DE102005020611A1 - Workpiece system for thermal coating, e.g. thermal spraying or built-up welding (sic) for deposition of protective layer of high wear and corrosion resistance on metal components useful for production of filler wires - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Werkstoffsystem zum thermischen Beschichten, vorzugsweise durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, zur Herstellung einer Schutzschicht mit hohem Verschleiß- bzw. Verschleiß- und Korrosionswiderstand.The The invention relates to a material system for thermal coating, preferably by thermal spraying or build-up welding, for the production a protective layer with high wear or corrosion resistance.
Aus
der
Die
Desweiteren
wird in der
Die Verwendung reiner Karbide weisen eine Reihe Vorteile aber auch Nachteile auf, aus denen sich bestimmte Schicht- und Verarbeitungseigenschaften ableiten lassen.The Use of pure carbides have a number of advantages but also disadvantages on which make up certain coating and processing properties to derive.
Wolframschmelzkarbid (WSC) weist im Vergleich zu Titan- und Vanadiumkarbid eine geringe Raumtemperatur (RT)-Härte auf; besitzt jedoch eine hohe Warmhärte, eine gute Benetzbarkeit, eine gute Fähigkeit bei groben Karbiden und eine hohe Neigung zur Auflösung in Fe- und Ni-Matrix.tungsten carbide (WSC) has a low room temperature compared to titanium and vanadium carbide (RT) hardness on; but has a high heat hardness, good wettability, a good ability with coarse carbides and a high tendency to dissolve in Fe and Ni matrix.
Titankarbid hat die höchste RT-Härte, aber eine schlechte Benetzbarkeit, geringe Zähigkeit und eine geringe Lösungsneigung.titanium carbide has the highest RT hardness, but poor wettability, low toughness and low tendency to dissolve.
Vanadiumkarbid weist eine gute RT- und Warmhärte auf, besitzt jedoch keine Lösungstendenz in Fe- und Ni-Matrix und neigt zu Sprödebruch bei groben Partikeln. Aufgeschmolzene Karbide bilden keine Mischkarbide. Die Primärkarbidauscheidung führt zu Kornfeinung der Beschichtung.vanadium has a good RT and hot hardness on, but has no solution tendency in Fe and Ni matrix and prone to brittle fracture in coarse particles. Melted carbides do not form mixed carbides. The primary carbide precipitation leads to grain refining the coating.
Die Einzelkarbide besitzen folgende Nachteile:The Single carbides have the following disadvantages:
Wolframschmelzkarbid:tungsten carbide:
- • Schwerkraft-Seigerungen bei < 50 % Karbidanteil;• Gravity segregation at <50% carbide content;
- • Starke Lösungs- und Entkohlungstendenz, deshalb nur in selbstfließenden Matrixwerkstoffen und mit groben Korn verarbeitbar.• Strength solvent and decarburization tendency, therefore only in self-fluxing matrix materials and processable with coarse grain.
Titankarbid:titanium carbide:
- • Aufschwimmen im Schmelzbad durch niedrigere Dichte;• Floating in the molten bath due to lower density;
- • schlechtere Benetzbarkeit;• worse wettability;
- • spröde, da keine eutektische feinfiedrige Form existiert.• brittle, since none eutectic fine-grained form exists.
Vanadiumkarbid:vanadium:
- • Sprödigkeit bei groben Karbidkonfigurationen, wegen fehlender feinfiedriger eutektischer Anordnung• brittleness in coarse carbide configurations, because of lack of feinfiedriger eutectic arrangement
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Werkstoffsystem zum thermischen Beschichten, vorzugsweise durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, zur Herstellung einer Schutzschicht mit hohem Verschleiß- und/oder Korrosionswiderstand zu schaffen.Of the The present invention is based on the object, an improved Material system for thermal coating, preferably by thermal spraying or build-up welding, for the manufacture of a To provide a protective layer with high wear and / or corrosion resistance.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Werkstoffsystem aus 10 bis 80 Gewichtsprozent Mischkarbidpulver, bezogen auf die Gesamtmasse, auf der Basis Titan-, Vanadium- und/oder Wolframschmelzkarbiden und aus 20 bis 90 Gewichtsprozent eines Metallmatrixpulvers, bezogen auf die Gesamtmasse, auf Eisen-, Nickel- und/oder Kobaltbasis besteht und dabei die Kornfraktion des Mischkarbidanteils bei Verwendung als Plasma-Spritz-Pulver eine Größe von 5–50 μm und bei Verwendung für das Auftragschweißen eine Größe von 45–250 μm aufweist.According to the invention this object is achieved in that the material system of 10 to 80 weight percent mixed carbide powder, based on the total mass, based on titanium, vanadium and / or tungsten carbides and from 20 to 90 weight percent of a metal matrix powder, based on the total mass, on iron -, nickel and / or cobalt base and thereby the grain fraction of Mischkarbidanteils when used as Plas ma-spray powder has a size of 5-50 microns and when used for build-up welding has a size of 45-250 microns.
