DE10133498A1 - Improving the wear resistance of titanium and titanium alloys used in the production of a vehicle valve by using a welding additive made from solid composite material, and welding as a hard metallic layer on the surface - Google Patents

Improving the wear resistance of titanium and titanium alloys used in the production of a vehicle valve by using a welding additive made from solid composite material, and welding as a hard metallic layer on the surface

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Abstract

Process for improving the wear resistance of titanium and titanium alloys comprises using a welding additive made from a solid composite material consisting of a titanium alloy matrix with dispersed fine hard material reinforcing particles; and welding as a hard metallic layer on the surface of a component made from titanium or titanium alloy. Preferred Features: The welding additive consists of TiAl6V4 or TiAl6V6Sn2 as base material. The fine hard material reinforcing particles are made from titanium carbide or titanium boride having an average particle size of not more than 40 mu m.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Titan und Titanlegierungen durch Oberflächenhärten. The invention relates to a method for improving the Wear resistance of titanium and titanium alloys through Surface hardening.

Die Entwicklung neuer leistungsfähiger Werkstoffe ist eng mit der Entwicklung neuer Beschichtungs- und Fertigungsverfahren verknüpft. Neue Werkstoffe erfordern neue Fertigungstechnologien bzw. neue Nachbehandlungsverfahren. Neben der Entwicklung neuer Technologien und Verfahren ist die Hauptaufgabe der technischen Praxis, durch Weiterentwicklung und Modifizierung bekannter Verfahren der Werkstoff- und Bauteilfertigung sowie über verbesserte Nachbehandlungen, besonders bei Verbundwerkstoffen, erkennbare Eigenschaftsverbesserungen und damit deutliche Produktverbesserungen zu erreichen. The development of new high-performance materials is closely linked the development of new coating and manufacturing processes connected. New materials require new ones Production technologies or new aftertreatment processes. In addition to the Development of new technologies and procedures is the Main task of the technical practice, by further development and modification of known methods of material and Component manufacturing as well as improved after-treatment, especially with composite materials, recognizable Property improvements and thus significant product improvements too to reach.

Die geringe Dichte, die hohe spezifische Festigkeit, die hervorragende Korrosionsbeständigkeit und die gute thermische Beständigkeit kennzeichnen Titan und seine Legierungen als innovativen Leichtmetallwerkstoff. Diese vorteilhaften Eigenschaften erklären den zunehmenden Verwendungsumfang von Titanlegierungen für eine große Vielzahl von Bauteilen. Andererseits ist auch bekannt, dass Titan und Titanlegierungen eine geringe Verschleißbeständigkeit aufweisen, so dass es schwierig ist, Titanlegierungen für jene Bereiche von mechanischen Bauteilen einzusetzen, welche mit anderen Werkstücken in gleitendem Kontakt stehen. Die geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber allen tribologischen Beanspruchungen gilt allgemein als Einschränkung für die technische Anwendung von Titan und Titanlegierungen für verschiedene Bauteile, beispielsweise für Automobilkomponenten, und insbesondere für Motoreinlaßventile, die eine gute Verschleißbeständigkeit aufweisen müssen. Daher ist es erforderlich, an solchen Bauteilen eine Oberflächenhärtung durchzuführen. The low density, the high specific strength, the excellent corrosion resistance and good thermal Durability characterizes titanium and its alloys as innovative light metal material. These advantageous Properties explain the increasing scope of use of Titanium alloys for a wide variety of components. On the other hand, it is also known that titanium and titanium alloys have a low wear resistance, so it difficult is titanium alloys for those areas of use mechanical components, which with others Workpieces are in sliding contact. The low Resistance to all tribological Stress is generally considered a limitation for the technical Application of titanium and titanium alloys for different Components, for example for automotive components, and especially for engine intake valves, which is a good Wear resistance must have. Therefore, it is necessary to Such components perform a surface hardening.

