DE10301135A1

DE10301135A1 - Gegenstand mit einer Verschleißschutzschicht

Info

Publication number: DE10301135A1
Application number: DE10301135A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr. Sauer
Original assignee: AHC Oberflaechenechnik GmbH
Current assignee: Aalberts Surface Technologies GmbH Kerpen
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: DE10301135B4

Abstract

Gegenstand mit einer ganz oder teilweise auf seiner Oberfläche befindlichen Verschleißschutzschicht, die ganz oder teilweise eine außenstromlos oder elektrolytisch abgeschiedene metallische Schicht ist, wobei die metallische Schicht mehr als 40 Vol.-% nichtmetallische Partikel, bezogen auf die gesamte Verschleißschutzschicht, enthält; oder die, bezogen auf die gesamte Verschleißschutzschicht, mehr als 20 Vol.-%, insbesondere mehr als 30 Gew.-%, nichtmetallische Partikel mit mindestens zwei unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen und einem Verhältnis der Partikelgrößenverteilung mehr als 15 : 1 enthält; oder die, bezogen auf die gesamte Verschleißschutzschicht, mehr als 15 Vol.-%, insbesondere mehr als 25 Gew.-%, nichtmetallische Partikel in einer Gradientenverteilung aufweist, wobei der Gradient von der Oberfläche in Richtung Substrat bzw. umgekehrt verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand mit einer Verschleißschutzschicht.
Die Anforderungen an technische Oberflächen werden zunehmend komplexer. Insbesondere werden von der Industrie Oberflächen gewünscht, die eine Vielzahl von Aufgaben gleichzeitig erfüllen, einfach und kostengünstig herzustellen sind und die eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber mechanischen und chemischen Belastungen aufweisen.
Vor diesem Hintergrund wurden in letzter Zeit immer häufiger Verschleißschutzschichten entwickelt, die eine metallische Schicht aufweisen, in deren metallische Matrix Partikel eingebracht sind.
Dabei werden vor allem Chrom oder Nickel als metallische Matrix aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit eingesetzt. Die Härte einer außenstromlos abgeschiedenen Nickelschicht beträgt etwa 650 Härtegrade nach Vickers, durch thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur von 400 °C kann diese auf bis zu 1.200 Härtegrade gesteigert werden.
Die stromlose chemische Abscheidung von Metall-Polymer-Dispersionenschichten ist an sich gut bekannt und beispielsweise in W. Riedl „Funktionelle Vernickelung", Verlag Eugen Leize, Saulgau 1989, S. 231 bis 236 bekannt.
Die US 4 547 407 beschreibt ein Verfahren zur Abscheidung von Metallschichten, in der nichtmetallische Teilchen mit zwei unterschiedlichen Größenverteilungen vorliegen. Um in der resultierenden Oberfläche eine Gleichmäßigkeit zu erzielen, werden ausschließliche solche Teilchen verwendet, deren Verhältnis in der Größenverteilung nicht mehr als 10 : 1 beträgt.
Aus der US 4 830 889 sind Dispersionsschichten bekannt, bei der unlösbare Feststoffteilchen aus Fluorpolymeren in eine Matrix aus stromlos aufgebrachtem Nickel eingebracht werden. Die Fluorpolymere dienen dabei als Festschmierstoff zur Verringerung des Reibungskoeffizienten; die chemische Korrosionsbeständigkeit und die Härte der Dispersionsschicht sind auf die abgeschiedene Nickelmatrix zurückzuführen und beträgt maxi mal 650 Härtegrade nach Vickers. Dabei werden die Fluorpolymerteilchen mit einer maximalen Teilchengröße von 10 um im Elektrolytbad mit Hilfe von oberflächenaktiven Substanzen in Schwebe gehalten.
Mit diesem Verfahren können maximal 30 Vol.-% an nichtmetallischen Polymerteilchen in die metallische Matrix eingebracht werden.
