DE102008001720A1

DE102008001720A1 - Verfahren zum Beschichten einer Werkstückoberfläche

Info

Publication number: DE102008001720A1
Application number: DE102008001720A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Mayr
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2009-11-19

Abstract

Bei einem Verfahren zum Beschichten einer Werkstückoberfläche, vorzugsweise Oberfläche einer insbesondere ein Stahlsubstrat enthaltenden Walze, durch thermisches Spritzen, bei dem ein Spritzzusatzwerkstoff erschmolzen oder angeschmolzen und auf die Werkstückoberfläche geschleudert wird, enthält der Spritzzusatzwerkstoff wenigstens einen Nanowerkstoff. Die Beschichtung wird mittels eines für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifizierten FS-, HVOF- und/oder HVAF-Systems auf die vorbereitete Werkstückoberfläche aufgebracht. Es wird auch eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Werkstückoberfläche, vorzugsweise der Oberfläche einer insbesondere ein Stahlsubstrat enthaltenden Walze, durch thermisches Spritzen, bei dem ein Spritzzusatzwerkstoff erschmolzen oder angeschmolzen und auf die Werkstückoberfläche geschleudert wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Beschichten einer Werkstückoberfläche, vorzugsweise der Oberfläche einer insbesondere ein Stahlsubstrat enthaltenden Walze.
Derzeit werden im Bereich des thermischen Beschichtens Spritzpulver eingesetzt, deren Korngrößenverteilung für HVOF-Anwendungen (HVOF = High Velocity Oxy Fuel, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen) typischerweise im Bereich von 45 μm ±15 μm liegt.
Der Grund für die Untergrenze der Spritzkorngröße hängt mit der Fluidisierung des Pulverbettes in der Fördereinheit sowie mit der Förderbarkeit der Pulver zusammen.
Bei Hartmetallen liegt in agglomeriert gesinterten Pulvern die typische Primärkorngröße des Hartmetalls zwischen 1 und 2,5 μm für zum Beispiel Wolframkarbid oder bei Werten > 3 μm für Chromkarbide.
Durch die Größe der Karbide ist auch die Rauigkeit der bespritzten Oberfläche nach dem Applizieren der Schicht maßgeblich bestimmt.
Neue Fördertechnologien sowie modifizierte Spritztechnologien wie zum Beispiel das HVSFS-System (HVSFS = High Velocity Suspension Flame Spraying) bieten nunmehr die Möglichkeit, auch feinere Spritzpulverfraktionen zu verarbeiten, ohne dass dabei das Pulverbett in der Fördereinheit zusammenpackt. Dadurch wird der Einsatz von Nanokarbiden in Spritzpartikeln << 10 μm möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen für die aufgebrachte Beschichtung aufgrund einer höheren Verschleißfestigkeit gegenüber dem Grundmaterial des Werkstücks eine länger anhaltende, gleichmäßige Rauigkeit und Struktur erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass der Spritzzusatzwerkstoff wenigstens einen Nanowerkstoff enthält und die Beschichtung mittels eines für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifizierten FS-, HVOF- und/oder HVAF-Systems auf die vorbereitete Werkstückoberfläche aufgebracht wird. Dabei handelt es sich bei dem FS-System um ein Flammspritzsystem (FS = Flame Spraying, Flammspritzen), bei dem HVOF-System um ein sogenanntes ”High Velocity Oxy Fuel”-System und bei dem HVAF-System um ein Hochgeschwindigkeitsflammspritz-System (HVAF = High Velocity Air Fuel).
Bevorzugt wird eine Beschichtung auf metallischer und/oder karbidischer Basis auf die Werkstückoberfläche aufgebracht.
Die Beschichtung wird vorzugsweise auf eine vorgeschliffene und aufgeraute Werkstückoberfläche aufgebracht.
Zum Aufbringen der Beschichtung kann ein mit nur einer Pistole oder Brennkammer oder auch ein mit mehreren Pistolen oder Brennkammern versehenes FS-, HVOF- und/oder HVAF-System verwendet werden.
Bevorzugt wird eine Suspension eingesetzt, deren Lösungsmittel in einer Brennkammer, insbesondere Brennkammer einer Pistole, u. a. als Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird.
Vorteilhafterweise liegen in der Suspension Hartstoff- und Binderphase vor.
Hartstoff und/oder Binder können insbesondere in Partikelgrößen im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 10 μm in der Suspension stabilisiert werden.
Die Größe der verarbeiteten Nanowerkstoffe liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 950 nm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 500 nm.
Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn die Korngrößen von zugesetzten Binderanteilen in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 10 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 500 nm liegen.
Die Korngrößenverteilung des Spritzzusatzwerkstoffes liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 15 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 5 μm.
Eine bevorzugte praktische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass als Spritzzusatzwerkstoff zumindest ein Metall der 3. bis 5. Periode, zumindest eine Legierung auf Eisen-, Kobalt-, Kupfer- und/oder Nickelbasis, zumindest ein Hartmetall auf WC-, Cr₃C₂- und/oder TiC-Basis mit M als Binderphase, mit M = Ni, NiCr, CoCr und/oder NiCoCr, zumindest ein Carbonitrid und/oder zumindest ein Bond der Ti-, V- und Cr-Gruppe eingesetzt wird.
Bevorzugt wird die Beschichtung mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,15 bis etwa 200 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 100 μm hergestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit besonderem Vorteil zum Beschichten von insbesondere aus Stahl, Guss oder Hartguss bestehenden Walzen oder Walzenkernen für Trocken-, Yankee- und/oder Kalanderanwendungen verwendbar.
Die erfindungsgemäß aufgebrachte Beschichtung beispielsweise auf metallischer und/oder karbidischer Basis gewährleistet aufgrund einer höheren Verschleißfestigkeit gegenüber dem Stahlsubstrat des Walzenkerns eine länger anhaltende, gleichmäßige Rauigkeit und Struktur der Arbeitsfläche der Walze. Ein wesentlicher Vorteil der eingesetzten Nanowerkstoffe besteht darin, dass die Geometrie der unbeschichteten Walze an einer dafür vorgesehenen Schleifvorrichtung eingestellt werden und anschließend die Verschleißschutzschicht durch konturnahes Spritzen von Nanowerkstoffen aufgebracht werden kann. Der Overspray (Spritzpulververbrauch) sowie der Schleifaufwand bei der Nachbearbeitung der beschichteten Walze werden dadurch deutlich reduziert.
Die Beschichtung wird mit für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifizierten FS-, HVOF- und/oder HVAF-Systemen mit einer oder mehreren Pistolen auf die Oberfläche der vorgeschliffenen und aufgerauten Walze aufgebracht.
Der wesentliche Unterschied zum HVSFS-Verfahren besteht darin, dass keine herkömmlichen Pulver (zum Beispiel gesintert gebrochen, agglomeriert und gesintert) und keine herkömmlichen Pulverförderer mehr zum Einsatz kommen. Es wird eine Suspension eingesetzt, deren Lösungsmittel in der Brennkammer der Pistole unter anderem als Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird. In der Suspension liegen Hartstoff- und Binderphase vor. Hartstoff und Binder können nun in beliebigem Verhältnis und in Partikelgrößen von etwa 10 nm bis etwa 10 μm in der Suspension stabilisiert werden. Dadurch sind neue Werkstoffkombinationen zugänglich, die auf herkömmlichen Pulverherstellungswegen bislang nicht realisierbar waren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifiziertes FS-, HVOF- und/oder HVAF-System umfasst, dem als Spritzzusatzwerkstoff wenigstens ein Nanowerkstoff zuführbar ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung; in dieser zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Walzenkerns mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten Beschichtung.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Fördereinheit 12 und eine mit dieser verbundene Pistole 14 zur Erzeugung einer Flamme 16 zum Aufbringen einer Beschichtung 18 auf die Oberfläche eines Werkstücks, bei dem es sich im vorliegenden Fall beispielsweise um eine Kalanderwalze 20 handelt.
Die zu beschichtende Oberfläche ist zur Verbesserung der Hafteigenschaften und der Oberflächengüte vorzugsweise vorbehandelt, beispielsweise durch Sandstrahlen oder Bürsten in axialer und/oder radialer Richtung.
Zudem ist eine Flammüberwachung 22 vorgesehen, mit der eine Anzeige 24 verbunden ist. Die Vorrichtung 10, die insbesondere ein FS-, HVOF- und HVAF-System umfassen kann, ist für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifiziert. Dabei kann der verwendete Spritzzusatzwerkstoff wenigstens einen Nanowerkstoff enthalten.
2 zeigt in schematischer Querschnittsdarstellung einen mit einem Zapfen 26 versehenen Walzenkern 28, der mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten Beschichtung 18 mit oder aus Nanowerkstoff versehen ist.

