschleiß- und/oder Korrosionswiderstand zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Werkstoffsystem aus 10 bis 80 Gewichtsprozent Mischkarbidpulver, bezogen auf die Gesamtmasse, auf der Basis Titan-, Vanadium- und/oder Wolframschmelzkarbiden und aus 20 bis 90 Gewichtsprozent eines Metallmatrixpulvers, bezogen auf die Gesamtmasse, auf Eisen-, Nickel- und/oder Kobaltbasis besteht und dabei die Kornfraktion des Mischkarbidanteils bei Verwendung als Plasma-Spritz-Pulver eine Größe von 5–50 &mgr;m und bei Verwendung für das Auftragschweißen eine Größe von 45–250 &mgr;m aufweist.

Als einer der wesentlichen Vorteile dieser erfindungsgemäßen Lösung ist zu nennen, daß durch die Kombination der Karbidarten Wolframschmelzkarbid (Eutektikum zwischen W2C und WC), Vanadiumkarbid, und Titankarbid die unterschiedlichen Eigenschaften der Karbide kombiniert werden können, so daß Beschichtungen mit Karbidgehalten von 10 bis 80 % ohne Karbid-Seigerungen, wie sie bei der Verwendung der Einzelkarbide auftreten, auf der zu beschichtenden Fläche erzeugt werden können. Die Bildung von Mischkarbiden zwischen den Metallen der Einzelkarbide führt zur Verbesserung der Benetzbarkeit und der Festigkeitseigenschaften der Beschichtung. Die Bildung feinkörniger Zwischenkarbidausscheidungen verhindert das Auswaschen des Matrixwerkstoffes und erhöht die Verschleißbeständigkeit der Beschichtung.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den übrigen Unteransprüchen und aus den nachfolgenden, prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen ersichtlich.

Die nachfolgend aufgeführten Werkstoffsysteme sind so ausgelegt, daß sie zum Plasma-Pulver-Auftragsschweißen geeignet sind.

Beispiel 1:

Das Metallmatrixpulver besteht aus einer Legierung auf Nickel-Basis, der als Hauptbestandteile Bor und Silizium zugesetzt sind. Diese Legierung weist die weiteren Bestandteile Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Eisen, Stickstoff und Sauerstoff auf.

Die Herstellung des Metallmatrixpulvers erfolgt durch Gas- oder Wasserverdüsung der flüssigen Schmelze. Dem Metallmatrixpulver werden agglomerierte oder gesinterte Titankarbide in Pulverform mit einer Kornfraktion von 100 &mgr;m zugesetzt.

Das Mischungsverhältnis von Metallmatrixpulver und Titankarbidpulver beträgt in diesem Beispielsfall 50:50.

Beispiel 2:

Das Metallmatrixpulver besteht hier ebenfalls aus einer Legierung auf Nickel-Basis, der als Hauptbestandteile Bor und Silizium zugesetzt sind. Als weitere Bestandteile weist diese Legierung Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Eisen, Stickstoff und Sauerstoff auf.

Die Herstellung des Metallmatrixpulvers erfolgt ebenfalls durch Gas- oder Wasserverdüsung der flüssigen Schmelze. Dem Metallmatrixpulver werden agglomerierte oder gesinterte Titan- und Vanadiumkarbide in Pulverform mit einer Kornfraktion von 100 &mgr;m zugesetzt.

Das Mischungsverhältnis von Metallmatrixpulver zu Titankarbidpulver zu Vanadiumkarbidpulver beträgt 50:25:25.

Beispiel 3:

Das Metallmatrixpulver besteht hier wiederum aus einer Legierung auf Nickel-Basis, der als Hauptbestandteile Bor und Silizium und als weitere Bestandteile Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Eisen, Kobalt, Stickstoff und Sauerstoff zugesetzt sind.

Die Herstellung des Metallmatrixpulvers erfolgt auch hier durch Gas- oder Wasserverdüsung der flüssigen Schmelze. Dem Metallmatrixpulver werden ebenfalls agglomerierte oder gesinterte Titan- und Wolframschmelzkarbide in Pulverform mit einer Kornfraktion von 100 &mgr;m zugesetzt.

Das Mischungsverhältnis von Metallmatrixpulver zu Titankarbidpulver zu Wolframschmelzkarbidpulver beträgt 50:20:30.

Beispiel 4:

Das Metallmatrixpulver besteht hier wiederum aus einer Legierung auf Nickel-Basis, der als Hauptbestandteile Bor und Silizium zugesetzt sind. Als weitere Bestandteile weist diese Legierung die Bestandteile Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Eisen, Kobalt, Stickstoff und Sauerstoff auf.

Die Herstellung des Metallmatrixpulvers erfolgt durch Gas- oder Wasserverdüsung der flüssigen Schmelze. Dem Metallmatrixpulver werden ebenfalls agglomerierte oder gesinterte Titan- und Vanadium- und Wolframschmelzkarbide in Pulverform mit einer Kornfraktion von 100 &mgr;m zugesetzt.

Das Mischungsverhältnis von Metallmatrixpulver zu Titankarbidpulver zu Vanadiumkarbidpulver zu Wolframschmelzkarbidpulver beträgt 40:10:20:30.