Als einer der wesentlichen Vorteile dieser erfindungsgemäßen Lösung ist zu nennen, daß durch die Kombination der Karbidarten Wolframschmelzkarbid (Eutektikum zwischen W2C und WC), Vanadiumkarbid, und Titankarbid die unterschiedlichen Eigenschaften der Karbide kombiniert werden können, so daß Beschichtungen mit Karbidgehalten von 10 bis 80 % ohne Karbid-Seigerungen, wie sie bei der Verwendung der Einzelkarbide auftreten, auf der zu beschichtenden Fläche erzeugt werden können. Die Bildung von Mischkarbiden zwischen den Metallen der Einzelkarbide führt zur Verbesserung der Benetzbarkeit und der Festigkeitseigenschaften der Beschichtung. Die Bildung feinkörniger Zwischenkarbidausscheidungen verhindert das Auswaschen des Matrixwerkstoffes und erhöht die Verschleißbeständigkeit der Beschichtung.As one of the main advantages of this solution according to the invention is to be mentioned that the different properties of the carbides can be combined by the combination of carbide types tungsten carbide (eutectic between W 2 C and WC), vanadium carbide, and titanium carbide, so that coatings with carbide contents of 10 to 80% without carbide segregations, as they occur when using the single carbides, can be generated on the surface to be coated. The formation of mixed carbides between the metals of the single carbides leads to the improvement of the wettability and the strength properties of the coating. The formation of fine-grained intermediate carbide precipitates prevents the washout of the matrix material and increases the wear resistance of the coating.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den übrigen Unteransprüchen und aus den nachfolgenden, prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen ersichtlich.advantageous Further developments and refinements of the invention are evident from the remaining subclaims and from the following, described in principle embodiments seen.
Die nachfolgend aufgeführten Werkstoffsysteme sind so ausgelegt, daß sie zum Plasma-Pulver-Auftragsschweißen geeignet sind.The listed below Material systems are designed to be suitable for plasma powder buildup welding are.
Beispiel 1:Example 1:
Das Metallmatrixpulver besteht aus einer Legierung auf Nickel-Basis, der als Hauptbestandteile Bor und Silizium zugesetzt sind. Diese Legierung weist die weiteren Bestandteile Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Eisen, Stickstoff und Sauerstoff auf.The Metal matrix powder consists of a nickel-based alloy, are added as the main components boron and silicon. These Alloy has the other constituents carbon, manganese, chromium, Iron, nitrogen and oxygen.
Die Herstellung des Metallmatrixpulvers erfolgt durch Gas- oder Wasserverdüsung der flüssigen Schmelze. Dem Metallmatrixpulver werden agglomerierte oder gesinterte Titankarbide in Pulverform mit einer Kornfraktion von 100 μm zugesetzt.The Production of the metal matrix powder is carried out by gas or water atomization of liquid melt. The metal matrix powder is agglomerated or sintered titanium carbides added in powder form with a grain size of 100 microns.
Das Mischungsverhältnis von Metallmatrixpulver und Titankarbidpulver beträgt in diesem Beispielsfall 50:50.The mixing ratio of metal matrix powder and titanium carbide powder is in this Example case 50:50.
Beispiel 2:Example 2:
Das Metallmatrixpulver besteht hier ebenfalls aus einer Legierung auf Nickel-Basis, der als Hauptbestandteile Bor und Silizium zugesetzt sind. Als weitere Bestandteile weist diese Legierung Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Eisen, Stickstoff und Sauerstoff auf.The Metal matrix powder also consists of an alloy here Nickel base, which is added as the main constituents boron and silicon are. As further constituents, this alloy has carbon, Manganese, chromium, iron, nitrogen and oxygen.
