DE102021005998A1

DE102021005998A1 - Zusatzwerkstoff zum thermischen Spritzen sowie Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102021005998A1
Application number: DE102021005998.0A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Rosert
Original assignee: Dr Rosert Rct GmbH
Current assignee: Dr Rosert Rct GmbH
Priority date: 2021-12-04
Filing date: 2021-12-04
Publication date: 2023-06-07
Also published as: WO2023098932A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zusatzwerkstoff in Form eines Fülldrahtes, welcher für das thermische Spritzen geeignet ist. Der Zusatzwerkstoff wird aus einem äußeren Mantel und einer darin enthaltenen pulverförmigen Füllung gebildet, wobei der Mantel Zink oder eine Zinklegierung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen solchen Zusatzwerkstoff, bei dem die Füllung eines nahtlosen Rohres dadurch erreicht wird, dass das Füllungsmaterialgemisch erwärmt und gepresst wird. Das daraufhin zerkleinerte Füllungsmaterialgemisch kann dann in das nahtlose Rohr eingefüllt werden, ohne sich wieder zu entmischen. Zudem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Zusatzwerkstoffes beim thermischen Spritzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zusatzwerkstoff zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von auf Verschleiß und Korrosion beanspruchten Funktionsoberflächen im Leichtbau in Form eines Fülldrahtes zum thermischen Spritzen aus einem metallischen Mantel und einer pulverförmigen Füllung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fülldrahtes.
Auch zu Korrosion neigende Werkstoffe sollen häufig unter Bedingungen eingesetzt werden, in denen Korrosion stark begünstigt wird, wie beispielsweise in maritimen Einsatzgebieten oder im Bergbau. Aus diesem Grund werden zum Schutz der Werkstoffe Beschichtungen eingesetzt, um einerseits die positiven konstruktiven Eigenschaften der Grundmaterialien, wie beispielsweise hochfester Stähle, auszunutzen und andererseits eine schnelle Korrosion zu verhindern. Beschichtungen haben gegenüber Werkstücken, welche massiv aus korrosionsbeständigen Werkstoffen bestehen, neben dem konstruktiven Vorteil in der Regel auch einen Preisvorteil, da hochlegierte, also korrosionsbeständige, Werkstoffe in der Regel teurer sind als jene, welche zu Korrosion neigen.
Ein Korrosionsschutz ist besonders dann relevant, wenn die Werkstücke aus hoch- und höchstfesten Stählen in Stahlkonstruktionen eingesetzt werden, bei deren schweißtechnischer Verarbeitung das Risiko der wasserstoffinduzierten Rissbildung besteht. Ein Schutz vor Korrosion und Verschleiß ist besonders im Bus-, Bahn-, Kran-, Lkw- und Schiffsbau notwendig. Bedeutsam sind solche Verfahren insbesondere für große Stahlbaukonstruktion aus den Offshore-, Bergbau-, Energie- und Brückenbereichen sowie für Großbehälter und Schiffscontainer. Eine Beschichtung, zum Beispiel mittels galvanischer Schichten, wirkt auch gegen Schlag- und Verschleißbelastung und als Schutz vor Tausalz (Chloride).
Zum Rostschutz auf Eisen und Stahl sind Zinkschichten, Aluminium oder auch Kadmium als galvanische Beschichtungen geeignet, da sie sich infolge ihres niedrigen elektrischen Potentials bei korrosiver Beanspruchung anodisch auflösen. Andere Metallschichten wie Zinn, Nickel oder Chrom sind bei korrosiver Beanspruchung wenig geeignet, da sie edler sind als Stahl. Fehlstellen und Poren in solchen Schichten beschleunigen die Korrosion.
Zink ist ein besonders geeigneter, korrosionsbeständiger Beschichtungswerkstoff, welcher häufig in Verbindung mit weiteren Materialien, wie beispielsweise Chrom, in einer Legierung verwendet wird. Zur weiteren Verbesserung des Korrosionsverhaltens wurden im Stand der Technik bereits Zinklegierungen mit einem Nickelanteil von 6 bis 15 % entwickelt, die gegenüber chromatierten Zinkschichten eine 2- bis 3-fache Korrosionsbeständigkeit erreichen. [1]
Zum Erreichen einer korrosionsbeständigen Beschichtung existieren im Stand der Technik verschiedene Verfahren. So wird eine Beschichtung von Werkstücken mittels Zink oder Zinklegierungen in der Regel mittels Feuerverzinken oder auch mittels Spritzverzinken realisiert. Das Spritzverzinken kommt vor allem als Korrosionsschutz für Stahlteile zum Einsatz, die bauartbedingt nicht stückverzinkt werden können.