Aus der US 5 389 229 sind vergleichbare PTFE/Nickel-Dispersionsschichten mit einem PTFE-Anteil von maximal 60 Gew.-%, d.h. umgerechnet 14,6 Vol.-%, bekannt.
Dispersionsschichten mit einer unterschiedlichen Verteilung an nichtmetallischen Teilchen sind aus der US 5 707 725 , US 5 702 763 und US 5 674 631 bekannt: Dort werden Gegenstände mit einer rotationssymmetrischen Achse während der Beschichtung im Elektrolyten um die Rotationsachse gedreht. Der beschichtete Gegenstand weist – bezogen zur Rotationsachse – am äußeren Ende weniger nichtmetallische Teilchen in der Schicht auf als in unmittelbarer Nähe der Rotationsachse. Mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit wird dieser Unterschied deutlicher.
Als Vorteil solcher Beschichtung werden vor allem der geringere Verbrauch an den teilweise sehr teuren nichtmetallischen Hartstoffen (z.B. Diamanten) genannt.
Ein wesentlicher Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass der Verlauf des Gradienten durch das Werkstück und nicht durch die Schicht bestimmt wird. Ein nach diesem Verfahren beschichteter Rotor weist am äußeren Ende der Schaufeln einen deutlich geringeren Anteil an eingelagerten nichtmetallischen Teilchen auf. Allerdings ist die mechanische Beanspruchung gerade im Außenbereich des Rotors am größten. Der Vorteil von Dispersionsschichten gegenüber vergleichbaren Metallschichten ohne eingelagerte Teilchen kann in diesem Fall sogar gar nicht genutzt werden.
Auch Nickeldispersionsschichten mit zwei unterschiedlichen Arten an nichtmetallischen Teilchen, insbesondere mit einer Kombination aus Hartstoffen und Feststoffen mit Gleiteigenschaften, sind bekannt: So offenbart die US 3 617 363 eine verbundbeschichtete Gleitfläche mit einer metallischen Matrix aus Nickel, die sowohl Siliciumcarbid-Teilchen zur Erhöhung der Abriebbeständigkeit als auch Molybdändisulfidteilchen als Schmiermittel enthält.
Die fertigen Schichten weisen eine Härte nach Vickers – ohne thermische Nachbehandlung – von maximal 630 auf.
In der DE 35 03 859 C2 sind verschiebbare Bauteile mit einer verbundbeschichteten Gleitfläche aus einer stromlos abgeschiedenen Nickelschicht mit einem Phosphorgehalt von 0,5 bis 5 Gew.-% und darin abgelagerten, abriebbeständigen Teilchen aus kubischem Siliciumcarbid mit einer mittleren Korngröße von 0,1 bis 1,0 μm und Schmiermittelteilchen aus Bornitrid, Molybdänsulfid und/oder PTFE mit einer mittleren Korngröße von 1 bis 10 μm beschrieben.
Diese Schichten werden keiner thermischen Nachbehandlung unterzogen und weisen eine Härte von maximal 700 Härtegraden nach Vickers auf.
Darüber hinaus sind aus der US 3 753 667 Dispersionsschichten bekannt, bei denen in eine metallische Matrix aus einer phosphorhaltigen Nickellegierung als abriebbeständige Teilchen Siliciumcarbid-Teilchen mit einer mittleren Korngröße zwischen 0,01 und 100 μm und als Schmiermittelteilchen Molybdändisulfid-Teilchen mit einer mittleren Korngröße zwischen 0,01 und 10 μm eingebunden sind.
Allerdings ist die Menge aller nichtmetallischen Teilchen in der Schicht verfahrenstechnisch bedingt auf 15 Gew.-% (bezogen auf PTFE sind dies 3,8 Vol.-%) begrenzt.
Die resultierenden Schichten haben eine Härte nach Vickers ohne thermische Nachbehandlung von maximal 600 auf und zeigen in der Praxis (wie auch in der DE 35 03 859 C2 gewürdigt) eine völlig unzureichende Verschleißfestigkeit und Schmiereigenschaft.
