DD224057A1

DD224057A1 - Beschichtungspulver auf der basis von titancarbid

Info

Publication number: DD224057A1
Application number: DD26297784A
Authority: DD
Inventors: Erich Kranz; Hartmut Westphal; Artur Wiegand; Bernhard Rieger; Joerg Heinrich
Original assignee: Immelborn Hartmetallwerk
Priority date: 1984-05-14
Filing date: 1984-05-14
Publication date: 1985-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungspulver auf der Basis von Titancarbid zum thermischen Beschichten von Metallsubstraten, insbesondere fuer das Plasmaspritzen und andere Plasmaauftragsverfahren. Es ist das Ziel der Erfindung, die bekannten Beschichtungspulver mit Titancarbid als Haertetraeger in ihren Eigenschaften hinsichtlich der Verschleissfestigkeit, Haftfestigkeit und Oberflaechenqualitaet der mit diesen durch thermisches Beschichten aufgebrachten Oberflaechenschichten auf Metallsubstraten zu verbessern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Beschichtungspulver auf der Basis von Titancarbid als Haertetraeger, mit mindestens einem der Metalle Ni, Co, Cr, W sowie Bor und/oder Silicium neue Pulverzusaetze einzufuehren, die ein gleichmaessiges Schmelzen der Pulverbestandteile waehrend des thermischen Beschichtungsvorganges bewirken. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass in dem Beschichtungspulver als weitere Pulverzusaetze 5 bis 25 Masse-% Molybdaen oder Molybdaen und Molybdaencarbid sowie bis zu 3 Masse-% freier Kohlenstoff enthalten sind.

Description

Beschichtungspulver auf der Basis.von Titancarbid

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungspulver auf der Basis von Titancarbid zum thermischen Beschichten von Metallsubstraten, insbesondere für das Plasmaspritzen und andere Plasmaauftragsverfahren, das neben Titancarbid als Härteträger mindestens eines der Metalle Hickel, Cobalt, Chrom·*· Wolfram sowie zur Verbesserung der Schmelz- und Fließeigenschaften Bor und/oder Silicium enthält, wobei zwei oder mehrere Zusatzstoffe als besondere Komponenten, als Legierungen oder Yorlegierungen zusammengefaßt sein können«.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Beschichtungspulver für thermische BeSchichtungen mit Titancarbid als alleinigem Hartstoff und Nickel als Hauptzusatz mit ITebenzusätzen von Chrom, Eisen oder Cobalt, 7/olfram, Mangan, Kohlenstoff sowie von Silicium als Fluß-

mittel sind aus DE-OS 30 35 144 bekannt. Außerdem gehört Bor als möglicher Flußmittelzusatz zum bekannten Stand der Technik, z. B. nach DE-PS 1 151 160. Kohlenstoff wird in Pulvermischungen in gebundener Form als Carbide auch der anderen Metalle neben Titan, genutzt, beispielsweise nach DD-PS 116 206, als freier Kohlenstoff jedoch nur als Gleitstoff in Form von Graphit, .z. B. nach DE-OS 1811 196 oder nur zur Korrektur von Unterkohlungen, nach DE-PS 1198 169. Die Herstellung von Pulvern aus zwei oder drei Komponenten, wobei eine den Hartstoff und die andere ein Flußmittel enthält, ist in der DE-OS 1 811 196 beschrieben· Die Anwendung zusätzlicher, auch nichtmetallischer Bindemittel zum Erhalt größerer Korngrößen eines Pulyergemisches enthalten die DE-OS 1 521 369 und die DE-OS 2 432 125. Die Sphäroidisierung von Pulverteilchen durch Sprühschmelzen in einer Flamme ist aus der DE-AS 1 259 170 bekannt. Die Anwendung von Sinterverfahren zum Erhalt von größeren Pulvergemisch-Einzelkörnern ist allgemeiner Stand der, Technik lind wird z· B. in der DE-AS 1 185 034 für eine von zwei Pulverkomponenten angewendet. Pulvermischungen mit Titancarbid unter Verwendung von Vorlegierungen für einzelne Bestandteile sind in der DE-OS 2 208 070 angegeben· Die Bildung von Mischkri-, stallen von Titan mit Sauerstoff oder Stickstoff wird in der DD-PS 146 556 genutzt· Angaben über verwendbare Pulverkorngrößen und ihre oberen und unteren Grenzen, auch mit" Unterschieden für verschiedene Pulverkomponenten, werden in der DE-OS 3 035 144 angegeben.