Bei Verschleißbeanspruchung sind die Einsatzmöglichkeiten von Bauteilen aus Titan ohne ein geeignetes Verfahren zur Oberflächenhärtung oft eingeschränkt, und ein vorzeitiger Ausfall von Bauteilen infolge hohen Verschleißes ist mit hohen Kosten verbunden. Zu den bereits bekannten Verfahren, die zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Titan und Titanlegierungen entwickelt wurden, zählen u. a. Laserlegieren, CVD- und PVD-Verfahren, thermisches Spritzen, Ionen-Implantation und Galvanisieren. Jedes dieser Verfahren weist spezifische Nachteile auf. Ein Einsatz dieser Verfahren ist deshalb genau zu überprüfen. Sehr oft, wie z. B. bei Spritzschichten und PVD- Schichten, werden aufgrund schlechter Haftung Ablösungen der Oberflächenschicht vom beschichteten Bauteil beobachtet. Bei der Herstellung von harten, rissfreien Oberflächenschichten (Panzerschichten) durch Laserlegieren oder Plasma-Pulver- Auftragsschweißen treten ungewollte Werkstoffveränderungen, die sich nachteilig auf den Betrieb bzw. späteren Einsatz auswirken können. Dies ist in der Veröffentlichung: Takahashi, W. et al. "Development of New Wear Resistant Carbide Dispersed Titanium Based Composite and Its Application to Automobile Parts", in SAE Technical Paper Series Nr. 900535, (1990); International Congress and Exposition Detroit, Michigan: February 26 - March 2, (1990) beschrieben. Rissfreie, verschleißbeständige Oberflächenschichten waren mit dem PPA-Verfahren nur dann herstellbar, wenn während des Schmelzvorganges alle zugegebenen Hartstoffe vollständig aufgelöst wurden und dadurch gleichzeitig eine Umwandlung der ursprünglich als Pulver zugeführten (α + β)-Legierung TiAl6V4 in eine β-Legierung erfolgte. In case of wear, the possible applications of Titanium components without a suitable method for Surface hardening often restricted, and premature failure of components due to high wear is high cost connected. Among the already known methods, the Improvement of the wear resistance of titanium and Titanium alloys have been developed, include u. a. Laser alloying, CVD and PVD methods, thermal spraying, ion implantation and Electroplate. Each of these methods has specific Disadvantages. An application of these methods is therefore accurate to check. Very often, such as B. in spray coatings and PVD Layers, are due to poor adhesion detachments of the Surface layer observed from the coated component. at the production of hard, crack-free surface layers (Armor layers) by laser alloying or plasma powder Build-up welding occur unwanted material changes, the adversely affect operation or later use can. This is in the publication: Takahashi, W. et al. Development of New Wear Resistant Carbide Dispersed Titanium Based Composite and Its Application to Automobile Parts ", in SAE Technical Paper Series No. 900535, (1990); International Congress and Exposition Detroit, Michigan: February 26 - March 2, (1990). Crack-free, wear-resistant Surface layers were only with the PPA process can be produced if all added during the melting process Hard substances were completely dissolved and thereby at the same time a transformation of the original as a powder supplied (α + β) alloy TiAl6V4 in a β-alloy took place.

Ein Verfahren zur Oberflächenhärtung durch Auftragsschweißen von Bauteilen aus Titan und Titanlegierungen ist aus der JP 63-282435 oder JP 63-318783 oder US 5 068 003 bekannt. Das in diesen Druckschriften dargestellte Verfahren beschreibt eine Titanlegierung, die ohne eine spezifische Oberflächenbehandlung eine gute Verschleißfestigkeit aufweist und die zur Ausbildung von durch Auftragsschweißen aufgebrachten Verschleißschutzschichten eingesetzt werden kann. Als Nachteil dieser Lösung, bereits zitiert (Takahashi, W. et al., in SAE 1990), ist hervorzuheben, dass es mit diesem Verfahren kein verschleißfester Verbundwerkstoff aus einer TiAl6V4-Matrixlegierung und dispergierten TiC-Partikel erzeugt werden konnte. Bei diesem Verfahren werden verschleißbeständige rissfreie Verschleißschutzschichten (Panzerschichten) nur bei Verbundwerkstoffen aus TiAl6V4, verstärkt mit W2C, oder TiAl6V4, verstärkt mit Cr3C2, beobachtet. Bei dem Verbundwerkstoff TiAl6V4 dagegen, verstärkt mit TiC-Partikel, treten jedoch mikrostrukturelle Veränderungen des aufgeschweißten Werkstoffes gegenüber seinem Ausgangszustand durch den Aufschweißvorgang auf. Somit kommt es zu Veränderungen der Titan-Matrix-Phase und der Zusammensetzung der Titankomponente des aufgetragenen Werkstoffbereiches. Weiterhin besteht die Gefahr des Verbleibens von nicht in der Schmelze (α'-Ti martensitischer Phasenmatrix) aufgelösten Körnern (TiC-Partikeln) der zugesetzten hochschmelzenden Hartstoffe und feinen Partikel, die während des Auftragsschweißvorgangs kristallisiert werden. Dies führt zu einer deutlichen Verminderung der Verschleißbeständigkeit des Verbundwerkstoffes. Weiterhin treten feine Risse auf, dies deutet auf eine spröde Matrix hin. Andererseits ist eine Miniaturisierung des Verfahrens schlecht möglich. Kleinste und präzise positionierte Aufschweissungen sind bei diesem Verfahren schlecht realisierbar, was sich beispielsweise nachteilig auf die in der US 5068003 Patentschrift aufgeführten Anwendung für Automobilmotorventile auswirkt. A method for surface hardening by build-up welding of titanium and titanium alloy components is known from JP 63-282435 or JP 63-318783 or US 5 068 003. The process described in these documents describes a titanium alloy which has a good wear resistance without a specific surface treatment and which can be used to form wear-protection layers applied by build-up welding. As a disadvantage of this solution, already cited (Takahashi, W. et al., In SAE 1990), it should be emphasized that with this method it was not possible to produce a wear-resistant composite material consisting of a TiAl6V4 matrix alloy and dispersed TiC particles. In this process, wear-resistant crack-free wear protection layers (armor layers) are only observed for composite materials made of TiAl6V4, reinforced with W 2 C, or TiAl6V4, reinforced with Cr 3 C 2 . In the composite TiAl6V4, however, reinforced with TiC particles, but microstructural changes of the welded material compared to its initial state by the Aufschweißvorgang occur. Thus, there are changes in the titanium matrix phase and the composition of the titanium component of the applied material range. Furthermore, there is a risk of remaining unresolved in the melt (α'-Ti martensitic phase matrix) grains (TiC particles) of the added refractory hard materials and fine particles that are crystallized during the build-up welding process. This leads to a significant reduction in the wear resistance of the composite material. Furthermore, fine cracks occur, indicating a brittle matrix. On the other hand, miniaturization of the method is poorly possible. Smallest and precisely positioned welds are difficult to implement in this method, which, for example, adversely affects the application for automotive engine valves listed in US Pat. No. 5,068,003.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem es gelingt, die Verschleißbeständigkeit von Titan und Titanlegierungen zu verbessern und dabei auch die Rißbildung und Phasenänderungen zu vermeiden. The object of the present invention is therefore to a Specify method that succeeds in the To improve wear resistance of titanium and titanium alloys and while also avoiding the cracking and phase changes.

