CZ64099A3

CZ64099A3 - Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem a kaše pro nanášení tvrdokovu

Info

Publication number: CZ64099A3
Application number: CZ99640A
Authority: CZ
Inventors: Gopal S. Revankar
Original assignee: Deere & Company
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 1999-06-16
Also published as: US5879743A; UA47491C2; CN1087983C; AR007698A1; DE69701894T2; CZ293506B6; RU2195516C2; AU722911B2; ZA977701B; DE69701894D1; EP0942797B1; IN192434B; CA2263919A1; WO1998008639A1; CA2263919C; CN1233988A; BR9713184A; AU4205997A; EP0942797A1

Description

Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem a kaše pro nanášení tvrdokovu í

i

·. » i

Oblast techniky

Tento vynález se týká způsobu potahování kovového povrchu,, jak je například kovový povrch obráběcího nástroje nebo zemědělského nástroje, pomocí tvrdého povlaku odolného proti opotřebení. Dále se pak týká kaše pro nanášení tvrdokovu na základový kovový povrch.

Dosavadní stav techniky

Povlakování kovového povrchu pomocí jiného kovu nebo kovové slitiny za účelem jejich vzhledu, ochraně proti korozi nebo vylepšení odporu proti opotřebení je velmi dobře známo v celém oboru metalurgie. Potahování nástrojů, obzvláště pak břitů řezných nástrojů tvrdou slitinou odolnou proti opotřebení je běžná průmyslová praxe, obzvláště pak v zemědělské oblasti . Často je toto nazýváno 7,na varování m”

I tvrdé vrstvy kovu nebo tvrdokovu,,, a podobně. Příklady podobných způsobů je možné nalézt v patentové přihlášce U.S. No.27852 od Alessiho, v patentové přihlášce U.S. No.5027878 a v patentové přihlášce U.S. No. 5443916od Revankara, a v patentové přihlášce U.S. No.4682987 od Bradyho a kolektivu, ♦ · **·· • *

I ·»· * » · · · · · ······ ***** · · ******* ·· «·*· *· ·· nebo v patentové přihlášce U.S. No.5456323 od Hilla.

Potahování kovového povrchu tvrdokovem je často prováděno netavením práškové slitiny tvrdokovu na povrch kovu jiného. Obvykle tato metoda zahrnuje potažení kovového povrchu vodnou kaší, vytvořenou z práškové homogenní slitiny, práškového tavidla, spojovacího činidla (pojivá) a rozpouštěcího činidla, dále přichází na řadu sušení kaše, aby došlo k vytvoření tuhé vrstvy a nakonec je provedeno zahřátí povrchu kovového materiálu na dostatečně vysokou teplotu, nutnou k zatavení slitiny do povrchu základového kovu. Tavidlo zde slouží k ochraně slitiny před reakcí s plyny v atmosféře tavící pece ve chvíli, kdy je slitina zahřívána na potřebnou teplotu. Rozpouštěcí činidlo podporuje jednolitost kaše. Spojovací činidlo' udržuje práškovou slitinu a práškové tavidlo na místě do chvíle, dokud slitinová kaše nevyschne na povrchu uvedeného základového kovu.

Jedním problémem tohoto způsobu potahování kovového povrchu tvrdokovem je to, že tavidlo, spojovací činidlo a rozpouštěcí činidlo v kaši zůstávají součástí zataveného povlaku tvrdokovu jako nežádoucí nekovové vměstky a snižují objem účinného povlaku odolného proti opotřebení, pokud jde o danou tlouštíku povlaku.

Dalším 'problémem s tímto způsobem' potahování kovového povrchu tvrdokovem podle současných znalostí je neuniformita tloušťky povlaku. Tento problém má dva důvody. Za prvé, aplikace kaše umožňuje, aby tato kase protékala, za podmínky že je vlhká, po svislých a šikmých površích a takto vytvářela nerovnoměrně rozloženou práškovou slitinu. Za • β · · · · • 44 ····♦···

4*44 t 4 4 · · · 4 fe · · · · 4 « V · 4 4 · 4 • 4 4 · 4 · · ••44 ·4· 44 4444 4· ·4 druhé, směs tavidla a spojovacího činidla použitá v povlakovací kaši se roztavuje ještě před táním povlakovaciho prášku a výsledná kapalina má proto tendenci vytlačovat částice prášku na svislých a šikmých površích a nerovnoměrně je rozmisťovat předtím, než se prášek slitiny začne zatavovat do povrchu potahovaného kovu.

Úkolem tohoto vynálezu je proto poskytnout způsob rovnoměrného potahování kovového povrchu slitinovým tvrdokovem, jenž je odolný proti opotřebení (otěru) a v podstatě neobsahuje žádné nekovové vměstky. Druhým úkolem tohoto vynálezu je poskytnout kaši ze slitiny odolné proti opotřebení, která by byla použitelná pro potahování kovového povrchu tvrdokovem.

Podstata vynálezu

Prvním úkolem tohoto vynálezu je zajištění způsobu potahováni kovového povrchu tvrdokovem, který by byl odolný proti opotřebení. První provedení tohoto vynálezu se tak, skládá z následujících kroků:

a) z vytváření v podstatě stejnorodé kaše z polyvinyl alkoholu a z tavitelné slitiny tvrdokovu ve formě jemně rozdrceného prášku,

b) dále z potahování základového kovového povrchu zmíněnou vodnou kaší,

c) dále z vysušování nanesené vodné kaše tak, aby tato zanechala na povrchu tuhou vrstvu tavitelné slitiny z tvrdokovu v matrici z polyvinyl alkoholu na základním kovovém povrchu,

Μ 99*9 « · · 9 9 9 9 9 9 9 «

9 · · 9 · 9 9.99

9999 99 999 999

9 9 9 9 9 9

9999 999 99 9999 99 99

d) dále ze zahřívání základového kovového povrchu potaženého vrstvou tavitelné slitiny z tvrdokovu v matrici z polyvinyl alkoholu na teplotu, při které dochází k zatavení slitiny v ochranné atmosféře do základního kovového povrchu, a

e) z ochlazování základového kovového povrchu s nataveným potahem ze slitiny tvrdokovu na teplotu okolního prostředí.

