AT378377B

AT378377B - Verfahren zum aufbringen einer metallischen und/ oder keramischen schutzschicht auf ein substrat

Info

Publication number: AT378377B
Application number: AT0901383A
Authority: AT
Original assignee: Castolin Sa
Priority date: 1982-03-19
Filing date: 1983-03-17
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE3337012C2; GB2128105A; FR2523480A1; ATA901383A; DE3337012T1; GB2128105B; GB8330376D0; BR8306485A; CH656560A5; FR2523480B1; BE896200A; WO1983003263A1; US4529631A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer metallischen und/oder keramischen Schutzschicht auf ein Substrat durch thermisches Aufspritzen pulverförmiger Stoffe, wobei nacheinander bandförmige, nebeneinanderliegende und miteinander verbundene Schichtteile aufgebracht werden, deren jedes eine Höhe aufweist, die im wesentlichen der Dicke der zu bildenden Schicht entspricht.

Zur Bildung von harten Schutzschichten mit relativ grosser Dicke aus metallischen oder keramischen Stoffen werden üblicherweise durch thermisches Aufspritzen mehrere übereinanderliegende Einzelschichten aufgebracht. Die Maximaldicke, die man mit einem derartigen Verfahren mit mehreren Schichten erzielen kann, ist jedoch stark begrenzt und liegt in der Praxis zwischen 0, 3 und 0,5 mm. Dies beruht insbesondere auf den starken Innenspannungen, die in einer derartigen Schutzschicht auftreten und die nur teilweise verringert werden können durch geeignete Wahl der Spritzparameter und durch Hinnahme einer zunehmenden Porosität der Schicht.

Obendrein entsteht, insbesondere, wenn es sich um keramische, in mehreren übereinanderliegenden Schichten aufgebrachte Stoffe handelt, eine zunehmende Erwärmung in Höhe einer jeden aufgebrachten Einzelschicht, so dass ein erhöhter Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und der Schicht entsteht, wobei dieser Temperaturunterschied mit jeder Einzelschicht ansteigt und bis zu 1500C erreichen kann. Dadurch treten aber im allgemeinen Risse auf, sowie ein Ablösen der verschiedenen Einzelschichten.

Durch die US-PS Nr. 4, 191, 791 wurde ein Verfahren zum Aufbringen eines Metallüberzugs auf ein Metall-Substrat offenbart, nach dem das Metall in Form von Tröpfchen aufgesprüht wird. Weiters sieht das bekannte Verfahren eine Schmelzbehandlung der aufgebrachten Tröpfchen unmittelbar nach deren Aufbringung vor, wobei der Temperatur des Substrats keinerlei Beachtung geschenkt wird.
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des Werkstückes durch einen Strom von Kohlendioxyd aus einer Düse in der Nähe der Sprühdüse bekannt.

Bei allen diesen Lösungen ergibt sich aber der Nachteil, dass hohe Innenspannungen auftreten und sich ein relativ grosser Temperaturunterschied zwischen Substrat und oberster Schicht ergibt, der, wie bereits erwähnt, zu sehr störenden Spannungen und zur Rissbildung und im Extremfall zur Ablösung von Schichten führt.

Die Erfindung hat die Schaffung eines Verfahrens zum Ziel, die das Aufbringen von Schichten
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Porosität erzielbar sein sollen.

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass das Substrat während des Aufbringungsverfahrens auf einer Temperatur unterhalb von 3000C gehalten wird und der Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und einer Stelle eines aufgebrachten Schichtteils, gemessen spätestens vor dem Aufbringen eines benachbarten Schichtteils in der Nachbarschaft der genannten Stelle, unterhalb von 1000C gehalten wird.

Vorzugsweise erfolgt ein örtliches Abkühlen auf Höhe eines jeden aufgebrachten Schichtteils derart, dass die Temperatur des Substrats 200 oder selbst 100 C nicht übersteigt und dass der genannte Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und einer Stelle eines aufgebrachten Schichtteils 50 oder 600C nicht überschreitet. Das Abkühlen erfolgt vorzugsweise mittels einer Vorrichtung, die Auslassdüsen für ein Kühlfluid aufweist, die punktförmig, ringförmig, linear oder fächerförmig sind oder über eine Fläche verteilt sind, wobei die Kühlfluide vorzugsweise aus Wasser, flüssigem Kohlendioxyd, Stickstoff, komprimierter Luft ausgewählt sind und auch miteinander vereint angewendet werden können.