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die tribologisch beanspruchte Oberfläche eines Bauteils aus Titan oder aus Titanlegierungen ist mit einer Schicht aus einem ausgewählten Verbundwerkstoff versehen, wobei durch Auftragsschweißen ihre Verschleißbeständigkeit gegen Beanspruchung durch Gleitung und Reibung verbessert wird. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung. The invention is characterized by the features of claim 1 played. The tribologically stressed surface of a Titanium or titanium alloy component is provided with a Layer of a selected composite material provided, wherein through build-up welding their wear resistance against Stress is improved by sliding and friction. The further claims contain advantageous Aus and Further developments of the invention.

Erfindungsgemäß verwendet man als Schweißzusatzwerkstoff einen bereits bekannten Metallmatrix-Verbundwerkstoff, dessen Basis- oder Matrixwerkstoff aus einer Titanlegierung TiAl6V4 (typische (α + β)-Legierung) oder TiAl6V6Sn2 und dessen Verstärkungsphase bevorzugt aus homogen dispergierten TiC-Partikel besteht. Man kann jedoch als fein verteilte Vestärkungspartikel auch TiB einsetzen, das eine dem TiC ähnlich HV-Härte von über 1000 aufweist. Dieser Werkstoff wurde als Struktur- und Funktionswerkstoff mit dem Ziel entwickelt, die Verschleißbeständigkeit zu erhöhen, den Wärmedehnwert zu erniedrigen, den E-Modul und die Festigkeit zu erhöhen. According to the invention used as welding filler material already known metal matrix composite material whose basic or matrix material of a titanium alloy TiAl6V4 (typical (α + β) alloy) or TiAl6V6Sn2 and its amplification phase preferably consists of homogeneously dispersed TiC particles. you However, TiB can also be used as finely divided reinforcing particles use, which has a TiC similar HV hardness of over 1000 having. This material was called structural and Functional material developed with the aim of wear resistance increase, the thermal expansion value to decrease, the modulus of elasticity and to increase the strength.

Die Erfindung ist im Folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung Fig. 1 erläutert, die in schematischer Darstellung das Aufbringen einer Verschleißschutzschicht nach der erfindungsgemäßen Anwendung des Schweißzusatzwerkstoffes für das Auftragsschweißen, insbesondere für das sog. WIG- Schweißen (Wolfram-Inertgasschweißen) wiedergibt. The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing Fig. 1, which shows a schematic representation of the application of a wear protection layer according to the application of the welding filler for build-up welding, in particular for the so-called. TIG welding (tungsten inert gas welding).