Des weiteren offenbart die WO 01/73162 ein verbundbeschichtetes Werkstück mit einer mikrostrukturierten, metallischen Oberfläche mit eingelagerten PTFE-Teilchen mit einer Teilchengröße zwischen 0,1 und 1 μm. Die Mikrostrukturierung wird während des Galvanisierprozesse dadurch erreicht, dass man dem Elektrolyten anorganische Partikel mit einem mittleren Durchmesser zwischen 1 und 50 μm zusetzt.
Durch die mikrostrukturierte Oberfläche sollen Anlagerungen (beispielsweise in Wärmetauschern) wirksam verhindert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gegenstandes, der eine verschleißbeständige Oberfläche mit einer Härte von mindestens 900, insbesondere von mehr als 1.200, Härtegraden nach Vickers aufweist.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gegenstandes, der neben der Verschleißbeständigkeit auch eine Oberfläche mit Gleiteigenschaften aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gegenstand mit einer ganz oder teilweise auf der Oberfläche befindlichen Verschleißschutzschicht, wobei die Verschleißschutzschicht ganz oder teilweise eine außenstromlos oder elektrolytisch abgeschiedene metallische Schicht ist, und die metallische Schicht mehr als 40 Vol.-% nichtmetallische Partikel, bezogen auf die gesamte Verschleißschutzschicht, enthält.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Gegenstand werden verschleißfeste Oberflächen mit einer Härte von mehr als 900 Härtegraden nach Vickers erzielt.
Ein wesentlicher Unterschied der erfindungsgemäßen Schicht im Vergleich mit Dispersionsschichten des Standes der Technik ist der sehr hohe Gehalt an nichtmetallischen Partikeln.
Solche Schichten sind in einfacher Weise herstellbar, in dem die bekannten stromlosen Verfahren des Standes der Technik dahingehend abgewandelt werden, dass dem Elektrolyten kurz vor dem Auftreffen auf den zu beschichtenden Gegenstand die nicht metallischen Partikel – entweder in wässriger Suspension oder in Pulverform – in der entsprechenden Konzentration zugesetzt werden.
Eine Möglichkeit, geeignete nichtmetallische Pulver dem Elektrolyten zuzusetzen, besteht in der Verwendung geeigneter Pumpen, wie sie beispielsweise von der Firma Thermic, Castrop-Rauxel, unter der Bezeichnung „MPF Pulverförderer" vertrieben werden.
Bei der Anwendung solcher Pumpen ist darauf zu achten, dass kein freies Pulver auf den zu beschichtenden Gegenstand gelangen kann. Eine Möglichkeit ist beispielsweise, dass der Elektrolyt an der Wand eines trichterförmigen Behältnisses in laminarer Strömung geführt wird und gleichzeitig das Pulver in entsprechender Menge in den Trichter eingeführt wird. Auf diese Weise wird eine sehr homogene Mischung von Elektrolyt und nichtmetallischen Partikeln erreicht.
Sind noch höhere Härtegrade gewünscht, so sollte die metallische Schicht mehr als 45 Vol.-%, insbesondere mehr als 55 Vol.-% nichtmetallische Partikel enthalten.
Eine Dispersionsschicht auf Basis einer Nickelschicht mit einem Phosphorgehalt von 5 Gew.-% und einem Gehalt von 55 Gew.-% Siliciumcarbid mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μm weist bereits eine Härte nach Vickers von mehr als 1.200 auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die metallische Schicht mindestens zwei nichtmetallische, von ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Partikel.
Hierdurch kann in einfacher Weise Einfluss auf weitere Eigenschaften der Verschleißschutzschicht genommen werden. So kann die Verschleißschutzschicht beispielsweise nichtmetallische Partikel enthalten, die die Abriebbeständigkeit erhöhen (Hartstoffe). Des weiteren kann die gleiche Schicht auch noch nichtmetallische Partikel enthalten, die die Gleitfähigkeit der Schicht verbessern (Festschmierstoffe).