Die Erfindung wird besser verstanden im Licht der anschliessend angegebenen Beispiele und der Beschreibung, die durch die Zeichnungen ergänzt wird, in welcher : Fig. 1 und 2 schematisch den Aufbau einer durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestellten Schutzschicht darstellen.

Die bandförmigen Schichtteile-l, 2,3, 4--usw. wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, sind nebeneinanderliegend, Seite an Seite, auf einem Substrat --5-- aufgebracht. Jeder derart aufgebrachte Schichtteil weist im wesentlichen die Gesamthöhe H der zu bildenden Schicht auf. Dies wird durch geeignete Wahl der Spritzparameter und der Relativbewegung zwischen dem Spritzapparat und dem Substrat erreicht. Zur Bildung einer Schicht von 0, 1 bis 3 mm Dicke auf einem zylindri- schen Stück wählt man z. B. eine konstante Umfangsgeschwindigkeit des Stücks in der Grössenordnung von 5 bis 60 m/min und eine Translationsgeschwindigkeit in Axialrichtung zwischen 10-4 und 1 m/min.

Im Falle des Aufbringens einer derartigen Schicht auf einer ebenen Fläche wird eine Relativbewegung zwischen dem Stück und dem Spritzapparat gewählt, die diskontinuierlich ist, mit Schritten, deren Länge zwischen 0, 1 und 20 mm liegt, sowie eine Relativbewegung in senkrechter Richtung zur vorhergehenden mit einer analogen Geschwindigkeit zu derjenigen in Axialrichtung des oben erwähnten zylindrischen Stücks. Die der Spritzvorrichtung zugeführte Pulvermenge beträgt zwischen 0,2 und 3 kg/h. Für eine Schichtdicke von 0,25 bis 2,5 mm sind die entsprechenden Werte, in der Reihenfolge wie oben ausgeführt, 20 bis 40 m/min, 5 x 10-4 bis 0, 5 m/min und 0,5 bis 15 mm, wobei die Menge des aufgespritzten Pulvers von 0,5 bis 2 kg/h reicht.

Insbesondere im Fall von Schichten, deren Dicke 0, 5 mm übersteigt, wird der aufgebrachte Schichtteil örtlich abgekühlt, derart, dass der Temperaturunterschied zwischen dem Basisstück und der Schicht auf einen Wert kleiner als 60 und vorzugsweise 50 C gehalten wird.

Wie Fig. l zeigt, überlappen sich die einzelnen Schichtteile nur teilweise, wodurch eine Wärmeanhäufung in den nacheinander aufgebrachten Schichtteilen verhindert wird. Anderseits sind die in der Schicht auftretenden inneren Spannungen nicht mehr parallel zur Oberfläche des Basisstücks ausgerichtet, sondern geneigt bezüglich dieser Oberfläche, so dass die Gefahr eines Ablösens der Schicht praktisch nicht besteht.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Schicht mit einer geringeren Dicke h, bei der die einzelnen Schichtteile relativ breiter sind, sich jedoch nur teilweise überlappen, in ähnlicher Weise wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Die folgenden Beispiele beschreiben das Aufbringen von Schutzschichten mit einer Dicke und einer Qualität, insbesondere was das Fehlen von Rissen und Poren betrifft, die bisher mit den betreffenden Stoffen als nicht erzielbar galten.

Beispiel 1 : Auf einer Welle aus Stahl ST 37 mit einem Durchmesser von 40 mm wird eine Schutzschicht von 1,5 mm Dicke aufgebracht unter Verwendung eines Pulvers, das, in Gewicht,
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Welle angeordnet, um das Spritzen durchzuführen. Die zugeführte Pulvermenge wurde auf 1, 0 kg/h eingestellt und ein drehbarer Träger für die Welle wurde wie folgt angetrieben : Umfangsgeschwindigkeit der Welle 30 m/min, Vorschub in Axialrichtung 0, 025 m/min.