Auf diese Weise wird bei der erfindungsgemäßen Lösung eine harte metallische Schicht auf der Oberfläche eines Bauteils aus Titan aufgebracht. Als Zusatzwerkstoff wird ein Schweißzusatzdraht oder Stab eingesetzt, der aus 80 Volumen-Prozent einer Titanlegierung wie z. B. TiAl6V4 oder TiAl6V6Sn2 und 20 Volumen-Prozent darin fein verteilter Partikel des Hartstoffes Titankarbid TiC besteht. In this way, in the solution according to the invention a hard metallic layer on the surface of a component Titan applied. As filler material is a Welding wire or rod inserted, which consists of 80 volume percent a titanium alloy such as. TiAl6V4 or TiAl6V6Sn2 and 20 Volume percent of finely divided particles of hard material Titanium carbide TiC exists.

Gemäß dieser Erfindung wird wie o. g. ein neues Einsatzgebiet dieses Metallmatrix-Verbundwerkstoffes (MMC) vorgeschlagen. Der Schweißzusatzwerkstoff wird per WIG-Verfahren unter Fernhaltung von Sauerstoff und Stickstoff auf die Oberfläche eines Titanbauteils aufgeschmolzen. So lösen sich die ursprünglich vorhandenen Partikel aus TiC vollständig in der Schmelze auf, welche auf dem Bauteil aus aufgeschmolzenem Bauteilmaterial (geringer Anteil) und aufgeschmolzenem Zusatzwerkstoff (überwiegender Anteil) im elektrischen Lichtbogen entsteht. Bei der Wiedererstarrung dieser Schmelze auf dem Bauteil kristallisiert das TiC im neu entstehenden Oberflächen- Werkstoff ("Schweißraupe") vollständig wieder aus, jedoch nicht in Form der ursprünglichen, relativ groben Partikel, sondern mit erheblich kleineren Abmessungen und in gänzlich veränderter Form. According to this invention as o. G. a new field of application this metal matrix composite (MMC) proposed. Of the Welding filler material is TIG-controlled by remote maintenance of oxygen and nitrogen on the surface of a Titanium component melted. This is how the original ones dissolve TiC particles completely in the melt, which on the component of molten component material (low proportion) and melted filler material (overwhelming proportion) arises in the electric arc. at the re-solidification of this melt on the component The TiC crystallizes in the newly formed surface Material ("weld bead") completely out again, but not in the form of the original, relatively coarse particles, but with considerably smaller dimensions and in completely altered Shape.

Der Hartstoff TiC und der Basiswerkstoff Titanlegierung (TiAl6V6Sn2) haben die gleiche Dichte von 4,52 cN/cm3. Daher entsprechen 20 Volumen-Prozente TiC im Verbundwerkstoff 20 Massenprozenten. Hieraus wird die Massenprozentzahl von 4% Kohlenstoff im Verbundwerkstoff (MMC) errechnet. Unter Vernachlässigung der Legierungsbestandteile Al, V, und Sn entspricht dieser Wert einem Atomprozent-Gehalt von rund 12,5 Atomprozenten Kohlenstoff im MMC. Dieser Werkstoff beginnt im elektrischen Lichtbogen der WIG-Schweißung bei rund 1650°C zu schmelzen und ist nach vollständiger Auflösung der TiC- Partikel, bei rund 2400°C völlig geschmolzen. Die entstandene Schmelze hat folgende Zusammensetzung in Masseprozenten: 84,8% Titan (68,8% + 16%), 4,8% Al, 4,8% Vanadium, 1,6% Sn, 4,0% C. The hard material TiC and the base material titanium alloy (TiAl6V6Sn2) have the same density of 4.52 cN / cm 3 . Therefore, 20 volume percent of TiC in the composite material corresponds to 20 mass percent. From this, the mass percentage of 4% carbon in the composite material (MMC) is calculated. Neglecting the alloy components Al, V, and Sn, this value corresponds to an atomic percentage of about 12.5 atomic percent carbon in the MMC. This material begins to melt in the electric arc of the TIG welding at around 1650 ° C and, after complete dissolution of the TiC particles, completely melts at around 2400 ° C. The resulting melt has the following composition in mass percent: 84.8% titanium (68.8% + 16%), 4.8% Al, 4.8% vanadium, 1.6% Sn, 4.0% C.

