CH656560A5

CH656560A5 - Verfahren zum auftragen einer schutzschicht durch thermisches spritzen.

Info

Publication number: CH656560A5
Application number: CH1713/82A
Authority: CH
Inventors: Walter Neudahm
Original assignee: Castolin Sa
Priority date: 1982-03-19
Filing date: 1982-03-19
Publication date: 1986-07-15
Also published as: GB8330376D0; ATA901383A; FR2523480B1; AT378377B; US4529631A; DE3337012C2; BE896200A; GB2128105B; DE3337012T1; FR2523480A1; BR8306485A; GB2128105A; WO1983003263A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen einer metallischen oder keramischen Schutzschicht auf einen Grundkörper durch thermisches Spritzen.

Es ist üblich, harte Schutzschichten aus metallischen oder keramischen Werkstoffen in mehreren übereinanderliegenden Lagen z.B. mit Hilfe eines Flammspritzgerätes aufzutragen. Bei einem solchen Mehrlagenverfahren ist jedoch die grösste erreichbare Schichtdicke stark begrenzt und liegt praktisch bei 0,3 bis 0,5 mm. Dies ist insbesondere auf die inneren Spannungen zurückzuführen, die in einer solchen Schicht auftreten, wobei diese nur bei Inkaufnahme einer grösseren Porosität der Schicht durch geeignete Wahl der Spritzparameter teilweise abgebaut werden können. Andererseits entsteht besonders bei keramischen Materialien beim Auftragen von mehreren übereinanderliegenden Lagen ein Wärmestau an der bereits aufgebrachten Schicht, die zu einer hohen, mit jeder Lage zunehmenden Temperaturdifferenz zwischen dem Grundkörper und der Schicht führt und bis zu 150 "C betragen kann. Dies bewirkt sehr oft eine Rissbildung und ein Abplatzen der einzelnen Schichtlagen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches das Auftragen von Schichten relativ grosser Dicke, d.h. praktisch bis zu 3 mm, auch aus hochschmelzenden Metallen oder oxydkeramischen Materialien ermöglicht, wobei Schichten grosser Dichte, d.h. sehr geringer Porosität, erzielbar sind.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Schutzschicht in streifenförmigen Schichtteilen aufgetragen wird, die auf der Oberfläche des Grundkörpers aneinander anschliessend nebeneinander aufgespritzt werden, wobei die Höhe der genannten Schichtteile jeweils der gesamten Dicke der Schutzschicht entspricht, und dass während des gesamten Auftragvorgangs die Temperatur des Grundkörpers unter 300 °C gehalten wird und die Temperaturdifferenz zwischen dem Grundkörper und einer Stelle eines aufgetragenen Schichtteils, gemessen spätestens vor dem Auftragen des daran anschliessenden Schichtteils in der Nachbarschaft dieser Stelle, unter 100 °C gehalten wird.

Vorzugsweise wird der aufgetragene Schichtteil örtlich gekühlt, wobei je nach Anwendungsfall insbesondere eine mit punktring-, linien- oder fächerförmigen Düsen oder mit einer flächenförmigen Düsenanordnung versehene Kühlvorrichtung und ein Kühlmittel bestehend aus Wasser, flüssigem Kohlendioxyd, Stickstoff, Pressluft oder eine Kombination dieser Kühlmittel zum Einsatz kommen können.

Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beispiele und der beigefügten Zeichnung weiter erläutert, wobei die Fig. 1 und 2 schematisch den Aufbau einer gemäss der Erfindung hergestellten Schutzschicht darstellen.

Die in Fig. 1 gezeigten streifenförmigen Schichtteile 1,2, 3,4 etc. werden nebeneinander auf einem Grundkörper 5 aufgetragen und weisen jeweils die gesamte Höhe H der fertigen Schicht auf. Dies wird durch geeignete Wahl der Vorschub- und Spritzparameter in der verwendeten Spritzanlage erreicht. Beispielsweise werden zum Herstellen einer Schicht von 0,1—3 mm Dicke auf einem zylindrischen Grundkörper eine konstante Umfangsgeschwindigkeit des Grundkörpers zwischen 5 und 60 m/min und eine Vorschubgeschwindigkeit in Axialrichtung zwischen 1.10'4 und 1 m/min eingestellt, oder bei der Beschichtung einer ebenen Fläche ein schrittweiser Vorschub zwischen 0,1 und 20 mm und in der dazu senkrechten Richtung eine analoge Vorschubgeschwindigkeit wie bei einem Rundkörper in Axialrichtung. Die zugeführte Pulvermenge liegt dabei zwischen 0,2 und 3 kg/h.

Bei einer Schichtdicke von 0,25 bis 2,5 mm werden die entsprechenden Werte zwischen 20 und 40 m/min. 5.10"4 und 0,5 m/min sowie zwischen 0,5 und 15 mm gewählt, der Pulverdurchsatz liegt zwischen 0,5 und 2 kg/h.