Eine Kühlvorrichtung wurde um die Welle am Ort des Spritzens angeordnet, wobei diese Vorrichtung eine ringförmige Anordnung von einzelnen Düsen aufweist, deren jede eine Öffnung von 1 mm im Durchmesser aufweist und mit flüssigem Kohlendioxyd versorgt wird. Der Abstand zwischen der Achse der Flamme und der Mittenebene der ringförmigen Düsen betrug 20 mm, derart, dass der abgekühlte Bereich ein ringförmiger Bereich von 2 mm Breite war.

Die Versorgung mit Kühlflüssigkeit wurde auf ungefähr 4 l/min (l/min) eingestellt und derart geregelt, dass die Temperatur der Welle weniger als 1000C betrug und der Temperaturunterschied zwischen einem aufgebrachten Schichtteil und der Wellenoberfläche, gemessen unmittelbar nach dem Abstellen der Spritzund Kühlvorrichtung vor dem nachfolgenden Durchgang der betrachteten Stelle durch die Spritzposition, kleiner als 20 C war.

Beispiel 2 : Eine Gleitbuchse aus Stahl ST 37 mit einem Aussendurchmesser von 100 mm und einem Innendurchmesser von 50 mm wurde aussen mit einer Molybdänschicht von 1 mm Dicke versehen. Der verwendete Brenner war der Gleiche wie der von Beispiel 1 und die Pulverzufuhr wurde auf 1,2 kg/h eingestellt. Der Abstand zwischen der Brennerdüse und der Oberfläche der Buchse betrug 100 mm und der Antrieb der drehbaren Halterung wurde, ähnlich wie im Beispiel 1, wie folgt gewählt : Umfangsgeschwindigkeit 30 : t 5 m/min, Vorschub in Axialrichtung 0, 05 m/min.

Um die Kühlung durchzuführen wurde eine erste Vorrichtung mit über eine Fläche von

20 x 20 mm verteilten Düsen in einer Stellung angeordnet, die der Achse der Brennerflamme diametral gegenüberlag im Abstand von 12 cm von der Oberfläche der Buchse, wobei sie mit flüssigem Kohlendioxyd von 3, 5 l/min versorgt wurde. Eine zweite Vorrichtung mit über eine Fläche von 5 x 10 mm verteilten Düsen wurde in einem Abstand von 30 mm von der ersten Vorrichtung angeordnet, wobei dieser Abstand in Drehrichtung der Buchse entlang ihrer Oberfläche gemessen wurde und sie mit Stickstoff mit einer Leistung von 7 l/min versorgt wurde. Auf diese Weise erreichte die Tempera-
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Nach dem Polieren betrug die Enddicke der Schicht 0, 9 mm, während ihre Oberfläche keine Pore aufwies und keine sichtbaren Risse. Die Lebensdauer war um 50% länger, verglichen mit derjenigen von Buchsen, die mit mehreren übereinanderliegenden Schutzschichten gleicher Gesamtdicke versehen waren.
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schichtet. Die verwendete Apparatur wies einen Spritzbrenner "Rototec 80" auf (Warenzeichen der
Firma Castolin S. A.), dessen Pulverzufuhr auf 1, 5 kg/h eingestellt wurde, wobei der Abstand zwischen der Spritzdüse und der Oberfläche der Welle 15 mm betrug. Eine drehbare Halterung wurde verwendet, wie in den Beispielen 1 und 2, so dass der Welle eine Umfangsgeschwindigkeit von 45 m/min und ein Vorschub in Axialrichtung von 0,02 m/min erteilt wurden.

Eine Reihe von Kühldüsen von 2 mm Durchmesser jeweils wurden im Abstand von 15 mm von der Oberfläche der Welle angeordnet, entlang eines Halbkreises u. zw. fächerförmig, wobei diese
Düsen mit komprimierter Luft bei einem Druck von 6 At versorgt wurden. Die Temperatur der Ober- fläche der Welle wurde dadurch auf einen Wert kleiner als 250 C gehalten und der maximale Tem- peraturunterschied zwischen der Schicht und dem Substrat, gemessen wie in den Beispielen 1 und 2, auf 30 C gehalten.