Die vorliegende Aufgabe wird entsprechend einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung ebenfalls gelöst durch einen Gegenstand mit einer ganz oder teilweise auf der Oberfläche befindlichen Verschleißschutzschicht, wobei die Verschleißschutzschicht eine außenstromlos oder elektrolytisch abgeschiedene metallische Schicht ist, und die metallische Schicht, bezogen auf die gesamte Verschleißschutzschicht, mehr als 20 Vol.-%, insbesondere mehr als 30 Gew.-%, nichtmetallische Partikel mit mindestens zwei unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen und einem Verhältnis der Partikelgrößenverteilungen mit mehr als 15 : 1 enthält.
Diese Verschleißschutzschicht weist eine außerordentlich hohe Dichte von verschleißfesten Partikeln mit einer geringen Teilchengröße in Kombination mit einer hohen Stützwirkung durch die Partikel mit hoher Teilchengröße auf.
Solche Verschleißschutzschichten haben eine noch verbesserte Abriebbeständigkeit bei vergleichbarem Gesamteigenschaftsniveau (Tribologie, Oberflächenrauhigkeit), verglichen mit Schichten, die den gleichen Anteil an nichtmetallischen Partikeln mit nur einer Teilchengrößenverteilung aufweisen.
Eine bevorzugte Möglichkeit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung ist, wenn eine Partikelgrößenverteilung eine mittlere Teilchengröße von mehr als 10 μm und die andere Partikelgrößenverteilung eine mittlere Teilchengröße von weniger als 1 μm hat.
Ganz allgemein werden Schichten mit ausgezeichneten Eigenschaften erhalten, wenn die eine Partikelgrößenverteilung eine mittlere Teilchengröße zwischen 10 und 150 μm hat, während die andere Partikelgrößenverteilung eine mittlere Teilchengröße zwischen 0,01 und 1,0 μm aufweist.
Die vorliegende Aufgabe wird ebenfalls entsprechend einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung gelöst durch einen Gegenstand mit einer ganz oder teilweise auf der Oberfläche befindlichen Verschleißschutzschicht, wobei die Oberfläche ganz oder teilweise eine außenstromlos oder elektrolytisch abgeschiedene metallische Schicht aufweist, wobei die metallische Schicht, bezogen auf die gesamte Verschleißschutzschicht, mehr als 15 Vol.-%, insbesondere mehr als 25 Gew.-%, nichtmetallische Partikel in einer Gradientenverteilung aufweist, wobei der Gradient von der Oberfläche in Richtung Substrat bzw. umgekehrt verläuft.
Dieser Gegenstand weist erstmals einen Gradienten auf, der unabhängig von der Geometrie des zu beschichtenden Gegenstandes ist.
Die Vorteile solcher Schichten – neben der bisher unerreichten Härte – sind darin zu sehen, dass bei Schichten mit zunehmender Partikeldichte von der Oberfläche der Verschleißschutzschicht ausgehend in Richtung Substrat das Einlaufverhalten (Anpassung der Verschleißschutzschicht an den Reibpartner) verbessert wird.
Verläuft der Gradient umgekehrt, d.h. vom Substrat in Richtung Oberfläche der Verschleißschutzschicht, so können Schichten bereitgestellt werden, die sich durch einen deutlich geringeren Verbrauch an nichtmetallischen Partikeln auszeichnen. Dies bedeutet einerseits eine Einsparung an Material; andererseits wird eine Sollbruchstelle zwischen Substrat und Verschleißschutzschicht vermieden, was insbesondere bei mechanisch hoch beanspruchten Gegenständen, wie beispielsweise Rotoren, von besonderem Vorteil ist.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verschleißschutzschicht auf einem nichtmetallischem Substrat aufgebracht.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem nichtmetallischen Substrat um einen Kunststoff, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe von glasfaserverstärkten Kunststoffen, kohlenfaserverstärkten Kunststoffen, Polyamid, Polymerharz, Polyethylen, Polypropylen und PMMA.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform haben die nichtmetallischen Partikel eine Härte von mehr als 1.500 HV und sind aus der Gruppe von Siliziumcarbid, Korund, Diamant und Tetraborcarbid.