Durch die DE-OS 29 20 198 ist ein Beschichtungsstoff zur Herstellung von verschleißfesten und korrosionsbeständigen beschichteten Gegenständen bekannt geworden, der im ?/esentlichen aus zwei Komponenten besteht. Die erste Komponente entspricht der Zusammensetzung einer Sinterhartmetallegierung aus einem Schwermetallcarb,id, wobei auch Titancarbid genannt wird, mit einem Bindemitall der· Eisengruppe des PSE und die zweite Komponente stellt -eine ^ sogenannte

"selbstgellende" Legierung auf Uickelbasis mit Bor und Silicium zur Eigenbildung von Flußmittel dar·

Diese bekannten technischen Lösungen haben folgende Nachteile: ,

Mit Titancarbid als alleinigem Härteträger mittels thermischer Spritztechnik aufgetragene Pulver sind bisher sehr empfindlich gegen Sauerstoffeinwirkung während des erhitzten Zustandes und bilden besonders bei kleinen Korngrößen störende Oxide, die durch Porosität den Schichtaufbau und die Schichteigenschaften verschlechtern, insbesondere die Härte und Verschleißwiderstände verringern·

Die bisher angewendeten Titancarbidpulver bildeten rissige und abplatzende Schichten, wenn die Pulverkomponenten in den Konzentrationen und in der Wahl der Zusätze nach bisher bekannten Zusammensetzungen ausgeführt wurden. Außerdem wurden bei bisher bekannten Titancarbidpulvern Mischungen aus zwei Komponenten angewendet, deren eine Komponente Titancarbid und vor allem nickel, deren andere Komponente eine flußmittelhaltige Chrom-liickel-Legierung war« Deren Zusammensetzung konnte sich bei Sieb- und Pördervorgängen entmischen, d. h· in den Konzentrationen der einzelnen Elemente verändern· Schließlich ergaben sich bei bisher bekannten Titancarbidpulvern während der thermischen Beschichtung störende, die Schichthärte vermindernde KohlenstoffVerluste durch Oxidation in Luft als umgebende Atmosphäre· Dadurch hatten die bisherigen Titancarbid-Hartstoffschichten oft geringere Qualität als z· B· Wolframcarbid-Hartstoffschichten·

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die bekannten Beschichtungspulver mit. Titancarbid als Härteträger in ihren Eigenschaften hinsichtlich der Verschleißfestigkeit, Haftfestigkeit

und Oberflächenqualität der mit diesen durch thermisches Beschichten aufgebrachten Oberflächenschichten auf Metallsubstraten zu verbessern·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Beschichtungspulver auf der Basis von Titancarbid als Härteträger, mit mindestens einem der Metalle 'Hl,. Co, Cr, W sowie mit Bor und/oder Silicium neue Pulverzusätze einzuführen, die ein gleichmäßiges Schmelzen der Pulverbestandteile während des thermischen BeSchichtungsvorganges bewirken, die Haftfestigkeit der Oberflächenschicht er- · höhen und ·, deren Rißanfälligkeit sowie Porosität weitgehend beseitigen und insgesamt gesehen die Herstellung von Oberflächenschichten mit einer dem Härteträger Titancarbid entsprechenden Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit ermöglichen*

Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Beschichtungspulver als weitere Pulverzusätze 5 bis 25 Masse-55 Molybdän oder Molybdän und Molybdäncarbid sowie bis zu 3 Masse-% freier Kohlenstoff enthalten' sind. Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Beschichtungspulvers wird darin gesehen, daß das Molybdän oder Molybdän und Molybdäncarbid als Einzelkomponente oder als an die Hartstoffkomponente gebunden vorliegt· - ⁱ

Außer dem Zusatz von Bor zu der Hickelkömponente ist es zweckmäßig, daß auch der Härteträger Titancarbid zusätzlich bis zu 0,1'Masse-# Bor enthält· · ^;

Eine.sehr wichtige Voraussetzung für die Herstellung qualitativ hochwertiger Oberflächenschichten nach der Erfindung ist, daß Eisen oder Eisenlegierungen nicht, oder nur in Spuren oder als technische Verunreinigungen in dem Beschichtungspulver enthalten sind·