Gleichzeitig wird besonders beim Auftragen von Schichten über 0,5 mm, der Grundkörper 5 örtlich sehr stark gekühlt, so dass die Temperaturdifferenz zwischen Grundkörper und Schicht vorzugsweise unter 50—60 °C gehalten wird.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, überlappen sich die einzelnen Schichtteile nur geringfügig. Dadurch wird ein Wärmestau an schon aufgebrachten Schichtteilen vermieden und auch die in der Schicht auftretenden Spannungen verlaufen nicht mehr parallel sondern schräg zur Oberfläche des Grundkörpers, wodurch die Gefahr einer Schichttrennung beseitigt wird.

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3

656 560

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Schicht von etwas kleinerer Dicke h, bei der die Schichtteile entsprechend breiter sind, aber sich auch nur wenig überlappen.

Die nachfolgenden Beispiele beschreiben die Herstellung von Schutzschichten einer Dicke und Qualität, besonders hinsichtlich Riss- und Porenfreiheit, die bisher von der Fachwelt nicht für erreichbar gehalten wurden.

Beispiel 1

Auf einer Welle aus Stahl St 37 mit 40 mm Durchmesser wurde eine Schutzschicht von 1,5 mm Dicke aus einem Pulver der Zusammensetzung 87% A1203 und 13% Ti02 mit Hilfe eines Flammspritzbrenners vom Typ «Castodyn 2000» (Handelsmarke der Firma Castolin SA) aus einem Abstand von 90 mm von der Wellenoberfläche aufgetragen. Der Pulverdurchsatz wurde dabei auf 1,0 kg/h eingestellt und eine Drehvorrichtung für das Werkstück wie folgt betrieben: Umfangsgeschwindigkeit der Welle 30 m/min, Vorschub in Axialrichtung 0,025 m/min.

Zur Kühlung wurde um die Welle herum eine Ringdüse angeordnet, d.h. eine ringförmige Anordnung von Einzeldüsen mit 1 mm Durchmesser, durch die flüssiges Kohlendioxyd geleitet wurde. Der Abstand zwischen der Flammenachse und der Mittelebene der Ringdüse betrug 20 mm, so dass die gekühlte Ringfläche etwa 2 mm breit war. Der Kühlmittelfluss wurde auf ca. 41/min eingestellt und so nachgeregelt, dass die Temperatur der Welle nicht über 100 °C anstieg und die Temperaturdifferenz zwischen der Wellenoberfläche und einem aufgetragenen Schichtteil unmittelbar nach einem Abschalten der Spritz- und Kühlvorrichtung vor dem nächsten Brennerdurchgang gemessen, nicht mehr als 20 °C betrug.

Beispiel 2

Eine Gleitbuchse aus Stahl St 37 mit einem Aussen-durchmesser von 100 mm und einem Innendurchmesser von 50 mm wurde aussen mit einer Molybdänschicht von 1 mm Dicke versehen. Der Pulverdurchsatz des dazu verwendeten Flammspritzbrenners vom gleichem Typ wie in Beispiel 1 wurde auf 1,2 kg/h eingestellt, der Abstand Brennerdüse-Buchsenoberfläche betrug 100 mm und der Antrieb einer Drehvorrichtung wie in Beispiel 1 wurde wie folgt gewählt: Umfangsgeschwindigkeit 30 + 5 m/min, Vorschub in Axialrichtung 0,05 m/min.

Zur Kühlung wurde eine erste flächenförmige Düsenanordnung von 20 mm • 20 mm diametral gegenüber der Flammenachse in 12 cm Abstand von der Buchsenoberfläche angebracht und mit 3,51 C02/min betrieben. Eine zweite flächenförmige Düsenanordnung von 5 mm • 10 mm wurde in einem Abstand von 30 mm von der ersten, in Drehrichtung der Gleitbuchse auf deren Oberfläche gemessen, mit N2 betrieben, wobei der Kühlmittelfluss 71/min betrug. Auf diese Weise betrug die Temperatur des Grundkörpers maximal 150 °C und die Temperaturdifferenz zwischen Grundkörper und Beschichtung wie in Beispiel 1 gemessen maximal 50 °C.

Die Schicht wurde durch Schleifen auf eine Dicke von 0,9 mm gebracht und zeigte danach eine von Poren und Rissen völlig freie Oberfläche. Beim Einsatz wurde eine Standzeitverbesserung von über 50% gebenüber Gleitbuchsen erreicht, die in mehreren Lagen von insgesamt gleicher Dicke beschichtet worden waren.

Beispiel 3

Ein Lagersitz von 100 mm Länge wurde auf einer Grau-guss-Welle von 150 mm Durchmesser mit einer 2 mm dicken Schicht aus Bronze (10% AI, 90% Cu) versehen. Es wurde ein Flammspritzbrenner «Rototec 80» (Handelsmarke der Firma CASTOLIN SA) verwendet, wobei der Pulverdurchsatz auf 1,5 kg/h eingestellt wurde und der Abstand vom Werkstück 15 mm betrug. Ferner wurde wie in den Beispielen 1 und 2 eine Drehvorrichtung mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 45 m/min und einem Vorschub von 0,002 m/min verwendet.

