DD294512A5

DD294512A5 - Verfahren zum herstellen hartmetallaehnlicher oberflaechen auf substraten mit niedrigen werkstoffschmelztemperaturen

Info

Publication number: DD294512A5
Application number: DD34071690A
Authority: DD
Inventors: Agnes Oswald; Hans-Joerg Neumann; Steffen Keitel; Klaus Mittler; Dietmar Steinbach
Original assignee: Werkzeugmaschinenbau Fz
Priority date: 1990-05-16
Filing date: 1990-05-16
Publication date: 1991-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen hartmetallaehnlicher Oberflaechen auf Substraten mit niedrigen Werkstoffschmelztemperaturen, wie Aluminium und dessen Legierungen, mittels Schichtauftrag und Energietraegerstrahlbehandlung. Das Anwendungsgebiet erstreckt sich auf Konstruktionsteile aus Leichtmetall mit Verschleiszschutzflaechen. Mit der Erfindung soll ein fester Verbund der Hartmetallschicht mit dem Substrat erreicht werden und unterschiedliche Hartmetallarten und -mischungen einsetzbar sein. Erfindungsgemaesz wird auf der Substratoberflaeche eine Zwischenschicht, insbesondere aus Fe, Ti, Co, Mo oder dessen Gemisch, durch thermisches Spritzen aufgebracht. Anschlieszend erfolgt das Aufbringen einer Hartmetallschicht mit einem Bindemetall aus vorzugsweise Co und/oder Ni. Abschlieszend wird das beschichtete Substrat durch Energiestrahlen punktweise nachbehandelt.{Oberflaeche, hartmetallaehnlich; Aluminium; Verschleiszschutzschicht; Schichtauftrag; Spritzen, thermisch; Energiestrahlen, nachbehandelt; Zwischenschicht; Hartmetallschicht; Bindemetall}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Verschleißschutzflächen auf Leichtmetallen, beispielsweise für Werkstückzu- und -abführungen (Rollbahnen) an Schleifautomaten, Transporteinrichtungen an Verpackungsmaschinen oder für Fadenleitflächen im Textilmaschinenbau.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Das Herstellen hartmetallähnlicher Oberflächen durch thermische Spritzverfahren auf Substraten aus Leichtmetall, ζ. Β. Aluminium und Aluminiumlegierungen, ist bekannt. Die Besonderheit des thermischen Spritzverbundes bezüglich der Teilchenverschmelzung in der Schicht schränkt deren Einsatzmögüchkeiten für höhere spezifische Belastungen ein. Verbesserungen auf diesem Gebiet werden durch die Energieträgerstrahlbehandlung der gespritzten Schichten mittels Laseroder Elektronenstrahl erreicht. Für gespritzte Hartmetallschichten auf z. B. Al Mg 5 führt der Unterschied zwischen den Schmelztemperaturen des Hartmetalls von > 2000⁰C und der Leichtmetall-Legierungen von ca. 650°Czum Nichtbeherrschen der genannten Hochenergieträgerstrahlanwendung. Der Substratwerkstoff wird, bevor eine Festphasenumwandlung in der Schicht beginnt, schmelzflüssig und dringt durch die Schicht hindurch. Durch diesen Vorgang reißt die Schicht stellenweise auf, und der Grundwerkstoff lagert sich als Schmelztröpfchen auf der Oberfläche an, wobei die Schmelztröpfchen verdampfenoder erstarren. Um diese Oberflächenzerstörung zu verhindern und außerdem die Benetzbarkeit von Metallkarbiden im geschmolzenen Aluminium als auch das Absetzen der schwereren Metallkarbide in der Schmelzzone sowie deren Entmischen zu verhindern, wird im EP 0221 276; C23C4/18 vorgeschlagen, ein Metallkarbid-Metallpulver-Gemisch in einer wäßrigen Lösung aus Polyvinylalkohol pastös herzustellen, aufzutragen, poronfrei zu trocknen und mit dem Laserstrahl den Metallanteil der aufgetragenen Schicht zu schmelzen. Weiterhin soll auch der Metallanteil mit der Aluminiumoberfläche verschmolzen werden. Um dies zu erreichen, muß das dem Metallkarbid zugemischte Metallpulver aus einem Silizium enthaltenden Metall und einem weiteren Metall bestehen, das mit dem Silizium eine intermetallische Lösung bildet.

Der Metallkarbidanteil und die Metallkarbidart sind dabei eingegrenzt, sie werden durch das Dichteverhältnis der intermetallischen Phase zu dem Metallkarbid bestimmt. Das beschriebene Verfahren bleibt auf die Anwendung von Titankarbid (Dichte 4,25g/cm³) eingeschänkt. Für den Einsatz von Wolframkarbid (Dichte 17,2g/cm³ bzw. Dichte 15,5g/cm³), sowie Mehrstoffkarbidsystemen mit Wolframkarbid ist die Anwendung dieses Verfahrens nicht geeignet.

