DD213244B1

DD213244B1 - PROCESS FOR PRODUCING WEAR-RESISTANT, CORROSION-RESISTANT METAL PARTS

Info

Publication number: DD213244B1
Application number: DD24623182A
Authority: DD
Inventors: Edgar Mey; Hans-Joerg Neumann; Agnes Oswald; Ilias Zaprasis
Original assignee: Spinnerei Karl Marx Veb
Priority date: 1982-12-20
Filing date: 1982-12-20
Publication date: 1987-11-04
Also published as: DD213244A1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft Anwendungsfälle, bei denen hoch beanspruchbare Verschleißflächen gefordert sind. Die erfindungsgemäß behandelten Metallteile sind besonders geeignet für Bauteile, die sowohl in der Fertigung als auch im Einsatz hohe Maß- und Formgenauigkeit besitzen müssen, z. B. Meß- und Prüfgeräte, Antriebswellen, Kurbel- und Steuerwellen.The invention relates to applications in which highly wearable wear surfaces are required. The metal parts treated according to the invention are particularly suitable for components which must have high dimensional and dimensional accuracy both in production and in use, for. B. measuring and testing equipment, drive shafts, crankshaft and control shafts.

Characteristic of the known technical solutions

Verschleißfeste, korrosionsbeständige Oberflächen auf Werkzeugen oder Maschinenbauteilen werden durch thermische Behandlung und/oder durch Beschichten hergestellt. Für beide Behandlungsmethoden sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt, mit denen in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall spezifische Eigenschaften herstellbar sind. Bei der thermischen Behandlung sind zum Teil hochlegierte Werkstoffe, in jedem Fall aber hohe Temperaturen oder lange Behandlungszeiten erforderlich. Bauteile mit ungünstiger Form und Abmessung ändern dabei durch Verzug ihre Form beträchtlich oder werden durch Rißbildung unbrauchbar. Das Aufbringen korrosionsbeständiger Verschleißschutzschichten ist auf wenige Verfahren und Werkstoffe beschränkt und außerdem durch eine Vielzahl von Verfahrensstufen oder komplizierten Verfahrensbedingungen, wie z. B. bei chemisch-thermischen oder physikalisch-thermischen Beschichtungsverfahren, sehr aufwendig und teuer.Wear-resistant, corrosion-resistant surfaces on tools or machine components are produced by thermal treatment and / or by coating. For both treatment methods, a variety of methods are known, with which specific properties can be produced depending on the particular application. In the thermal treatment are sometimes high-alloyed materials, but in any case high temperatures or long treatment times required. Components with unfavorable shape and dimension change their shape considerably due to distortion or become unusable due to cracking. The application of corrosion-resistant wear protection layers is limited to a few processes and materials and also by a variety of process steps or complicated process conditions such. As in chemical-thermal or physical-thermal coating process, very expensive and expensive.

Thermisch gespritzte Überzüge sind im Vergleich dazu kostengünstiger herzustellen, aber auf Grund der Schichtbildungsbedingungen porös und durchlässig für aggressive Medien. Es ist deshalb eine häufig geübte Verfahrensweise, diese Poren durch Imprägnieren mit organischen oder anorganischen Mitteln auszufüllen, um das Substrat so vor korrosivem Angriff zu schützen. Es ist jedoch schwierig, die entsprechenden Mittel genügend tief in alle Poren einzubringen und die Wirksamkeit in einem großen Temperaturbereich bzw. über längere Zeiträume zu erhalten.Thermally sprayed coatings, by comparison, are less expensive to produce, but porous and permeable to aggressive media due to the film formation conditions. It is therefore a common practice to fill these pores by impregnation with organic or inorganic agents to protect the substrate from corrosive attack. However, it is difficult to introduce the appropriate agents deep enough in all the pores and to maintain the efficacy in a wide temperature range or over longer periods of time.