So wird in der DE 697 14 773 T2 eine hochprozentige Zinklegierung beschrieben, welche als korrosionshemmende Beschichtung auf Eisenwerkstoffen genutzt wird. Die Zinklegierung weist 0 - 0,25 % Aluminium sowie optional geringe Anteile an Blei, Nickel oder Vanadium auf. Eine Herstellung der Beschichtung erfolgt mittels eines kontinuierlichen Feuerverzinkungsprozesses.
Beim Feuerverzinken werden die Werkstücke aufwändig gereinigt und anschließend durch ein Bad aus geschmolzenem Zink geführt. Bei Temperaturen von bis zu 450 °C haften die Moleküle des Zinks gut auf der Stahloberfläche. Durch den Kontakt mit Luft, die Sauerstoff und auch Kohlenstoffdioxid enthält, entstehen Zinkoxid sowie Zinkcarbonat.
Nachteilig ist dabei, dass es bei galvanischen oder elektrochemischen Prozessen zu Wasserstoffversprödung und aufgrund von Eigenspannungen auch zum Entstehen von Kaltrissen kommen kann. Beim Spritzverzinken werden hingegen lediglich Temperaturen von ca. 60 °C erreicht, sodass die thermische Belastung deutlich geringer ist. Selbst bei großen Flächen kommt es folglich nicht zu einem Verzug.
Ferner ist die Werkstückgröße beim Feuerverzinken nachteilig durch das Bad aus geschmolzenem Zink beschränkt. Auch die notwendige, aufwändige Reinigung der Werkstücke ist ein Nachteil dieser Methode, insbesondere da dabei zahlreiche Umweltschutzaspekte zu beachten sind. Im Gegensatz zum Feuerverzinken gibt es für die Werkstücke beim thermischen Spritzen vorteilhafterweise keine Einschränkungen bezüglich der maximalen Werkstückgröße und des Substratwerkstoffs. Weitere Vorteile dieses Verfahrens sind der geringe Temperatureintrag in das Substrat, die Variabilität des Verfahrens und die sofortige Eignung der Oberfläche für folgende organische Beschichtungen als abschließende Versiegelung der Oberfläche.
Beim Spritzverzinken wird ein Zusatzwerkstoff aus einem Zinkdraht durch einen Lichtbogen oder eine Flamme geschmolzen und mit einem Medium, zum Beispiel Druckluft, in Form feiner Partikel auf die Oberfläche des Werkstücks aufgebracht. Auf porösen, vorher sandgestrahlten Oberflächen haftet das noch flüssige Zink hervorragend und bildet eine Schicht mit Korrosionsschutz. Durch Spritzverzinken wird die Oberfläche des Werkstücks optimal für die weitere Bearbeitung wie Beschichtung oder Lackierung vorbereitet. Dabei bleibt die thermische Belastung für das Werkstück vorteilhaft sehr gering, sodass selbst große Flächen oder Rahmen sich nicht verziehen. Der entstehende Korrosionsschutz ist hervorragend.
Aus dem Stand der Technik ist aus der DE 10 2010 064 222 A1 eine Beschichtung auf Zinkbasis bekannt, die neben Silizium weiterhin Aluminium, Titan und/oder Zirkon enthält. Das Gemisch wird im Lichtbogenspritzverfahren oder Gasflammspritzen aufgebracht. In der DE 198 11 447 A1 wird ein Draht auf Basis von Zink und Aluminium offenbart, welcher optional Indium enthält. Dieser Draht kann durch thermisches Spritzen als Korrosionsschutz, insbesondere gegen eine hohe Luftfeuchtigkeit und gegen hohe Chloridionenkonzentrationen, aufgetragen werden.
