AT14988U1 - Component of a plastic processing machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt eine Komponente einer Kunststoffverarbeitungsmaschine, gefertigt aus einem Refraktärmetall (RM), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolfram (W), W-Legierung, Molybdän (Mo) und Mo-Legierung, wobei zumindest eine Oberfläche der Komponente zumindest bereichsweise eine Schicht aufweist, die zumindest bereichsweise aus zumindest einer Verbindung zumindest eines Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff (C), Bor (8) und Stickstoff (N) mit zumindest einem Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus W und Mo, gebildet ist.The invention describes a component of a plastic processing machine made of a refractory metal (RM) selected from the group consisting of tungsten (W), W alloy, molybdenum (Mo) and Mo alloy, wherein at least one surface of the component at least partially a layer which is formed, at least in regions, from at least one compound of at least one element selected from the group consisting of carbon (C), boron (8) and nitrogen (N) with at least one element selected from the group consisting of W and Mo.
Description
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KOMPONENTE EINER KUNSTSTOFFVERARBEITUNGSMASCHINECOMPONENT OF A PLASTIC PROCESSING MACHINE
[0001] Die Erfindung betrifft eine Komponente einer Kunststoffverarbeitungsmaschine, gefertigt aus einem Refraktärmetall (RM), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolfram (W), W-Legierung, Molybdän (Mo) und Mo-Legierung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Komponente.The invention relates to a component of a plastic processing machine made of a refractory metal (RM) selected from the group consisting of tungsten (W), W alloy, molybdenum (Mo) and Mo alloy. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a component.
[0002] Kunststoffverarbeitungsmaschinen, wie beispielsweise Extrudiermaschinen und Spritzgussmaschinen, enthalten Komponenten wie beispielsweise Extruderschnecken, Heißkanaldüsen, Spritzgussformen, Dorne, Kerneinsätze etc.Plastic processing machines, such as extruding machines and injection molding machines, contain components such as extruder screws, hot runner nozzles, injection molds, mandrels, core inserts, etc.
[0003] Diese Komponenten sind während des Betriebs der Kunststoffverarbeitungsmaschine hohen thermischen und abrasiven Belastungen ausgesetzt. Eine Beschädigung der Komponenten findet durch thermische Belastung, sowie chemische und mechanische Erosion statt. Dies führt zu Materialabtrag an der Oberfläche der Teile und es kann zur Verunreinigung der plastifi-zierten Kunststoffmasse kommen.These components are exposed during operation of the plastic processing machine high thermal and abrasive loads. Component damage occurs as a result of thermal stress as well as chemical and mechanical erosion. This leads to removal of material on the surface of the parts and it can lead to contamination of the plasticized plastic compound.
[0004] Das Versagen einer der Komponenten einer solchen Kunststoffverarbeitungsmaschine kann zum Stillstand der gesamten Maschine führen und hat damit große Auswirkung auf den wirtschaftlichen Betrieb der Anlage.The failure of one of the components of such a plastic processing machine can lead to a standstill of the entire machine and thus has great impact on the economic operation of the plant.
[0005] Die Herausforderungen im Betrieb von Kunststoffverarbeitungsmaschinen bestehen in der Reduktion des Verschleißes der Komponenten. Entwicklungen haben daher zum Ziel, die die Resistenz der Komponenten gegenüber den vorherrschenden Bedingungen zu erhöhen, um längere Betriebszeiten zu erreichen. Eine Erhöhung der Betriebszeiten senkt unter anderem auch die Betriebskosten einer Kunststoffverarbeitungsmaschine.The challenges in the operation of plastic processing machines consist in the reduction of the wear of the components. Developments are therefore aimed at increasing the resistance of the components to the prevailing conditions in order to achieve longer operating times. An increase in operating times also reduces, among other things, the operating costs of a plastics processing machine.
[0006] Einige Möglichkeiten, um die Lebensdauer derartiger Komponenten zu erhöhen, wurden schon in der einschlägigen Literatur beschrieben.Some ways to increase the life of such components have already been described in the relevant literature.
[0007] So offenbart die W02007144303A1 eine Extruderschnecke aus Stahl, die mit einer Verschleißschutzschicht, zB aus Wolframcarbid, sowie einer Gleitschicht, zB aus Mo, versehen ist.Thus, WO 02007144303A1 discloses an extruder screw made of steel, which is provided with a wear protection layer, for example of tungsten carbide, as well as a sliding layer, for example of Mo.
[0008] Für die Verarbeitung von glasfaser- oder partikelverstärkten Kunststoffen werden als Grundmaterial für entsprechende Komponenten Refraktärmetalle oder deren Legierungen verwendet. Solche Kunststoffe wirken auch in plastifizierter Form hoch verschleißend auf die Komponenten, die für ihre Verarbeitung verwendet werden. Die Lebensdauer von Komponenten für die Kunststoffverarbeitung, im Speziellen für die Verarbeitung von glasfaser- oder partikelverstärkten Kunststoffen ist daher oft stark reduziert.For the processing of glass-fiber or particle-reinforced plastics refractory metals or their alloys are used as the base material for corresponding components. Such plastics, even in plasticized form, have a highly abrasive effect on the components used for their processing. The lifetime of components for plastics processing, in particular for the processing of glass fiber or particle-reinforced plastics is therefore often greatly reduced.
