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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung metallischer, verschleissfester und korrosionsbeständiger Schichten auf konvex gekrümmten Oberflächen von Maschinenelementen oder Anlagenbauteilen.
Infolge der zunehmenden Leistungsfähigkeit von Maschinen werden die. Maschinenelemente bzw. die einzelnen Bauteile immer mehr belastet. Dabei spielt der Verschleiss hochbeanspruchter
Oberflächenzonen bzw. die Korrosion eine wesentliche Rolle. Üblicherweise sind Maschinenbauteile nur in begrenzten Bereichen ihrer Oberfläche hoher Beanspruchung ausgesetzt.
Da es unwirtschaft- lich ist, wegen der lokalen Belastung begrenzter Stellen eines Maschinenteils das gesamte Werk- stück aus entsprechend widerstandsfähigem, hochwertigem und damit teurem Material zu fertigen, wurden verschiedene Techniken entwickelt, um den Verschleiss- oder Korrosionswiderstand lokal zu erhöhen :
a) formschlüssiges Anbringen von hochbelastbaren Teilen durch Schrauben, Nieten oder in gewissen Fällen auch durch Kleben. b) Anschweissen von hochbelastbaren Teilen auf den Grundkörper. c) Härten. d) Umschmelzen der Oberfläche zur Erzielung eines feinkörnigen Gefüges. e) Aufschmelzlegieren der Oberfläche zur Herstellung einer Schicht mit einer günstigeren
Legierungszusammensetzung. f) Auftragsschweissen von Zusatzmaterial mit spezifischen Eigenschaften. g) Auftragen von pulverförmigem Material durch Flamm- oder Plasmaspritzen zur Herstellung einer Sinterschicht mit hohem Verschleisswiderstand.
Man versucht mit diesen Verfahren, die meist widersprüchlichen Anforderungen an den Grundkörper des Maschinenelementes (Zähigkeit, geringes Gewicht, geringe Materialkosten einerseits) und an die hochbelastete Oberflächenzone (Festigkeit, Härte und Verschleisswiderstand anderseits) zu vereinen. Alle genannten Verfahren haben ihre speziellen Einsatzbereiche, sind aber dann nicht anwendbar, wenn an Grundwerkstoff und Belastungszone extrem unteschiedliche Anforderungen gestellt werden und gleichzeitig die formschlüssige Anbringung von Zusatzteilen (entsprechend Punkt a) aus konstruktiven Gründen nicht möglich ist bzw. ein Verfahren gemäss den Punkten b) bis g) aus thermischen oder metallurgischen Gründen nicht durchführbar ist.
Das in der AT-PS Nr. 157376 genannte Verfahren, bei dem ein Hochdruckbehälter mit einer Bewehrung in Form eines um den Behälter gewickelten Drahtes versehen wird, dient ausschliesslich zur Erhöhung der Druckfestigkeit des Behälters. Das in der DE-PS Nr. 891239 genannte Verfahren, bei dem auf einem rohrförmigen Grundkörper (Hochdruck- oder Geschützrohre) profilierte Bänder aufgewickelt und verschweisst werden, dient ebenfalls nur zur Erhöhung der Druckfestigkeit.
In der DE-PS Nr. 698851 wird ein Verfahren beschrieben, aus kreuzweise gewickelten Bändern rohrförmige Wände für Hochdruckgefässe zu erzeugen. Dies ist eine Herstellungsmethode für Rohre, aber kein Verfahren zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf einem konvex gekrümmten (üblicherweise rotationssymmetrischen) Teil eines Maschinenelementes eine Metallschicht mit hohem Verschleiss - oder Korrosionswiderstand aufzubringen, wobei die thermische Belastung beim Aufbringen wesentlich geringer ist als beim Aufspritzen und wobei die Materialien für den Grundwerkstoff des Maschinenteils und für die Auftragsschicht weitgehend unabhängig voneinander gewählt werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass in rillenförmige Ausnehmungen des Grundkörpers dicht aneinanderliegende Drahtwindungen gelegt werden und diese mit einer Schweissquelle hoher Energiedichte, insbesondere mit einem Elektronen-, Laser- oder Plasmastrahl, verschweisst werden.