Die darin beschriebenen Zinklegierungen werden in Form eines Massivdrahtes verarbeitet. Die Zusatzwerkstoffe sind im Gegensatz zu Fülldrähten massiv aus einer auf den Verwendungszweck angepassten Legierung gebildet. Die Weiterverarbeitung der legierten Zinkdrähte erfolgt dabei durch Kaltumformen, wobei die Drahtherstellung nachteilig stark eingeschränkt ist, da bei einer Verwendung von Massivdrähten keine großen Querschnittsverringerungen möglich sind. Folglich hat eine Verwendung von Fülldrähten einige Vorteile gegenüber Massivdrähten.
Bei der Verarbeitung von Massiv- und Fülldrähten gibt es allerdings Unterschiede. So sollte es sich bei den zu verarbeitenden Zusatzwerkstoffen beim Spritzverzinken möglichst um Massivdrähte handeln. Fülldrähte werden dabei nach dem Stand der Technik nicht als Zusatzwerkstoffe verwendet, da die für eine effektive Korrosionsbeschichtung notwendige gleichmäßige Verteilung der Legierungselemente nicht gegeben ist.
Besser umzuformen sind hingegen Fülldrähte, welche aus einem umgebenden Mantel und einer darin enthaltenen pulverförmigen Füllung bestehen. Durch den Einsatz von Fülldrähten lassen sich vorteilhaft hochlegierte Materialien oder Hartstoffe verarbeiten, die aufgrund ihrer werkstoffspezifischen Eigenschaften als Massivdraht im Hinblick auf ihre Umformbarkeit Probleme aufweisen. Abhängig vom Legierungstyp besteht der Mantel des Fülldrahtes typischerweise aus Eisen-, Nickel- oder Kobaltwerkstoffen, welche mit einer Pulverfüllung gefüllt sind.
In der Regel wird dabei in zwei verschiedene Arten von Fülldrähten, den formgeschlossenen und den nahtlosen, unterschieden.
Bei formgeschlossenen Fülldrähten werden die Bandenden eines zu einem „U“-geformten Metallbandes auf Stoß oder überlappt nur formgeschlossen. Daraus resultiert eine Neigung zu einer erhöhten Feuchtigkeitsaufnahme.
Bei nahtlosen Fülldrähten hingegen wird die Naht des Mantels entweder mittels eines Laserverfahrens effektiv geschlossen oder aber die pulverförmige Füllung wird direkt in ein geschlossenes Rohr eingefüllt.
Dadurch können nahtlose Fülldrähte vorteilhaft sowohl auf Trocken- als auch auf Nassziehmaschinen verarbeitet werden. Formgeschlossene Fülldrähte können hingegen nur trocken gezogen oder gewalzt werden, da beim Ziehen in Flüssigkeiten, also mit einem Nassziehmittel, Feuchtigkeit in die Füllung eindringt. Das kann in der Folge beim schweißtechnischen Verarbeiten zu erhöhten Wasserstoffgehalten in der aufgetragenen Legierung führen, weshalb bei hochfesten Stählen die wasserstoffinduzierte Rissbildung begünstigt würde.
Bei der Weiterverarbeitung von Zinkbasiswerkstoffen kommt es im Ziehprozess allerdings zu einer erheblichen Erwärmung der Oberfläche. Da die Schmelztemperatur von Zinklegierungen bei maximal 480 °C liegt, kann es bei großen Ziehgeschwindigkeiten zum partiellen Schmelzen des Drahtes kommen. Das schränkt die Produktivität des Ziehprozesses nachteilig ein, da Phasen der Abkühlung notwendig sind. Im Gegensatz zum Trockenziehen wird beim Nassziehen allerdings eine direkte Abkühlung des Drahtes erreicht, wodurch die Produktivität höher ist als beim Trockenziehen.
Beim thermischen Spritzen, also beispielsweise beim Zinkspritzen, im Lichtbogen mit zwei Drähten ist außerdem die Drallfreiheit der eingesetzten Drähte vorzuziehen. Formgeschlossene Fülldrähte sind im Gegensatz zu nahtlosen aber nicht drallfrei. Auch aus diesem Grund sind somit nahtlose Drähte den lediglich formgeschlossenen Drähten stark überlegen.