[0009] Die US20020092585 offenbart ein Verfahren zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit eines Grundmaterials durch Aufbringen einer Refraktärmetallschicht über elektrochemische Methoden und anschließender thermischer Behandlung mit einer borhaltigen Salzschmelze.US20020092585 discloses a method for increasing the wear resistance of a base material by applying a refractory metal layer via electrochemical methods and subsequent thermal treatment with a boron-containing molten salt.
[0010] Weiter aus dem Stand der Technik bekannt sind mittels Gasphasenreaktionen, wie Chemical Vapour Deposition (CVD) oder Gasphasennitrieren, auf entsprechenden Grundmaterialien entsprechender Komponenten abgeschiedene Hartstoffschichten, um die Verschleißbeständigkeit der jeweiligen Komponenten zu erhöhen.Further known from the prior art by means of gas phase reactions, such as chemical vapor deposition (CVD) or gas phase nitriding, on corresponding base materials of corresponding components deposited hard material layers to increase the wear resistance of the respective components.
[0011] Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weisen aber oft eine schlechte Haftung auf dem Grundmaterial auf, was zu Materialabtrag und Verunreinigung der plastifizier-ten Kunststoff masse führen kann.However, the solutions known from the prior art often have poor adhesion to the base material, which can lead to material removal and contamination of the plasticized plastic mass.
[0012] Weiters ist es oft erwünscht nicht die gesamte Oberfläche des Grundmaterials mit einer Verschleißschutzschicht zu versehen, was beispielsweise bei mittels eines CVD Verfahrens abgeschiedenen Schichten nur sehr schlecht oder gar nicht möglich ist.Furthermore, it is often desirable not to provide the entire surface of the base material with a wear protection layer, which is very poor or impossible, for example, in deposited by a CVD method layers.
[0013] Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Lösung bereitzustellen, wodurch die zuvor ge- schilderten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung eine Lösung bereitzustellen, bei der die Komponenten einer Kunststoffverarbeitungsmaschine eine höhere Resistenz gegenüber den erwähnten Belastungen aufweisen und dadurch die Einsatzdauer der Komponenten und damit der Kunststoffverarbeitungsmaschine erhöht wird. Insbesondere soll die vorliegende Erfindung den Materialabtrag von Komponenten reduzieren, wodurch eine Verunreinigung der plastifizierten Kunststoffmasse vermindert wird.The object of the invention is therefore to provide a solution whereby the disadvantages described above can be avoided. In particular, it is an object of the invention to provide a solution in which the components of a plastics processing machine have a higher resistance to the mentioned loads and thereby the service life of the components and thus the plastic processing machine is increased. In particular, the present invention is intended to reduce the material removal of components, whereby contamination of the plasticized plastic material is reduced.
[0014] Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.This object is solved by the independent claims. Preferred embodiments are given in the subclaims.
[0015] Eine erfindungsgemäße Komponente einer Kunststoffverarbeitungsmaschine ist aus einem Refraktärmetall (RM), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolfram (W), W-Legierung, Molybdän (Mo) und Mo-Legierung gefertigt und ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Oberfläche der Komponente zumindest bereichsweise eine Schicht aufweist, die zumindest bereichsweise aus zumindest einer Verbindung zumindest eines Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff (C), Bor (B) und Stickstoff (N) mit zumindest einem Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus W und Mo, gebildet ist.A component according to the invention of a plastics processing machine is made of a refractory metal (RM) selected from the group consisting of tungsten (W), W alloy, molybdenum (Mo) and Mo alloy and is characterized in that at least one surface of Component at least partially comprises a layer which at least partially from at least one compound at least one element selected from the group consisting of carbon (C), boron (B) and nitrogen (N) with at least one element selected from the group consisting of W and Mo, is formed.
[0016] Die erfindungsgemäße Komponente ist dabei bevorzugt eine Heißkanaldüse, eine Extruderschnecke, ein Dorn ein Kerneinsatz oder eine Spritzgussform.The component according to the invention is preferably a hot runner nozzle, an extruder screw, a mandrel, a core insert or an injection mold.
[0017] Die Komponente ist aus einem Refraktärmetall gefertigt, wobei das Refraktärmetall ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Wolfram (W), W-Legierung, Molybdän (Mo) und Mo-Legierung. W, W-Legierungen, Mo und Mo-Legierungen werden im nachfolgenden Text auch mit RM abgekürzt. Eine RM-Komponente ist daher eine Komponente, die aus W, einer W-Legierung, Mo oder einer Mo-Legierung gefertigt ist.The component is made of a refractory metal, wherein the refractory metal is selected from the group consisting of tungsten (W), W alloy, molybdenum (Mo) and Mo alloy. W, W alloys, Mo and Mo alloys are also abbreviated to RM in the following text. Therefore, an RM component is a component made of W, a W alloy, Mo, or a Mo alloy.