Kroky b) a c) mohou být opakovány jednou nebo vícekrát, aby bylo možné nanést silnější vrstvu potahu . ze slitiny v polyvinyl alkoholové matrici.

Druhé provedení způsobu potahování kovového povrchu tvrdokovem se skládá z následujících kroků:

a) z potahování základového kovového povrchu vodným roztokem polyvinyl alkoholu,

b) dále z nanášení v podstatě stejnorodé vrstvy tavitelné slitiny z tvrdokovu ve formě jemně mletého prášku na vrstvu roztoku polyvinyl alkoholu, tato vrstva slitiny se nanáší během procesního kroku b) ještě předtím, než roztok polyvinyl alkoholu uschne,

c) dále ze sušení povlaku vodného roztoku polyvinyl alkoholu tak, aby tento vytvořil tuhou vrstvu z tavitelné slitiny tvrdokovu, spojené se základovým kovovým povrchem pomocí potahu z polyvinyl alkoholu, .

d) dále ze zahřívání základového kovového povrchu potaženého vrstvou tavitelné slitiny tvrdokovu spojené s povlakem z polyvinyl alkoholu, a to na tavící teplotu slitiny, při které dochází v ochranné atmosféře k zatavení slitiny tvrdokovu do spodního základového povrchu, a ·« ···· I 9 9 • · · *·

e) z ochlazování základového kovového povrchu s netaveným potahem ze slitiny tvrdokovu na teplotu okolního prostředí.

Kroky a), b) a c) mohou být opakovány ' jednou nebo vícekrát, aby bylo možné vytvořit vrstvy slitiny, kdy je každá následující spojená s vrstvou pod ní pomocí povlaku z polyvinyl alkoholu a nejnižší vrstva je spojena se základovým kovovým povrchem.

Druhým úkolem tohoto vynálezu je vytvořit vodnou kaši z polyvinyl alkoholu a' z tavitelné kovové slitiny ve formě jemně mletého prášku používaného v prvním provedení tohoto způsobu. Přednostně je průměrná velikost Částic tohoto slitinového prášku 200 (velikost částic se udává velikostí ok v sítu, kterým dané částice projdou - U.S. norma).

Povlaky odolné proti opotřebení aplikované podle vynalezeného způsobu nanášení kaše s tvrdokovem jsou rovnoměrně husté a neobsahují v podstatě žádné vměstky, na rozdíl od povlaků aplikovaných podle současných metod. Proto jsou povlaky aplikované podle vynalezeného způsobu méně křehké a mají delší trvanlivost ve srovnání s povlaky nanesenými podle současných způsobů nanášení.

Příklady provedení vynálezu

Široce užívaný způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem, obzvláště u zemědělských zařízení, je popsán v U.S. patentové přihlášce No.27851. od Alessiho, která je zde uvedena jako referenční odkaz. Metoda v této patentové přihlášce uvedená se skládá z: a) přípravy vodné kaše

ΒΒ BBBB • · Β • Β ΒΒ

ΒΒ Β· ΒΒ ΒΒ • · · · · · Β

Β Β ΒΒ«·

Β Β Β ΒΒ· ΒΒΒ Β Β · Β

ΒΒ ΒΒΒΒ ΒΒ ΒΒ z práškové slitiny tvrdokovu, spojovacího činidla a tavičtla, dále b) z povlakování povrchu kovu, který má být opracován uvedenou kaší, c) z odstranění obsahu vody z uvedené kaše pomocí nízké teploty, aby celý komponent byl tvořen suchou slitinou tvrdokovu, tavidlem a spojovacím činidlem na kovovém povrchu a nakonec d) ze zahřátí celé kovové součásti na dostatečně vysokou teplotu, aby došlo ke spečení slitiny tvrdokovu a vytvoření pevně spojené vrstvy, tvrdokovu na povrchu kovové součásti. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem podle tohoto vynálezu je vylepšením Alessiho způsobu nanášení a současných způsobů nanášení založených na Alessiho principu, tj . způsobu označovaném v U.S. patentové přihlášce No. 5456323 jako „Dura-Face,, .

U současných způsobů potahování kovového povrchu tvrdokovem založených na Alessiho principu se kombinace tavidla -a spojovacího činidla, používaná k přípravě povlakovací kaše, taví do formy kapaliny při mnohem nižších teplotách, než je teplota tavení obsaženého slitinového prášku v kaši. Kombinace tavidla a spojovacího činidla dále existuje jako kapalina, i při vyšších teplotách fúze slitinového prášku. Nicméně kombinace tavidla a spojovacího činidla není schopna vyplout na povrch natavené slitiny v krátkém čase fůze zcela a ještě předtím, než kov vytvrdne. Proto je kombinace tavidla a spojovacího’činidla' 1 zachycena,, ve hmotě slitinového povlaku v podobě malých nekovových částic, které jsou nazývány „vměstky,,. Tyto vměstky jsou relativně jemné a křehké a proto oslabují slitinový povlak a snižují jeho odolnost proti opotřebení. I když je poskytnut dostatečný čas k tomu, aby kombinace tavidla a spojovacího *9 9···

I * 444 9 9 4 4 4 9 »

444 4 4 4 444 444

4 4 4 4 4 4

44·· ··· ·· ···· ·4 44 činidla vyplula na povrch skrze natavenou vrstvu slitinového materiálu, nebude tato kombinace tavidla a spojovacího činidla odstraněna z uvedeného povlaku, ale vytvoří součást vrchní nanesené vrstvy.