Die Eigenschaften dieser Oberflächenschicht können durch geeignete Wahl der Drahtlegierung an die jeweiligen Erfordernisse im Hinblick auf Verschleiss- oder Korrosionswiderstand, auf elektrische Eigenschaften bzw. auf die Veschweissbarkeit mit zusätzlichen Bauteilen angepasst werden. Da die Verschweissung vornehmlich die Drahtwindungen betrifft und das Grundmaterial nur unwesentlich beeinflusst wird, kann das Drahtmaterial unabhängig vom Material des Grundkörpers gewählt werden.
Es zeigen Fig. l bis 4 im Detail die Verarbeitungsschritte, die dabei durchzuführen sind, und Fig. 5 bis 16 weitere Ausführungsbeispiele :
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Fig. l zeigt das Ergebnis des ersten Schrittes, bei dem in die Werkstückoberfläche Rillen eingearbeitet wurden, vorzugsweise in der Art eines Gewindes, wobei die Ausführung des Rillen- profils der Form des im nächsten Schritt aufzubringenden Drahtes entspricht.
Fig. 2 zeigt die Drahtwindungen, die in diese Rillen eingelegt wurden, u. zw. in der Form, dass die Windungen dicht aneinanderliegen.
Der Querschnitt des Drahtes kann kreisförmig sein, kann aber auch zur Erzielung einer glatteren Oberfläche bzw. einer besseren Verankerung im Grundkörper eine andere Form haben.
Fig. 3 : Entweder nach dem Einlegen des Drahtes im gesamten Rillenbereich oder schon während des Einlegens an einer Stelle, wo sich die Drahtwindungen bereits berühren, werden die Drahtwindungen miteinander verschweisst, wobei vornehmlich nur die Berührungszonen der
Drahtwindungen aufgeschmolzen werden. Dies ist möglich mit Schweissquellen, deren Energiedichte über 10 W/cm 2 liegt und deren Wirkungsbereich auf Durchmesser unter einem Drittel des Draht- durchmessers konzentrierbar ist, also mit Elektronen-, Laser- oder Plasmastrahlen.
Es ist nicht notwendig, dass zwischen dem Grundkörper und dem Draht eine schweisstechnische
Verbindung hergestellt wird. Sofern Grundmaterial und Drahtmaterial aber miteinander verschweiss- bar sind, kann die Schweissleistung so dosiert werden, dass die Schmelzzone auch einen Teil des Übergangsbereiches zwischen den Rillen erfasst (A in Fig. 3).
Fig. 4 : Zur Erzielung einer glatten Oberfläche kann diese mit üblichen Methoden (Drehen oder Schleifen) nachgearbeitet werden.
Es entsteht damit eine Schicht mit glatter Oberfläche, die mit dem Grundmaterial auf Grund der Rillenstruktur formschlüssig verbunden ist. Bei Bedarf können auf diese Schicht weitere
Schichten mit dem gleichen Verfahren aufgetragen werden.
Fig. 5 stellt eine Ausführung für spezielle Anwendungen dar, bei der der Drahtquerschnitt nicht kreisförmig ist, sondern dreieckige und rechteckige Anteile enthält.
Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem oben angesprochenen Stand der Technik bestehen darin, dass die Erwärmung des Werkstückes beim Aufbringen der Schicht etwa 2- bis 3mal geringer ist und die Auftragsgeschwindigkeit etwa 2- bis 3mal höher ist als beim Auftragsschweissen oder Aufspritzen. Das bedeutet eine höhere Produktivität und eine Energieersparnis gegenüber den genannten Verfahren. Weiters kann die Wahl des Drahtmaterials weitgehend unabhängig vom Grundmaterial getroffen werden. Da eine Schweissverbindung zwischen Draht- und Grundmaterial nicht notwendig ist, kann ein Draht aus einer sehr verschleiss- oder korrosionsfesten Legierung auf Grundkörper aus einem andern Material, z. B. aus unlegiertem Stahl, Kupfer, Aluminium, Titan oder auch aus Keramik aufgebracht werden.
Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Auftragsschweissen und Aufspritzen ist die Vermeidung von Bindefehlern zwischen Auftragsschicht und Grundmaterial. An dieser Grenzschicht treten bei den genannten Verfahren häufig Fehler in Form von Lunkern oder Rissen auf, die Ausgangspunkte von Ablösungen der Auftragsschicht sind.
Anwendungsbeispiele sind :
Aufbringung einer Schicht aus rostfreiem Stahl auf einem Grundkörper aus normalem Stahl für Anwendungen in der chemischen Industrie.
Aufbringung einer Schicht aus Bronze auf die Lagerstellen einer Schiffsantriebswelle.
Aufbringung einer Schicht aus Kupfer auf Stromschienen aus Aluminium oder Stahl in der Elektroindustrie.
Aufbringung einer Titanschicht auf Antriebsteile in der Flugzeugindustrie.
Aufbringung einer Stahlschicht auf Antriebsteile aus Titan in der Flugzeugindustrie.
Aufbringung einer Vanadiumschicht auf Antriebsteile aus Titan in der Flugzeugindustrie, um ein Anschweissen von Bauelementen aus Stahl zu ermöglichen.
Verfahrensbeispiele
1. Herstellung einer Schicht aus rost- und säurebeständigem Stahl auf einem zylindrischen
Grundkörper zur Erhöhung des Korrosionswiderstandes.
Ein zylindrischer Teil aus Baustahl ist an einem Ende durch Chemikalien an der Mantelfläche einer starken Korrosion ausgesetzt und soll dort durch eine mindestens 0, 5 mm dicke Oberflächenschicht aus rost- und säurebeständigem Stahl (Material X 2 CrNiMo 18 12) geschützt werden.
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Fig. 6 bis 9 zeigen die Verfahrensschritte, die zur Herstellung der korrosionsbeständigen
Schicht durchgeführt werden :
Fig. 6 : Ein Draht aus dem Material der Schutzschicht mit einem Durchmesser von 2 mm wird in Form einer Zugfeder mit dicht aneinanderliegenden Windungen gewickelt.-
Fig. 7 : In den zylindrischen Teil werden schraubenförmig verlaufende halbkreisförmige
Rillen eingearbeitet. Der Innendurchmesser der Rillen ist 10% grösser als der Innendurchmesser der Drahtwindungen.
Die Drahtwindungen werden nun in die Rillen eingedreht. Durch den grösseren Innendurchmes- ser der Rillen werden die Drahtwindungen etwas aufgeweitet und sitzen damit ohne Zwischenraum in den Rillen.
Fig. 8 : Mit einer Elektronenstrahl-Schweissanlage werden die Drahtwindungen entlang ihrer
Berührungsstellen verschweisst. Die dabei auftretende geringfügige Schrumpfung sorgt für ein festes Anpressen der Drahtwindungen auf die Unterlage.
Fig. 9 : Zur Erzielung einer glatten Oberfläche wird der Teil überschliffen. Die Endbereiche der verschweissten Drahtwindungen werden entsprechend überdreht.
2. Herstellung einer Lauffläche aus Lagerbronze auf einer Welle aus Stahl.
Eine rotierende Welle mit 70 mm Durchmesser benötigt in der Mitte eine Abstützung durch ein Stützlager. Die Reibungs- und Belastungsverhältnisse erfordern eine Laufschichte aus Bronze.
Fig. 10 und 11 zeigen die Verarbeitungsschritte, die zur Aufbringung der Bronzeschicht durchgeführt werden :
Fig. 10 : Im Bereich der Stützstelle werden schraubenförmig verlaufende halbkreisförmige
Rillen in die Welle eingedreht. Der Radius beträgt 3 mm.
Fig. 11 : Das Ende eines Drahtes aus Lagerbronze (Material PB SN 12 CU 2) mit einem Durchmesser von 6 mm wird in den Rillenanfang eingelegt und mit einem Klemmblock fixiert.