[0018] Eine Oberfläche der RM-Komponente weist zumindest bereichsweise eine Schicht auf, die zumindest bereichsweise aus zumindest einer Verbindung zumindest eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstoff (C), Bor (B) und Stickstoff (N), mit zumindest einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus W und Mo, gebildet ist.A surface of the RM component has at least partially on a layer which at least partially from at least one compound of at least one element selected from the group consisting of carbon (C), boron (B) and nitrogen (N), with at least one element selected from the group consisting of W and Mo is formed.
[0019] Bei der erfindungsgemäßen Lösung weist sowohl der Grundkörper/das Grundmaterial, als auch die Schicht ein RM auf. Als Grundkörper werden im Zusammenhang mit der Erfindung die Bereiche der Komponente, die keine / oder noch keine Schicht aufweisen, bezeichnet.In the solution according to the invention, both the base body / the base material, as well as the layer on a RM. In the context of the invention, the basic bodies are the areas of the component which have no layer or no layer yet.
[0020] Es hat sich nun gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Ausführung Schichthaftungsprobleme, wie diese beim Stand der Technik zu beobachten sind, nicht auftreten. Die erfindungsgemäßen Komponenten sind weiters auch deutlich resistenter gegenüber einem breiten Feld von Einsatzbedingungen, verglichen mit unbeschichteten Komponenten aus W, W-Legierungen, Mo oder Mo-Legierungen.It has now been shown that layer adhesion problems, as can be observed in the prior art, do not occur due to the embodiment according to the invention. Furthermore, the components according to the invention are also significantly more resistant to a broad field of use conditions compared to uncoated components of W, W alloys, Mo or Mo alloys.
[0021] Als besonders vorteilhafte Verbindungen sind die Karbide, Boride und Nitride zu erwähnen. Es eignen sich jedoch auch ausgezeichnet Verbindungen, die neben W und/oder Mo zumindest zwei Elemente der Gruppe, bestehend aus C, B und N enthalten. So konnten beispielsweise mit Verbindungen, die sowohl C als auch B enthalten, ausgezeichnete Standzeitergebnisse erzielt werden.Particularly advantageous compounds are the carbides, borides and nitrides to mention. However, it is also excellent compounds that contain at least two elements of the group consisting of C, B and N in addition to W and / or Mo. For example, with compounds containing both C and B, excellent lifetime results could be achieved.
[0022] In bevorzugter Weise weist die Schicht als RM jenes Element auf, das auch mehrheitlich den Grundkörper bildet. So ist es vorteilhaft, wenn beispielsweise der Grundkörper aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung gefertigt ist, dass auch die Schicht durch eine Verbindung des Molybdäns gebildet ist. So konnten beispielsweise ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden, wenn der Grundkörper der Komponente aus Mo gefertigt ist und die Schicht M02B, MoB, MoC, M02C, M02N oder MoN umfasst.Preferably, the layer as RM that element which also forms the majority of the main body. So it is advantageous if, for example, the base body is made of molybdenum or a molybdenum alloy, that the layer is formed by a compound of molybdenum. For example, excellent results could be obtained if the main body of the component is made of Mo and the layer comprises M02B, MoB, MoC, M02C, M02N or MoN.
[0023] Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der Herstellung der Schicht die Verbindungsbil-dung durch Reaktion von C, B und/oder N mit dem W und/oder Mo des Grundkörpers erfolgt, da dadurch eine ausgezeichnete Schichthaftung erzielt werden kann.It is particularly advantageous if, in the production of the layer, the compound formation takes place by reaction of C, B and / or N with the W and / or Mo of the base body, since an excellent layer adhesion can thereby be achieved.
[0024] Die Schicht kann den Grundkörper vollständig bedecken oder kann auch nur an Stellen höchster Beanspruchung aufgebracht sein. Zudem kann die Schicht ein- oder mehrlagig und/oder aus gemischten Phasen mit variierender Zusammensetzung ausgeführt sein. Wird als Grundkörper für die Komponente eine Mo-W-Legierung verwendet, was eine vorteilhafte Ausführungsform darstellt, so kann die Verbindung ais metallische Bestandteile Mo und W aufweisen. In der Liste der naohfolgend angeführten vorteilhaften Boriden, Karbiden und Nitriden kann daher, ohne dass die Eigensohaften nachteilig beeinflusst werden, W teilweise durch Mo bzw. Mo teilweise duroh W ersetzt sein.The layer may completely cover the base body or may also be applied only in places of highest stress. In addition, the layer may be single-layered or multi-layered and / or made up of mixed phases of varying composition. If a Mo-W alloy is used as the base body for the component, which represents an advantageous embodiment, then the compound may have metallic constituents Mo and W. Therefore, in the list of advantageous borides, carbides and nitrides given below, without adversely affecting the properties, W may be partially replaced by Mo or Mo partly by W.