Dále, protože teplota tání kombinace tavidla a spojovacího činidla se pohybuje dost nízko pod hodnotou teploty tání povlakovací slitiny, stává se tato kombinace tavidla a spojovacího činidla kapalinou s nízkou viskozitou dosti dlouhou dobu předtím, než je dosaženo teploty fúze slitiny. Termín „fúze,, zde znamená, že jemně rozdrcená prášková slitina se stává měkčí a jednotlivé částice se roztavují a spékají tak, že vytváří spojitý povlak. Kapalná kombinace tavidla a spojovacího činidla má tendenci snadno protékat na površích, které nejsou vodorovné a unáší s sebou i částečky práškové slitiny a to ještě předtím, než dojde k fúzi slitinového prášku. Takto má roztavení kombinace tavidla a spojovacího činidla za následek nestejnorodou tlousúku ztuhlého povlaku a dále špatné vlastnosti vzhledem k odolnosti proti opotřebení slitinového povlaku.

U prvního provedení způsobu podle tohoto vynálezu je vodný roztok polyvinyl alkoholu (PVA) použit jako spojovací činidlo ve vodné kaši slitinového prášku bez tavidla. Polyvinyl alkohol se v případě, že je zahřátý na jistou teplotu, neroztaví do podoby termoplastu, ale dekomponuje díky ztrátě vody ze dvou přiléhajících vodíkových skupin při teplotě nad hodnotou 150°C. Když je povlak z polyvinyl alkoholu a slitiny zahřátý na teplotu fúze slitiny, polyvinyl alkohol se téměř úplně odpaří z povlaku a zanechá po sobě shluk částic čisté práškové slitiny s dostatečnou • · • · ··· · · · · · • · · * * · · · · • · · » * * * * · · φ · · · · · ······» *· ···· ·· kohezní pevností, která zajistí její splynutí se základem a také vytvoření čistého a hustého kovového povlaku bez vměstků.

Nicméně z důvodu, že polyvinyl alkohol dekomponuje a uniká ještě dost hluboko pod teplotou ..fúze. slitinového prášku tvrdokovu, tak nechrání slitinu, když dosáhne teploty fúze, před reakcí s atmosférickými plyny, jako jsou kyslík, dusík a oxid uhličitý. Tato ochrana je právě účelem materiálu tavidla, který je u tohoto vynálezu záměrně nepoužit. Proto je ochranná atmosféra přednostně zajištěna během zahřívání, fúze a ochlazování tam, kde je slitina při zvýšené teplotě náchylná k reakci s atmosférickými plyny.

V laboratoři a v malém měřítku může být fúze slitiny snadno prováděna ve vakuové peci (0,0133332 Pa = 0,0001 torr = 0,1 pm) , kde je zajištěna účinná eliminace vlivu atmosférických plynů. Pec s možností provozu ochranné atmosféry za nízkého tlaku (asi 100 ~ 200 pm) inertního plynu, například argonu nebo hélia, muže být rovněž použita:. Při nízkých tlacích může být rovněž použit dusík, ačkoliv s ním nejsou výsledky tolik příznivé jako s argonem nebo jiným netečným plynem. Nicméně nízkotlaké nebo vakuové operace s inertním plynem ve vakuové peci jsou relativně drahé a pomalé. Inertní plyny, tj. argon a hélium, s tlakem jen o něco vyšším než je atmosférický tlak~a' redukční'plyny, jako je vodík, rovněž při tlaku jen o něco vyšším než je atmosférický tlak, mohou být použity jako ochranná atmosféra během fúze slitiny a to s přijatelnou výrobní rychlostí. Vodík, protože je levnější než argon nebo hélium, je upřednostňován jako ochranný plyn ve velkosériové výrobě.

·« 0040 ·· ·* ·· ·»

Β * t · · · · 0 0 0 ♦ • · · · 0 · · · *« * • 9 0 t · 0 0 ·♦···· « 0 * · 0 0 0 • 00 000 · 0000 ·0 0·

Pece, které využívají vodík jako ochranou atmosféru, jsou známy v současných metalurgických technologiích a jsou běžně komerčně dostupné.

Kase používaná u způsobu potahování kovového povrchu tvrdokovem podle tohoto vynálezu je připravována pečlivým promícháním práškové slitiny z tvrdokovu s roztokem spojovacího činidla, tvořeného polyvinyl alkoholem (PVA), aby bylo dosaženo požadovaného hmotnostního poměru slitiny ku spojovacímu činidlu. Složení kaše zde popsané je určeno osmimístným číselným kódem. Například u kaše s číslem „0550/0750,, první čtyřčíslí „0550,, znamená, že je zde hmotnostní poměr 5,5:1 mezi práškovou slitinou k roztoku polyvinyl alkoholu a druhé Čtyřčíslí „0750,, znamená hmotnostní 7,5% roztok polyvinyl alkoholu jako spojovacího činidla. Podle tohoto označení je desetinná čárka umístěna uprostřed každé čtyřčíselné skupiny. Podobně, „1075/1025,, znamená poměr slitiny ku polyvinyl alkoholu 10,75:1 a vodný roztok polyvinyl alkoholu má 10,25% hmotnostních ve vodě.

Ti, kteří mají své zkušenosti v oboru metalurgie, jistě ocení možnost, že získaný rovnoměrný a otěru odolný povlak na ošetřovaném kovovém povrchu je čistý a holý kov, bez oxidů. Přednostně, před požitím způsobů potahování kovového povrchu tvrdokovem podle tohoto vynálezu, je kovový povrch

-**·» určený k potažení ošetřen očištěním na holý kov. Vhodné je rovněž, aby kovový povrch byl připraven k potahování očištěním teplým detergentem a pak abrazivním otryskáním. Přednostně je velikost otryskávacího média mezi 80 a 120. Pokud má být potahováno jenom několik kusů, může být povrch zbaven oxidů pomocí obroušení jemných brusným papírem nebo • 4 * φφφ • · · 4 Φ • · · Φ Φ · · «·· Φ · * Φ Φ Φ · >

• · · · Φ Φ

A 4 *11« « * · · tkaninou, například brusným papírem s zrnitostí 120. Abrazivní materiál může být v podstatě jakýkoliv tvrdý prášek, například oxid hlinitý, stejně jako mnoho dalších běžně komerčně dostupných abraziv.