Bei einer Verwendung von Zink als Mantelmaterial eines Fülldrahtes ist allerdings nachteilig eine Verwendung eines Lasers zum stoffschlüssigen Verschlie-ßen des Mantels nach dem Stand der Technik nicht möglich, da Zink bei derartigen Temperaturen bereits verdampft. Eine derartige Herstellung eines nahtlosen Fülldrahtes ist bei einer Verwendung von Zink oder einer Zinklegierung folglich so nicht realisierbar.
Weiterhin ist es nicht ohne Weiteres möglich, Zink als Füllmaterial für ein endloses Rohr zu verwenden. Der notwendige Einrüttelprozess führt nachteilig zu einer Entmischung der Füllungsmaterialien. Um das Entmischen zu vermeiden, wird alternativen Beschichtungsmaterialien in der Regel Wasserglas als Bindemittel zugegeben, wodurch das Füllpulver agglomeriert. Nachteilig reagiert Zink aber mit dem verdampfenden Wasser sehr stark, sodass beim Lichtbogenspritzen im schmelzflüssigen Tropfen unerwünschte Reaktionen auftreten würden. Eine Agglomeration mit Wasserglas führt bei Zink ferner zu einer Erhöhung der Feuchtigkeit im Füllpulver und die Zugabe von Wasserglas hat auch den weiteren Nachteil, dass nach dem Trocknen Reste von Oxiden aus dem Wasserglas im Füllpulver verbleiben. Oxide wiederum führen beim thermischen Spritzen zu unerwünschten Schlackeneinschlüssen in der aufgespritzten Schicht.
Somit scheiterte die Herstellung von gefüllten Zinklegierungsrohren bisher daran, dass einerseits die bei der Fülldrahtherstellung benötigten langen Rohre nicht gleichmäßig über die Länge mit der pulverförmigen Füllung gefüllt werden können. Andererseits wird ein großer Nachteil der Verwendung eines Fülldrahtes beim thermischen Spritzen im Vergleich zu einer Verwendung eines Massivdrahtes insbesondere darin gesehen, dass die Legierungselemente aus der Füllung nicht gleichmäßig verteilt werden. Besonders relevant ist dabei, dass Zink und Zinklegierungen bei höheren Schmelztemperaturen der Füllungslegierungen nicht gleichmäßig verteilt wären.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, einen alternativen Zusatzwerkstoff, welcher eine effektive Beschichtung von Werkstücken ermöglicht, um diese vor Verschleiß und Korrosion zu schützen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zusatzstoffes zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß den selbstständigen Patentansprüchen gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird insbesondere durch einen Zusatzwerkstoff zum thermischen Spritzen in Form eines Fülldrahtes gelöst. Dieser ist geeignet, die Verschleißfestigkeit von auf Verschleiß und Korrosion beanspruchten Funktionsoberflächen zu erhöhen. Der Zusatzwerkstoff in Form eines Fülldrahtes besteht aus einem metallischen Mantel und einer pulverförmigen Füllung. Der Zusatzwerkstoff zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Mantel 80 bis 100 Gewichtsprozent Zink und bis zu 20 Gewichtsprozent Aluminium aufweist. Die pulverförmige Füllung weist dabei mehrere Legierungskomponenten auf. Der Mantel kann weitere Materialien aufweisen, bevorzugt besteht der Mantel aber aus 80 bis 100 Gewichtsprozent Zink und aus bis zu 20 Gewichtsprozent Aluminium und weist kein weiteres Material auf.
Der Mantel weist also entweder reines Zink auf oder er besteht aus einer Zinklegierung mit bis zu 20 Gewichtsprozent Aluminium.
Dabei ist ein Material oder ein Materialgemisch metallisch, wenn es aus einem oder mehreren Metallen und/oder aus einer oder mehreren Metalllegierungen besteht.
Ein Zusatzwerkstoff kann im Sinne der Erfindung auch als Spritzwerkstoff oder als Werkstoffdraht bezeichnet werden.
Der hier beschriebene Fülldraht umfasst im Sinne der Erfindung auch ein Füllband. Kennzeichnend ist dabei, dass der Fülldraht eine feste Hülle, welche hier auch als Mantel bezeichnet wird, aus einem ersten Material oder aus einer ersten Materialkombination aufweist und dass im Inneren dieser Hülle eine zweite Materialkombination in Form eines Pulvers vorliegt. Bevorzugt ist der Fülldraht als nahtloser Fülldraht, also mit einem nahtlosen Mantel, auch als nahtlose Hülle zu bezeichnen, ausgebildet.