Ziel der Erfindung

Als Ziel der Erfindung sollen auf niedrigschmelzenden Werkstoffen festhaftende, belastbare und hochverschleißfeste Hartmetallschichten erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen hartmetallähnlicher Oberflächen auf Substraten mit niedrigen Werkstoffschmelztemperaturen mittels Schichtauftrag und Energieträgerstrahlbehandlung zu schaffen, bei dem ein foster Verbund der Hartmetallschicht mit dem Substrat eintritt und dabei unterschiedliche Hartmetallarten und -mischungen einsetzbarsind.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß auf die Substratoberfläche eine Zwischenschicht, insbesondere aus Fe, Ti, Co,

Mo oder dessen Gemisch, durch thermisches Spritzen mit einer Schichtdicke von 0,05 mm bis 0,3 mm aufgetragen wird. '

Anschließend erfolgt das Aufbringen einer Hartmetallschicht in bekannter Weise, wobei die Hartmetallschicht ein Bindemittel aus vorzugsweise Co und/oder Ni enthält. Abschließend wird das beschichtete Substrat durch Energieträgerstrahlen punktweise, in vorteilhafterweise mittels Elektronenstrahlen als Schmelzraster mit zweidimensionaler Strahlauslenkung, nachbehandelt.

Diese Verfahrensweise gewährleistet, daß die Zwischenschicht sowohl mit dem Substratwerkstoff als auch mit dem Bindemetall der Hartmetallschicht beim Erwärmen, noch im festen Zustand Diffusionsvorgänge bewirkt und sich im schmelzflüssigen

Zustand mit dem Substratwerkstoff und dem Bindemittel der Hartmetallschicht lückenlos mischt. Dabei sind die Nachbehandlungsparameter durch den Laser- oder bevorzugt Elektronenstrahl so zu wählen, daß die Dicke der Zwischenschicht die Stabilität der Umschmelzung gewährleistet und daß je nach Erfordernis die Substratoberflächo angeschmolzen oder deren Schmelzen verhindert wird. Es ist dabei nicht beabsichtigt, die Metallkarbide in die Substratoberfläche einzuschmelzen, sondern einen festen Vorbund der Hartmetallschicht mit dem Substrat über die durch den Wärmeeinlrag hervorgerufenen Werkstoffumwandlungsvorgänge im Substrat, in der Zwischen- und Hartmetallschicht, zu erreichen.

Das wichtigste für die Oberflächenqualität der hartmetallähnlichen Schicht ist die Werkstoffwahl für die Zwischenschicht, da diese mehrere Funktionen übernehmen muß. Durch sie ist die Größe des Wärmeflusses in den Grundwerkstoff zu beeinflussen und der Bindungsmechanismus zwischen Hartmetall und Substratwerkstoff gegeben.

Metalloxid- oder Metalloxid-Metall-Gemische, die den Wärmefluß am stärksten einschränken, sind zur Zwischenschichtbildung nicht geeignet, da diese Stoffe keine Neigung haben, bei einer Energieträgerstrahlbehandlung mit dem metallischen Substrat bzw. dem Bindemittel der Hartmetallschicht Diffusions- und Schmelzbindungen einzugeben.

Geschmolzenes Metall haftet nicht an Metalloxiden, es kommt wegen des großen Oberflächenspannungsunterschiedes zu Entmischungen und zu einer Verringerung der Schichthaftung, meist verbunden mit dem Lösen der Zwischenschicht in beiden Phasenebenen.

Da in Hartmetallpulvermischungen als Bindemittel am häufigsten Co oder Ni eingesetzt wird, eignet sich als Zwischenschichtwerkstoff für das Beschichten von Al und Al-Legierungen sehr gute Fe mit Kohlenstoffgehalten <0,1 %. Dieser Zwischenwerkstoff ist preiswert, ohne Komplikationen auf Al-Oberflächen zu deponieren und beginnt .»ich bei einem Wärmeeintrag weit unter den Schmelztemperaturen mit Al ab 360⁰C, mit Ni ab 620°C und Co ab 800⁰C durch Wechselwirkungen aneinander zu binden.

Die Dicke der Zwischenschicht verbessert auch den Formänderungswiderstand des Schichtsystems, die Tragfähigkeit der Hartmetallschicht wird größer und kann in die Dicke kleiner ausgeführt werden. Bei der Wahl der Zwischen' -:hichtdicke ist von der Belastung jart und -größe auszugehen.

Die Größe des Wärmeeintrages durch Energieträgerstrahlen ist auf die Dicken der Zwischenschicht und der Hartmetallschicht abzustimmen. Bei Anwendung der Elektronenstrahlbehandlung hat sich die punktweise Schmelzbehandlung mit zweidimensional Strahlauslenkung besser geeignet als das Bahnenschmelzen. Mit einem Punktabstand von 2,7 ± 1 mm, Einwirkzeiten < 0,25s und Strahlleistungen < ' kW ist die partielle oder großflächige Behandlung von Schichten gegeben.