Die Herstellung des Metallmatrixpulvers erfolgt ebenfalls durch Gas- oder Wasserverdüsung der flüssigen Schmelze. Dem Metallmatrixpulver werden agglomerierte oder gesinterte Titan- und Vanadiumkarbide in Pulverform mit einer Kornfraktion von 100 μm zugesetzt.The Production of the metal matrix powder is likewise carried out by gas or water spraying the liquid Melt. The metal matrix powder is agglomerated or sintered Powdered titanium and vanadium carbides with a grain fraction of 100 μm added.
Das Mischungsverhältnis von Metallmatrixpulver zu Titankarbidpulver zu Vanadiumkarbidpulver beträgt 50:25:25.The mixing ratio from metal matrix powder to titanium carbide powder to vanadium carbide powder is 50:25:25.
Beispiel 3:Example 3:
Das Metallmatrixpulver besteht hier wiederum aus einer Legierung auf Nickel-Basis, der als Hauptbestandteile Bor und Silizium und als weitere Bestandteile Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Eisen, Kobalt, Stickstoff und Sauerstoff zugesetzt sind.The Metal matrix powder again consists of an alloy Nickel-based, as the main components boron and silicon and as other ingredients carbon, manganese, chromium, iron, cobalt, Nitrogen and oxygen are added.
Die Herstellung des Metallmatrixpulvers erfolgt auch hier durch Gas- oder Wasserverdüsung der flüssigen Schmelze. Dem Metallmatrixpulver werden ebenfalls agglomerierte oder gesinterte Titan- und Wolframschmelzkarbide in Pulverform mit einer Kornfraktion von 100 μm zugesetzt.The Production of the metal matrix powder is also carried out here by gas or water spraying the liquid Melt. The metal matrix powder is also agglomerated or sintered titanium and tungsten carbide carbides in powder form with a Grain fraction of 100 μm added.
Das Mischungsverhältnis von Metallmatrixpulver zu Titankarbidpulver zu Wolframschmelzkarbidpulver beträgt 50:20:30.The mixing ratio from metal matrix powder to titanium carbide powder to tungsten carbide powder is 50:20:30.
Beispiel 4:Example 4:
Das Metallmatrixpulver besteht hier wiederum aus einer Legierung auf Nickel-Basis, der als Hauptbestandteile Bor und Silizium zugesetzt sind. Als weitere Bestandteile weist diese Legierung die Bestandteile Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Eisen, Kobalt, Stickstoff und Sauerstoff auf.The Metal matrix powder again consists of an alloy Nickel base, which is added as the main constituents boron and silicon are. As further constituents, this alloy has the constituents Carbon, manganese, chromium, iron, cobalt, nitrogen and oxygen on.
Die Herstellung des Metallmatrixpulvers erfolgt durch Gas- oder Wasserverdüsung der flüssigen Schmelze. Dem Metallmatrixpulver werden ebenfalls agglomerierte oder gesinterte Titan- und Vanadium- und Wolframschmelzkarbide in Pulverform mit einer Kornfraktion von 100 μm zugesetzt.The Production of the metal matrix powder is carried out by gas or water atomization of liquid melt. The metal matrix powder is also agglomerated or sintered Titanium and vanadium and tungsten carbides in powder form with a grain fraction of 100 microns added.
Das Mischungsverhältnis von Metallmatrixpulver zu Titankarbidpulver zu Vanadiumkarbidpulver zu Wolframschmelzkarbidpulver beträgt 40:10:20:30.The mixing ratio from metal matrix powder to titanium carbide powder to vanadium carbide powder Tungsten carbide powder is 40: 10: 20: 30th
Durch den Einsatz der Mischkarbide und durch Verwendung von Matrixwerkstoffen unterschiedlicher Zusammensetzung und Härte lassen sich Schutzschichten gegen komplexe Angriffe aus Verschleiß, Korrosion und Temperatur herstellen, z.B. in der Ofshore-Technik, im Tage-, Berg- und Tiefbau sowie in der chemischen Industrie.By the use of mixed carbides and the use of matrix materials different composition and hardness can be protective layers against complex attacks from wear, corrosion and temperature produce, e.g. in the offshore engineering, in the day, mining and civil engineering as well as in the chemical industry.
Insbesondere die Anwendung von Fülldrähten schafft neue Möglichkeiten, karbidhaltige Zusatzwerkstoffe auch auf dem Reparatursektor einzusetzen.In particular, the use of cored wires creates new opportunities, carbide-containing addition also to use materials in the repair sector.
Vor allem für einen Einsatz „vor Ort" sind das Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG) und das Lichtbogenspritzen günstig geeignet.In front everything for an insert " Place "are the metal inert gas welding (MSG) and arc spraying cheap suitable.
