DE112004002500T5

DE112004002500T5 - Kaltspritzvorrichtung mit Pulvervorheizeinrichtung

Info

Publication number: DE112004002500T5
Application number: DE112004002500T
Authority: DE
Inventors: Hyung-Jun Pohang Kim; Young-Gak Pohang Kweon
Original assignee: Research Institute of Industrial Science and Technology RIST
Current assignee: Research Institute of Industrial Science and Technology RIST
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-11-09
Also published as: KR100515608B1; US7654223B2; GB2423308A; US20070137560A1; JP2007516827A; GB2423308B; GB0611777D0; CN100478078C; WO2005061116A1; CN1898025A; KR20050065213A

Abstract

Kaltspritzvorrichtung, umfassend:
eine Gassteuereinheit zur Steuerung der Gaszuführmenge von Hauptgas und Restgas (Gas, das nicht als das Hauptgas zugeführt wird);
ein Gasheizer zum Aufheizen des durch Steuerung der Gassteuereinheit zugeführten Hauptgases;
eine Pulverzuführeinheit zum Empfangen des Restgases durch Steuerung der Gassteuereinheit und zum Zuführen eines Beschichtungspulvers mit dem Restgas;
eine Pulvervorheizeinrichtung zum Vorheizen des von der Pulverzuführeinheit zugeführten Beschichtungspulvers;
eine Mischkammer zum Mischen des erhitzten Hauptgases mit dem vorerhitzten Beschichtungspulver;
eine Temperatursteuereinheit zum Anpassen der Temperatur durch Steuerung der Pulvervorheizeinrichtung und des Gasheizers; und
eine Düse zum Spritzen des in der Mischkammer gemischten Beschichtungspulvers.