[0025] Als besonders vorteilhafte binäre Verbindungen sind W2B, WB, W2B5, Wi.xBa, WB4, WC, W2C, WN, W2N, W3N2, M02B, MoB, M03B2, M0B4, MoC, M02C, MoN, M02N und M03N2 zu nennen. Bei besonders vorteilhaften ternären und quaternären Verbindungen ist der nichtmetallische Bestandteil der zuvor angeführten binären Verbindungen teilweise durch ein (für ternäre Verbindungen) oder zwei (für quaternäre Verbindungen) weitere(s) Element(e) aus der Gruppe C, B und N ersetzt. So ergeben sich beispielsweise für WC die ternäre Verbindungen W(C,N) und W(C,B) und als quaternäre Verbindung W(C,B,N).Particularly advantageous binary compounds are W2B, WB, W2B5, Wi.xBa, WB4, WC, W2C, WN, W2N, W3N2, M02B, MoB, MO3B2, MO4, MoC, MO2C, MoN, MO2N and MO3N2 , In particularly advantageous ternary and quaternary compounds, the non-metallic constituent of the aforementioned binary compounds is partially replaced by one (for ternary compounds) or two (for quaternary compounds) further element (s) from group C, B and N. For example, for WC, the ternary compounds W (C, N) and W (C, B) and as the quaternary compound W (C, B, N).
[0026] Neben den jeweiligen stöchiometrischen Zusammensetzungen der Verbindung kann diese zusätzlich auch weitere Elemente, beispielsweise C, B, N, W und/oder Mo, in gelöster Form enthalten.In addition to the respective stoichiometric compositions of the compound, these may additionally contain other elements, for example C, B, N, W and / or Mo, in dissolved form.
[0027] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform stellt eine Composite-Schicht dar. Als Com-posite-Schioht ist eine Sohioht zu verstehen, die aus zumindest zwei Phasenbereichen aufgebaut ist. Als besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist hervorzuheben, wenn die Schicht die Phasen WC und/oder W2C enthält. Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform ist gegeben, wenn die Schicht WB und/oder W2B enthält. Auch die Kombination von WC und/oder W2C und WB und/oder W2B stellt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar. So kann beispielsweise der äußerste Bereich der Schicht aus WC und/oder WB gebildet sein, woran ein Bereich anschließt, der W2B- und/oder W2C Phase aufweist. W2B und/oder W2C sind dabei benaohbart zum Grundkörper aus W oder einer W-Legierung. In analoger Weise kann beispielsweise der äußerste Bereich der Schicht aus MoC und/oder MoB gebildet sein, woran ein Bereich anschließt, der M02B- und/oder M02C Phase aufweist. M02B und/oder M02C sind dabei benachbart zum Grundkörper aus Mo oder einer Mo-Legierung.A further advantageous embodiment is a composite layer. As Com-posite-Schioht is a Sohioht to understand, which is composed of at least two phase ranges. A particularly advantageous embodiment of the invention should be emphasized when the layer contains the phases WC and / or W2C. Another particularly advantageous embodiment is given if the layer contains WB and / or W2B. The combination of WC and / or W2C and WB and / or W2B represents a particularly advantageous embodiment of the invention. Thus, for example, the outermost region of the layer of WC and / or WB be formed, followed by an area, the W2B- and / or W2C phase. W2B and / or W2C are herebenaohbart to the body of W or a W alloy. In an analogous manner, for example, the outermost region of the layer can be formed from MoC and / or MoB, followed by a region which has M02B and / or M02C phases. M02B and / or M02C are adjacent to the main body of Mo or a Mo alloy.
[0028] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die Schicht mit dem daran anschließenden Bereich des Grundkörpers verzahnt. Dieser Verzahnungseffekt wird in einfacher Weise durch die Reaktion von C, B und/oder N mit Mo und/oder W des Grundkörpers erzielt. Dazu werden C und/oder B und/oder Verbindungen von C, B und/oder N auf der Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht. Durch Erwärmen diffundieren nun C, B und/oder N in den Grundkörper hinein, wo es zur Verbindungsbildung kommt. Die Verzahnung wird dabei vorteilhaft durch Körner der Schicht gebildet (beispielsweise und vorteilhaft durch W2B, W2C, M02B und/oder M02C Körner). Bei Aufbringen von C und B auf Wolfram oder Molybdän bildet sich beispielsweise als oberste Schichtlage ein Karbid oder Borid, das besonders verschleißbeständig ist. Das Einbringen von N in die Schicht erfolgt vorzugsweise durch Glühung in einer N-haltigen Atmosphäre (Reaktionsglühung). Vorzugsweise kommen NH3 oder eine Mischung aus zumindest zwei Gasen der Gruppe bestehend aus NH3, H2 und N2 sowie Glühtemperaturen beispielsweise im Bereich 700 bis 1.300°C zum Einsatz.In a further advantageous embodiment, the layer is interlocked with the adjoining region of the base body. This gearing effect is achieved in a simple manner by the reaction of C, B and / or N with Mo and / or W of the main body. For this purpose, C and / or B and / or compounds of C, B and / or N are applied to the surface of the base body. By heating C, B and / or N now diffuse into the main body, where it comes to the compound formation. The toothing is advantageously formed by grains of the layer (for example and advantageously by W2B, W2C, M02B and / or M02C grains). When applying C and B to tungsten or molybdenum forms, for example, as the top layer layer of a carbide or boride, which is particularly resistant to wear. The introduction of N into the layer is preferably carried out by annealing in an N-containing atmosphere (reaction annealing). NH 3 or a mixture of at least two gases of the group consisting of NH 3, H 2 and N 2 and also annealing temperatures, for example in the range from 700 to 1300 ° C., are preferably used.