Durch Rotation der Welle und gleichzeitigen Zug am Draht mit einer Kraft von 1000 N wird der Draht Windung für Windung in die Rillen eingelegt. Die Welle wird mit 40 Umdr/min gedreht, so dass sich eine Umfangsgeschwindigkeit von 1 m/min ergibt. Dies ist damit auch die Schweissvorschubgeschwindigkeit für den nachfolgenden Arbeitsprozess.
Nachdem zwei volle Windungen aufgewickelt wurden, beginnt man gemäss Fig. 11 mit einem Plasma- oder Laserstrahl, die Berührungsstellen der Drahtwindungen zu verschweissen. Es wird also gleichzeitig Bronzedraht aufgewickelt und verschweisst, u. zw. so lange, bis der gesamRillenbereich mit verschweissten Drahtwindungen überdeckt ist.
Zur Erzielung eines kontinuierlichen Überganges zwischen Bronzeschicht und Stahlwelle werden abschliessend Anfangs- und Endbereich der Auftragszone überdreht und die Lauffläche überschliffen.
3. Erzeugung einer Stahlschicht auf einer Welle aus Titan. Auf die Stahlschicht wird in weiterer Folge ein Zahnrad aufgeschweisst.
Auf eine Titanwelle mit 40 mm Durchmesser soll ein Zahnrad aufgesetzt werden, das eine Drehmomentübertragung auf die Welle ermöglicht. Eine direkte Schweissverbindung ist aus metallurgi- schen Gründen nicht möglich.
Fig. 12 bis 16 zeigen die Verarbeitungsschritte, die zur Erzeugung einer ausreichend dicken Stahl-Pufferschicht durchgeführt werden :
Fig. 12 : Im Bereich der Welle, in dem das Zahnrad aufgesetzt werden soll, werden schraubenförmig verlaufende Rillen gefertigt. Sie haben ein dreieckförmiges Profil gemäss der Form des im nächsten Schritt aufzubringenden Stahldrahtes.
Fig. 13 : Ein Stahldraht aus Einsatzstahl 14 NiCr 14 mit einem Querschnittsprofil, das aus einem Quadrat 8 x 8 mm und einem Dreieck zusammengesetzt ist, wird nun in die Rillen eingelegt.
Dazu wird beim Anfang des Drahtes über eine Länge von 24 cm das Dreieckprofil weggearbeitet.
Dieses Anfangsstück wird in zwei Windungen um die Welle gelegt und mit einem Klemmblock festgespannt. Mit einem Zug von 6400 N wird der Draht in die Rillen eingewickelt. Am Ende des Drahtes ist so wie beim Anfangsstück das Dreieckprofil abgearbeitet, so dass es nach der letzten Rille noch in zwei Windungen um die Welle gespannt und mit einem weiteren Klemmblock befestigt werden kann.
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Die Berührungszonen der Drahtwindungen werden mit einer Elektronenstrahl-Schweissanlage verschweisst.
Fig. 14 : Zur Erzielung der notwendigen Schichtdicke wird auf die erste Stahlschicht in gleicher Weise eine zweite gelegt. In die erste Schicht werden wieder Rillen eingearbeitet, in die eine zweite Drahtlage eingelegt und festgespannt wird. Fig. 15 zeigt die Anordnung und die Verschweissung mit einem Elektronenstrahl.
Die Randbereiche der Schicht werden überdreht und die Mantelfläche überschliffen.
Fig. 16 : Auf die Mantelfläche wird das Zahnrad aufgepresst und in axialer Richtung mit Elektronenstrahlen verschweisst. Damit infolge der dabei entstehenden radialen Schrumpfung die aufgetragene Stahlschicht sich nicht von der Titanwelle löst, muss das Zahnrad warm und mit einem starken Presssitz aufgezogen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erzeugung metallischer, verschleissfester und korrosionsbeständiger Schichten auf konvex gekrümmten Maschinenelementen, dadurch gekennzeichnet, dass in rillenförmige Ausnehmungen des Grundkörpers dicht aneinanderliegende Drahtwindungen gelegt werden und diese mit einer Schweissquelle hoher Energiedichte, vornehmlich mit Elektronen-, Laser- oder Plasmastrahlen, an ihren Berührungsstellen miteinander verschweisst werden.