Vorteilhaft kann beim thermischen Spritzen mittels eines erfindungsgemäßen Zusatzmaterials eine gleichmäßige Beschichtung, also eine Beschichtung, bei der die einzelnen Materialien des Zusatzwerkstoffes gleichmäßig verteilt sind, gewährleistet werden. Es finden beim thermischen Spritzen, wie beispielsweise dem Lichtbogenspritzen, im sich bildenden Tropfen metallurgische Reaktionen statt, wodurch die Gleichmäßigkeit in den Schichten erhöht wird. Somit kann hier entgegen der Meinung aus dem Stand der Technik eine gleichmäßige Verteilung der Materialien auch bei der Verwendung eines Fülldrahtes realisiert werden.
Der erfindungsgemäße Zusatzwerkstoff kann vorteilhaft für eine Beschichtung von Stahl, Guss, Aluminium, Magnesium und deren Legierungen verwendet werden, wodurch ein effektiver Korrosions- und Verschleißschutz ermöglicht wird. Besonders geeignet ist der Zusatzwerkstoff für eine Beschichtung von Stahl mit einer Streckgrenze von größer 550 MPa, der besonders anfällig für wasserstoffinduzierte Risse ist. Dafür kann der Zusatzwerkstoff mittels eines Beschichtungsverfahrens auf das Grundmaterial aufgebracht werden. Mögliche Beschichtungsverfahren sind thermische Spritztechniken wie beispielsweise Lichtbogenspritzen und Schweißen, insbesondere Auftragschweißen.
Vorteilhaft kann mittels des erfindungsgemäßen Zusatzwerkstoffes eine Verbesserung der Korrosions- und Verschleißbeständigkeit bei der Beschichtung erreicht werden, wodurch vorteilhaft ein besserer Schutz im maritimen Bereich, zum Beispiel bei hohen Chlorgehalt, gewährleistet werden kann. Eine wasserstoffinduzierte Rissbildung bei Konstruktionen aus hochfesten Stählen kann verhindert werden. Da eine Verarbeitung des Zusatzwerkstoffes mittels unterschiedlicher Verfahren möglich ist, kann neben einer Neuherstellung von Werkstücken auch eine örtliche Reparatur oder Sanierung von Werkstücken realisiert werden.
Die Möglichkeit der Beschichtung mittels thermischer Spritzverfahren verringert aufgrund der geringeren Temperaturen den spezifischen Energieverbrauch und somit die Energiekosten.
Der Zusatzwerkstoff in Form eines Fülldrahtes hat bevorzugt einen Durchmesser in einem Bereich von 1,6 - 5,0 mm.
Eine mögliche Ausgestaltung des Zusatzwerkstoffes sieht vor, dass die Füllung aus Hartstoff und/oder Metalloxid und/oder Metall besteht. Übergangsmetalle sind dabei im Sinne der Erfindung ebenfalls vom Begriff der Metalle umfasst. Hartstoffe sind beispielsweise Boride oder Karbide. Vorzugsweise weist die Füllung Zink oder Aluminium oder eine Zink-Aluminium-Legierung auf.
Nach einer möglichen Ausgestaltung des Zusatzwerkstoffes weist die Füllung neben Zink und Nickel auch Al₂O₃ oder ZrO₂ oder Vanadiumcarbid auf.
Bevorzugt weist die Füllung Zink und 25 - 70 Gewichts-% Nickel sowie 5 - 15 Gewichts-% Al₂O₃ auf.
Durch den Zusatz des korrosionsbeständigeren Nickels zeigen Zink-Nickel-Überzüge vorteilhaft in der Regel geringere Abtragsraten als Rein-Zink-Überzüge. Auch weisen Korrosionsprodukte von Zink-Nickel-Überzügen in der Regel vorteilhaft ein geringeres Volumen auf. Zink-Nickel-Schichten ersetzen im Bereich der hochfesten Stähle bis 1500 MPa Schichten auf Basis des Umweltgiftes Kadmium bei geringerer Wasserstoffversprödung, bei guter Lackädhäsion und Verträglichkeit mit Aluminium, die oft bei nachfolgenden Prozessen auf die Oberfläche aufgetragen werden.