Bei dem Abkühlen dieser Schmelze verläuft der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge: zunächst werden bei rund 2400°C die Primärcarbide auskristallisiert. Ihre Menge nimmt mit sinkender Temperatur ständig zu, wohingegen die Menge der verbleibenden Schmelze ständig abnimmt. Bei 1650°C kristallisiert die restliche Schmelze, die nur noch 0,45 Massenprozent gelösten Kohlenstoff enthält, zu einem Gefüge aus Reintitan und dem kohlenstoffärmeren Titancarbid Ti2 C aus. Somit kristallisiert die gleiche Menge Carbid wieder aus, welche vorher aufgelöst wurde. In der Regel, auch in diesem Fall, kristallisiert die primär erstarrte Phase (Primärcarbide) in Form von Dendriten (Tannenbaumkristalle) aus. Die rund 20 Volumen-Prozent TiC befinden sich in Form von feinen Dendriten in der erstarrten Schmelze des neu erzeugten Oberflächenwerkstoffes. Sie sind in diesem gleichmäßig verteilt und haben eine deutlich geringere Korngröße als die im ursprünglichen Schweißzusatzwerkstoff (MMC) vorhandenen Partikel. Bei diesem Vorgang hat sich gemäß der Erfindung die metallische Grundsubstanz des Schweißzusatzwerkstoffes (Titan) nicht verändert, was bei korrosiver Beanspruchung der Aufschweißung von erheblicher Bedeutung ist. When this melt is cooled, the process proceeds in the reverse order: first, the primary carbides are crystallized out at around 2400 ° C. Their amount is constantly increasing with decreasing temperature, whereas the amount of remaining melt constantly decreases. At 1650 ° C, the remaining melt, which contains only 0.45% by mass of dissolved carbon, crystallizes to a microstructure of pure titanium and the lower-carbon titanium carbide Ti 2 C from. Thus, the same amount of carbide re-crystallizes, which was previously dissolved. As a rule, even in this case, the primary solidified phase (primary carbides) crystallizes in the form of dendrites (fir tree crystals). The approximately 20 volume percent TiC are in the form of fine dendrites in the solidified melt of the newly created surface material. They are evenly distributed in this and have a significantly smaller particle size than the particles present in the original welding filler material (MMC). In this process, according to the invention, the metallic base substance of the welding consumable material (titanium) has not changed, which is of considerable importance in corrosive stress of the weld.

Diese gemäß der Erfindung aufgetragene verschleißbeständige Oberflächenschicht kann nun zur Erzeugung einer gewünschten Oberflächenqualität oder, zwecks Erreichens bestimmter Bauteilabmessungen, mittels einer spanabhebender Nachbehandlung bearbeitet werden. This wear resistant applied according to the invention Surface layer can now be used to produce a desired Surface quality or, in order to reach certain Component dimensions, by means of a machining aftertreatment to be edited.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine sinnvolle Ergänzung der pulvermetallurgischen Möglichkeiten zur Herstellung verschleißbeständiger Titanbauteile dar und erlaubt zudem zusätzliche/andere Möglichkeiten der Oberflächenpanzerung. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in der guten Haftung zwischen der Oberflächenschicht und dem Titan- oder Titanlegierungsgrundwerkstoff. Dieses Verfahren ist den oben aufgezählten Verfahren zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Titan und Titanlegierungen auch durch die Ähnlichkeit oder Gleichheit der chemischen Zusammensetzung von beschichtetem Werkstoff und vom Schichtwerkstoff überlegen, da keine störenden Unterschiede der metallurgischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Bauteil und Oberflächenschicht bestehen. Als weitere Vorteile dieses Verfahrens können die Bildung einer rissfreien Verschleißschutzschicht, bei der keine nachweisbare Phasenveränderungen gegenüber dem Ausgangszustand festzustellen sind und die bevorzugte Eignung des Verfahrens für die Beschichtung von kleinsten und sehr präzisen Aufschweißungen, insbesondere auf Automobilteile, wie Autoventile, genannt werden. Von besonderem Vorteil ist die beliebig wählbare Schichtdicke des aufgeschweißten harten Werkstoffes. The inventive method provides a useful supplement the powder metallurgical possibilities for the production wear-resistant titanium components and also allows additional / other possibilities of surface armor. On particular advantage of the invention is the good adhesion between the surface layer and the titanium or Titanium alloy base material. This procedure is the one above enumerated methods for improving the Wear resistance of titanium and titanium alloys also by the Similarity or equality of the chemical composition of coated material and superior to the coating material, since no disturbing differences of metallurgical, physical and mechanical properties of component and Surface layer exist. As more benefits of this Process can be the formation of a crack-free Wear protection layer, with no detectable phase changes are to be determined relative to the initial state and the preferred suitability of the method for the coating of smallest and very precise welds, especially on Automotive parts, such as car valves, called. Of special The advantage is the freely selectable layer thickness of the welded hard material.

