DE102006033162A1

DE102006033162A1 - Verfahren zur Herstellung verschleiß- und korrosionsbeständiger Schutzschichten nach dem Auftragsschweißverfahren

Info

Publication number: DE102006033162A1
Application number: DE200610033162
Authority: DE
Inventors: Christine Winkelmann; Christa Theisen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft die Herstellung verschleißbeständiger Schutzschichten unter Verwendung des Auftragsschweißverfahrens unabhängig von der Wahl der Energiequelle und der Form des Zusatzwerkstoffes. Die erhaltenen Schutzschichten sind flächenbegrenzt und insbesondere resistent gegen eine abrasive Beanspruchung. Erfindungswesentlich ist, dass der Zusatzwerkstoff Metalloide enthält, die eine Metallkeramik sind. Die Metallkeramik ist bevorzugt Aluminium-Zirkon-Oxid mit einer max. Partikelgröße von 500 µm. Eine vorteilhafte Ausführung nach der Erfindung ist der Einsatz einer mit einem Haftvermittler beschichteten Metallkeramik, wobei der Haftvermittler z. B. Titannitrid oder Wolframkarbid ist. Die Schichtdicke des Haftvermittlers auf der Metallkeramik beträgt 10-15% der Korngröße der Metallkeramik. Eine weitere vorteilhafte Ausführung ist auch der Einsatz einer modifizierten Eisenmatrix, die gewährleistet, dass die Metallkeramik unaufgeschmolzen in der Schutzschicht erhalten bleibt und dadurch die mechanische Widerstandsfähigkeit der Schutzschicht wesentlich erhöht. Der Zusatzwerkstoff nach der Erfindung und die Modifizierung der Eisenmatrix ermöglichen erstmals die Anwendung automatischer Auftragsschweißverfahren zur Herstellung verschleiß- und korrosionsbeständiger Schutzschichten. Das Verfahren zur Herstellung verschleiß- und korrosionsbeständiger Schutzschichten nach dem Auftragsschweißverfahren ist besonders geeignet für die Beschichtung von Turbinenschaufeln u. ...

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung verschleißbeständiger Schutzschichten unter Verwendung des Auftragsschweißverfahrens. Auftragsschweißverfahren sind charakterisiert durch Verwendung von Zusatzwerkstoffen in Form von Stäben, Fülldrähten oder Pulver und den Einsatz von Lichtbogen, Plasma, Laser oder Induktoren als Energiequellen. Bei der Bearbeitung von Werkstoffen unter starker abrasiver Verschleißbeanspruchung werden Werkzeuge aus hartphasenhaltigen Werkstoffen eingesetzt, gleiches gilt für Bauteile, die bei ihrem Einsatz einer starken abrasiven Beanspruchung unterliegen. Hartphasenhaltige Werkstoffe enthalten z. B. Karbide, Nitride, Boride, Oxide, die auch als harte Metalloid-Phase bezeichnet werden. Die Metalloid-Phase stellt sich den furchenden mineralischen Partikeln entgegen und erhöht mit zunehmenden Anteil den Verschleißwiderstand eines so ausgerüsteten Werkzeuges oder Bauteiles. In der Praxis finden neben Gussstücken aus weißem Gusseisen, welches hartphasenhaltig ist, auch auftraggeschweißte hartphasenhaltige Schichten auf kostengünstigen Stahlsubstraten oder Inlays im Verschleißbereich Verwendung. Aus DE 195 28 512 C2 ist ein Inlay auf der Basis einer Metalloxid- oder Metallkarbid-Keramik bekannt. Bekannte Auftragsschweißverfahren arbeiten so, dass der Zusatzwerkstoff durch die Energiequelle aufgeschmolzen wird und auf dem ebenfalls aufgeschmolzenen Grundwerkstoff erstarrt. Wenn der Metalloidgehalt des Zusatzwerkstoffes recht hoch ist, kann es passieren, dass die Metalloide aus der Schmelze ausgeschieden