Im Vergleich mit herkömmlichen Beschichtungsverfahren sind die Kosten für die Ausbildung der vorliegenden Lagerfläche erheblich kleiner, während die Lebensdauer des Stücks erheblich erhöht ist.

Beispiel 4 : Pumpen-Tauchkolben, die zum Einsatz in stark korrodierenden Medien bestimmt waren, wurden in Serienfertigung an ihren Dichtflächen mit einer Schutzschicht versehen, die aus 97% AlOg und 3% Ti02 bestand.

Die Tauchkolben wurden aus einer Nickel-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung hergestellt : 20% Cr, 4% Fe, 0, 5% Si, Rest Nickel, wobei ihre Länge 850 mm betrug und ihr Durchmesser 40 mm betrug. Die Dichtfläche erstreckte sich über eine Länge von 500 mm und wurde mit einer Schutzschicht von 0,8 mm beschichtet. Das Aufbringen durch Aufspritzen und Polieren der
Schicht wurde in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde ein Spritzbren- ner der Art, wie im Beispiel 1 verwendet und wurde auf der Vorschubanordnung einer drehbaren Halterung befestigt, während eine Polieranordnung in einem Abstand von 20 mm von der Flammachse angeordnet wurde. Die Umfangsgeschwindigkeit des Tauchkolbens betrug 60 m/min, der Vorschub betrug 0,2 m/min und die Polieranordnung wurde mit 1200 Umdr/min angetrieben.

Die Pulverzufuhr zum Spritzbrenner betrug 0,7 kg/h und der Spritzabstand betrug 80 mm.

Eine Kühldüse wurde mit flüssigem Kohlendioxyd von 6 l/min versorgt, die zur Achse der Flamme diametral gegenüber angeordnet war und eine Öffnung von 0, 5 x 5 mm aufwies. Anderseits wurde eine ringförmige Anordnung von Düsen mit 1 mm Durchmesser im Abstand von 100 mm von der Flammachse zwischen dieser und der Polieranordnung vorgesehen u. zw. um das zu behandelnde Stück herum. Die letztere Kühlanordnung wurde mit 4 l/min Wasser versorgt und ermöglichte, die Temperatur der aufgebrachten Schicht von 100 C vor der Wasserkühlung auf 50 C zu senken.

Die derart behandelten Tauchkolben wiesen eine ausgezeichnete Lebensdauer auf, während die Dauer des Aufbringens der Schutzschicht bezüglich des herkömmlichen Verfahrens um die Hälfte geringer war.

Claims

PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zum Aufbringen einer metallischen und/oder keramischen Schutzschicht auf ein Substrat durch thermisches Aufspritzen pulverförmiger Stoffe, wobei nacheinander bandförmige, nebeneinanderliegende und miteinander verbundene Schichtteile aufgebracht werden, deren jedes eine Höhe aufweist, die im wesentlichen der Dicke der zu bildenden Schicht entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat während des Aufbringungsverfahrens auf einer Temperatur unterhalb von 300 C gehalten wird und der Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und einer Stelle eines aufgebrachten Schichtteils, gemessen spätestens vor dem Aufbringen eines benachbarten Schichtteils in der Nachbarschaft der genannten Stelle, unterhalb von 100 C gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder aufgebrachte Schichtteil örtlich abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man ein derartiges Ab- EMI4.1 übersteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man ein derartiges Ab- EMI4.2 übersteigt.

5. Verfahren nach Anspruch 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen mittels wenigstens einer Vorrichtung erfolgt, welche fächerförmig angeordnete Auslassdüsen für das Kühlfluid aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen mittels wenigstens einer Vorrichtung erfolgt, welche ringförmig oder linear angeordnete Auslassdüsen für das Kühlfluid aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen mittels wenigstens einer Vorrichtung erfolgt, welche über eine Fläche verteilte Auslassdüsen für das Kühlfluid aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 5,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Kühlfluid aus flüssigem Kohlendioxyd, Wasser, Stickstoff und komprimierter Luft ausgewählt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 5,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Kombination von Kühlvorrichtungen verwendet, unter Einsatz verschiedener Kühlfluide, die aus Wasser, flüssigem Kohlendioxyd, Stickstoff und komprimierter Luft ausgewählt sind.