Besser geeignet scheint das in DE-OS 2327250 beschriebene Verfahren des metallurgischen Abdichtens thermisch gespritzter Überzüge zu sein. Durch thermische Nachbehandlung der Spritzschichten bei Temperaturen > 1000⁰C werden die Poren während der Bildung einer intermetallischen Phase verdrängt oder geschlossen, so daß gegen das Substrat hin eine wirksame Sperrschicht erzeugt wird. Bedingung für die Herstellung solcher Schichten sind mindestens zwei sich in ihrer chemischen Aktivität beträchtlich unterscheidende Werkstoffe, die beim thermischen Spritzauftrag im nichtreagierten Zustand verbleiben und die während der nachfolgenden Temperaturbehandlung nicht merklich in das Substrat eindiffundieren. Die Herstellung von Schichten nach diesem Verfahren schließt, bedingt durch die Nachbehandlungstemperatur über 1000⁰C alle beim thermischen Behandeln möglichen, nicht beherrschbaren Verfahrensfehler ein. Wegen fehlender Stützwirkung des Grundwerkstoffs kann es außerdem bei Belastung zu Rißbildung im Überzug kommen.More suitable seems to be the method of metallurgical sealing of thermally sprayed coatings described in DE-OS 2327250. By thermal aftertreatment of the spray coatings at temperatures> 1000 ⁰ C, the pores are displaced or closed during the formation of an intermetallic phase, so that against the substrate towards an effective barrier layer is produced. A condition for the production of such layers are at least two materials which differ considerably in their chemical activity and which remain unreacted during thermal spraying and which do not noticeably diffuse into the substrate during the subsequent heat treatment. The production of layers by this method includes, due to the post-treatment temperature above 1000 ⁰ C all possible in thermal treatment, unmanageable process errors. Due to the lack of supporting action of the base material, cracking in the coating may also occur under load.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, durch ein ökonomisch günstiges Verfahren eine verschleißfeste, korrosionsbeständige Schicht auf Metallteilen herzustellen.The aim of the invention is to produce a wear-resistant, corrosion-resistant layer on metal parts by an economically favorable process.

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachbehandlung der aufgetragenen Schicht bei wesentlich niedrigeren Temperaturen durchzuführen, die vorhandenen Schichtdefekte zu beseitigen und eine große Haftung auf dem Substrat zu erzielen.The object of the invention is to carry out the aftertreatment of the applied layer at substantially lower temperatures, to eliminate the existing layer defects and to achieve a high adhesion to the substrate.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem auf die Substratoberfläche Nickel oder nickelhaltige Schichten mit einer Schichtdicke von 0,1 bis 1 mm durch Plasmaspritzen aufgetragen werden und die beschichteten Bauteile anschließend durch ein nitridbildendes Verfahren bei Temperaturen <600°C, behandelt werden. Das Plasmaspritzen ermöglicht, daß am Substrat partielle Flächenbereiche in verschiedenen Dicken beschichtet werden können.According to the invention the object is achieved by nickel or nickel-containing layers are applied to the substrate surface with a layer thickness of 0.1 to 1 mm by plasma spraying and the coated components are then treated by a nitride-forming process at temperatures <600 ° C. The plasma spraying makes it possible to coat on the substrate partial areas in different thicknesses.

Bei den nitridbildenden Verfahren ist das Badnitrieren, Gaskarbonitrieren und Gasnitrieren im Temperaturbereich von 52O⁰C bis 570⁰C gleich gut geeignet. Ein Verzug durch Wärmespannungen tritt bei diesen Temperaturen noch nicht ein. Durch die erfindungsgemäße Behandlung wird trotz der aufgetragenen Schicht im Substratwerkstoff eine Reaktionsschicht ausgebildet.In the nitride-forming processes, bath nitriding, gas carbonitriding and gas nitriding in the temperature range from 52O ⁰ C to 570 ⁰ C are equally well suited. A distortion due to thermal stresses does not occur at these temperatures. By the treatment according to the invention, a reaction layer is formed in the substrate material despite the applied layer.