Optional weist die Füllung Zink und 25 - 70 Gewichts-% Nickel sowie 5 - 15 Gewichts-% ZrO₂ auf.
Eine andere Möglichkeit sieht vor, dass die Füllung Aluminium und 25 - 70 Gewichts-% Nickel und 10 - 30 Gewichts-% Mangan aufweist.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Füllung Zink und 20 - 70 Gewichts-% Nickel und 25 - 70 Gewichts-% Vanadiumcarbid auf.
Eine weitere Option sieht eine Füllung, aufweisend eine Zink-Aluminium-Legierung und 20 - 70 Gewichts-% Nickel und 25 - 70 Gewichts-% Vanadiumcarbid, vor.
In der Füllung sind ferner auch zu erwartende, typische Verunreinigungen vorhanden.
Die Füllung weist optional auch Anteile von Nickel und/oder Aluminium und/oder Titanborid (TiB₂) und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Chromoxid (Cr₂O₃) und/oder Molybdänsulfid (MoS₂) und/oder Titankarbid und/oder Cr(III)Oxid und/ oder deren Legierungen auf.
Die beschriebenen Materialkombinationen können weitere Materialien enthalten oder aber optional nur aus den genannten Materialkombinationen bestehen. Für die genannten Materialkombinationen ohne weitere Materialien konnte eine besondere Eignung für die Beschichtung festgestellt werden.
Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Zusatzwerkstoffes zum thermischen Spritzen in Form eines Fülldrahtes gelöst, welches folgenden Schritte umfasst:

a. Trockenmischen eines Füllungsmaterialgemisches,
b. Zusammenpressen des Füllungsmaterialgemisches unter Verwendung eines Bindemittels, während es auf eine Temperatur von 150 - 300 °C, bevorzugt bei 150 - 200 °C, erhitzt ist,
c. Zerkleinerung des zusammengepressten Füllungsmaterialgemisches aus Schritt b),
d. Einrütteln des Füllungsmaterialgemisches in ein metallisches Rohr. Somit bildet das eingerüttelte Füllungsmaterialgemisch die pulverförmige Füllung im Rohr. Das metallische Rohr bildet dabei den Mantel des Fülldrahtes und besteht aus einer Zinklegierung oder aus Zink. Ein solches Rohr ist dabei bevorzugt nahtlos ausgebildet.

Das Füllungsmaterialgemisch hat als Ausgangspulver bevorzugt eine Korngröße von kleiner 0,40 mm.
Bevorzugt ist das Füllungsmaterialgemisch als Zink-Nickel-Gemisch ausgebildet. Das Zink-Nickel-Gemisch ist dabei im Sinne der Erfindung eine Zusammensetzung aus mehreren Materialien, welche Zink und Nickel aufweist. Optional weist das Zink-Nickel-Gemisch neben Zink und Nickel auch weitere Materialien auf.
Ein Füllungsmaterialgemisch ist im Sinne der Erfindung ein Gemisch aus wenigstens zwei Materialien, bevorzugt aus mehreren Metalllegierungen, welches geeignet ist, als Grundlage für die Füllung eines Fülldrahtes zum thermischen Spritzen zu dienen.
Beim Trockenmischen ist es relevant, einen Sauerstoff- und Wasserstoffeintrag in das Füllungsmaterialgemisch zu vermeiden. Dafür wird das Zusammenpressen des Füllungsmaterialgemisches und/oder das Trockenmischen bevorzugt unter Schutzgas durchgeführt. Eine Vermeidung eines Feuchtigkeitseintrages hat den Vorteil, dass es wasserstoffinduzierter Rissbildung vorbeugt.
Das Durchführen eines Vorgangs oder Verfahrensschrittes unter Schutzgas, hier beispielsweise das Zusammenpressen des Füllungsmaterialgemisches, ist im Sinne der Erfindung das Durchführen dieses Vorgangs unter Vermeidung insbesondere einer Sauerstoff- und/oder Feuchtigkeitszufuhr. Dabei wird das Schutzgas dem Zink-Nickel-Gemisch zugeleitet. Das verwendete Schutzgas ist beispielsweise Argon.
Das Bindemittel ist ein Bindemittel, welches sich leicht verflüchtigt, also ein flüchtiges Bindemittel, wie beispielsweise Alkohol, welches das Agglomerieren des Füllungsmaterialgemisches unterstützt.