Durch die Elektronenstrahlbehandlung bekommen die thermisch gespritzten Hartmetallschichten über die Zwischenschicht den erforderlichen festen Verbund mit dem Substrat und eine höhere Verschleißfestigkeit.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung ist nachstehend anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: eine Seitenansicht eines beschichteten Rollelementes

Fig. 2: eine Draufsicht des Rollelementes

Fig. 3: eine Seitenansicht einer beschichteten Seitenplatte und

Fig. 4: eine Draufsicht der Seitenplatte.

Das erste Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 1 und 2 bezieht sich auf einen Führungsgrundkörper einer Zu- und Abführbahn für Kugellagerringe an einem Schleifautomaten. An dem Führungsgrundkörper ist ein kurvenförmiges Rollelement 1 aus Al Mg 5 angeschraubt, welches eine Länge von 220 mm und eine Breite von 40 mm aufweist und 5 mm dick ist. Auf dem Rollelement 1 ist eine hartmetallähnliche Oberfläche 2 als Abrollfläche für die Kurgellagerringe aufgebracht. Die Oberfläche 2 weist als Schichtaufbau eine Hartmetallschicht 3 und eine darunterliegende Zwischenschicht 4 auf. Das Herstellen der hartmetallähnlichen Oberfläche 2 erfolgt nach folgenden erfindungsgemäßen Verfahrensschritten:

- Strahlen der Oberfläche mit Korund NK 63.

- Plasmaspritzen der Zwischenschicht 4 mit Fe-Pulver DV 016, Korngröße 100-160μηη, Kohlenstoffgehalt 0,09%, 0,1 mm dick,

- Plasmaspritzen der Hartmetallschicht 3 aus WC + Co 80/20, Korngröße 32 ± 10μΓη, 0,2 mm dick und

- Elektronenstrahlbehandlung mit einem Punktraster, Punktabstand 2,5mm, Einwirkzeit 0,1-0,15s, Strahlleistung 0,35kW. Das beschichtete und elektronenstrahlbehandelte Rollelement 1 ist ohne mechanische Nachbehandlung einsetzbar und weist negenüber den darauf abrollenden Kugellagerringen eine hohe Verschleißfestigkeit auf.

Das zweite Ausführunysbeispiel entsprechend Fig.3 und 4 bezieht sich auf eine U-förmige Zuführung eines Außenrundschleifauton:aten. Entlang der Zuführung werden Rundkörper bis zu einem Gewicht von 8 kg/Stück transportiert. Die U-förmige Zuführung besteht aus einer Grundplatte und zwei Seitenplatten 1, die aus einer Al-Legierung mit den Abmessungen 400 mm χ 300 mm χ 18mm hergestellt sind. In jeder Seitenplatte 1 sind Langlöcher 5 zur Aufnahme von Anschlagmitteln eingearbeitet. Auf den Seitenplatten 1 befindet sich je eine hartmetallähnliche Oberfläche 2 als Abrollfläche mit einer Breite von 130mm. Die hartmetallähnliche Oberfläche 2 weist als Schichtaufbau eine Hartmetallschicht 3 und eine darunterliegende Zwischenschicht 4 auf. Das Herstellen der hartmetallähnlichen Oberfläche 2 erfolgt nach folgenden erfindungsgemäßen Verfahrensschritten:

- Strahlen der Oberfläche mit Korund NK 63,

- Plasmaspritzen der Zwischenschicht 4 aus Fe-Pulver DV 016, Korngröße 100-160 pm, Schichtdicke 0,3 mm,

- Plasmaspritzen der Hartmetallschicht 3 aus einem Pulver der Zusammensetzung 61% WC + 22% TiC + 8% TaC + 9% Co, Schichtdicke 0,4 mm und

- Elektronenstrahlbehandlung mit einem Punktraster, Punktabstand 1,8mm, Einwirkzeit 0,2-0,24s, Strahlleistung 0,9kW. Lanzeitversuche haben gezeigt, daß die erfindungsgemäß behandelten Seitenplatten eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen.

Claims

Verfahren zum Herstellen hartmetallähnlicher Oberflächen auf Substraten mit niedrigen Werkstoffschmelztemperaturen, wie Aluminium und dessen Legierungen, mittels Schichtauftrag und Energieträgerstrahlbehandlung, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Substratoberfläche eine Zwischenschicht, insbesondere aus Fe, Ti, Co, Mo oder dessen Gemisch, durch thermisches Spritzen mit einer Schichtdicke von 0,05mm bis 0,3mm aufgetragen wird, anschließend das Aufbringen einer Hartmetallschicht in bekannter Weise erfolgt, wobei die Hartmetallschicht ein Bindemetall aus vorzugsweise Co und/oder Ni enthält, und abschließend das beschichtete Substrat durch Energieträgerstrahlen punktweise, in vorteilhafter Weise mittels Elektronenstrahlen als Schmelzraster mit zweidimensionaler Strahlauslenkung, nachbehandelt wird.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen