-
Die
Erfindung betrifft die Herstellung von beschichteten Bauteilen mit
Hartstoff-Metallmatrix-Verbunden
(Metal-Matrix-Composites, MMC) auf Fe-, Ni- und Co-Basis durch Strangpressen
von Pulverkapseln für
Anwendungen in der Verschleißschutztechnologie.
-
Stand der Technik
-
Gegen
starke abrasive Verschleißbeanspruchung
werden Bauteile und Werkzeuge aus hartphasenhaltigen Werkstoffen
eingesetzt, weil sich die harten Phasen (Karbide, Nitride, Boride,
Oxide) den furchenden mineralischen Partikeln entgegenstellen und
dadurch mit zunehmendem Hartphasenanteil den Verschleißwiderstand
eines Verschleißteiles
erhöhen.
Neben Gussstücken
aus weißen
Gusseisen haben sich in vielen Anwendungsfällen dicke (d > 0,5 mm) hartstoffhaltige
Schichten auf kostengünstigen Stahlsubstraten
bewährt.
Sie können
auf schmelz- oder pulvermetallurgischem Wege hergestellt werden.
Zu den schmelzmetallurgischen Verfahren zählen das Verbundgießen und
das Auftragschweißen. Beim
Verbundgießen
auf ein Substrat oder eine gerade erstarrte Substratschmelze wird
eine hochlegierte Schmelze aufgegossen, aus der sich Hartstoffe
ausscheiden können.
Beim Auftragsschweißen
wird ein Schweißzusatzwerkstoff
durch verschiedene Energiequellen (Lichtbogen, Plasma, Laser) aufgeschmolzen
und erstarrt auf dem ebenfalls angeschmolzenen Grundwerkstoff. Dabei
werden Hartstoffe sowohl aus der Schmelze ausgeschieden als auch
mit dem Zusatzwerkstoff zugegeben.
-
Auf
dem pulvermetallurgischen Weg hat das Beschichten durch Heiß-Isostatisches
Pressen (HIP) in den letzten Jahren eine zunehmende technische Bedeutung
erlangt. Ausgangpunkt ist in der Regel ein fester Grundwerkstoff
aus Stahl, der mit einer aus Pulver kompaktierten Schicht versehen
wird. Als Pulverschicht kommen prinzipiell Fe-, Ni- und Co-Basislegierungen
in Frage. Für
höchste
Verschleißwiderstände wird
das Metallpulver zusätzlich
mit Hartstoffen angereichert, so dass die verdichtete Schicht schließlich einen
Metallmatrix-Hartstoffverbund (MMC) darstellt. Vor diesem Hintergrund
wurden bereits verschiedene MMC auf Fe- Ni- und Co-Basis entwickelt.
Einige finden in der Aufbereitungs- und Kunststofftechnik als verschleißbeständige Werkstoffe oder
Beschichtungen Anwendung. Forschungsarbeiten weisen als Hartstoffe
hauptsächlich
metallische Hartstoffe wie Karbide (Cr7C3, Cr3C, WC/W2C, TiC, VC), Boride (TiB2,
CrB2) und vereinzelt auch kovalente (CBN,
Diamant) sowie ionisch gebundene Hartstoffe (Al2O3, Cr2O3)
als geeignet aus.
-
Zum
Beschichten muss das Stahlsubstrat mit der Pulverauflage in eine
Blechkapsel aus dünnem
Stahlblech (> 3 mm)
eingeschweißt
werden, die anschließend
evakuiert werden muss. Daran anschließend wird die Kapsel in der
HIP-Anlage bei hoher Temperatur (z.B. 1150° C) und zusätzlichem isostatischen Gasdruck
von z.B. 1000 bar (= 100 MPa) bei mehrstündigem Halten kompaktiert und
anschließend
langsam abgekühlt.
Dabei verdichtet sich das Pulver bis auf theoretische Dichte und
verbindet sich gleichzeitig mit dem Grundwerkstoff und mit der umgebenden
Blechkapsel.