Weitere Vorteile und Erläuterungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der beigefügten Zeichnung und den Abbildungen, auf die Bezug genommen wird. Es zeigt: Further advantages and explanations of the invention will become apparent from the following description of embodiments and from the accompanying drawing and the illustrations to which Reference is made. It shows:

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Ausbildung einer erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht durch Auftragsschweißen, Fig. 1 is a schematic diagram for explaining the formation of a wear-resistant layer according to the invention by hardfacing

Fig. 2 die Gefügeausbildung der Panzerschicht auf der Legierung bei einer flächigen Auftragsschweißung auf der Zylindermantelfläche einer Stange aus Reintitan (Vergrößerung 25×), Fig. 2 shows the microstructure of the armor layer on the alloy at a scale build-up welding on the cylindrical peripheral surface of a bar made of pure titanium (25 × magnification)

Fig. 3 die Ausbildung der Panzerschicht mit dendritischem Wachstum bei einer flächigen Auftragsschweißung auf der Zylindermantelfläche einer Stange aus Reintitan (Vergrößerung 200×). Fig. 3 shows the formation of the armor layer with dendritic growth in a flat surfacing on the cylinder surface of a rod of pure titanium (magnification 200 ×).

In dem nachfolgenden ersten Ausführungsbeispiel ist aus Fig. 1 schematisch der apparative Aufbau zur Herstellung von Verschleißschutzschichten gemäß der Erfindung zu entnehmen und in Fig. 2 und 3 die Gefügeausbildung der Panzerschicht zu sehen. Durch den elektrischen Lichtbogen in Fig. 1 zwischen der nicht abschmelzenden Wolframelektrode 3 und dem Grundwerkstoff 1, insbesondere einer Titan und Titanlegierungen, wird Wärme erzeugt und dabei ein harter metallischer Zusatzwerkstoff 2, vorzugsweise ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff, der mit TiC- Hartstoffpartikeln verstärkt wurde, in einer Schicht 4 auf die Oberfläche eines Bauteils aus der weicheren Titanlegierung aufgeschmolzen. Das Schmelzbad, die Elektrode und der Zusatzwerkstoff werden von Inertgas 5 Argon umspült, das über eine Inertgaszufuhr 6 zugeführt wird. Eine bevorzugte Anwendung des Auftragsschweißvorganges in diesem Beispiel beruht auf der flächigen Aufschweißung durch das WIG-Verfahren nach Fig. 1 von mehreren sich überlappenden, parallelen Raupen oder Strängen (oder Lagen) aus dem Schweißzusatzwerkstoff 2 auf der Titanlegierung TiAl6V4. Der verwendete Schweißzusatzwerkstoff 2 besteht zu 80 Volumen-Prozent aus metallischer Grundlegierung- TiAl6V6Sn2 und zu 20 Volumen-Prozent aus TiC-Partikeln, wird in Form von Stäben für das WIG-Verfahren bei Auftragsschweißung angewendet. Das Mikrogefüge der aufgeschweißten Panzerschicht ist in unterschiedlicher Vergrößerung in Fig. 2 und 3 abgebildet. Der metallographische Befund ergibt im Bereich der Auftragsschweißung an dem quer zur Schweißrichtung gelegten Schliff eine fehlerfrei durchgeführte Auftragsschweißung, mit guter Bindung an den Grundwerkstoff 1, da vom Grundwerkstoff nur eine relativ dünne Schicht aufgeschmolzen wurde und keinerlei Poren/Lunker sowie Oxide beobachtet werden. Aus den metallographischen Gefügeaufnahmen nach Fig. 2 und 3 ist der Aufbau der Panzerschicht zu entnehmen. Durch die eingestellten Verfahrensparameter kristallisiert das TiC in Dendriten aus. Die metallographischen Befunde zeigen, dass die erfindungsgemäße Auftragsschweißung der Panzerschicht zu einer Härtesteigerung um 24% und somit zu einer signifikanten Verschleißbeständigkeitserhöhung führt. In the following first embodiment is shown schematically in Fig. 1, the apparatus design for the production of wear protection layers according to the invention and to see in Figs. 2 and 3, the structural formation of the armor layer. Heat is generated by the electric arc in FIG. 1 between the non-consumable tungsten electrode 3 and the base material 1 , in particular a titanium and titanium alloys, and thereby a hard metallic filler material 2 , preferably a metal matrix composite material reinforced with TiC hard material particles. melted in a layer 4 on the surface of a component of the softer titanium alloy. The molten bath, the electrode and the filler material are surrounded by inert gas 5 argon, which is supplied via an inert gas 6 . A preferred application of the build-up welding operation in this example is based on the surface welding by the TIG method of FIG. 1 of several overlapping, parallel beads or strands (or layers) of the welding filler material 2 on the titanium alloy TiAl6V4. The consumable filler 2 used consists of 80% by volume of metallic base alloy-TiAl6V6Sn2 and 20% by volume of TiC particles, used in the form of rods for the TIG process on build-up welding. The microstructure of the welded-on armor layer is shown in different magnification in FIGS. 2 and 3. The metallographic findings in the field of build-up welding at the cross-section laid to the welding direction a well-performed build-up welding, with good bond to the base material 1 , since the base material only a relatively thin layer was melted and no pores / voids and oxides are observed. From the metallographic micrographs of Fig. 2 and 3, the structure of the armor layer is shown. Due to the set process parameters, the TiC crystallizes in dendrites. The metallographic findings show that the overlaying of the armor layer according to the invention leads to a hardness increase of 24% and thus to a significant increase in wear resistance.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine punktförmige Auftragsschweißung auf der ebenen Stirnfläche eines Stabes durchgeführt. Der Schweißzusatzwerkstoff ist aus Beispiel 1 zu entnehmen. Die Auftragsschweißung wurde durch WIG-Verfahren nach Fig. 1 durchgeführt. Es wurde nur soviel Schweißzusatzwerkstoff aufgebracht, wie für die Bildung einer flachen Kuppe auf der Stirnfläche notwendig war. Die Zusammensetzung in Massenprozenten der Titanlegierung des Stabes ist wie folgt: 2,5% Al, 11% Zinn, 5% Zirkon, 1% Molybdän, 0,2% Silizium. Die metallographischen Untersuchungen der punktförmigen Auftragsschweißung an einem Längsschliff liefern dem Beispiel 1 entsprechende Ergebnisse. Die Gefügeausbildung der Panzerschicht ist mit Beispiel 1 identisch und führt zu einer signifikanten Härtesteigerung um ca. 30%. In a second embodiment, a point-like build-up welding is performed on the flat end face of a rod. The welding filler is shown in Example 1. The build-up welding was performed by TIG method of FIG . It was applied only as much welding filler material, as was necessary for the formation of a flat dome on the face. The composition in percentage by mass of the titanium alloy of the rod is as follows: 2.5% Al, 11% tin, 5% zircon, 1% molybdenum, 0.2% silicon. The metallographic investigations of punctiform weld overlay on a longitudinal grinding provide the results corresponding to Example 1. The structure of the armor layer is identical to Example 1 and leads to a significant increase in hardness of approximately 30%.