werden. Es sind auch Auftragsschweißverfahren bekannt, deren Zusatzwerkstoffe hochschmelzende Karbide, z. B. Wolframschmelzkarbid, enthalten, wobei der Schweißprozess dann so geführt werden muss, dass die Karbide beim Abschmelzen des Zusatzwerkstoffes nicht aufschmelzen oder in Lösung gehen. In jedem der beschriebenen Fälle werden sowohl Schweißbrenner als auch der Zusatzwerkstoff von Hand geführt. Unter diesen Bedingungen sind sowohl Abschmelz- als auch Auftragsleistung verfahrensbedingt niedrig. Bei Einsatz eines Lichtbogens oder Plasmas als Energiequelle kann die Abschmelzleistung zwar erhöht werden, dieser Vorteil wird aber durch die Gefahr des Aufschmelzens bzw. Auflösens der Wolframschmelzkarbide beim Abschmelzen des Zusatzwerkstoffes deutlich beeinträchtigt. Eine wesentliche Verfahrensbedingung ist auch die zum Einsatz kommende Metallmatrix. Bei Vorlage der klassischen Eisenmatrix ist die Verwendung eines Zusatzwerkstoffes, der Wolframschmelzkarbid enthält, nachteilig, weil sich Wolframschmelzkarbid in der Eisenmatrix leicht auflöst und die thermodynamisch stabile Phase M₆C bildet. Wird die Eisenmatrix durch eine Nickel- oder Kobaltmatrix ersetzt, wird die M₆C-Phasenbildung verhindert, aber die Materialkosten erhöhen sich drastisch. Außerdem ist weder die Nickel- noch Kobaltmatrix martensitisch härtbar.
Vor diesem technischen Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer verschleiß- und korrosionsbeständigen Schutzschicht nach dem Auftragsschweißverfahren zu entwickeln, bei dem der Zusatzwerkstoff Metalloide enthält und die aufgezeigten Nachteile eliminiert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 und 2 gelöst. Die Unteransprüche bilden die Erfindung vorteilhaft weiter aus. Es hat sich überraschend eine Metallkeramik aus Aluminium-Zirkon-Oxid als ein Zusatz gezeigt, die nach dem Abschmelzen des Zusatzwerkstoffes in der Matrix unaufgeschmolzen erhalten bleibt und dadurch der Verschleißschicht eine hohe mechanische Beständigkeit, insbesondere gegen abrasive Beanspruchungen, verleiht. Der Anteil des Aluminium-Zirkon-Oxides sollte 70 Masse-% im Zusatzwerkstoff nicht übersteigen, bevorzugt ist ein Gehalt von 30–60 Masse-%. Das Aluminium-Zirkon-Oxid zeichnet sich im Vergleich zum Einsatz von Karbiden durch höhere thermische Stabilität und die dadurch unkomplizierte Energiezuführung in den Schmelz- bzw. Schweißprozess aus. Die Metallkeramik Aluminium-Zirkon-Oxid ist mit jeder Form der Energiequelle, sowohl elektrischem Lichtbogen als auch Plasma- oder Laserlichtbogen, verarbeitbar. Es ist vorteilhaft für die Ausführung des Auftragsschweißens mit der Metallkeramik Aluminium-Zirkon-Oxid, wenn die Korngröße des Aluminium-Zirkon-Oxids 500 μm nicht übersteigt. Es hat sich weiter gezeigt, dass das Aluminium-Zirkon-Oxid unaufgeschmolzen in der Matrix auch im automatisierten Auftragsschweißverfahren erhalten bleibt. Die unaufgeschmolzenen Einlagerungen in der auftragsgeschweißten Beschichtung sind die Voraussetzung für die Verbesserung der mechanischen Beständigkeit, die nur in einem begrenzten Oberflächenbereich notwendig und vorteilhaft sind. Die vorteilhaften Eigenschaften der Beschichtung bei Verwendung von Aluminium-Zirkon-Oxid als Bestandteil des Zusatzwerkstoffes werden unabhängig von seiner Einsatzform erreicht, d. h. unabhängig von der Art des Auftragsschweißverfahrens und der Art des