Als Kühlvorrichtung diente eine fächerförmige, in 15 mm Abstand von der Welle über einen Halbkreis verteilte Anordnung von Düsen mit je 2 mm Durchmesser, denen Pressluft mit einem Druck von 6 Atü zugeführt wurde. Dadurch wurde die Temperatur des Grundkörpers unter 250 °C gehalten, während die Temperaturdifferenz zwischen Schicht und Grundkörper, wie in den Beispielen 1 und 2 gemessen, maximal 30 °C betrug.

Der Lagersitz konnte mit wesentlich geringeren Kosten als bei den üblichen Beschichtungsverfahren hergestellt werden und hatte eine höhere Standzeit.

Beispiel 4

In einer Serienherstellung von Plungern für Kolbenpumpen, die zum Einsatz unter stark korrosiven Bedingungen bestimmt waren, wurde die Dichtfläche mit einer Schutzschicht aus 97% A1203 + 3% Ti02 versehen.

Die Plunger waren aus einer NiCr-Legierung der Zusammensetzung 20% Cr, 4% Fe, 0,5% Si, Rest Ni, hatten eine Länge von 850 mm und einen Durchmesser von 40 mm. Die Dichtfläche von 500 mm Länge wurde 0,8 mm dick beschichtet. Das Aufspritzen und Schleifen der Schicht erfolgte in einem Arbeitsgang. Auf der Vorschubeinrichtung einer Drehvorrichtung wurde dazu ein Flammspritzbrenner, wie er in Beispiel 1 verwendet wurde, montiert, und in einem Abstand von 20 mm von der Flammenachse eine Schleifeinrichtung angeordnet. Die Umfangsgeschwindigkeit des Plun-gers betrug 60 m/min, der Vorschub 0,2 m/min und die Schleifeinrichtung wurde mit 1200 U/min betrieben.

Der Pulverdurchsatz des Brenners betrug 0,7 kg/h und der Spritzabstand 80 mm.

Zur Kühlung wurde diametral gegenüber der Flammenachse eine C02-Düse mit einer Öffnung von 0,5 mm • 5 mm angebracht und 61 C02/min zugeführt. Ferner wurde eine Ringdüse mit Düsenöffnungen von 1 mm Durchmesser in 100 mm Abstand von der Flammenachse zwischen dieser und der Schleifvorrichtung um das Werkstück herum angeordnet und mit 41 Wasser/min beschickt. Die Temperatur der Schicht betrug vor der Wasserkühlung 100 °C und nach der Wasserkühlung 50 °C.

Es wurden damit Plunger von ausserordentlich hoher Standzeit in einer gegenüber den üblichen Herstellungsverfahren auf die Hälfte reduzierten Herstellungsdauer für die Schutzschicht erzeugt.

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S

1 Blatt Zeichnungen

Claims

656560

1. Verfahren zum Auftragen einer metallischen oder keramischen Schutzschicht auf einen Grundkörper durch thermisches Spritzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht in streifenförmigen Schichtteilen aufgetragen wird, die auf der Oberfläche des Grundkörpers aneinander anschliessend nebeneinander aufgespritzt werden, wobei die Höhe der genannten Schichtteile jeweils der gesamten Dicke der Schutzschicht entspricht, und dass während des gesamten Auftragvorgangs die Temperatur des Grundkörpers unter 300 °C gehalten wird und die Temperaturdifferenz zwischen dem Grundkörper und einer Stelle eines aufgetragenen Schichtteils, gemessen spätestens vor dem Auftragen des daran anschliessenden Schichtteils in der Nachbarschaft dieser Stelle, unter 100 °C gehalten wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes aufgetragene Schichtteil örtlich gekühlt wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man ein derartiges Abkühlen durchführt, dass die Temperatur des Grundkörpers 200 °C nicht überschreitet und die genannte Temperaturdifferenz zwischen dem Grundkörper und einer Stelle eines aufgetragenen Schichtteils 60 C nicht überschreitet.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man ein derartiges Abkühlen durchführt, dass die Temperatur des Grundkörpers 100 °C nicht überschreitet und die genannte Temperaturdifferenz zwischen dem Grundkörper und einer Stelle eines aufgetragenen Schichtteils 50 °C nicht überschreitet.

5. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen mit Hilfe mindestens einer Kühlvorrichtung mit fächerförmig angeordneten Austrittsdüsen für ein Kühlmittel erfolgt.

6. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen mit Hilfe mindestens einer Kühlvorrichtung mit ring- oder linienförmigen Austrittsdüsen für ein Kühlmittel erfolgt.

7. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen mit Hilfe mindestens einer Kühlvorrichtung mit über eine Fläche verteilten Austrittsdüsen für ein Kühlmittel erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Kühlmittel aus flüssiges Kohlendioxyd, Wasser, Stickstoff und Pressluft ausgewählt ist.

9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination von Kühlmitteln aus der Gruppe Wasser, flüssiges Kohlendioxyd, Stickstoff und Pressluft verwendet wird.