[0029] Die vorteilhafte mittlere Schichtdicke kann in einem weiten Bereich gewählt werden, wobei als bevorzugter Bereich 1 bis 300 pm, vorzugsweise 3 bis 200 pm zu nennen ist.The advantageous average layer thickness can be selected within a wide range, with a preferred range being 1 to 300 μm, preferably 3 to 200 μm.
[0030] Als vorteilhafte Werkstoffe für den Grundkörper sind Rein-W, W - 0,1 bis 3 Ma% Seltenerdoxid, W-Schwermetall, Rein-Mo, Mo - Titan (Ti) - Zirkon (Zr) - C (übiiche Bezeichnung: TZM), Mo - Hafnium (Hf) - C (übliche Bezeichnung: MHC) oder Mo-W Legierungen zu nennen. Als besonders geeignetes Seltenerdoxid ist La203 herauszustreiohen. W - La203 weist dabei ein deutlich verbessertes Zerspanungsverhalten im Vergleich zu Rein-W auf, wodurch die Herstellungskosten der Komponente deutlich reduziert werden können. Unter Rein-W bzw. Rein-Mo sind dabei die Metalle mit der üblichen technischen Reinheit zu verstehen.As advantageous materials for the main body are pure W, W - 0.1 to 3 Ma% rare earth oxide, W heavy metal, pure Mo, Mo - titanium (Ti) - zirconium (Zr) - C (usual name: TZM), Mo - hafnium (Hf) - C (common name: MHC) or Mo-W alloys. As a particularly suitable rare earth oxide La203 is herauszustreiohen. W - La203 has a significantly improved cutting behavior compared to pure W, whereby the manufacturing cost of the component can be significantly reduced. Pure-W or Rein-Mo are to be understood as meaning the metals of the usual technical purity.
[0031] In vorteilhafter Weise weist die Komponente zumindest eine der naohfolgenden Eigen schäften auf: [0032] - Die Verbindung ist aus der Gruppe a oder b gewählt, mit:Advantageously, the component has at least one of the following properties: The compound is selected from the group a or b, with:
Gruppe a: Karbide, Boride und Nitride;Group a: carbides, borides and nitrides;
Gruppe b: Verbindung enthaltend W und/oder Mo und zumindest zwei Elemente der Gruppe, bestehend aus C, B und N.Group b: compound containing W and / or Mo and at least two elements of the group consisting of C, B and N.
[0033] - Die Verbindung ist aus der Gruppe, bestehend aus W2B, WB, W2B5, Wi-xBa, WB4, WC, W2C, WN, W2N, W3N2; M02B, MoB, M03B2, M0B4, MoC, M02C, MoN, M02N und M03N2 gewählt.[0033] The compound is selected from the group consisting of W2B, WB, W2B5, Wi-xBa, WB4, WC, W2C, WN, W2N, W3N2; M02B, MoB, M03B2, M0B4, MoC, M02C, MoN, M02N and M03N2.
[0034] - Die Schicht ist als Composite-Schicht ausgeführt.- The layer is designed as a composite layer.
[0035] - Die Composite-Schicht weist zumindest einen Bereich aus einem Borid und zumin dest einem Bereich aus einem Karbid auf.The composite layer has at least one region of a boride and at least one region of a carbide.
[0036] - Die äußerste Schichtlage ist durch WC oder WB zumindest teilweise gebildet.The outermost layer layer is at least partially formed by WC or WB.
[0037] - Die Schicht ist mit dem daran anschließenden Grundkörper verzahnt.The layer is interlocked with the adjoining base body.
[0038] - Die Verzahnung ist durch Körner der Schicht gebildet.- The toothing is formed by grains of the layer.
[0039] - Die RM-Komponente weist an Stellen hoher Beanspruchung die Schicht auf.[0039] The RM component has the layer at places of high stress.
[0040] - Zumindest eine Verbindung enthält zumindest ein Element ausgewählt aus der Grup pe bestehend aus B, C, N, W und Mo in gelöster Form.At least one compound contains at least one element selected from the group consisting of B, C, N, W and Mo in dissolved form.
[0041] - Die RM-Komponente ist aus Rein-W, W- 0,1 bis 3 Ma% Seltenerdoxid, W-Schwer- metall, Rein-Mo Mo-Ti-Zr-C (TZM), Mo-Hf-C (MHC) oder einer Mo-W-Legierung gefertigt.The RM component is of pure W, W-0.1 to 3% by mass rare earth oxide, W heavy metal, pure Mo Mo-Ti-Zr-C (TZM), Mo-Hf-C (MHC) or a Mo-W alloy.