Die Verarbeitung der Metallpulverlegierungen erfolgt mittels des Plasma-Pulver-Auftragschweißens und des thermischen Lichtbogen- und Flammspritzens, während für die Fülldrahte das Metall-Schutzgasschweißen (MSG) und Lichtbogenspritzen Einsatz finden.The Processing of the metal powder alloys is carried out by means of plasma powder build-up welding and of thermal arc and flame spraying, while for the filler wires the metal inert gas welding (MSG) and arc spraying application find.
Die Schicht wird so aufgebaut, daß auf dem Substrat eine durch den Matrixwerkstoff gut haftende Schicht entsteht, in der Titankarbid (TiC), Vanadiumkarbid (VC) und Wolframschmelzkarbid (WSC) sowie in-situ gebildete Mischkarbide eingelagert sind.The Layer is constructed so that on the substrate a well adhering through the matrix material layer is formed in the titanium carbide (TiC), vanadium carbide (VC) and tungsten carbide (WSC) and mixed carbides formed in situ are incorporated.
Aufgrund der unterschiedlichen Dichte der Karbide ändert sich in der Schicht die Konzentration kontinuierlich. Dabei handelt es sich um Gradienten-Schichten mit Dreifach-Kombination von WSC, TiC und VC und vergleichbaren Korngrößen. TiC als Deckkarbid, WSC als Unterlage und VC bzw. (Ti,V)C als Zwischenkarbid. Durch unterschiedliche Kornspektren bzw. durch feinkörnige Mischkarbidbildungen können die Verschleißschutzschichten bei grob- und feinabrasiv eingesetzt werden. WSC kann als grobes Korn, TiC und VC als Feinkorn dazwischen eingelagert sein. Das Herauslösen von Matrixwerkstoff wird durch feine Zwischenraumkarbide verhindert.by virtue of The different density of carbides changes in the layer Concentration continuously. These are gradient layers with triple combination of WSC, TiC and VC and comparable Grain sizes. TiC as cover carbide, WSC as underlay and VC or (Ti, V) C as intermediate carbide. By different grain spectra or by fine-grained Mischkarbidbildungen can the wear protection layers used in coarse and fine abrasives. WSC can be considered crude Grain, TiC and VC are embedded as fine grain in between. The dissolution of Matrix material is prevented by fine interstitial carbides.
Hohe Verschleißbeständigkeit bei geringen Gesamtkarbid-Gehalten ermöglicht eine bessere mechanische Nachbearbeitung durch Schleifen bei notwendiger definierter Geometrie. Eine hohe Verarbeitungssicherheit ist gegeben, da TiC und VC nicht zur Entkohlung/Zersetzung neigen.Height wear resistance At low total carbide contents allows a better mechanical Post-processing by grinding with the necessary defined geometry. A high level of processing safety is given since TiC and VC are not tend to decarburization / decomposition.
Die Schicht wird so aufgebaut, daß auf dem Substrat eine durch den Matrixwerkstoff gut haftende Schicht erfolgt, in der TiC und VC eingelagert sind. Während die TiC im oberflächennahen Bereich eingelagert sind, wird die Matrix, insbesondere im Übergangsbereich, durch feinstverteilte VC gestützt. Grundlage hierfür ist die genau abgestimmte Kornfraktion der Vanadinkarbide sowie auch der Einsatz von agglomerierten Karbiden.The Layer is constructed so that on the substrate a well adhering through the matrix material layer takes place in which TiC and VC are embedded. While the TiC is near the surface Are embedded, the matrix, especially in the transition region, supported by finely divided VC. basis therefor is the finely tuned grain fraction of vanadium carbides as well also the use of agglomerated carbides.
Die Schicht wird so aufgebaut, daß auf dem Substrat eine durch den Matrixwerkstoff gut haftende Schicht erfolgt, in der TiC und WSC eingelagert sind.The Layer is constructed so that on the substrate a well adhering through the matrix material layer takes place, in which TiC and WSC are stored.
Während die TiC im oberflächennahen Bereich eingelagert sind, wird die Matrix, insbesondere im Übergangsbereich, durch WSC verstärkt. Grundlage hierfür ist die genau abgestimmte Kornfraktion der Wolframschmelzkarbide.While the TiC in the near-surface Are embedded, the matrix, especially in the transition region, reinforced by WSC. Basis for this is the finely tuned grain fraction of tungsten carbides.
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