Das Zerkleinern des zusammengepressten Füllungsmaterialgemisches gemäß Schritt c erfolgt bevorzugt mit einer Rotorsiebmühle.
Optional erfolgt nach dem Zerkleinern ein weiterer Schritt, welcher das Sieben des zerkleinerten Füllungsmaterialgemisches umfasst.
Optional weist das Verfahren zusätzlich einen Schritt auf, bei dem das Füllungsmaterialgemisch in einem Reaktor mit pulsierendem Gasstrom bei 150 - 300 °C behandelt wird. Dadurch kann vorteilhaft die Homogenität des Füllungsmaterialgemisches erhöht, also verbessert, werden. Beim Einrütteln in das Rohr wird im Sinne der Erfindung das Füllungsmaterialgemisch unter Nutzung von Vibrationen derart in das Rohr eingefüllt, dass eine möglichst gleichmäßige Verteilung der einzelnen Materialien im Rohr erreicht wird.
Bevorzugt werden die Schritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. Die Schritte der Zerkleinerung des zusammengepressten Füllungsmaterialgemisches, beispielsweise eines Zink-Nickel-Gemisches, sowie der Schritt des Siebens des Füllungsmaterialgemisches werden in ihren Parametern danach ausgerichtet, dass ein rieselfähiges Trockenagglomerat erhalten wird. Bevorzugt weisen die Korngrößen einen Durchmesser von kleiner 0,40 mm oder 0,35 mm auf. Bei jeglichen Verfahrensschritten wird bevorzugt realisiert, dass ein Kontakt zwischen dem Füllungsmaterialgemisch und Sauerstoff vermieden oder wenigstens reduziert wird. Dies gilt auch für einen Kontakt des Füllungsmaterialgemisches mit Feuchtigkeit.
Bevorzugt wird das Rohr anschließend auf Enddurchmesser gezogen. Dabei erfolgt vorteilhaft eine weitere Verdichtung der pulverförmigen Füllung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines erfindungsgemäßen Zusatzwerkstoffes beim thermischen Spritzen, bevorzugt beim Lichtbogenspritzen. Eine Beschichtung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Zusatzwerkstoffes mittels des thermischen Spritzens ist besonders zur Beschichtung hochfester Materialien geeignet. Beschichtete hochfeste Materialien haben sonst oft den Nachteil eines hohen Risikos der wasserstoffreduzierten Rissbildung. Problematisch sind hier insbesondere die großen Spannungen, welche aus den hohen Temperaturen beim Feuerverzinken resultieren. Bei einer Beschichtung mittels thermischen Spritzens mit einem erfindungsgemäßen Zusatzwerkstoff kann dieses Risiko stark reduziert werden.
Konzeptionsgemäß wird ein Zusatzwerkstoff in Form eines Fülldrahtes vorgeschlagen, welcher für das thermische Spritzen geeignet ist. Der Zusatzwerkstoff wird aus einem äußeren Mantel und einer darin enthaltenen pulverförmigen Füllung gebildet, wobei der Mantel Zink aufweist. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass trotz der geringen Schmelztemperatur von Zink, welche sich von typischen Materialien für die Füllung unterscheidet, eine gleichmäßige Verteilung der Materialien innerhalb der Beschichtung gewährleistet werden kann. Die Ursache dafür sind metallurgische Reaktionen, welche während des Lichtbogenspritzens im sich bildenden Tropfen ablaufen.
Nach der Konzeption der Erfindung kann weiterhin auch die Füllung Zink oder eine Zinklegierung aufweisen. Eine Füllung eines nahtlosen Rohres wird dabei dadurch erreicht, dass das Füllungsmaterialgemisch unter Schutzgas erwärmt und gepresst wird. Das daraufhin zerkleinerte Füllungsmaterialgemisch kann dann in das nahtlose Rohr eingefüllt werden, ohne sich wieder zu entmischen und bildet somit die Füllung des Zusatzwerkstoffes. Eine gleichmäßige Verteilung der einzelnen Materialien der Füllung ist besonders relevant für eine Verwendung des Zusatzwerkstoffes für das thermische Spritzen, insbesondere für das Lichtbogenspritzen, da die im sich zwischen den Elektroden bildenden Tropfen ablaufenden metallurgischen Reaktion eine räumliche Nähe der einzelnen Materialien zueinander erfordern.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Nach einem ersten Ausführungsbeispiel besteht der Mantel aus Zn-AI2 und die Füllung weist 60 Gew.-% Nickel sowie 15 Gew.-% Al₂O₃ und weiterhin Zink-Aluminium-Pulver auf, wobei Zink und Aluminium zu gleichen Teilen darin enthalten sind. Zn-AI2 ist eine Zink-Aluminium-Legierung, welche Zink sowie 2 Gew.-% Aluminium aufweist.
Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Mantel aus Zn-AI2 ausgebildet und die Füllung besteht zu 70 Gew.-% aus Nickel sowie zu 30 Gew.-% aus Mangan.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Mantel aus Zn-AI2 ausgebildet und die Füllung besteht zu 40 Gew.-% aus Nickel und zu 40 Gew.-% aus Vanadiumcarbid und zu 20 Gew.-% aus Zinkpulver.
Zitierte Nichtpatentliteratur:

[1] Käszmann, H., Schade, Ch., Galvanisch abgeschiedenes Zink-Nickel auf Eisenwerkstoffen, https://www.wotech-technical-media.de/womag/ausgabe/2013/02/23_w_schade_korrosionsschutz_02j201 3b/23_w_schade_korrosionsschutz_02j2013b.php

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 69714773 T2 [0007]
DE 102010064222 A1 [0012]
DE 19811447 A1 [0012]

Claims

Zusatzwerkstoff zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von auf Verschleiß und Korrosion beanspruchten Funktionsoberflächen in Form eines Fülldrahtes zum thermischen Spritzen, bestehend aus einem metallischen Mantel und einer pulverförmigen Füllung, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel 80 bis 100 Gewichtsprozent Zink und bis zu 20 Gewichtsprozent Aluminium aufweist und die Füllung mehrere Legierungskomponenten aufweist.
Zusatzwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff die Form eines nahtlosen Fülldrahtes aufweist.
Zusatzwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung aus Hartstoff und/oder Metalloxid und/oder Metall besteht.
Zusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Zink und/oder Aluminium und/oder eine Zink-Aluminium-Legierung aufweist.
Zusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Zink und Nickel aufweist.
Zusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Zink und Nickel sowie Al₂O₃ oder ZrO₂ oder Vanadiumcarbid aufweist.
Zusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Zink und 25 - 70 Gew.-% Nickel sowie 5 - 15 Gew.-% Al₂O₃ aufweist.
Zusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Zink, 25 - 70 Gew.-% Ni sowie 5 - 15 Gew.-% ZrO₂ aufweist.
Zusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Aluminium und 25 - 70 Gew.-% Nickel und 10 - 30 Gew.-% Mangan aufweist.
Zusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Zink und 20 - 70 Gew.-% Nickel und 25 - 70 Gew.-% Vanadiumcarbid aufweist.
Zusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung einer Zink-Aluminium-Legierung und 20 - 70 Gew.-% Nickel und 25 - 70 Gew.-% Vanadiumcarbid aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Zusatzwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von auf Verschleiß und Korrosion beanspruchten Funktionsoberflächen in Form eines Fülldrahtes zum thermischen Spritzen, folgende Schritte umfassend: a. Trockenmischen eines Füllungsmaterialgemisches, b. Zusammenpressen des Füllungsmaterialgemisches unter Verwendung eines Bindemittels, während es auf eine Temperatur von 150 - 300 °C erhitzt ist, c. Zerkleinerung des zusammengepressten Füllungsmaterialgemisches aus Schritt b), d. Einrütteln des Füllungsmaterialgemisches in ein metallisches Rohr.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Zerkleinerung des zusammengepressten Füllungsmaterialgemisches mittels einer Rotorsiebmühle durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das Füllungsmaterialgemisch zusätzlich in einem Reaktor mit pulsierendem Gasstrom bei 150 - 200 °C behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner folgenden Verfahrensschritt umfassend, Ziehen bzw. Walzen des Rohres auf Enddurchmesser.
Verwendung eines Zusatzwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 11 beim thermischen Spritzen.