Zusatzwerkstoffes, z. B. als Pulver, Fülldraht, Füllband, Sinterband oder Sinterstab. Die Metallkeramik Aluminium-Zirkon-Oxid bleibt in jeder Matrix unaufgeschmolzen erhalten. Damit gibt es keinerlei Einschränkungen für die Nutzung automatisierter Auftragsschweißverfahren und erhebliche Kosteneinsparungen gegenüber dem Stand der Technik sind realisierbar. Überraschend hat sich weiter gezeigt, dass die Herstellung verschleiß- und korrosionsbeständiger Schutzschichten nach der Erfindung bei Verwendung einer modifizierten Eisenmatrix weiter effektiviert wird. Die modifizierte Eisenmatrix hat dabei die im Anspruch 4 beanspruchte Zusammensetzung. Eine weitere vorteilhafte Wirkung der Erfindung wird erreicht, wenn die Metallkeramik Aluminium-Zirkon-Oxid mit einem Haftvermittler ausgerüstet wird. Als Haftvermittler geeignet sind metallische Verbindungen mit hoher Dichte, z. B. Titannitrid, Wolframcarbid. Die Schichtdicke der Beschichtung mit metallischen Verbindungen beträgt vorteilhafter Weise 10–15 % der Korngröße der eingesetzten Metallkeramik. Titannitrid und Wolframcarbid zeichnen sich durch eine hohe spezifische Dichte aus, erhöhen dadurch auch das spezifische Gewicht der Metallkeramik und verhindern den Aufschwimmeffekt der Metallkeramik im Schmelzbad. Das Aufschwimmen tritt besonders beim Einsatz einer Eisenmatrix nach dem Stand der Technik auf. Das Beschichten der Metallkeramik erfolgt nach Verfahren der Dünnschichttechnik, wie Reaktionssintern, Hochvakuumbedampfen, galvanisch oder durch Schmelztauchen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Ausführungsbeispiel 1
Nach dem elektrischen Lichtbogen-Auftragsschweißverfahren wird eine Verschleißschicht aufgebracht. Der Zusatzwerkstoff ist ein Fülldraht, das Pulvers für den Fülldraht enthält 30 Masse-% Aluminium-Zirkon-Oxid in einer Korngröße von max. 280 μm. Als Matrix wird eine Eisenmatrix in der Zusammensetzung: 0,3–0,7 Masse-% Kohlenstoff, max. 3 Masse-% Nickel, max. 3 Masse-% Chrom, max. 3 Masse-% Molybdän und max. 3 Masse-% Vanadium verwendet. Der Zusatzwerkstoff wird im Lichtbogen mit der Matrix aufgeschmolzen, wobei das Aluminium-Zirkon-Oxid unaufgeschmolzen in der Schmelze eingelagert erhalten bleibt und nach dem Erkalten in der Oberfläche der Auftragsschicht erkennbar ist. In der Verschleißschicht ist eine Gleichverteilung der Aluminum-Zirkon-Oxid-Hartphase festzustellen. Im Gegensatz zu Schweißungen mit Wolframkarbid sind auch die oberen Bereiche der Schweißung mit Hartphasen versehen. Somit ist ein hoher Verschleißwiderstand der gesamten Panzerung gegeben
Ausführungsbeispiel 2
Nach dem Plasma-Pulver-Auftragsschweißverfahren wird eine Verschleißschicht aufgebracht. Der Zusatzwerkstoff ist ein Pulver und enthält bis max. 70 Masse-% Aluminium-Zirkon-Oxid in einer Korngröße bis 350 μm. Als Matrix wird eine Eisenmatrix in der Zusammensetzung: 0,3–0,7 Masse-% Kohlenstoff, 1,0–2,0 Masse-% Chrom, 0,1–0,9 Masse-% Molybdän, 1,5–2,0 Masse-% Nickel und 0,1–0,3 Masse-% Vanadium eingesetzt. Der Zusatzwerkstoff wird im Plasma-Lichtbogen mit der Matrix aufgeschmolzen, wobei das Aluminium-Zirkon-Oxid unaufgeschmolzen in der Schmelze eingelagert erhalten bleibt und nach dem Erkalten in der Oberfläche der Auftragsschicht erkennbar ist. Die erhaltene Verschleißschicht ist 2–5 mm stark und weist keine spröden Phasen auf, wie sie von der Verarbeitung von Wolframkarbid bekannt sind.