-
Das
HIP-Beschichten ist bis dato das einzige Verfahren, mit dem Zentimeter
dicke, hoch-hartstoffhaltige Schichten aus Eisenbasiswerkstoffen
rissfrei auf ein Substrat aufgebracht werden können. Es ist jedoch wegen der
enormen Anlagenkosten für
die HIP-Anlagen
und wegen der aufwändigen
Schweißtechnik
zur Herstellung druckdichter Schweißnähte sehr kostenintensiv. Hinzu
kommt das nennenswerte Problem von Argonleckagen, bei denen Argon
während
der HIP-Behandlung durch Schweißnahtfehler in
die Kapsel eindringt und hier das Schließen der Poren verhindert, so
dass das Bauteil unbrauchbar wird. Dieses Problem führt immer
wieder zu Ausschussquoten bis zu 10 %.
-
Einen
Ausweg bietet das erfindungsgemäße Verfahren
des Strangpressens von Pulvergemischen auf ein Substrat. Strangpressen
wird in der Technik üblicherweise
als Umformprozess genutzt, bei dem ein fester Ausgangsblock durch
eine Öffnung
im Strangpresswerkzeug gepresst wird, die dem entstehenden Strang
seine Außenkontur
verleiht. Da die Werkzeugbeanspruchung trotz Erwärmung der zu pressenden Blöcke sehr
hoch ist, werden überwiegend
Leichtmetalle und Cu-Legierungen zu Strängen gepresst, weil nur sie
sich bei den für
die Werkzeuge ertragbaren Temperaturen wirtschaftlich umformen lassen.
-
In
der Technik ist darüber
hinaus das Strangpressen von reinem Metallpulver bekannt. In
DD 138 156 wird ein Verfahren
beschrieben, bei dem Pulver zunächst
zu Presslingen vorverdichtet und anschließend zu Stangenprofilen stranggepresst
wird. Auch ist das Strangpressen von Pulverkapseln aus der Literatur
bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Metallpulver in einfache
zylindrische Blechkapseln gefüllt,
auf Presstemperatur (ca. 1100°C)
erwärmt
und direkt oder indirekt zum Strang verpresst. Im Unterschied zur
HIP-Behandlung finden hier Sinterprozesse (beim Anwärmen der
Kapsel) und Kompaktieren (beim Durchgang durch das Strangpresswerkzeug) nacheinander
statt. Das Strangpressen von Fe-Basis-Legierungen aus Pulverkapseln
zu Rohren und Halbzeugen, die nur mit reinem Metallpulver ohne Hartstoffzugabe
hergestellt wurden wird von verschiedenen Autoren beschrieben. /1,2/
Es sind aber gerade die Hartstoffe, die den Pressvorgang erschweren.
Die Umformung von MMCs ist im Allgemeinen dadurch gekennzeichnet,
dass die plastische Verformung durch die Matrix getragen wird, während sich
die keramischen Partikel ausschließlich elastisch verformen.
Diese Verformungsheterogenität
belastet die Grenzfläche
zwischen Partikeln und Matrix erheblich. Grundsätzlich bietet das Strangpressen die
Voraussetzungen zur Verdichtung von Pulvermischungen durch hohe
und dreiachsige Druckspannungen in der Umformzone, große Formänderungen in
einem Umformschritt und die Möglichkeit
der Beeinflussung der Umformzone durch die Werkzeuggestaltung.
-
Wegen
dieser prinzipiellen Eignung des Strangpressens auch zur Verdichtung
von Hartstoff-Metallpulvergemischen wird dieses Verfahren für MMC auf
Aluminiumbasis bereits eingesetzt. So werden heute auch hochsiliziumhaltige
Aluminiumlegierungen durch Sprühkompaktieren
als Pressbolzen hergestellt, die anschließend stranggepresst werden /3/.
Dies funktioniert mit bis zu 25 Vol.-% feinen Siliziumpartikeln,
die hier die Hartstoffe bilden. Diese warmfesten und verschleißbeständigen Aluminiumwerkstoffe
werden als Kolbenwerkstoffe in Automobilmotoren eingesetzt. Darüber hinaus
ist das Pulver-Strangpressen von partikel- und faserverstärkten Al-Legierungen
mit SiC oder Al
2O
3 bekannt
(z.B.
DE 11 44 573 A ).
In theoretischen Untersuchungen des Strangpressens von MMCs auf
Al-Basis /4,5/ konnte gezeigt werden, dass beim Strangpressen von
hartstoffhaltigen MMCs erheblich höhere Presskräfte auftreten,
als beim Strangpressen der reinen Matrixwerkstoffe.