[0042] Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer RM-Komponente gelöst.The object of the invention is also achieved by a method for producing an RM component.
[0043] Das Verfahren weist dabei zumindest die folgenden Schritte auf: [0044] - Herstellung der Geometrie der RM-Komponente durch übliche Verfahren; [0045] - Aufbringen zumindest eines Elements und/oder zumindest einer Verbindung einesThe method has at least the following steps: - Production of the geometry of the RM component by conventional methods; Applying at least one element and / or at least one compound of one
Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus C, B und N vorzugsweise in Pulver- oder Slurryform; [0046] - Wärmebehandlung zur Bildung einer Verbindung mit zumindest einem RM in Vaku um, Schutzgas oder Reaktivgas.Elements selected from the group consisting of C, B and N, preferably in powder or slurry form; - Heat treatment for forming a compound with at least one RM in Vaku order, inert gas or reactive gas.
[0047] Als übliche Verfahren zur Herstellung der RM-Komponente sind Press- / Sinterverfahren mit anschließender mechanischer Bearbeitung, Near-Net-Shape Press- / Sinterverfahren, Heißpressen, heißisostatisches Pressen, Spark-Plasma-Sintern oder Metallpulverspritzguss zu nennen.As a conventional method for the production of the RM component are pressing / sintering process with subsequent mechanical processing, near-net-shape pressing / sintering process, hot pressing, hot isostatic pressing, spark plasma sintering or metal injection molding to call.
[0048] Nach Herstellung der Geometrie wird in den Bereichen, die im Einsatz die Schicht aufweisen sollen, zumindest ein Element oder zumindest eine Verbindung eines Elements ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus C, B und N, aufgebracht. Das Aufbringen kann beispielsweise durch Aufschütten, durch Aufpinseln, durch Tauchen oder durch Aufsprühen erfolgen. Als besonders geeignet ist das Aufbringen eines Slurrys zu erwähnen, da es hiermit auch möglich ist, Teile mit komplexen Geometrien in einfacher und vorteilhafter Weise zu beschichten. Nach dem Aufbringen von C und/oder B und/oder einer C-, B und/oder N-haltigen Verbindung wird die Komponente in Vakuum, Schutzgas oder Reaktivgas wärmebehandelt. Als Reaktivgase eignen sich insbesondere Gase oder Gasgemische, die N (zum Beispiel NH3 oder eine Mischung aus zumindest zwei Gasen der Gruppe bestehend aus NH3, H2 und N2), C (zum Beispiel CH4) und/oder B (zum Beispiel BH3) enthalten. Die Temperatur liegt dabei vorteilhaft bei 700 bis 2.000*Ό (Glühung in Vakuum) bzw. 700 bis 1.300°C (Glühung in Reaktivgas), wobei sich der für die jeweilige Verbindung am besten geeignete Bereich durch einfache Versuche ermitteln lässt. Bei der Wärmebehandlung diffundieren / diffundiert nun C, B und/oder N in dasAfter the geometry has been produced, at least one element or at least one compound of an element selected from the group consisting of C, B and N is applied in the regions which are to have the layer in use. The application can be done for example by dumping, by brushing, by dipping or by spraying. Particularly suitable is the application of a slurry to mention, since it is also possible to coat parts with complex geometries in a simple and advantageous manner. After application of C and / or B and / or a C, B and / or N-containing compound, the component is heat treated in vacuum, inert gas or reactive gas. Suitable reactive gases are, in particular, gases or gas mixtures which contain N (for example NH 3 or a mixture of at least two gases of the group consisting of NH 3, H 2 and N 2), C (for example CH 4) and / or B (for example BH 3). The temperature is advantageously 700 to 2,000 * Ό (annealing in vacuum) or 700 to 1,300 ° C (annealing in reactive gas), whereby the most suitable for each compound range can be determined by simple experiments. During the heat treatment, C, B and / or N diffuses / diffuses into the
Grundmaterial ein und bildet mit diesem die erfindungsgemäße Verbindung.Base material and forms with this the compound of the invention.
[0049] Bei üblichen CVD Verfahren wird eine Schicht außen auf das Grundmaterial abgeschieden. Dadurch kann es sein, dass Toleranzen der Komponenten nicht mehr eingehalten werden können und die Bauteile nachbearbeitet werden müssen. Bei erfindungsgemäßer Beschichtung ist dies nicht notwendig, da bei diesem Verfahren die Maßhaltigkeit gewährleistet ist.In conventional CVD method, a layer is deposited on the outside of the base material. As a result, it may be that tolerances of the components can no longer be met and the components must be reworked. In the coating according to the invention, this is not necessary since the dimensional stability is ensured in this method.