Ausführungsbeispiel 3
Nach dem elektrischen Lichtbogen-Auftragsschweißverfahren wird eine Verschleißschicht aufgebracht. Der Zusatzwerkstoff ist ein Fülldraht, das Pulver für den Fülldraht enthält 30 Masse-% Aluminium-Zirkon-Oxid in einer Korngröße von max. 280 μm, wobei das Aluminium-Zirkon-Oxid mit Titannitrid beschichtet ist. Die Titannitridschicht auf dem Aluminium-Zirkon-Oxid ist max. 8 μm stark. Als Matrix wird eine Eisenmatrix wie im Ausführungsbeispiel 1 bereits beschrieben verwendet. Der Zusatzwerkstoff wird im elektrischen Lichtbogen mit der Matrix aufgeschmolzen, wobei das Aluminium-Zirkon-Oxid unaufgeschmolzen in der Schmelze eingelagert erhalten bleibt und nach dem Erkalten in der Oberfläche der Auftragsschicht erkennbar ist. Die Verschleißuntersuchungen der Schicht bestätigen eine sehr intensive Verbindung zwischen Matrix und Hartstoff, so dass ein Herausbrechen der Hartphase ausgeschlossen ist. Die Makrohärte der Beschichtung wird von der Beschichtung nicht beeinträchtigt.
Ausführungsbeispiel 4
Nach dem Plasma-Pulver-Auftragsschweißverfahren wird eine Verschleißschicht aufgebracht. Der Zusatzwerkstoff ist ein Pulver, das 70 Masse-% Aluminium-Zirkon-Oxid in einer Korngröße bis 350 μm enthält, wobei das Aluminium-Zirkon-Oxid mit Titannitrid beschichtet ist. Die Titannitridschicht auf dem Aluminium-Zirkon-Oxid ist max. 8 μm stark. Als Matrix wird eine Eisenmatrix, wie sie im Ausführungsbeispiel 2 bereits beschrieben ist, verwendet. Das beschichtete Aluminium-Zirkon-Oxid wird im Plasma-Lichtbogen mit der Matrix aufgeschmolzen, wobei das Aluminium-Zirkon-Oxid unaufgeschmolzen in der Schmelze eingelagert erhalten bleibt und nach dem Erkalten in der Oberfläche der Auftragsschicht erkennbar ist. Die Verschleißschicht hat eine Dicke von 2–5 mm. Es wird eine sehr geringe Vermischung der Schicht mit dem Grundwerkstoff erreicht und somit kann bereits die erste Lage der Panzerung die Eigenschaften erzielen, wie sie bei konventionellen Schweißungen erst in der zweiten bzw. dritten Lage zu erwarten sind.
Ausführungsbeispiel 5
Nach dem elektrischen Lichtbogen-Auftragsschweißverfahren wird eine Verschleißschicht aufgebracht. Der Zusatzwerkstoff ist ein Fülldraht, das Pulvers für den Fülldraht enthält 30 Masse-% Aluminium-Zirkon-Oxid in einer Korngröße von max. 280 μm, wobei das Aluminium-Zirkon-Oxid mit Wolframcarbid beschichtet ist. Die Wolframcarbidschicht auf dem Aluminium-Zirkon-Oxid ist max. 7 μm stark. Als Matrix wird eine Eisenmatrix wie im Ausführungsbeispiel 1 bereits beschreiben verwendet. Der Zusatzwerkstoff wird im elektrischen Lichtbogen mit der Matrix aufgeschmolzen, wobei das Aluminium-Zirkon-Oxid unaufgeschmolzen in der Schmelze eingelagert erhalten bleibt und nach dem Erkalten in der Oberfläche der Auftragsschicht erkennbar ist. Die Verschleißschicht weist eine nur geringe Zersetzung der Wolframkarbidschicht auf. Die Ausbildung spröder Phasen wird somit weitestgehend verhindert.