-
Das
Beschichten mit MMC auf Fe-, Ni- und Co-Basis ist ebenfalls bekannt.
Ein häufig
angewendetes Verfahren ist das Auftragschweißen. So werden Metallpulver
auf Fe-, Ni- und Co-Basis unter Hartstoffzugabe mittels Thermischen
Spritzens (
DE 10
2005 020 611 A1 ) oder als Fülldraht (z.B.
DE 24 40 995 C2 ) bzw. als
Elektrode (
DT 1558873 )
durch Lichtbogenschweißen
auf ein Substrat aufgebracht. Mit dem Verbundgießen wurde in
JP2002282910 A eine weitere
Alternative vorgestellt, die speziell für zylindrische Bauteile wie
Walzen angewendet werden kann. Hierbei werden Wolframkarbide vorzugsweise
in eine Ni- oder Co-Matrix
eingebettet und als äußere verschließbeständige Schicht
auf ein Fe-Basis-Substrat in eine Kokille durch Zentrifugalgießen eingeschleudert.
-
Aufgabenstellung
-
Weil
verschleißbeständige Schichtverbunde mit
Metallmatrix-Hartstoff-Verbunden auf Fe-, Ni- und Co-Basis als Schicht
bisher mittels kostenintensiver HIP-Technologie hergestellt werden
müssen,
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein kostengüns tigeres
Verfahren zur Herstellung beschichteter Verschleißbauteile,
vorzugsweise Langprodukte, bereitzustellen.
-
Hierzu
wird das Strangpressen von Pulverkapseln vorgeschlagen, die gleichzeitig
mit einem festen oder pulverförmigen
Stahlsubstrat durch die Strangpressmatrize gepresst werden, wobei
die verschleißbeständige Schicht
aus einem MMC auf Fe-Ni- und Co-Basis
besteht.
-
Ausgangspunkt
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist ein Metallpulver dem ein Hartstoffpulver zugemischt wird. Als
Metallpulver können
sowohl legierte Pulver als auch Gemische von legiertem Metallpulver
und reinem Elementpulver verwendet werden. Wenn ein legiertes Pulver
als Matrix verwendet werden soll, ist vorzugsweise ein gasverdöstes Metallpulver,
wie es aus üblicher
Schmelzverdüsung
erhalten wird, zu wählen.
Dabei bietet die rundliche Kornform für den späteren Pressvorgang den Vorteil, dass
beim Ansintern des Pulvers während
der Anwärmung
der Kapsel auf Presstemperatur (> 1000°C) nur wenige
Sinterbrücken
zwischen den einzelnen Pulverkörnern
gebildet werden. Dadurch ist der Umformwiderstand des Pulvers gering,
so dass die Strangpresswerkzeuge nur wenig belastet werden.
-
Eine
wesentliche Rolle spielt die Wahl der Vorwärmtemperatur sowie die Haltezeit
auf Temperatur. Die Vorwärmtemperatur
ist auf die Solidus- und Liquidustemperaturen des verwendeten Matrixpulvers
abzustimmen, die wiederum von der chemischen Zusammensetzung abhängen. Je
näher die Vorwärmtemperatur
an die Solidustemperatur heranreicht, umso geringer ist die innere
Festigkeit der Pulverkörner,
die mit Blick auf den Umformwiderstand beim Strangpressen möglichst
niedrig sein sollte. Weil andererseits der Sintergrad mit der Temperatur zunimmt,
muss werkstoffabhängig
eine optimale Vorwärm-
und Sintertemperatur unterhalb der Schmelztemperatur eingestellt
werden. Auch die Haltezeit hat Einfluss auf den Versinterungsgrad,
der den Umformwiderstand beim Strangpressen bestimmt. Zu lange Haltezeiten
führen
zu überhöhten Presskräften, während zu
kurze Haltezeiten keine ausreichende Verdichtung des Pulvers durch
Strangpressen zulassen.