[0050] Im Gegensatz beispielsweise zu einer Gasphasennitrierung, bei der die Oberfläche der gesamten Komponente, d.h. alle Bereiche, die durch die Gasströmung erreicht werden, nitriert werden und es nicht möglich ist, bestimmte Bereiche gezielt auszusparen, können durch das erfindungsgemäße Verfahren Bereiche maskiert werden, wodurch es möglich ist, die Beschichtung beispielsweise nur in tribologisch belasteten Zonen aufzubringen. Durch diese gezielte Maskierung der Komponenten können sowohl harte bzw. beständige als auch weiche bzw. zähe Bereiche an derselben Komponente realisiert werden.In contrast, for example, to a gas phase nitration in which the surface of the entire component, i. E. all areas which are achieved by the gas flow, nitrided and it is not possible to selectively expose certain areas, can be masked by the inventive method areas, whereby it is possible to apply the coating, for example, only in tribologically contaminated zones. By means of this targeted masking of the components, it is possible to realize hard or resistant as well as soft or tough regions on the same component.
[0051] Ein weiterer Vorteil im Vergleich zum Gasphasennitrieren ist, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Schichtdicken in einem weiten Bereich von 1 bis 300 pm erzielt werden können. Beim Gasphasennnitrieren sind nur Dicken von 1 bis 15 pm erzielbar. Durch die höheren Schichtdicken kann der Einsatzbereich, beziehungsweise die Einsatzdauer der beschichteten Komponenten signifikant erweitert werden.A further advantage compared to gas-phase nitriding is that layer thicknesses in a wide range from 1 to 300 μm can be achieved with the method according to the invention. In gas phase nitriding only thicknesses of 1 to 15 pm can be achieved. Due to the higher layer thicknesses, the range of application or the duration of use of the coated components can be significantly extended.
[0052] Auch die Größe der Bauteile, welche beschichtet werden können, stellt ein weiteres Unterscheidungsmerkmal zum Gasphasennitrieren dar. Beim Gasphasennitrieren ist nicht nur die Größe der Anlage, sondern auch die Gasführung in dieser entscheidend. Bei ungleichmäßiger Gasführung, wie es vermehrt bei großen Bauteilen vorkommt, kann es dazu kommen, dass die Bauteile nur teilweise oder unzulänglich beschichtet werden. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann weitestgehend geometrieunabhängig durchgeführt werden, wobei nur die Größe der Anlage für die erforderliche Wärmebehandlung limitierend ist.The size of the components which can be coated, is another distinguishing feature for gas phase nitriding. In gas phase nitriding, not only the size of the system, but also the gas flow in this crucial. In the case of uneven gas conduction, as is increasingly the case with large components, it can happen that the components are coated only partially or inadequately. The coating according to the invention can be carried out largely geometry-independent, with only the size of the system for the required heat treatment is limiting.
[0053] Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Automatisierung in großem Maßstab mit überschaubarem Aufwand durchführbar. Dies ist bei einer Gasphasennitrierung nur schwierig durchführbar, da neben dem hohen manuellen Aufwand für die Chargierung auch die Anlagengröße stark limitierend wirkt. Durch eine entsprechende Automatisierung ist es möglich, die Herstellungskosten pro Stück zu reduzieren und gleichzeitig eine Verbesserung der Eigenschaften wie Härte und Verschleißeigenschaften zu erzielen.In the method according to the invention, automation on a large scale can be carried out with manageable effort. This is difficult to carry out in the case of gas phase nitriding, since, in addition to the high manual effort for the charging, the system size also has a strongly limiting effect. By appropriate automation, it is possible to reduce the manufacturing cost per piece and at the same time to achieve an improvement in properties such as hardness and wear properties.
[0054] Neben den oben beschriebenen Verfahren kann die Schicht auch durch andere übliche Verfahren wie beispielsweise PVD, CVD, thermische Spritzverfahren oder Glühung in Reaktivgas (zum Beispiel in den zuvor genannten Gasen / Gasmischungen) aufgebracht werden.In addition to the methods described above, the layer can also be applied by other conventional methods such as PVD, CVD, thermal spraying or annealing in reactive gas (for example in the aforementioned gases / gas mixtures).
[0055] Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft näher beschrieben und mit dem Stand der Technik verglichen.In the following the invention will be described in more detail by way of example and compared with the prior art.
[0056] Figur 1 zeigt eine mehrlagige Composite-Schicht, die Bereiche aus Molybdänkarbid und Bereiche aus Molybdänborid umfasst.Figure 1 shows a multilayer composite layer comprising areas of molybdenum carbide and areas of molybdenum boride.
[0057] Figur 2 zeigt ein GDOES Profil der Schicht in Figur 1 [0058] Figur 3 zeigt eine Skizze einer Heißkanaldüse mit partieller Beschichtung (dickeFigure 2 shows a GDOES profile of the layer in Figure 1 Figure 3 shows a sketch of a hot runner nozzle with partial coating (thick
Linien).Lines).
[0059] Figur 4 zeigt eine weitere Skizze einer Heißkanaldüse mit partieller Beschichtung (dicke Linien).FIG. 4 shows a further sketch of a hot runner nozzle with partial coating (thick lines).
[0060] Figur 5 zeigt eine partiell beschichtete Spitze einer TZM-Heißkanaldüse.FIG. 5 shows a partially coated tip of a TZM hot runner nozzle.