Zum Erreichen eines gleichmäßigen An- und Durchschmelzens aller Pulverteilchen Leim Beschichten und,zur Verringerung der Schichtporosität ist es vorteilhaft, wenn die Korngrößen der Einzelteilchen im Verbundpulver oder in der Pulvermischung zwischen 0,005 mm und 0,04 mm für die Titancarbidteilchen und zwischen 0,01 und 0,08 mm für die übrigen Bestandteile des Pulvers betragen«

Das besondere Ergebnis der Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre ist die Schaffung eines hartstoffhaltigen Pulvers für thermische BeSchichtungen mit einer gegenüber bisher bekannten Pulvern unterschiedlichen chemischen, strukturellen und korngrößenmäßigen Zusammensetzung zur Beseitigung der Mangel der bekannten TiC-haltigen Pulver für thermische Beschichtungen· Das erfindungsgemäße Pulver enthält als Härteträger nur Titancarbid· Die mit ihm hergestellten thermischen BeSchichtungen haben eine minimale makroskopische Vickershärte von 6000 U/mm bei 10 kg Last und 30 s Lasteinwirkzeit und einen maximalen Ver-, schleißbetrag bei Strahlverschleiß von 15,3 mm./kg unter einem Winkel von 30° zur Schichtoberfläche mit Korund als Strahlmittel bei 1,5 · 10 Pa Blasdruck nur der Korund-Ausströmdüse. Das ist auf die besseren Korngrößenverhältnisse des Titancarbides zu den übrigen Pulverbestandteilen und auf die chemische Zusammensetzung des Pulvers zurückzuführen, wodurch alle Pulverbestandteile während des Beschichtung svor gang es an- oder durchgeschmolzen werden, wobei eine gegenseitige Benetzung der Pulverkomponenten eintritt. Beide Vorgänge ergeben als erfinderischen Effekt eine ausreichend geringe Schichtporosität und eine genügend gute Schichthaftung· Die erfindungsgemäße Zusammensetzung des Pulvers bewirkt, daß bei Verwendung von Luft als Umgebungsgas keine die Schichthärte vermindernde Pulveroxidation und nachteilige Kohlenstoffverluste eintreten können und daß die geforderten Schichthärtewerte und maximalen Verschleißbeträge nicht durch Schichtrisse, Porosität und mangelnde Haftung ,auf dem Beschichtungsuntergrund (Haftgrund) gefährdet' werden·

Das hartstoffhaltige Pulver für thermische BeSchichtungen ,soll erfindungsgemäß nur Titancarbid als den die Schichthärte bestimmenden Stoff enthalten. Weil dieser allein zwar genügend harte, aber zu spröde und rissige Schichten bildet, werden dem Titancarbid nickel oder Cobalt oder Chrom wie bei anderen Hart stoff schichten auch, zugemischt, so daß diese Metalle bei der thermischen Beschichtung eine zähe Matrix für-das Titancarbid bilden, dadurch die Porosität und Rißneigung der Schicht verringern und deren Haftfestigkeit erhöhen» Weiterhin-wird dem Pulver Bor und/oder Silicium zugemischt, um die Schmelz- und Fließeigenschaften während des BeSchichtungsvorganges zu verbessern« .

Mit Titancarbid als alleinigen Hartstoff in der Pulvermischung werden gleichzeitig eine genügende Schichthärte, eine genügende Freiheit von Schichtrissen und von Porosität sowie eine genügende Haftung auf dem Untergrund in Luft' oder einem sauerstoffhaltigen ümgebungsgas oder Arbeitsgas nur dann erreicht, wenn zu den genannten Stoffen als weitere Pulverbestandteile zugefügt werden: Molybdän oder Molybdän und Molybdäncarbid im Bereich von .'5· • •25 Masse-/S des. Gesamtpulvers zwecks Verbesserung der Benetzung des Titancarbides und¹ somit zwecks Verminderung der Schichtporosität und der Rißbildung und, zwecks Erhöhung der Verschleißfestigkeit, freier Kohlenstoff, beispielsweise als Graphit, im Bereich bis zu 3 Masse-% des Gesamtpulvers zum Ausgleich der Kohlenstoffoxidation in Luft oder sauerstoffhaltigem Gas und his 0,1 Masse-^S Bor im Hartstoffträger Titancarbid zur Verbesserung von dessen Schmelz-, Fließ- und Benetzungseigenschaften· Eisen oder Eisenverbindungen werden erfindungsgemäß als Pulverbestandteile ausgeschlossen wegen ihrer negativ auf Härte und Porosität wirkenden Oxidationseigenschaften in sauerstoffhaltigem Gas« Die genannten erfindungsgemäßen Zusätze ergeben in Luft oder einem anderen sauerstoffhaltigen ümgebungsgas während des Beschichtungsvorganges im Sinne der oben genannten For-

derungen genügend harte Verbindungen von Titancarbid, Sauerstoff oder/und Stickstoff, welche keine negativen Schichteigenschaften bewirken*