-
In
einer besonderen Ausführungsform
des Verfahrens sollen die Umformkräfte durch die Bildung geringer
Anteile einer flüssigen
Phase verringert werden. In diesem Fall sind Metallmatrices mit ausreichenden
Metalloidgehalten (z.B. Kohlenstoff und Bor) zu wählen, weil
Metalloide niedrigschmelzende Eutektika bilden können und damit das Er starrungsintervall
aufweiten. Durch die gezielte Wahl einer Vorwärmtemperatur zwischen Solidus-
und Liqidus lässt
sich dann der Anteil an flüssiger
Phase steuern.
-
Um
später
einen Metallmatrix-Hartstoffverbund zu erhalten wird ein Pulvergemisch
aus Metall- und Hartstoffpulver in eine dünne Blechkapsel mit einer Wandstärke < 10 mm eingefüllt. Die
vollständig gefüllte Blechkapsel
wird dabei vorzugsweise gerüttelt,
damit der Füllgrad
hoch ist. Abschließend
wird sie durch Einschweißen
oder Einlöten
eines Deckelbleches verschlossen. Eine Verdichtung der Pulvergemische
durch Strangpressen ist nur möglich,
wenn eine Oxidation der Pulverkornoberflächen verhindert wird. Verdichtungsversuche
haben gezeigt, dass sowohl in evakuierten Blechkapseln als auch
in mit Stickstoff gefüllten
Kapseln eine Oxidation der Pulveroberflächen unterbunden und die theoretische Dichte
erreicht werden kann
-
Beim
Pulverstrangpressen von MMC kann der Hartstoffanteil nicht beliebig
hoch gewählt
werden, da er bereits das Sintern beim Anwärmen beeinflusst. Um eine einhundertprozentige
Verdichtung des Pulvers nach dem Strangpressen zu gewährleisten,
hat sich in Versuchen herausgestellt, dass der Hartstoffanteil unterhalb
von 50 Vol.-% vorzugsweise unterhalb von 30 Vol.-% liegen sollte.
-
Nach
einer besonderen Ausführungsform des
Verfahrens werden die Hartstoffe nicht als Pulver zugemischt, sondern
bilden sich in situ nach Zugabe eines Pulver – oder gasförmigen Metalloides, wie beispielsweise
Bor, Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff, durch die durch thermodynamische
Triebkräfte ausgelöste Diffusion
in der Pulverkapsel während des
Anwärmvorganges.
-
Als
Metallpulver kommen Fe-, Ni- und Co-Basislegierungen in Frage, weil
sich Ihre hohe Härte
bei starker Verschleißbeanspruchung
positiv auswirkt und weil diese Matrices darüber hinaus eine ausreichende
Stützkraft
für die
Hartstoffe aufbringen. Sie stammen vorzugsweise aus den Legierungssystemen
Fe-Cr-C, Ni-Cr-B-Si oder Co-Cr-W-C mit Zugaben anderer Elemente,
die in der Verschleißschutztechnologie
bekannt sind.
-
Die
für viele
Verschleißfälle ideale
Hartstoffgröße von 100–200 μm kann auch
beim Pulverstrangpressen verwendet werden. Versuche belegen, dass
bei Verwendung hochlegierter Kalt- oder Warmarbeitsstahlpulver als
Matrix Hartstoffgehalte bis etwa 30 Vol.-% mit gutem Ergebnis gepresst
werden können.
Bild 1 zeigt in einer besonde ren Ausführungsform von Schichtwerkstoffen
zwei MMC auf der Basis eines kommerziellen Kaltarbeitstahlpulvers, dem
im Falle a.) 30 Vol.% Titankarbid im Falle b.) 30 Vol.-% Wolframschmelzkarbid
zugegeben wurde. Während
WSC als Schmelzkarbid monolitisch ist, kam in dieser Hartstoffgröße agglomeriertes
TiC zur Anwendung, das im Strangpressvorgang vereinzelt und zu Karbidzeilen
umgeformt wird. Beide MMC erreichen die theoretische Dichte im gesamten
Strangpressquerschnitt und sind porenfrei. Verschleiß- und Biegeversuche
belegen, dass stranggepresste MMC bei Probenentnahme in Längsrichtung ähnlich gute Eigenschaften
wie durch HIP hergestellte Varianten erreichen.