In der aufgetragenen Schicht sowie in der Substratoberfläche werden Werkstoffveränderungen erreicht, die in ihrem Zusammenwirken verbesserte Schichteigenschaften ergeben. Die aufgetragene Schicht und die Reaktionsschicht wirken zusammen als funktioneile Schicht. Die aufgetragene Schicht ist durch Diffusion mit der Reaktionsschicht verbunden, die Reaktionsschicht als nitridbildende Schicht ist Bestandteil des Substratwerkstoffs. Der kritische Bereich wird aus dem Grenzbereich aufgetragene Schicht-Substratoberfläche auf den Grenzbereich Reaktionsschicht-Substratgrundwerkstoff verschoben, womit die Rißanfälligkeit der aufgetragenen Schicht bei Belastung beseitigt wird. Dadurch erhöht sich die Dauerfestigkeit des Bauteils.In the coated layer and in the substrate surface material changes are achieved, which result in their interaction improved layer properties. The applied layer and the reaction layer act together as a functional layer. The applied layer is connected by diffusion to the reaction layer, the reaction layer as a nitride-forming layer is part of the substrate material. The critical area is shifted from the boundary area applied layer substrate surface to the boundary region reaction layer substrate base material, which eliminates the susceptibility to cracking of the applied layer under load. This increases the fatigue strength of the component.

Es wurde außerdem gefunden, daß durch die Anwesenheit von Nickel die Behandlungszeit beim Nitrieren wesentlich verringert werden kann und sich auch in unlegierten Kohlenstoffstählen, legierten Stählen und Kaltarbeitsstählen Nitrierschichten mit beträchtlich hoher Eindringtiefe ausbilden.It has also been found that the presence of nickel can significantly reduce the nitriding treatment time and also form nitriding layers of considerably high penetration in unalloyed carbon steels, alloyed steels and cold work steels.

Der aufgetragenen Schicht aus Nickel oder nickelhaltiger Legierung können zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit in bekannter Weise Metalloxide, -boride, -silizide, -karbide usw. mit einem Masseanteil von 5...75% zugesetzt sein. Die Korngröße dieser Zusatzstoffe liegt zwischen 5 und 100 дт, die zugegebene Menge richtet sich nach der Belastungsart und -größe. Die Zusatzstoffe werden dem Schichtwerkstoff vor dem Schichtauftrag zugemischt.The coated layer of nickel or nickel-containing alloy may be added to increase the wear resistance in a known manner, metal oxides, borides, silicides, carbides, etc. with a mass fraction of 5 ... 75%. The grain size of these additives is between 5 and 100 дт, the amount added depends on the load type and size. The additives are added to the coating material prior to coating.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by exemplary embodiments.

Example 1:

Bauteile aus Einsatzstahl C15 wurden mit Normalkorund Korngröße 63 gestrahlt. Unmittelbar nach dem Strahlen erfolgte der Nickelauftrag durch Plasmaspritzen. Danach wurde die Nickelschicht durch Schleifen bearbeitet und die Werkstücke mit einer Restschichtdicke von 0,1 mm Nickel 18 Stunden in der Gasnitrierkammer bei 550°C behandelt.Components made of case hardening steel C15 were blasted with normal corundum grain size 63. Immediately after blasting, nickel was applied by plasma spraying. Thereafter, the nickel layer was machined by grinding, and the workpieces having a residual layer thickness of 0.1 mm of nickel were treated at 550 ° C. for 18 hours in the gas nitriding chamber.

In der metallografischen Prüfung konnte unter einer nahezu porenfreien Nickelschicht eine 0,5mm dicke Reaktionsschicht nachgewiesen werden. Im Grenzbereich Schicht-Substratwerkstoff war eine Diffusion des Nickels entlang der Korngrenzen des Substratwerkstoffs zu erkennen.In the metallographic test, a 0.5 mm thick reaction layer could be detected under a nearly pore-free nickel layer. In the boundary layer-substrate material, a diffusion of the nickel along the grain boundaries of the substrate material could be seen.

In Bild 1 ist der Schichtaufbau dargestellt.Figure 1 shows the layer structure.