Zum Erreichen eines gleichmäßigen An- oder/und Durchschmelzens aller Pulverteilchen zur Verringerung der Schichtporösität und zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit werden die Einzelteilchen im Pulver erfindungsgemäß in folgenden Korngrößen angewendet: Titancarbidteilchen und Molybdän bzw* Molybdän und Molybdäncarbidteilchen mit 0,005 bis 0,04 · mm, Korngröße und die übrigen Pulverbestand teile mit 0,01 bis 0,08 mm, speziell mit 0,01 bis 0,05 mm, Korngröße»

Ausführungsbeispiele:

Anhand von drei Ausführungsbeispielen soll der Gegenstand der Erfindung näher erläutert werden:

Im ersten Ausführungsbeispiel wurde ein Pulvergemisch mit folgender Zusammensetzung und Korngröße d verwendet:

TiC 52,0 Masse-^, d <40/um Cr 3,0 Masse-%, d = 40*..80yum

Mo 10,0 ·«< d^-40/um B 0,6 » d = 40...80 ,um

C 1,0 " d<40/um Si 0,6 " d = 40...80/um

ITi 32,0 " d=40...80,um W 0,8 " d = 40..,80/Um

Davon war. Bor zu 0,005 Masse-5» am TiC gebunden. Der freie Kohlenstoff lag als Graphit, zumeist an der Oberfläche des TiC und Mo haftend vor, um Oxidationsverluste auszugleichen. Das Wolfram war in der verwendeten NiCrBSi-Komponente enthalten, die als Vorlegierung verwendet wurde· Es hat im vorliegenden Zusammenhang keine Bedeutung.

Mit dieser Pulvermischung wurden mittels Plasmaspritzen mit einem mit Stickstoff als Arbeitsgas betriebenen 25 kW-Plasmatron in Luft als Umgebungsgas thermische Hartstoffschichten

von 0,3 bis 2 mm ,Dicke auf Baustahl (Kohlenstoffstahl) ausgeführt. Der Haftgrund wurde vor der Beschichtung durch Sandstrahlen aufgerauht und gereinigt. Die BeSchichtungen hatten folgende Eigenschaften:

Vickershärte bei 10 kg Last, Lastwirkzeit 30 s; HV = 4000 bis 11000 I/mm . Die niedrigen Werte waren durch rissige und poröse Schichtbereiche bedingt. Zu kleine TiC-Koragrößen unter 5/um ergaben starke Oxidation und deshalb poröse Zwischenschichten bei mehrfach übereinander erfolgender Schichtbildung· Die Strahlverschleißuntersuchungen ergaben unbrauchbare Werte mit abgeplatzten spröden Schichtbereichen bis zum Haftgrund.

Die verwendeten Zusatzstoffe zum TiC erwiesen sich als prozentual zu gering und zu. grobkörnig.

Im zweiten ,Ausführungsbeispiel wurde ein Pulvergemisch mit folgender Zusammensetzung und Korngröße verwendet:

se-%, d β 5··'40/Um

d = 5».«4O/um -

d = 5···40/um

d = 40.·.50/Um /

d a 40...50/um d = 4O.».5Oyum

d s 4Ο...5Ο/um .

d = 4O...5O/um /

Diese Pulvermischung wurde unter gleichen Bedingungen wie im ersten 'Ausführungsbeispiel mittels Plasmaspritzen verarbeitet· Die damit erhaltenen BeSchichtungen hatten folgende Eigenschaften:

Vickershärte bei 10 kg Last, Lastwirkzeit 30 s: HV = 6000 bis 9000 H/mm², Strahlverschleiß mit Korund unter 30° zur Oberfläche bei 1,5 · 10⁵ Pa Blasdruck:

V_a = 12...15 mm³/kg.