[0061] Figur 6 zeigt eine EBSD Aufnahme einer zweilagigen Wolframborid/ WolframcarbidFIG. 6 shows an EBSD image of a two-layered tungsten boride / tungsten carbide
Schicht auf W.Layer on W.
[0062] Beispiel 1 [0063] Es wurden Grundkörper aus W, W - 1 Ma% La203 (WL) und Mo durch Diffusionsprozesse mit unterschiedliehen Schichten versehen. Dazu wurde ein Slurry, der Kohlenstoff und/oderExample 1 Basic bodies of W, W - 1 Ma% La203 (WL) and Mo were provided by diffusion processes with different layers. For this purpose, a slurry, the carbon and / or
Bor enthielt, durch Tauchen auf der Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht. Die jeweiligen C- und B-Anteile können den Tabellen 1 und 2 entnommen werden. Danach wurden die Proben einer Glühung bei 1500O/10h in Vakuum unterzogen. Die beteiligten Bestandteile C, B bzw. N bildeten bei der Wärmebehandlung die entsprechenden Verbindungen aus. Exemplarisch ist dies für die Probe 19 gemäß Tabelle 2 in Figur 1 wiedergeben.Boron, applied by dipping on the surface of the body. The respective C and B components can be taken from Tables 1 and 2. Thereafter, the samples were subjected to annealing at 1500O / 10h in vacuum. The constituents C, B and N formed during the heat treatment, the corresponding compounds. As an example, this is reproduced for the sample 19 according to Table 2 in FIG.
[0064] Die EBSD-Messung wurde wie folgt durchgeführt.The EBSD measurement was performed as follows.
[0065] - 120 pm Elektronenstrahlblende [0066] - Hochstrommodus, 20kV Beschleunigungsspannung [0067] - Scanfläche 57 x 24 pm^ [0068] - Vergrößerung 1500x [0069] - Schrittweite 0,05 pm [0070] - Binning 4x4 [0071] - Kamera-Gain 17,06 [0072] - Kamera-Exposure 4,50 [0073] - Untergrundkorrektur: Statischer Untergrundabzug kombiniert mit normalisiertem- 120 pm Electron Beam Iris - High Current Mode, 20 kV Acceleration Voltage [0067] - Scanning Area 57 x 24 pm ^ [0068] - Magnification 1500x [0069] - Increment 0.05 pm [0070] - Binning 4x4 [0071] Camera Gain 17,06 [0072] - Camera Exposure 4,50 [0073] Substrate Correction: Static Subtract combined with Normalized
Intensitätshistogramm [0074] - System: FEG-REM Zeiss Ultra plus 55 mit EDAX Trident XM4 Analytik Paket, Hikari- EBSD Kamera [0075] Tabelle 1 und 2 zeigen eine Übersicht der Proben.Intensity Histogram System: FEG-REM Zeiss Ultra plus 55 with EDAX Trident XM4 Analytical Package, Hikari EBSD Camera Tables 1 and 2 show an overview of the samples.
[0076] Tabelle 1Table 1
[0078] Tabelle 2Table 2
[0079] Beispiel 2Example 2
[0080] Beschichtete Heißkanaldüse aus TZMCoated hot runner nozzle made of TZM
[0081] Eine Heißkanaldüse aus TZM mit außenliegendem Gewinde wurde im Ultraschallbad alkalisch gereinigt. Anschließend wurde das Gewinde mit Klebeband abgedeckt. Die so vorbereitete Düse wurde in eine wässerige Suspension mit Graphit und Bor (im Verhältnis 20:80 nach Gewicht) getaucht und an Luft getrocknet. Noch im Grünzustand wurde das Klebeband entfernt. Durch diese Maskierung wurde sichergestellt, dass die Beschichtung nur an den gewünschten Stellen der Düse erfolgt und das Gewinde nicht versprödet. Skizzen mit den beschichteten Stellen einer derartig beschichteten Heißkanaldüse (dicke Linien) sind in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt.A hot runner nozzle made of TZM with an external thread was cleaned alkaline in the ultrasonic bath. Subsequently, the thread was covered with adhesive tape. The nozzle thus prepared was immersed in an aqueous suspension of graphite and boron (in a ratio of 20:80 by weight) and dried in air. Still in the green state, the tape was removed. This masking ensured that the coating takes place only at the desired locations of the nozzle and does not embrittle the thread. Sketches with the coated areas of such a coated hot runner nozzle (thick lines) are shown in Figures 3 and 4.
[0082] Die Wärmebehandlung erfolgte unter Vakuum bei 1500°C für 4h, wobei sich eine mehrlagige Schicht aus Molybdänkarbiden und Molybdänboriden ausbildete. Eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Randbereichs der so behandelten Heißkanaldüse ist in Figur 5 gezeigt.The heat treatment was carried out under vacuum at 1500 ° C for 4h, forming a multilayer of molybdenum carbides and molybdenum borides. A scanning electron micrograph of an edge region of the hot-runner nozzle thus treated is shown in FIG.
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