Durch den Einsatz der Mischkarbide und durch Verwendung von Matrixwerkstoffen unterschiedlicher Zusammensetzung und Härte lassen sich Schutzschichten gegen komplexe Angriffe aus Verschleiß, Korrosion und Temperatur herstellen, z.B. in der Ofshore-Technik, im Tage-, Berg- und Tiefbau sowie in der chemischen Industrie.

Insbesondere die Anwendung von Fülldrähten schafft neue Möglichkeiten, karbidhaltige Zusatzwerkstoffe auch auf dem Reparatursektor einzusetzen.

Vor allem für einen Einsatz „vor Ort" sind das Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG) und das Lichtbogenspritzen günstig geeignet.

Die Verarbeitung der Metallpulverlegierungen erfolgt mittels des Plasma-Pulver-Auftragschweißens und des thermischen Lichtbogen- und Flammspritzens, während für die Fülldrahte das Metall-Schutzgasschweißen (MSG) und Lichtbogenspritzen Einsatz finden.

Die Schicht wird so aufgebaut, daß auf dem Substrat eine durch den Matrixwerkstoff gut haftende Schicht entsteht, in der Titankarbid (TiC), Vanadiumkarbid (VC) und Wolframschmelzkarbid (WSC) sowie in-situ gebildete Mischkarbide eingelagert sind.

Aufgrund der unterschiedlichen Dichte der Karbide ändert sich in der Schicht die Konzentration kontinuierlich. Dabei handelt es sich um Gradienten-Schichten mit Dreifach-Kombination von WSC, TiC und VC und vergleichbaren Korngrößen. TiC als Deckkarbid, WSC als Unterlage und VC bzw. (Ti,V)C als Zwischenkarbid. Durch unterschiedliche Kornspektren bzw. durch feinkörnige Mischkarbidbildungen können die Verschleißschutzschichten bei grob- und feinabrasiv eingesetzt werden. WSC kann als grobes Korn, TiC und VC als Feinkorn dazwischen eingelagert sein. Das Herauslösen von Matrixwerkstoff wird durch feine Zwischenraumkarbide verhindert.

Hohe Verschleißbeständigkeit bei geringen Gesamtkarbid-Gehalten ermöglicht eine bessere mechanische Nachbearbeitung durch Schleifen bei notwendiger definierter Geometrie. Eine hohe Verarbeitungssicherheit ist gegeben, da TiC und VC nicht zur Entkohlung/Zersetzung neigen.

Die Schicht wird so aufgebaut, daß auf dem Substrat eine durch den Matrixwerkstoff gut haftende Schicht erfolgt, in der TiC und VC eingelagert sind. Während die TiC im oberflächennahen Bereich eingelagert sind, wird die Matrix, insbesondere im Übergangsbereich, durch feinstverteilte VC gestützt. Grundlage hierfür ist die genau abgestimmte Kornfraktion der Vanadinkarbide sowie auch der Einsatz von agglomerierten Karbiden.

Die Schicht wird so aufgebaut, daß auf dem Substrat eine durch den Matrixwerkstoff gut haftende Schicht erfolgt, in der TiC und WSC eingelagert sind.

Während die TiC im oberflächennahen Bereich eingelagert sind, wird die Matrix, insbesondere im Übergangsbereich, durch WSC verstärkt. Grundlage hierfür ist die genau abgestimmte Kornfraktion der Wolframschmelzkarbide.


Anspruch[de]
Werkstoffsystem zum thermischen Beschichten,

vorzugsweise durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, zur Herstellung einer Schutzschicht mit hohem Verschleiß- bzw. Verschleiß- und Korrosionswiderstand auf metallischen Bauteilen,

wobei das Werkstoffsystem aus 10 bis 80 Gewichtsprozent Mischkarbidpulver, bezogen auf die Gesamtmasse Mischkarbidpulver von 2 oder 3 Karbidarten der Einzelkarbide Titan-, Vanadium- und/oder Wolframschmelzkarbiden und aus 20 bis 90 Gewichtsprozent eines Metallmatrixpulvers,

bezogen auf die Gesamtmasse, auf Eisen-, Nickel- und/oder Kobaltbasis besteht.
Werkstoffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kornfraktion des Mischkarbidanteils an Titankarbid bei Verwendung als Plasma-Spritz-Pulver eine Größe von 5–50 &mgr;m und bei Verwendung für das Auftragschweißen eine Größe von 45–250 &mgr;m aufweist. Werkstoffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kornfraktion des Mischkarbidanteils an Vanadiumkarbid bei Verwendung als Plasma-Spritz-Pulver eine Größe von 5–50 &mgr;m und bei Verwendung für das Auftragschweißen eine Größe von 45–250 &mgr;m aufweist. Werkstoffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kornfraktion des Mischkarbidanteils an Wolframschmelz-karbid bei Verwendung als Plasma-Spritz-Pulver eine Größe von 5–50 &mgr;m und bei Verwendung für das Auftragschweißen eine Größe von 45–250 &mgr;m aufweist. Werkstoffsystem nach Anspruch 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Gemisch aus Metallmatrixpulver und Mischkarbidpulver

in einen Fülldraht oder in ein Füllband eingebracht ist bzw. sich der Metallmatrixanteil aus dem Metallmantel des Fülldrahtes oder Füllbandes und synergistischen Elementen der Füllung bildet.






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