U prvního provedení způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem podle tohoto vynálezu je upřednostňovaná procedura pro nanášení kaše na kovový povrch určený k pokovení závislá na tvaru a velikosti kovové součásti s kovovým povrchem, stejně jako na poměru slitiny a koncentrace spojovacího činidla polyvinyl alkoholu. Obvykle se povlakovací kaše nalije, nanese štětcem nebo nastříká na kovový povrch jenž má chránit, nebo samotná součást určená k pokovení může být do kaše namočena. Tato procedura je užitečná i pro relativně silné potahy, například až do tlouštíky 0,75 milimetrů (0,03 palce), avšak stejnoměrnosti tlouštíky potahu je někdy obtížné dosáhnout a udržet ji. Pro tuto proceduru se přednostně poměr slitiny a roztoku polyvinyl alkoholu pohybuje v rozsahu od 4:1 až do 8:1 a koncentrace roztoku polyvinyl alkoholu je od 1% až do 15% hmotnostních. Například, pro tuto proceduru jsou vhodné kaše s následujícími poměry a koncentracemi: 0500/0500, 0600/0150, 0700/0150, 0500/0750, 0600/0750.

Nanášení povlaku nástřikem vyžaduje kaši, v níž bude usazování práškové slitiny pomalé. Podle Stokesova' 'zákona mezní rychlost (tj . rychlost bez dalšího zrychlování) „V_t„ částice prášku slitiny při pohybu skrze sloupec kapaliny je přímo úměrná kvadratické hodnotě poloměru „r„ částice, jejíž tvar se předpokládá kulovitý a je nepřímo úměrná viskozitě kapalného média, ,,η„, t j. V_t = r²/fi · Proto platí, že čím

9 4 4

4 4 *

494 44* *

94 • 4 • τ ···» ·

4*4 4

444 ·

9 4 4 * ·

44*4444 * *

*49 menší bude velikost částic prášku slitiny a čím vyšší bude viskozita spojovacího činidla, tak tím menší bude rychlost sedimentace částic práškové slitiny. Vliv poloměru částice vsak bude mít díky své kvadratické hodnotě vliv na sedimentaci větší než viskozita. Například poloměr částic o velikosti 200 a 325 bude 75 pm a 45 gm a viskozita bude pro 5% a 7,5% roztok polyvinyl alkoholu 15 mPa.s a 70 mPa.s. Hodnota V_t pro velikost částic prášku 325 v 7,5% spojovacího činidla roztoku polyvinyl alkoholu pak bude 13x nižší, než by byla hodnota V_t pro velikost částic prášku 200 v 5,0% spojovacího činidla roztoku polyvinyl alkoholu. Sedimentační rychlost proto může být vhodně řízena volbou kombinace koncentrace spojovacího činidla a velikosti částic prášku.. Například usazování slitinového prášku v nezamíchané kaši 0500/0750 s velikostí částic 200 je po 20 minutách zanedbatelné.

Vyšší koncentrace spojovacího činidla, například 10% (viskozita spojovacího činidla je zde 250 mPa.s) povede k dalšímu snížení rychlosti usazování, ale odpovídající velké zvýšení viskozity kaše znemožní tuto kaši použít k nanášení nástřikem. Nicméně kaše vyšší viskozity mohou být použity pro alternativní nanášecí procedury, tj. pomocí past a pásek, jak bude uvedeno dále.

Kaše s hustou kompozicí, tj. s vysokým'poměrem slitiny ku roztoku polyvinyl alkoholu, mohou být aplikovány jako vytlačovací pasty, nebo mnohou být svinuty do pásek pro nalepení na kovový povrch. Obě tyto nanášecí procedury nicméně obvykle vyžadují speciální aditiva, která pracují jako disperzanty, deflokulanty a plasticizéry. Pro tyto • ·

ΦΦ ΦΦΦΦ 1 » φ · · * · φ · φ • φφφ • · 4

Φ ♦ • · • Φ Φ 4 procedury se poměr slitiny a roztoku polyvinyl alkoholu obvykle pohybuje v rozsahu asi od 8:1 do 15:1 hmotnostně a koncentrace roztoku polyvinyl alkoholu je okolo 6% až asi 15% hmotnostních. Obvyklé příklady hustých kaší jsou 1000/1000, 1200/1500 a 1500/1200. Metody pásku a pasty mohou být použity pro silné povlaky. Nicméně tyto procedury jsou obtížně uzpůsobitelné pro prostředí rychlé výroby.

Když je vyžadován silný povlak, spolehlivou a ekonomickou alternativou k pastám a páskům je procedura vícevrstvého povlaku, která zajišťuje rovnoměrně hustý povlak kaší a to i na velkých površích. Požadovaná tloušťka může být zajištěna opakovaným nástřikem s mezilehlými sušícími cykly. Sušení může probíhat asi při 80-j-l20°C v peci s nucenou cirkulací. Kaše 0500/0750 je obzvláště vhodná pro tento způsob ačkoliv mohou být použity rovněž i další složení.

Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem je obzvláště vhodný pro pokovení ocelových součástí vystavovaných silným rázům, korozi a abrazivnímuopotřebení. Tyto součásti mohou být nástroje (obzvláště nástrojové břitové destičky), ložiska, písty, klikové hřídele, ozubená kola, součásti strojů, palné zbraně, zemědělské nástroje a chirurgické nástroje. Způsob může být použit pro pokovování kujného železaa šedé litiny tvrdokovem,tyto materiály ’ jsou často používány k odlévání součástí jako je například blok motoru a skříně různých strojních sestav. Slitina může být zatavena do povrchu kovu z lité oceli při teplotě jen o málo nižší než je bod tavení železné součásti. Dále způsob podle tohoto vynalezu může být použit k potahování neželezných

9999 «·« 9999 999«

9999 9 9 9 9 99 9

999 « 9 t 999999

9 9 9 9 9 9

99*9*9* ** ·«·· ·* «9 kovů a slitin za předpokladu, že slitina tvrdokovu je kompatibilní s kovovým povrchem, který bude pokovován a fúzní teplota slitiny k pokovení je značně hluboko pod bodem tavení kovu, který je nanášen na povrch.