Ausführungsbeispiel 6
Nach dem Plasma-Pulver-Auftragsschweißverfahren wird eine Verschleißschicht aufgebracht. Der Zusatzwerkstoff ist ein Pulvers, das 70 Masse-% Aluminium-Zirkon-Oxid in einer Korngröße bis 350 μm enthält, wobei das Aluminium-Zirkon-Oxid mit Wolframcarbid beschichtet ist. Die Wolframcarbidschicht auf dem Aluminium-Zirkon-Oxid ist max. 7 μm stark. Als Matrix wird eine Eisenmatrix, wie sie im Ausführungsbeispiel 2 bereits beschrieben ist, verwendet. Der Zusatzwerkstoff wird im Plasma-Lichtbogen mit der Matrix aufgeschmolzen, wobei das Aluminium-Zirkon-Oxid unaufgeschmolzen in der Schmelze eingelagert erhalten bleibt und nach dem Erkalten in der Oberfläche der Auftragsschicht erkennbar ist. Die Verschleißschicht hat als einlagige Schweißung eine Dicke von 2–5 mm. Die Parameter werden so eingestellt, dass die Wolframkarbidschicht auf dem Aluminium-Zirkon-Oxid nahezu vollständig erhalten bleibt. Die Verschleißschicht wird somit ausreichend duktil, um auch bei schlagender Beanspruchung unzerstört zu bleiben. Dynamische Kraftwirkungen führen nicht zu Ausbrüchen.
Die Erfindung umfasst auch den Einsatz von Aluminium-Zirkon-Oxid in allen anderen Formen der Zusatzwerkstoffe die im Auftragsschweißverfahren zum Einsatz kommen können, wie Füllband, Sinterband oder Sinterstab u. a.. Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Metallkeramik unaufgeschmolzen in der Matrix eingelagert erhalten bleibt. Auch die Verwendung einer Nickel- oder Kobaltmatrix wird von der Erfindung umfasst. Die Verwendung einer Eisenmatrix in der beanspruchten Zusammensetzung ist insbesondere ein wirtschaftlicher Vorteil, der mit der Erfindung erreicht wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung verschleiß- und korrosionsbeständiger Schutzschichten nach dem Auftragsschweißverfahren und unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes, der Metalloide enthält, wobei der Zusatzwerkstoff als Fülldraht, Füllband, Sinterband, Sinterstab oder Pulver ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloid eine Metallkeramik ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkeramik ein Aluminium-Zirkon-Oxid ist und eine Partikelgröße bis max. 500 μm aufweist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Metallkeramik im Zusatzwerkstoff zwischen 30 und 70 Masse-% ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das die Metallkeramik nach dem Abschmelzen des Zusatzwerkstoffes in der Matrix unaufgeschmolzen eingebettet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkeramik mit einer Eisenmatrix in der Zusammensetzung 1,5–2 Masse-% Nickel, 1,0–2,0 Masse-% Chrom, 0,1–0,9 Masse-% Molybdän, 0,1–0,3 Masse-% Vanadium und 0,3–0,7 Masse-% Kohlenstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkeramik mit einem Haftvermittler beschichtet ist, wobei der Haftvermittler eine metallische Verbindung mit hoher Dichte ist.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler z. B. TiN, WoC ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Haftvermittlers auf der Metallkeramik 10–15 % der Korngröße der Metallkeramik beträgt.