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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Metallteils
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Das
Lichtbogendrahtspritzen ist ein thermisches Spritzverfahren, bei
welchem zwei drahtförmige Spritzzusätze gleicher
oder unterschiedlicher Art in einem Lichtbogen abgeschmolzen und
von einem Trägergasstrom auf eine zu beschichtende Oberfläche übertragen
werden. Da ein Lichtbogen zwischen den beiden aus dem Beschichtungsmaterial
bestehenden Drähten gezündet werden muss, können
mit diesem Verfahren in erster Linie nur elektrisch leitende Substanzen
verspritzt werden.
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Um
auch nichtleitende Anteile in Beschichtungsmaterialien realisieren
zu können, werden beim Lichtbogendrahtspritzen auch so
genannte Fülldrähte verwendet, bei welchen in
einem Hohlraum eines Hohldrahtes nichtmetallische, insbesondere
keramische Beschichtungsmaterialien eingebracht werden.
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Aufgrund
der hohen Temperaturen des Lichtbogens können nichtmetallische
und metallische Anteile des Beschichtungsmaterials miteinander reagieren,
wobei es im Bereich des Lichtbogens zur Bildung neuer intermetallischer
und keramischer Phasen kommen kann.
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Die
DE 103 06 919 B4 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus intermetallischen
Phasen und Keramikphasen durch Abscheidung seiner Komponenten mittels
Lichtbogendrahtspritzens, welches als exemplarisch für
den Stand der Technik angesehen werden kann.
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Während
das Lichtbogendrahtspritzen exakt definierte dünne metallische
Beschichtungen sowie metallisch-keramische Mischphasen zuverlässig
zur Verfügung stellen kann, leidet es doch unter dem Nachteil,
dass teilweise die Haftung des Beschichtungsmaterials auf dem Substrat
ungenügend ist. Insbesondere bei der Beschichtung metallischer Werkstücke,
welche eine passivierende Oxidschicht aufweisen, wie beispielsweise
Aluminium- oder Magnesiumlegierungen, tritt dieser Nachteil in den
Vordergrund. Solche Werkstücke müssen vor der
Beschichtung durch Lichtbogendrahtspritzen aufwendig von ihrer Passivierungsschicht
befreit werden, was in der Regel durch Beizen oder Sandstrahlen
geschieht.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es also,
ein Verfahren zum Beschichten von Metallteilen mit passivierenden
Oxidschichten durch Lichtbogendrahtspritzen zur Verfügung
zu stellen, welches den Auftrag von fest am Substrat haftenden Beschichtungen
ermöglicht und aufwendige Vorbehandlungen, wie z. B. Sandstrahlen
oder Beizen unnötig macht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Beschichten
eines Metallteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Bei
einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren werden
die Ausgangskomponenten des Beschichtungsmaterials über
zumindest einen Fülldraht zum Lichtbogendrahtspritzen bereitgestellt,
wobei das Beschichtungsmaterial so gewählt ist, dass es beim
Auftreffen auf die passivierende Oxidschicht des zu beschichtenden
Metallteils unter starker Wärmeentwicklung zumindest teilweise
unter Bildung neuer intermetallischer Phasen mit dieser reagiert.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird dabei
ein Fülldraht mit einer rohrförmigen metallischen
Außenhülle und einer Füllung aus zumindest
einem Metalloxid verwendet. Es hat sich als besonders vorteilhaft
herausgestellt, hierzu insbesondere Fülldrähte
zu verwenden, deren Außenhülle aus Aluminium oder
Eisen in Form der reinen Metalle oder auch in Form von Legierungen
besteht. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, zur
Füllung des Fülldrahtes ein Oxid der Metalle Titan,
Eisen, Zirkonium oder Niob zu verwenden oder eine Mischung von Oxiden
dieser Metalle einzusetzen.