10: Vorrichtung
12: Fördereinheit
14: Pistole
16: Flamme
18: Beschichtung
20: Kalanderwalze, Werkstück
22: Flammüberwachung
24: Anzeige
26: Zapfen
28: Walzenkern, Werkstück

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Werkstückoberfläche, vorzugsweise Oberfläche einer insbesondere ein Stahlsubstrat enthaltenden Walze (20, 28), durch thermisches Spritzen, bei dem ein Spritzzusatzwerkstoff erschmolzen oder angeschmolzen und auf die Werkstückoberfläche geschleudert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzzusatzwerkstoff wenigstens einen Nanowerkstoff enthält und die Beschichtung (18) mittels eines für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifizierten FS-, HVOF- und/oder HVAF-Systems auf die vorbereitete Werkstückoberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung (18) auf metallischer und/oder karbidischer Basis auf die Werkstückoberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückoberfläche durch Vorschleifen und/oder Aufrauen vorbereitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen der Beschichtung (18) ein mit nur einer Brennkammer oder Pistole (14) versehenes FS-, HVOF- und/oder HVAF-System verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen der Beschichtung (18) ein mit mehreren Brennkammern oder Pistolen (14) versehenes FS-, HVOF- und/oder HVAF-System verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension eingesetzt wird, deren Lösungsmittel in einer Brennkammer, insbesondere Brennkammer einer Pistole (14), u. a. als Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Suspension Hartstoff- und Binderphase vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Hartstoff und/oder Binder in Partikelgrößen im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 10 μm in der Suspension stabilisiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der verarbeiteten Nanowerkstoffe in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 950 nm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 500 nm Liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrößen von zugesetzten Binderanteilen in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 10 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 500 nm liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrößenverteilung des Spritzzusatzwerkstoffs in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 15 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 5 μm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzzusatzwerkstoff zumindest ein Metall der 3. bis 5. Periode, zumindest eine Legierung auf Eisen-, Kobalt-, Kupfer- und/oder Nickelbasis, zumindest ein Hartmetall auf WC-, Cr₃C₂- und/oder TiC-Basis mit M als Binderphase, mit M = Ni, NiCr, CoCr und/oder NiCoCr, zumindest ein Carbonitrid und/oder zumindest ein Bond der Ti-, V- und Cr-Gruppe eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (18) mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,15 bis etwa 200 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 100 μm hergestellt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Beschichten von insbesondere aus Stahl, Guss oder Hartguss bestehenden Walzen oder Walzenkernen (20, 28) für Trocken-, Yankee- und/oder Kalanderanwendungen.
Vorrichtung zum Beschichten einer Werkstückoberfläche, vorzugsweise Oberfläche einer insbesondere ein Stahlsubstrat enthaltenden Walze (20, 28), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifiziertes FS-, HVOF- und/oder HVAF-System umfasst, dem als Spritzzusatzwerkstoff wenigstens ein Nanowerkstoff zuführbar ist.