Als drittes Beispiel wird im Folgenden eine flächige Ausführung dieses Verfahrens auf der Zylindermantelfläche einer Stange aus Reintitan aufgeführt. Der im Beispiel 1 und 2 verwendete Verbundwerkstoff wurde auch hier als Schweißzusatzwerkstoff benutzt. In diesem Beispiel erfolgt die Auftragsschweißung nach Fig. 1 auf die Zylindermantelfläche einer Stange mit einem Durchmesser von 15 mm. Der Stangenwerkstoff besteht aus Reintitan mit 0,25 Ma% Eisen und 0,2 Ma% Sauerstoff als Legierungselemente. Die Schweißung wird entsprechend Beispiel 1 und 2 mit dem WIG-Verfahren nach Fig. 1 unter Verwendung eines stabförmigen Schweißzusatzwerkstoffes durchgeführt. Gegenüber den vorgehenden Beispielen werden hier auf der Zylindermantelfläche in Achsrichtung mehrere sich überlappende, parallele Raupen oder Stränge (oder Lagen) aus dem Schweißzusatzwerkstoff aufgeschweißt. Diese parallelen Raupen ermöglichen eine lückenlose Abdeckung der Oberfläche der Stange. Die mikroskopischen Untersuchungen ergaben eine fehlerfreie Auftragsschweißung, Poren/Lunker und Oxide innerhalb der Schweißraupen werden nicht beobachtet. Die metallographischen Gefügeaufnahmen Fig. 2 und 3 zeigen den Panzerschichtaufbau. In Fig. 2 ist bei einer 25-fachen Vergrößerung ein dendritisches Wachstum des Gefüges in der Verschleißschutzschicht deutlich erkennbar. Nach Fig. 3 ist bei einer 200-fachen Vergrößerung keinerlei Bildung von Poren/Lunker und Oxiden nachweisbar. Die Panzerung besitzt eine um den Faktor 3 erhöhte Härte. As a third example, a surface version of this method is listed below on the cylinder jacket surface of a rod made of pure titanium. The composite material used in Examples 1 and 2 was also used here as a filler metal. In this example, the build-up welding according to FIG. 1 is carried out on the cylinder jacket surface of a rod with a diameter of 15 mm. The rod material consists of pure titanium with 0.25 Ma% iron and 0.2 Ma% oxygen as alloying elements. The welding is carried out according to Example 1 and 2 with the TIG method of FIG. 1 using a rod-shaped filler metal. Compared to the preceding examples, a plurality of overlapping, parallel caterpillars or strands (or layers) of the welding filler material are welded on the cylinder jacket surface in the axial direction. These parallel beads allow complete coverage of the surface of the rod. The microscopic examinations resulted in an error-free build-up welding, pores / voids and oxides within the weld beads are not observed. The metallographic micrographs Fig. 2 and 3 show the armor layer structure. In FIG. 2, at a magnification of 25 times, a dendritic growth of the microstructure in the wear-resistant layer is clearly recognizable. According to FIG. 3, no formation of pores / voids and oxides is detectable at a magnification of 200 times. The armor has a hardness increased by a factor of 3.