Alternativně, při použití druhého provedení tohoto vynálezu může být kovový povrch, jenž má být ochráněn, potažen vodným roztokem polyvinyl alkoholu (asi 1% až 15% hmotnostních polyvinyl alkoholu), aby takto došlo k vytvoření povlaku ze spojovacího činidla, toto je následované rozprostřením suchého prášku slitiny na roztok spojovacího činidla z polyvinyl alkoholu, zatímco je tento stále vlhký, přednostně při použití práškové stříkací pistole, nejlépe pracující se vzduchem. Přednostně jak vodný roztok polyvinyl alkoholu tak i slitinový, prášek jsou nastříkány na povrch kovu. Spojovací činidlo z polyvinyl alkoholu je poté usušeno, aby byla získána tuhá vrstva ze slitinového prášku spojeného s povrchem pomocí povlaku z polyvinyl alkoholu. Vícenásobné vrstvy ze slitinového prásku mohou být získány postupným nanesením vrstev roztoku polyvinyl alkoholu a vrstev slitinového prášku a následným usušením každé vrstvy povlaku z roztoku polyvinyl alkoholu spojující slitinové vrstvy předtím, než bude nanesená následující vrstva polyvinyl alkoholu. Toto provedení způsobu eliminuje problémy se sedimentací* prášku^1;v kaši a tečení . kaše v silných povlacích. Dále toto je provedení velmi vhodné pro výrobu s vysokou rychlostí.

Tepelné zpracování kovu za účelem modifikace nebo vylepšení jeho vlastností je velmi dobře známo a často používáno v oblasti metalurgie. Viz například „Příručka

0'0 00·· ·· 00 00 00 • 00 0 0 0 0 0000

0000 0 0 0 0 00 0

0*0 0 0 0 000 *00 · 0 ‘0 0 0 0

0000 000 00 00*0 0« 0* tepelného zpracování kovů,, (Heat Treatment Handbook) , vydaná nakladatelstvím ASM International, Metal Park v Ohiu v roce 1991. Proces tepelného zpracování v základech zahrnuje rovnoměrné zahřátí kovu na jeho austenitizační (jinak také kalící) teplotu, pak jeho rychlé ochlazení, v chladícím médiu, jako je například voda, chladící olej nebo polymerní chladící médium,, případně vzduch. Kovová součást, mající povrch potažený tvrdokovem podle způsobu zde uvedeného, může být tepelně zpracovávána po svém vynětí z pece po zatavení slitinového prášku do povrchu a to pomalým ochlazením na teplotu . austenitizace' (kalící teplota) a pak rychlým ochlazením po ponoření do vhodného chladícího média. Alternativně může být kovová součást, mající povrch potažený tvrdokovem, tepelně zpracovávána zahřátím na kalící teplotu (austenitizace) a pak ochlazením.

Spojovací činidlo z polyvinyl alkoholu, na rozdíl od kombinace tavidla a spojovacího Činidla uváděná podle současných znalostí technologie, se neroztavuje a netvoří taveninu před, nebo během fúzního potahovacího procesu a proto neposkytuje možnost, aby potahovací slitinový prášek „cestoval,, předtím, než začne fúzovat s povrchem. Tato vlastnost polyvinyl alkoholu zajišťuje, že finální tloušťka zataveného povlaku odpovídá počáteční tloušťce povlakovací kaše v každém místě povlaku. Kaše až -do· tloušťky 1,016 milimetru (0,040 palce) zatavené do vertikálního povrchu z ocelového materiálu nevykázaly žádné přemístění práškového materiálu před a nebo během fúze. Kaše až do tloušťky 1,5 milimetru (0,060 palce) na povrchu skloněném pod úhlem 60° rovněž neprokázaly žádný tok kovu. Takto polyvinyl alkohol ··· · · · · · · * · ·*«· » · · ··«· • »«· * « · *····* • · · · · · ···· ··· ·* ···· ·· «* jako spojovací činidlo minimalizuje problém s nerovnoměrností povlaku, se kterým se setkáváme při pokovovacích procesech v současné době.

Revankar a kolektiv v U.S. patentové přihlášce No.5027878 používá polyvinyl alkohol při ódpařovacím modelovém odlévání nebo při EPC procesu a to jako.prostředek k přidržení keramických částic, jako jsou například částice •í karbidů kovů, na místě v polymerovém modelu, který je poté umístěn do pískové formy do níž je železná tavenina odlita. Nicméně U.S. patentová přihláška No.5027878 uvádí, že keramické částice se používají k nasycení železa’ a nikoliv k zatavení do kovového povrchu, jako tomu je u slitinových částic používaných u způsobu potahování kovového povrchu . tvrdokovem podle tohoto vynálezu. Dále U.S. patentová přihláška No.5027878 uvádí přednostní použití keramických částic velikosti asi 30, nejlépe pak velikosti asi 100, zatímco slitinové částice podle tohoto vynálezu mají přednostní velikosti 200 nebo jemnější.

Polyvinyl alkohol (PVA) jako spojovací činidlo, použitý podle tohoto vynálezu, je levný a vzhledem k životnímu prostředí bezpečný polymer. Při absenci kyselin nebo zásad je vodný roztok polyvinyl alkoholu stabilní rovněž i po několika měsících skladování při pokojové teplotě. Stabilita ' roztoku polyvinyl· alkoholu je výhodná*¹ pro⁷’ výrobu’.Když ' jé slitinový prášek s roztokem polyvinyl alkoholu jako spojovacím činidlem zahřát na' fúzní teplotu slitinového prášku v ochranné atmosféře jako je argon nebo hélium nebo v redukční atmosféře jako je například vodík, roztok polyvinyl alkoholu še obvykle zcela odpaří, což vede • 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4« 4 4 «4· 4444 44·«

4444 4 · 4 fe 4 fe «

44 4 fe 4 4 444 444

4 4 4 4 4 4 • 444 444 44 4444 44 4« k hustému povlaku ze slitiny bez jakýchkoliv vměstků.

Slitina vhodná pro použití v technologii podle tohoto vynálezu je podstatně tvrdší a mnohem odolnější proti opotřebení, než je ocel obvykle používaná pro nástroje, ozubená kola, součásti motoru a zemědělské nástroje, například ocel třídy 1045 (ekvivalentní ocel podle normy ASN - 12 050). Přednostně má slitina hodnotu Knoopovy tvrdosti v rozsahu od 800 do 1300. Slitina má fúzní teplotu asi 1500°C nebo nižší, například tu, která je nižší než bod tání kovu, jenž má být pokovován. Přednostně má slitinový prášek dostatečně nízkou velikost částic, aby dokázal vytvořit homogenní kaši a rovnoměrný povlak na povrchu základového kovu. Přednostně je slitina jednofázová a dále má fúzní teplotu nejlépe v rozsahu mezi 900°C'až 12OO°C. Je ve formě jemně rozemletého prásku s částicemi o obvyklé velikosti od 90 přibližně do 400. Přednostně je průměrná velikost částic prášku slitiny jemnější než 200 a nejlépe pak jemnější než 325.

Slitiny vhodné pro použití v technologii podle tohoto vynálezu jsou přednostně vybírány alespoň ze 60% mezi přechodovými kovy z 8. sloupce periodické tabulky, jako je například železo, kobalt, nikl, tj. slitiny založené na obsahu železa, kobaltu, nebo niklu, avšak mohou být založeny ^rrovněž i na jiných kovech, pokud si slitiny budou’ udržovat*”*“ fyzikální.vlastnosti uvedené výše. Minoritní složky (obsah asi od 0,1% do 20%) jsou zastoupeny obvykle bórem, uhlíkem, chrómem, železem (ve slitinách založených na kobaltu nebo niklu), manganem, niklem (ve slitinách založených na kobaltu nebo železe), křemíkem, wolframem nebo jejími kombinacemi.

··44 • ·

Viz také Allesi. Prvky ve stopových množstvích (méně než 0,1% obsahu), jako je například síra, mohou být přítomny minimálně, neboť jde o látky znečišťující. Ačkoliv může být možné připravit slitinu obsahující radioaktivní, vysoce toxické nebo vzácné prvky, které by vyhovovaly z fyzikálního a chemického hlediska všem požadavkům jak jsou uvedeny výše, takováto slitina by mohla mít omezenou nebo zcela žádnou praktickou hodnotu a to z důvodu zdravotního ohrožení, bezpečnosti a/nebo z ekonomických důvodů.

Způsoby přípravy jemného prášku slitiny jsou v současné době v metalurgii velmi dobře známy. Informace a podklady pro tvorbu slitinových prášků vhodných pro tento vynález mohou být nalezeny ve standardních metalurgických příručkách pojednávající o této problematice, jejichž příkladem může být obzvláště „Příručka práškové metalurgie,, (Handbook of Powdered Metallurgy), druhé vydání (obzvláště část od strany 22.), vydané nakladatelstvím Chemical Publishing Co., Inc.., v roce 1982. Práškové slitiny užitečné pro tento vynález jsou dostupné od běžných komerčních dodavatelů, jako jsou Wall Colmonoy Corporation, Madison Heights, MI a nebo SCM Metal Products, Inc., Research Triangle Park, NC.

Následující příklady jsou zde předloženy k názornější ilustraci tohoto vynálezu a nemohou být povazovány za žádné * jeho omezení'. -

Příklad 1, - Slitiny

Slitiny vhodné pro způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem podle tohoto vynálezu zahrnují, ale neomezují se

* 4

4 44 44 β « 4*4 • 4 « 4 · 4 • 4 ’Ί·

4 • 4 · 4 *4^4

4 '4 4 4 4 44 4 ?,= 4 4 4

4 4 4 4 «

4444 44 4 pouze na ty, jenž jsou popsány v Tabulce 1.

TABULKA 1.

Složení prvků {hmotnostní procenta) vybraných slitin vhodných pro potahování kovového povrchu tvrdokovem

Prvek	Slitina č.l (%)	Slitina č.2 (%)	Slitina č.3 (%)	Slitina č.4 {%)
Bór (B)	3,00	3,29	3,08	2,00
Uhlík (C)	0,70	2,18	1,98	0,60
Chróm (Cr)	14,30	14,44	14,12	12,35
Kobalt (Co)	—		—	Zůstatek
Železo (Fe)	4,00	Zůstatek	Zůstatek	1,30
Mangan (Mn)	—	0,31	0,50	—
Nikl (Ni)	zůstatek	5,72	5/64	23,5
Křemík (Si)	4,25	3,09	2,74	1,90
Wolfram (W)	—	—	—	7,60

Příklad 2. - Aplikace povlaku odolného proti opotřebení na šablonu v ochranné atmosféře argonu

Polyvinyl alkohol (PVA) (roztok 75-15 Elvanolu™ a - .(F -'* ¥* 4M-4W- v * W J4C -ΜΡ*' p, (obchodní značka) dodaného firmou DuPont) je smíchán s dostatečným množstvím vody, aby byl vytvořen roztok polyvinyl alkoholu 7,5% hmotnostních. Slitina č.3 (viz Tabulka 1., příklad 1.) ve formě prášku s průměrnou velikostí částic asi 200, dodaná firmou SCM Metal Products,

4 4 4 4 4

4 4 4

444 4

4*4

4 4

4

4 4 lne., je dodána do roztoku polyvinyl alkoholu v hmotnostním poměru 5,0 dílů slitiny č.3 ku 1 dílu roztoku polyvinyl alkoholu a je tak vytvořena kaše typu 0500/0750.