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Insbesondere
ermöglicht eine Kombination der benannten Metalle und Metalloxide
das Ingangsetzen einer selbstpropagierenden stark exothermen Reaktion
zwischen den Metallen und Metalloxiden im Lichtbogen der Drahtspritzvorrichtung.
Durch die hohe freiwerdende Energie bilden sich bereits im Bereich
des Lichtbogens der Drahtspritzeinrichtung durch Reaktionen zwischen
Metall und Metalloxid im Sinne einer Thermitreaktion ein Gemisch
neuer Reinmetalle, intermetallischer Phasen und Metalloxidphasen.
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Die
freiwerdende Wärme reduziert weiterhin vorteilhaft den
Energiebedarf zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens.
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Darüber
hinaus wird durch diese exotherme Reaktion sichergestellt, dass
die Partikel des Beschichtungsmaterials auch beim Auftreffen auf
die Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes noch
beträchtlich hohe Temperaturen innehaben und sich nicht
nennenswert im transportierenden Gasstrom abkühlen. Dadurch
ist eine Fortsetzung der genannten exothermen Reaktionen beim Auftreffen
der heißen Partikel des Beschichtungsmaterials insbesondere
auf eine passivierende Oxidschicht des zu beschichtenden Werkstückes
gewährleistet. Die Oxidschicht wird daher vorteilhaft durch
den Spritzvorgang selbst abgebaut und muss nicht aufwendig durch
Beizen oder Sandstrahlen entfernt werden.
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Es
hat sich weiterhin als günstig erwiesen, für ein
erfindungsgemäßes Verfahren einen Fülldraht mit
einem Verhältnis vom Drahtdurchmesser zu Hohlraumdurchmesser
im Bereich von 1 bis 3 und insbesondere im Bereich von 1,5 bis 2
zu verwenden, wobei ein Füllungsgrad des Hohlraums von
60% besonders zweckmäßig ist.
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Im
Folgenden soll anhand der Zeichnung das erfindungsgemäße
Verfahren und seine bevorzugten Ausführungsformen näher
erläutert werden, wobei die einzige Figur eine schematische
Darstellung des erfindungsgemäßen Beschichtungsvorgangs
zeigt.
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In
einer insgesamt mit 10 bezeichneten Vorrichtung zum Lichtbogendrahtspritzen
wird das aufzubringende Beschichtungsmaterial in Form von zwei Drähten 12, 12' bereitgestellt.
Zum Nachführen verbrauchten Beschichtungsmaterials sind
Drahtvorschubvorrichtungen 14 bereitgestellt. In ihrem
Endbereich werden die Drähte räumlich nahe zueinandergeführt,
so dass durch Spannungszufuhr aus einer Spannungsquelle 16 zwischen
den Drahtenden ein Lichtbogen 18 gezündet werden
kann. Durch die starke Hitzeentwicklung im Bereich des Lichtbogens 18 wird
das Material der Drähte 12, 12' abgeschmolzen
und durch einen aus einer Düse 20 austretenden Gasstrom
in Richtung des zu beschichtenden Werkstücks 22 transportiert.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren
ist zumindest einer der Drähte 12, 12' als
metallischer Fülldraht ausgeführt, dessen metallische
Außenhülle aus Aluminium oder Eisen einen Hohlraum
umschließt. Das Verhältnis von Drahtdurchmesser
zu Hohlquerschnitt beträgt dabei idealerweise 1 bis 3,
insbesondere 1,5 bis 2. Der von der metallischen Hülle
umschlossene Hohlraum ist weiterhin mit einem Metalloxid gefüllt,
wobei der Füllungsgrad im Bereich von 45% bis 66% liegt.
Insbesondere werden zur Befüllung des Hohlraumes Oxide
von Titan, Eisen, Zirkonium oder Niob oder ein Gemisch solcher Oxide
verwendet. Ähnliche Fülldrähte werden
in der Schweißtechnik verwendet, ihre Herstellung durch
Drahtziehen aus mit entsprechenden Metalloxiden gefüllten
Metallrohren ist dem Stand der Technik als allgemein bekannt zu
entnehmen.