Nach allen aufgeführten Beispielen führt die erfindungsgemäße Aufschweißung zu einer sehr wirksamen Härtesteigerung im Bereich der Panzerung. After all the examples listed, the inventive Welding to a very effective hardness increase in the Area of armor.

Claims (9)

1. Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Titan und Titanlegierungen durch Oberflächenhärten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schweißzusatzwerkstoff (2) als fester Verbundwerkstoff aus einer Titanlegierungsmatrix mit dispergierten feinen Hartstoffverstärkungspartikeln zusammengesetzt wird und als eine harte metallische Schicht (4) auf die Oberfläche eines Bauteils insbesondere aus Titan oder Titanlegierungen aufgeschweißt wird. A method for improving the wear resistance of titanium and titanium alloys by surface hardening, characterized in that a filler metal ( 2 ) is composed as a solid composite of a titanium alloy matrix with dispersed fine reinforcement particles and as a hard metallic layer ( 4 ) on the surface of a component in particular made of titanium or titanium alloys is welded. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung des Schweißzusatzwerkstoffes aus einer Titanlegierung TiAl6V4 oder TiAl6V6Sn2 als Basiswerkstoff, mit einem Gehalt zwischen 70 und 95 vorzugsweise 80 Volumen-Prozent des Verbundwerkstoffes, und aus zwischen 5 und 30 vorzugsweise 20 Volumen-Prozent Hartstoffverstärkungspartikeln zusammengesetzt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that using the welding consumable material from one Titanium alloy TiAl6V4 or TiAl6V6Sn2 as base material, with a content between 70 and 95, preferably 80 Volume percent of the composite, and from between 5 and preferably 20% by volume Hard material reinforcing particles is composed. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoffverstärkungspartikel Titancarbid oder Titanborid verwendet werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized that as hard material reinforcing particles titanium carbide or Titanium boride can be used. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffverstärkungspartikel des Schweißzusatzwerkstoffes einen mittleren Partikeldurchmesser vorzugsweise von 40 µm nicht überschreiten und eine homogene Verteilung aufweisen. 4. The method according to claim 1 to 3, characterized that the hard material reinforcing particles of the Filler metal has a mean particle diameter preferably not exceed 40 microns and a homogeneous Have distribution. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die harte metallische Schicht mit einer ausgewählten Schichtdicke auf die Oberfläche eines aus einer Titanlegierung bestehenden Bauteils aufgeschweißt wird. 5. The method of claim 1 to 4, wherein the hard metallic layer with a selected layer thickness the surface of a titanium alloy Component is welded. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißzusatzwerkstoff auf der Oberfläche, insbesondere auf einen kleinen Bereich als Verschleißschutz aufgetragen wird. 6. Method according to one or more of the preceding Claims, characterized in that the Welding filler on the surface, especially on one small area is applied as wear protection. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißzusatzwerkstoff in Form von dünnen Stangen oder dünnen Drähten aufgebracht wird. 7. Method according to one or more of the preceding Claims, characterized in that the Filler metal in the form of thin rods or thin ones Wires is applied. 8. Bauteile, insbesondere Verdichterschaufeln aus Titan oder einer Titanlegierung, mit einer Gleitoberfläche, bei der zumindest die Gleitoberfläche des Bauteils aus einem Verbundwerkstoff aus einer verschleißfesten Titanlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 besteht. 8. Components, in particular compressor blades made of titanium or a titanium alloy having a sliding surface in which at least the sliding surface of the component of a Composite material made of a wear-resistant titanium alloy according to one of claims 1 to 7. 9. Automobilmotorventil, hergestellt aus einer verschleißfesten Titanlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7. 9. automobile engine valve, made of a Wear-resistant titanium alloy according to one of claims 1 to 7.
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