Šablona je omyta- teplým roztokem detergentu a plocha, která má být potažena povlakem je otryskána do matného povrchu pomocí abraziva s velikostí částic 100. Vrstva- -o tlouštice 2 milimetry kaše, tvořené práškovou slitinou a polyvinyl alkoholem, je nastříkána na plochu šablony, která má být potažena a tato šablona je zahřívána v peci s nuceným oběhem na teplotu asi 120°C a to po dobu 30 4- 60 minut, dokud kaše neuschne nevytvoří na povrchu pevný nános práškové slitiny s polyvinyl alkoholem. Šablona je poté přenesena do vakuové pece, která pracuje s argonem s parciálním tlakem částic 100 ť 500 mikronu. Šablona je poté zahřáta na teplotu asi 1100°C a na této teplotě je udržována do doby, než je fúze povlaku do povrchu základové šablony ukončena (což trvá asi 2 až 10 minut) . Šablona je poté pomalu a rovnoměrně ochlazována při stálém udržování atmosféry argonu, dokud teplota nedosáhne hodnoty asi 300°C nebo nižší. Při této teplotě je šablona vyjmuta z pece a ochladne na okolní teplotu. Zde pojem „okolní teplota,, znamená synonymum pro „pokojovou teplotu,,, tj . teplotu kolem 15°C až 35°C.

Příklad 3. - Aplikace povlaku odolného proti opotřebení na šablonu v ochranné atmosféře-.vodíku

Povlak odolný proti opotřebení je nanesen na Šablonu stejným způsobem, jako u příkladu č.2, kromě toho, že • a ·* ·· «a

šablona je zahřáta ve vakuové pecí pod ochranou atmosférou vodíku s lehce kladným tlakem, což je asi 7,15 -ť 14,3 kPa (1 4- 2 PSIG) .

Příklad 4, - Tepelné zpracování kovového substrátu

Povlak odolný proti opotřebení je nanesen na šablonu stejným způsobem, jako u příkladu č.2. Pak je šablona znovu zahřáta na austenitizační teplotu (kalící teplotu) určenou pro ten který typ ocelí (například 845°C pro ocel třídy 1045 (ekvivalentní ocel podle normy ČSN - 12 050) ) . Pak je šablona zakalena v komerčně dostupném kalícím oleji. Poté je Šablona znovu zahřáta na teplotu asi 275°C až 300°C, kdy dojde k popuštění martenzitu, který se vytvořil při kalení a posléze je šabloně umožněno ochladit se na okolní teplotu na vzduchu.

Příklad 5. - Aplikace povlaku odolného proti opotřebení na mlatku obilného kombajnu

Povlak odolný proti opotřebení je nanesen na povrch mlatky nastříkáním kaše ze slitiny č.2 (Tabulka 1., příklad 1.), tj. slitiny s hmotnostním poměrem slitinového prášku ku roztoku polyvinyl alkoholu 6,0:1’'a' 5,0% vodného roztoku polyvinyl alkoholu na očištěný povrch, čímž je vytvořena kaše o složení 0600/0500. Po usušení kaše na povrchu mlatky způsobem podobným jako pro proceduru v příkladu 2.,. je slitina zatavena do povrchu mlatky v kontinuální peci v ochranné atmosféře vodíku s pozitivním tlakem při teplotě ·» t«»l 9· Μ 9* «·

999 9 9 9 999» »999 9 · 9 9 99 ·

99» 9 9 9 9999··

9 9 9 9 9 9

9999 999 99 9999 99 «>

kolem 1100°C. Potažená mlatka je poté ochlazena na austenitizační (kalící) teplotu, která je zvolena podle typu substrátové oceli jak již bylo uvedeno pro příklad 4., zmíněný výše. Pak je substrátová ocel zakalena v komerčně dostupném kalícím oleji nebo v polymerním chladícím médiu, opět závislém na typu substrátové oceli. Zakalená mlatka pak může být dále tepelně zpracována, podobně jako u příkladu 4 . .

Příklad 6, - Aplikace povlaku odolného proti opotřebení na hranu čepele sekačky na trávu

Čepel sekačky na trávu je potažena tvrdokovem odolným proti opotřebení podle procedury popsané v příkladu 2., kromě toho, že namísto slitiny č.3 (Tabulka 1., příklad 1.) je použita slitina č.l. Ta je poté tepelně zpracována stejně jako v příkladu 4..

Příklad 7, - Aplikace povlaku odolného proti opotřebení na odlitek skříně přídržky podavače u zemědělského kombajnu, vyrobené z kujné oceli

Povrch skříně přídržky je připraven tak, aby mohl na *sebe při jmout·“ povlak odolný 'proti ' opotřebení ^stejně jako v příkladu 2.. Součást, která má být pokovována tvrdokovem je poté nastříkána 10% vodným roztokem polyvinyl alkoholu. Okamžitě poté je plocha pokrytá polyvinyl alkoholem nastříkána práškem ze slitiny č.-4 (Tabulka 1., příklad 1.) a skříň přídržky je zahřáta ve vzduchové peci s nuceným oběhem

000«

I · 0

0 0 0

0· 0.00 0 0 0 0 0 ' » 0 0 0 0

0000 na teplotu asi 120°C, dokud spojovací činidlo z polyvinyl alkoholu neuschne a nevytvoří na povrchu nános společně s práškem slitiny. Oblast součásti, která nemá být pokovena tvrdokovem je ošetřena setřením polyvinyl alkoholu a slitinového prášku. Je nutné poznamenat, že u tohoto druhého provedení vynalezeného způsobu potahování kovového povrchu tvrdokovem není zapotřebí vytváření kaše před aplikací slitinového prášku.