TiC	46,0	»1
Mo	8,6	It
C	1,0	11
Ii	36,0	ti
Cr	5,4	ti
B	0,9	ti
Si .	0,9	ti
W	1,2

Die Schichten waren nicht rissig· Die Porosität war geringer als 5 VoI·-$ (mikroskopisch ermittelt)· Heben dem höheren Nickelgehalt waren die eingeschränkten Kprngrößenbereiche bestimmend für die gute Schichtqualitat. Die Beseitigung des Unterkornes mit aC 5/um erfolgte mittels Sprühtrocknung mit Polyvinylalkohol für die Pulverkomponenten TiO, Mo und teilweise von Nickel.

Im dritten Ausführungsbeispiel wurde ein Pulvergemisch mit folgender Zusammensetzung und Korngröße verwendet:

TiC 40,3 Masse-^, d = 5...40 /um

Mo	7,5	U
C	1,0	η
Ni	40,3	ο
Cr	7,1	tt
B	1,1	Tl
Si	1,2	η
W	1,5	t!

d = 5···4Ο /um

/!am

d = 40...50 ,um

d = 40...50 /um

d = 40.«.50 /um

d = 40...50 ,um

d = 40...50 /um

Diese Pulvernd.schung wurde ebenfalls unter gleichen Bedingungen wie im ersten Ausführungsbeispiel hergestellt und mittels Plasmaspritzen verarbeitet. Die damit erhaltenen Beschichtungen hatten folgende Eigenschaften: HV = 6000...8000 N/mm², V₅₃ = 10...13 mm³/kg.

Die Schichten waren nicht rissig. Die Porosität war geringer als 5 Vol.-% und deutlich sichtbar geringer als im zweiten Ausführungsbeispiel. Durch den höheren Nickelgehalt war die Schicht zäher, aber weniger hart als beim zweiten Ausführungsbeispiel.

Alle drei Ausführungsbeispiele zeigen die qualitätsentschei dende Bedeutung der abgestuften Korngrößen· In diesen Ausführungsbeispielen wurden in den Schichten.Ti(CNO)-Mischkristalle mit etwa gleich'großer Härte wie TiC-Kristalle

röntgenmethodisch gefunden. Mit zunehmender Zumischung von weiteren Stoffen zum TiC verringerte sich der Sauerstoffeinbau in die TiC-Kristalle· In TiC-Schichten ohne Molybdän- oder Molybdän- und Molybdäncarbidzumischung war keine Rißfreiheit zu erreichen, wegen der fehlenden benetzungsfordernden Eigenschaften des Molybdäns·

Claims

Erf indungsansprüche

1. Beschichtungspulver auf der Basis von Titancarbid zum thermischen Beschichten von Metallsubstraten, insbesondere für das Plasmaspritzen und andere Plasmaauftragsverfahren, das neben Titancarbid als Härteträger mindestens eines'der Metalle Hickel, Cobalt, Chrom, Wolfram sowie zur Verbesserung der Schmelz- und Pließeigenschaften Bor und/oder Silicium enthält, wobei zwei oder mehrere Zusatzstoffe als besondere Komponenten, als Legierungen oder Vorlegierungen zusammengefaßt sein können, dadurch gekennzeichnet, daß.in dem. Beschichtungspulver als weitere Pulverzusätze 5 bis 25 Masse-% Molybdän oder Molybdän und Molybdäncarbid sowie bis zu 3 Masse-fo freier Kohlenstoff enthalten sind.

2· Beschichtungspulver nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Molybdän oder Molybdän und Molybdäncarbid als Einzelkomponente oder als an die Hartstoffkomponente gebunden vorliegt·

3. Beschichtungspulver nach den Punkten 1. und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Härteträger Titancarbid zusätzlich bis zu 0,1 Massenprozent Bor enthält.

4. Beschichtungspulver nach den Punkten 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,, daß Eisen oder Eisenlegierungen nicht oder •nur in Spuren oder als technische Verunreinigungen enthalten sind. .

5. Beschichtungspulver nach den Punkten 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngrößen der Einzelteilchen im .. Verbundpulver oder in der Pulvermischung zwischen 0,005 mm und 0,04 mm für die Titancarbidteilchen und zwischen 0,04 mm und 0,08 mm für die übrigen Bestandteile des Pulvers betragen. .