Bei diesen nichtmetallischen Partikeln handelt es sich um Hartstoffe, die vor allem die Härte der Verbundschicht erhöhen.
Sofern nichtmetallische Partikel mit reibungsvermindernden Eigenschaften eingesetzt werden sollen, sind diese bevorzugterweise ausgewählt aus der Gruppe von Polytetrafluorethylen, Molybdänsulfid, kubisches Bornitrid und Zinnsulfid.
Bei der metallischen Schicht handelt es sich besonders bevorzugt um eine elektrolytisch und/oder außenstromlos abgeschiedene Nickel-, Kupfer- oder Chromschicht oder -legierung.

Claims

Gegenstand mit einer ganz oder teilweise auf seiner Oberfläche befindlichen Verschleißschutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht ganz oder teilweise eine außenstromlos oder elektrolytisch abgeschiedene metallische Schicht ist, und die metallische Schicht mehr als 40 Vol.-% nichtmetallische Partikel, bezogen auf die gesamte Verschleißschutzschicht, enthält.
Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht mehr als 45 Vol.-%, insbesondere mehr als 55 Vol.-%, nichtmetallische Partikel enthält.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht mindestens zwei nichtmetallische, von ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Partikel enthält.
Gegenstand mit einer ganz oder teilweise auf seiner Oberfläche befindlichen Verschleißschutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht eine außenstromlos oder elektrolytisch abgeschiedene metallische Schicht ist, und die metallische Schicht, bezogen auf die gesamte Verschleißschutzschicht, mehr als 20 Vol.-%, insbesondere mehr als 30 Gew.-%, nichtmetallische Partikel mit mindestens zwei unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen und einem Verhältnis der Partikelgrößenverteilungen mehr als 15 : 1 enthält.
Gegenstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Partikelgrößenverteilung eine mittlere Teilchengröße von mehr als 10 μm und die andere Partikelgrößenverteilung eine mittlere Teilchengröße von weniger als 1 μm hat.
) Gegenstand nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Partikelgrößenverteilung eine mittlere Teilchengröße zwischen 10 und 150 μm hat, während die andere Partikelgrößenverteilung eine mittlere Teilchengröße zwischen 0,01 und 1,0 μm aufweist.
Gegenstand mit einer ganz oder teilweise auf seiner Oberfläche befindlichen Verschleißschutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche ganz oder teil weise eine außenstromlos oder elektrolytisch abgeschiedene metallische Schicht aufweist, wobei die metallische Schicht, bezogen auf die gesamte Verschleißschutzschicht, mehr als 15 Vol.-%, insbesondere mehr als 25 Gew.-%, nichtmetallische Partikel in einer Gradientenverteilung aufweist, wobei der Gradient von der Oberfläche der Verschleißschutzschicht in Richtung Substrat bzw. umgekehrt verläuft.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht auf einem nichtmetallischem Substrat aufgebracht ist.
Gegenstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtmetallische Substrat ein Kunststoff ist, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe von glasfaserverstärkten Kunststoffen, kohlenfaserverstärkten Kunststoffen, Polyamid, Polymerharz, Polyethylen, Polypropylen und PMMA.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmetallischen Partikel eine Härte von mehr als 1.500 HV aufweisen und ausgewählt sind aus der Gruppe von Siliziumcarbid, Korund, Diamant und Tetraborcarbid.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmetallischen Partikel reibungsvermindernde Eigenschaften aufweisen und ausgewählt aus der Gruppe von Polytetrafluorethylen, Molybdänsulfid, kubisches Bornitrid und Zinnsulfid.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht eine elektrolytisch und/oder außenstromlos abgeschiedene Nickel-, Kupfer- oder Chromschicht oder -legierung ist.