-
Das
zu beschichtende Substrat kann im festen Zustand oder in Pulverform
zusammen mit dem Beschichtungspulver koextrudiert werden. Liegt
auch das Substrat in Pulverform vor, sollte es vor dem Pulvergemisch
des späteren
Schichtwerkstoffes in die Pulverkapsel gefüllt werden. Dies kann vorzugsweise durch
ein dünnes
Metallblech geschehen, das entweder vor dem Schließen der
Kapsel entfernt wird oder in der Kapsel verbleibt.
-
Nach
einer besonderen Ausführungsform des
Verfahrens liegt das Substrat als fester Körper vor. Dieser Körper kann
sich dabei sowohl innerhalb als auch außerhalb der Pulverkapsel befinden.
Wird beispielsweise eine Kapsel mit einem im Inneren der Kapsel
mittig angeordneten und von Schichtpulver umgebenen Stahlzylinder
stranggepresst, so wird das Pulvergemisch beim Durchgang durch das Strangpresswerkzeug
einerseits verdichtet andererseits auf das eingelegte Grundmaterial
rundherum aufgepresst (Bild 2), so dass ein beschichteter Zylinder
entsteht. Das Produkt eines in dieser besonderen Ausführungsform
angewandten Verfahrens ist als Schliffbild in Bild 3 dargestellt.
Erst die Wahl einer geeigneten Kapsel (Werkstoff, Form, Wanddicke)
sowie daran geometrisch angepasste Werkzeuge ermöglichen es beispielsweise,
ein MMC auf Fe-Basis
mit einem Volumenanteil von 30 % auf ein festes Stahlsubstrat aufzupressen
und bis auf theoretische Dichte zu verdichten. Bild 3 zeigt die
perfekte, fehlerfreie Grenzfläche
zwischen Substrat und Schicht, die sich mikroskopisch von der Diffusionszone
in durch HIP hergestellten Schichtverbunden nicht unterscheidet. Diese
Art Koextrusion ist in besonderer Weise zur Herstellung von oberflächenbeschichteten
Langprodukten geeignet, die mittels HIP nur sehr aufwendig hergestellt
werden können.
-
Entsprechend
einer anderen besonderen Ausführungsform
befindet sich das Substrat außerhalb
der Pulverkapsel. Es kann sowohl an ihr, z.B. durch Schweißen, befestigt
sein oder einfach mit ihr zusammen extrudiert werden.
-
Die
Eigenschaften des Schichtverbundes müssen ggf. durch eine Wärmebehandlung
eingestellt werden. In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann diese Wärmebehandlung
dem Umformvorgang aus der Umformhitze unmittelbar angeschlossen
werden, wobei der gepresste Verbundstrang gezielt abgekühlt wird, ohne
dass der Strang auf Behandlungstemperatur wiedererwärmt wird.
Auf diese Weise können
beispielsweise Fe-Basislegierungen direkt aus der Umformhitze stranggepresst
werden.
-
Mit
den erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten
können
insbesondere verschleißbeständige Langprodukte
wie beispielsweise Leisten, dünne Umformwalzen,
Rakelstangen oder Verbundstangen zur Herstellung von Extruderschnecken
genauso wie beschichtete Halbzeuge einfach und kostengünstig gefertigt
werden.
-
Literatur
-
- /1/: C. Aslund; G. Gemmel; T. Andersson: Stranggepresste
Rohre auf pulvermetallurgischer Basis. Bänder Bleche Rohre 9 (1981)
223–226
- /2/: M. Bauser: Strangpressen von Pulvermetallen, in: M. Bauser,
G. Sauer, K. Siegert: Strangpressen, Aluminium-Verlag, Düsseldorf
(2001) 451–463
- /3/ S. Brusethaug, O. Reiso, W. Ruch: Extrusion of Particulate – Reinforced
Aluminium Billets made by DC Casting, in: Fabrication of Metal Matrix
Composites, J. Msounave, F.G. Hamel (eds.), ASM (1990) 173–180
- /4/ C.H.J. Davies: Critical Issues in the Extrusion of Particle
Reinforced Metal Matrix Composites, Key Engineering Materials Vols.
104–107
(1995) 447–458
- /5/ B. Dutts; I. Samajdar; M.K. Strappa: Particle redistribution
and matrix microstructure evolution durino hot extrusion of cast
SiCp reinforced aluminium alloy matrix composites, Mat. Sci. Tech.14
(1998) 36–46