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In
der Hitze des Lichtbogens reagiert das Hüllmetall des Fülldrahtes
mit den Metalloxiden zu einem Gemisch intermetallischer Verbindungen,
verschiedene Metalloxide und unreagiertem Metall. Bei den vorgegebenen
Metall-/Metalloxidkombinationen ist eine solche Reaktion stark exotherm,
was den Energiebedarf zum Aufrechterhalten des Lichtbogens 18 vorteilhaft
verringert. Durch die hohen Temperaturen der entstehenden Metall-/Metalloxidpartikel 24 ist weiterhin
sichergestellt, dass sich diese auf dem Transportweg zum zu beschichtenden
Gegenstand 22 möglichst wenig abkühlen.
Als Fördergas zum Transport der Metallpartikel 24 auf
die zu beschichtende Oberfläche wird in der Regel Argon,
Helium oder Stickstoff verwendet, wobei bei der Verwendung von Stickstoff
sich weitere metallnitridhaltige Keramikphasen bilden können.
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Insbesondere
beim Beschichten von Werkstücken aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen
sind diese in der Regel vor dem Beschichten mit einer passivierenden
Oxidschicht 26 umgeben. Durch die hohe Temperatur der Beschichtungsmaterialpartikel 24 beim
Auftreffen auf die Oxidschicht 26 kann es nun zu weiteren
exothermen Reaktionen zwischen unreagiertem Fülldrahtmetall
und dem Metalloxid der Oxidschicht 26 kommen. Dadurch werden
passivierende Oxidschichten 26 auf den zu beschichtenden
Werkstücken 22 durch den Beschichtungsvorgang
selbst aufgelöst. Ein aufwendiges Beizen oder Sandstrahlen
der zu beschichtenden Oberflächen entfällt somit.
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Durch
die exotherme Reaktion zwischen Fülldrahtmetall und Oxidschicht 26 kann
es weiterhin zu einem partiellen Aufschmelzen der Oberfläche 28 des
zu beschichtenden Werkstücks 22 kommen. Dies führt
zu einem partiellen Verschweißen zwischen der Beschichtungsmaterialschicht 30 und
dem Werkstück 22, was zu einer besonders guten
Haftung der Beschichtung führt.
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Die
Beschichtung 30 besteht dabei aus einem Gemisch von hochschmelzenden
intermetallischen Phasen, gemischten Metalloxiden sowie unreagiertem
Fülldrahtmetall. Dies führt in der Regel zu einer
relativ grob strukturierten rauen Oberfläche. Dies ist
besonders von Vorteil, wenn das Werkstück 22 später
als Einlegeteil mit einer Leichtmetalllegierung umgossen werden
soll. Hier führt die raue, grob strukturierte Schichtoberfläche
zu einer zusätzlichen mechanischen Verklammerung zwischen
Gussteil und Einlegeteil gewährleistet eine spaltfreie
Haftung und einen guten Wärmeübergang zwischen
Schmelze und Einlegeteil 22. Weiterhin kann es beim Umgießen
eines derart beschichteten Teiles zu weiteren Reaktionen zwischen
Leichtmetallschmelze und Material der Beschichtung 30 kommen.
Dies führt weiter vorteilhaft zur Bildung thermodynamisch
stabiler intermetallischer Phasen im Übergangsbereich zwischen
Gussanteil und Einlegeteil 22.
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- 10
- Vorrichtung
zum Lichtbogendrahtspritzen
- 12,
12'
- Drähte
- 14
- Drahtvorschubvorrichtungen
- 16
- Spannungsquelle
- 18
- Lichtbogen
- 20
- Düse
- 22
- Werkstück
- 24
- Metallpartikel
- 26
- Passivierende
Oxidschicht
- 28
- Oberfläche
- 30
- Beschichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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