Example 2:

Auf einem Arbeitskolben aus Baustahl St60 mit einem Durchmesser von 22mm und einer Länge von 500mm wurde nach dem Strahlen mit Korund wie im Beispiel 1 eine 0,7 mm dicke Schicht aus Nickel und Siliziumkarbid mit einem Verhältnis von 35 zu 65 Masseteilen plasmagespritzt. Diese wurde mit einer Diamantschleifscheibe auf 0,4mm abgeschliffen. Danach erfolgt die Nachbehandlung durch Gaskarbonitrieren über 6 Stunden bei 570°C. Die Schichthärte nach der thermischen Behandlung lag zwischen 66 und 70HRC. Die Rauhtiefe der Oberfläche wurde mit 0,4...0,6μΓη Ra ermittelt. Im Bild 2 ist die Härte-Tiefe-Kurve dargestellt.On a working flask made of structural steel St60 with a diameter of 22 mm and a length of 500 mm, after blasting with corundum, as in Example 1, a 0.7 mm thick layer of nickel and silicon carbide was plasma sprayed with a ratio of 35 to 65 parts by weight. This was abraded with a diamond grinding wheel to 0.4mm. Thereafter, the aftertreatment by gas carbonitriding over 6 hours at 570 ° C. The layer hardness after the thermal treatment was between 66 and 70HRC. The roughness of the surface was determined to be 0.4 ... 0.6μΓη Ra. Figure 2 shows the hardness-depth curve.

Example 3:

Auf eine Piastizierschnecke aus Nitrierstahl 30CrMoV9 für die Verarbeitung glasfaserverstärkter Plastwerkstoffe wurde durch Plasmaspritzen eine Nickel-Hartstofflegierung NiCrBSi mit einer Dicke von 1 mm aufgetragen. Die Nachbehandlung erfolgte durch Gasnitrieren bei einer Temperatur von 53O⁰C und einer Dauer von 23 Stunden. Dabei wurde eine Reaktionsschicht im Grundwerkstoff von 1,1 mm mit einer Härte von 980HV1 erzielt. Die nutzbare Verschleißtiefe betrug somit 2,1 mm.A nickel hard alloy NiCrBSi with a thickness of 1 mm was applied by plasma spraying to a plasticizing screwdriver made of nitriding steel 30CrMoV9 for the processing of glass-fiber-reinforced plastic materials. The aftertreatment was carried out by gas nitriding at a temperature of 53O ⁰ C and a duration of 23 hours. In this case, a reaction layer in the base material of 1.1 mm with a hardness of 980HV1 was achieved. The usable wear depth was thus 2.1 mm.

Bei den genannten Temperaturen und den verfahrensbedingten Behandlungszeiten finden in der aufgetragenen Schicht und im Grenzbereich Schicht-Substrat Wechselwirkungen statt, die sich positiv auf die Schichtdicke und die Schichthaftung auswirken.At the temperatures mentioned and the process-related treatment times, interactions take place in the applied layer and in the boundary region layer-substrate, which have a positive effect on the layer thickness and the layer adhesion.

Die Korrosionsbeständigkeit wird verbessert und das Kraftübertragungsvermögen erhöht.The corrosion resistance is improved and the power transmission capacity is increased.

Die nach der vorliegenden Erfindung behandelten Metallteile lassen sich vorteilhaft anwenden als Meßwerkzeug, wie z. B.The treated according to the present invention metal parts can be advantageously used as a measuring tool, such. B.

Gren2lehrdorne, als Arbeitsspindeln für Werkzeugmaschinen, bei Fadenführern für Textilmaschinen, bei Arbeitskolben für Pneumatik- und Hydraulikantriebe, bei Pumpenwellen und vielen anderen Bauteilen mehr, wo hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit gefordert sind.Grinding mandrels, as work spindles for machine tools, for thread guides for textile machines, for working pistons for pneumatic and hydraulic drives, for pump shafts and many other components where high wear resistance and corrosion resistance are required.

Claims

1. A process for producing wear-resistant, corrosion-resistant metal parts, characterized in that applied to the substrate surface nickel or nickel-containing layers having a layer thickness of 0.1 to 1 mm by plasma spraying and aftertreated by a nitride-forming process at temperatures <600 ⁰ C.

2. The method according to item 1, characterized in that the spray powder metal oxides, carbides, borides or similar hard materials with particle sizes between 5 and 100 / im are admixed in amounts of 5 to 75%.

3. The method according to item 1, characterized in that unalloyed carbon steels, alloyed steels or cold working steels are used as substrate materials.