Skříň přídržky je poté zahřáta na teplotu asi 1100°C, kdy dochází k zatavení povlaku. Zahřátí je provedeno v kontinuální peci s dopravníkem v ochranné atmosféře vodíku s pozitivním přetlakem, což je asi 7,15 ť- 14,3 kPa (1 4- 2 PSIG) a pak je skříň přídržky udržována na teplotě asi 1065°C až 1075°C a to přibližně po dobu 2 až 5 minut. Poté je skříň přídržky přenesena do austenitizační a popouštěcí solné lázně, zahřáté na teplotu asi 275 až 325°C, kde je udržována po dobu asi 4 až 6 hodin při uvedené teplotě, dokud nedojde k dokončení transformace materiálové struktury. Pak je součást z lázně vyjmuta a ochlazena na vzduchu na okolní teplotu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem \ odolným proti opotřebení, vyznačující se tím, že se skládá a) z vytváření homogenní vodné kaše z polyvinyl alkoholu a zatavitelné slitiny tvrdokovu ve formě jemně rozdrceného prášku, dále b) z potahování základového kovového povrchu uvedenou vodnou kaší, dále c) ze sušení této vodné kaše tak, aby tato kaše vytvořila tuhou vrstvu zatavitelné slitiny tvrdokovu v matrici z polyvinyl alkoholu na základovém kovovém povrchu, dále d) ze zahřívání základového kovového povrchu potaženého vrstvou zatavitelné slitiny tvrdokovu v matrici z polyvinyl alkoholu na fúzní teplotu slitiny a to v ochranné atmosféře, dokud se slitina zcela nezataví do základového kovového povrchu a nakonec e) z ochlazení základového kovového povrchu se zataveným povlakem z tvrdokovu na okolní teplotu.

2 . Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem odolným proti opotřebení podle nároku 1., v y z n a č u j í c í se tím, že kroky c) a d) jsou zopakovány alespoň jednou. 3 . Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem odolným ’ proti opotřebení podle 'nároku' ' 1., v y z n a č u j í c í se tím, ze . slitina je tvořena železem alespoň ze 60%. 4 . Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem odolným proti opotřebení podle nároku 1., v y z n a č u j í c í se tím, že slitina se

aa a a aa aaa · a a * aaaa a aaa · a a aaa· • a · · a a a ·«·*·· a a · a a · « aaaa a«a a· aaaa aa aa aa aaaa skládá z jednoho nebo více prvků vybraných ze železa, niklu a kobaltu a ze dvou nebo více prvků vybraných ze skupiny obsahující bór, uhlík, chróm, molybden, mangan, wolfram a křemík.

5. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem

odolným proti opotřebení podle nároku 1. , vyzná č u j i c í se tím, >u> z e kovový povrch je vytvářen na zemědělském nástroj i. 6. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem odolným proti opotřebení podle nároku 1. ,

vyznačující se tím, že slitina je zahřáta na fúzní teplotu pod ochrannou atmosférou argonu.
7. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem odolným proti opotřebení podle nároku 1., vyznačující se tím, že slitina je zahřáta na fúzní teplotu pod ochrannou atmosférou vodíku.
8. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem odolným proti opotřebení, vyznačující se tím, že se skládá a) z potahování základového kovového povrchu vodným roztokem polyvínyl alkoholu, dále b) z nanášení rovnoměrné vrstvy zatavitelné slitiny tvrdokovu ve formě jemně rozdrceného prášku na povlak z roztoku polyvinyl alkoholu, aplikovaného během kroku a) a to ještě předtím, než roztok polyvinyl alkoholu- uschne,“dále c) ze sušení povlaku z vodného roztoku polyvinyl alkoholu tak, aby došlo k vytvoření tuhé vrstvy zatavitelné slitiny tvrdokovu spojené se základovým kovovým povrchem pomocí vodného roztoku polyvinyl alkoholu, dále d) ze zahřívání základového kovového povrchu potaženého vrstvou zatavitelné slitiny • 0 »0»0 • 0 *

t*

0 00 · • 0 00 • · 0 · • · 0 · ·· ·· · • · • 0 00 tvrdokovu spojené pomocí vodného roztoku polyvinyl alkoholu na fúzní teplotu slitiny v ochranné atmosféře do doby, než dojde k úplnému zatavení slitiny, a e) z ochlazování kovového povrchu se zataveným potahem z tvrdokovu na okolní teplotu.
9. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem

odolným proti opotřebení podle nároku 8., v y z n ačující se tím, že kroky a) , b) a c) jsou zopakovány alespoň jednou. 10. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem

odolným proti opotřebení podle nároku 8., vyznačující se tím, že slitina je tvořena železem alespoň ze 60%.
11. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem odolným proti opotřebeni podle nároku ' 8., vyznačující se tím, že slitina se skládá z jednoho nebo více prvků vybraných ze železa, niklu a kobaltu a ze dvou nebo více prvků vybraných ze skupiny obsahující bór, uhlík, chróm, molybden, mangan, wolfram a křemík.
12. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem odolným proti opotřebení podle nároku 8., vyznačující se tím, že kovový — povrch je vytvářen na zemědělském nástroji. '

13 . Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem odolným proti opotřebení podle nároku 8., v y z n a č u j í c í se t í m, že slitina je zahřáta na fúzní teplotu pod ochrannou atmosférou argonu. 14. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem

00 >00« 00 *4 «« 00 »00 0000 0000 • 000 *· · 0 00 0 » 000 0 0 « 0*0*00 0 0 0 0 0 0 * »0*0 000 00 0000 II 0« odolným proti opotřebení podle nároku 8., vyznačující se tím, že slitina je zahřáta na fúzní teplotu pod ochrannou atmosférou vodíku.

15. Způsob potahování kovového povrchu tvrdokovem odolným proti opotřebení podle nároku 8., vyznačující se tím, že slitina tvrdokovu je ve formě jemně rozdrceného prášku nanášena práškovým postřikem.

16 . Kaše pro nanášení tvrdokovu na základový kovový povrch, vyznačující se t í m, že se skládá ze zatavitelné slitiny tvrdokovu ve formě jemně rozdrceného prášku obsaženého ve vodném roztoku polyvinyl alkoholu. 17. Kaše pro nanášení tvrdokovu na základový kovový povrch, vyznačující se tím, že slitina se skládá z bóru, uhlíku, chrómu, železa, manganu, niklu a křemíku. 18. Kaše pro nanášení tvrdokovu na základový kovový povrch, vyznačující se tím, že

průměrná velikost částice prášku je asi 200, nebo jemnější.