Description

Hintergrund
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kaltspritzvorrichtung mit einer Pulvervorheizeinrichtung. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Kaltspritzvorrichtung mit einer Pulvervorheizeinrichtung, mit der eine hohe Abscheiderate und eine exzellente Deckschicht unter denselben Spritzverfahrensbedingungen durch Vorheizen des Beschichtungspulvers vor dem Beschichtungsprozess erhalten werden kann.
Stand der Technik
Ein thermisches Spritzbeschichtungsverfahren wird weithin benutzt, um ein Substrat mit einem Material zu beschichten. Bei dem thermischen Spritzbeschichtungsverfahren wird ein Substrat, welches das Stammmaterial ist, durch ein Strahlverfahren aufgeraut und durch mechanische Verfestigung beschichtet. Das bedeutet, ein Pulver wird durch verschiedene Hitzequellen, wie z.B. Lichtbogen und Plasma, geschmolzen und wird dann mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat aufgespritzt. Auf diese Art wird das Substrat mit dem Pulver beschichtet.
Ein solches thermisches Spritzbeschichtungsverfahren kann fast alle Arten von Materialien beschichten. Zusätzlich wird die Substrattemperatur leicht erhöht und eine relativ dicke Beschichtung in kurzer Zeit ist möglich. Aus diesen Gründen wurde das thermische Spritzbeschichtungsverfahren weithin in vielen industriellen Bereichen genutzt.
Dennoch kann die ursprüngliche Struktur des Beschichtungspulvers aufgrund des Schmelzens des Beschichtungsmaterials verändert werden. Speziell im Fall von besonderen Strukturen wie einer Nanostruktur oder einer amorphen Struktur wird das Material geschmolzen, selbst wenn das Rohmaterial eine Nanostruktur oder eine amorphe Struktur hat. Nach der Beschichtung kann die sich ergebende Struktur daher kaum die ursprüngliche Nanostruktur oder amorphe Struktur beibehalten.
Wenn ein Material wie nanostrukturiertes WC-Co mit hohen Geschwindigkeiten gespritzt wird, wird eine große Fläche des Pulvers der Hitzequelle ausgesetzt, wodurch sich WC leicht in empfindlichere Carbide wie W₂C, W₃Co₃C oder W₆Co₆C, zersetzt. Demnach hat das thermische Spritzbeschichtungsverfahren den Nachteil, dass kaum exzellente Deckschichten erreicht werden können.
Um die Nachteile des thermischen Spritzbeschichtungsverfahrens zu lösen, wurde eine Kaltspritztechnik entwickelt, mittels der Pulverbeschichtung bei niedrigen Temperaturen möglich ist. Bei der Kaltspritztechnik werden Pulverpartikel mit einer Größe von etwa 1–50 μm auf eine Geschwindigkeit von 300–1200 m/sek. beschleunigt, welche Geschwindigkeit eine Grenzgeschwindigkeit überschreitet, bei welcher ein Beschichtungsmaterial eine Oberfläche beschichten kann. Hierbei werden Hochdruckgase, wie beispielsweise Stickstoff, Helium und Luft, verwendet. Die Partikel schlagen auf der Zieloberfläche ein, die kinetische Energie der Partikel wird in eine plastische Verformung der Partikel umgewandelt und es bildet sich eine Bindung zwischen den Partikeln und der Zieloberfläche.
Da bei der Kaltspritztechnik mit den Teilchen in festem Zustand ohne Schmelzen derselben beschichtet werden kann, werden die Probleme des thermischen Spritzbeschichtungsverfahrens teilweise gelöst. Zusätzlich ist, da keine verbleibende Zugspannung, welche durch Erstarrungsspannung erzeugt wird, vorhanden ist, eine dicke Beschichtung möglich. Daher kann die Kaltspritztechnik in der endkonturnahen Fertigung („near net shaping") Verwendung finden.
Das Kaltspritzverfahren wird offenbart durch die US-Patente 6,365,222 B1, 6,491,208 B2, 6,139,913 und 6,283,386 und die US-Offenlegungsschriften 2001/0042508 A1, 2002/0033135 A1, 6,502,767 B2, 2002/0073982 A1, 2002/0102360 A1, 6,444,259 B1, 2002/0182311 A1, 2002/0182313 A1, 2002/0182314 A1.
Das US-Patent 6,365,222 B1 offenbart ein Verfahren zur Reparatur von Komponenten mittels eines Kaltspritzverfahrens und das US-Patent 6,491,208 B2 offenbart ein Verfahren zur Reparatur eines Turbinenblatts. Zusätzlich offenbaren die US-Patente 6,139,913 und 6,283,368 eine Düse, die Gas bis zu hohen Geschwindigkeiten im Bereich von 1000 m/sek. oder mehr beschleunigen kann. Diese Patente können auf Pulverpartikel mit Größen von 50 μm oder mehr angewandt werden. Zusätzlich offenbaren diese Patente ein Querschnittsflächenverhältnis des Hauptgasdurchlasses zu einem Einspritzrohr in einer Mischkammer zum Mischen des beschleunigenden Gases und der Beschichtungspartikel.
Die US-Offenlegungsschriften 2001/0042508 A1 und 2002/0033135 A1 und das US-Patent 6,502,767 B2 offenbaren ein Verfahren zum einfachen Zerlegen einer Kaltspritzdüse. Ein Material für das Hauptzufuhrrohr und eine maximale Vorheiztemperatur (700°C) werden in diesen Veröffentlichungen und in dem Patent beschrieben.
Die US-Offenlegungsschrift 2002/0073933 A1 offenbart ein Verfahren zur Applikation des Kaltspritzens beim Beschichten einer Zylinderinnenwand im Motorblock eines Kraftfahrzeugs.
Die US-Offenlegungsschrift 2002/0102360 A1 und das US-Patent 6,444,259 B1 offenbaren eine thermische Schutzbeschichtung und ein Verfahren zum Aufbringen derselben.
Die US-Offenlegungsschriften 2002/0182311 A1, 2002/0182313 A1 und 2002/0182314 A1 offenbaren ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Maschinen mittels kinetischen Spritzens.
Die oben beschriebenen Kaltspritztechniken sind in verschiedenen Anwendungsbereichen nützlich, weisen aber zu beseitigende Nachteile auf.
Zunächst ist die Zahl der benutzbaren Materialien beschränkt, denn feste Materialien werden bei den Kaltspritztechniken verwendet. Insbesondere ist Keramik schwer im Kaltspritzverfahren verwendbar, während reines Kupfer, Nickel oder Aluminium wegen seiner hohen Dehnbarkeit weithin verwendet werden.
Zum zweiten müssen sogar die weithin benutzten Materialien mit einer hohen Geschwindigkeit von mehr als der Grenzgeschwindigkeit gespritzt werden, um exzellente Beschichtungseigenschaften zu erhalten. Ansonsten würde der Ertrag aufgrund einer niedrigen Abscheidungsrate verschlechtert.
Cermet-Materialien, wie z.B. WC-Co, haben einen hohen Schleifabnutzungswiderstand und werden daher weithin industriell verwendet. Dennoch haben die Cermet-Materialien schlechte Beschichtungseigenschaften in Kaltspritzverfahren. Sie werden meist in der thermischen Spritzbeschichtungstechnik verwendet. Das bedeutet, die Cermet-Materialien sind schwer in der Kaltspritztechnik zu verwenden.
Die Zunahme an Geschwindigkeit des beschleunigenden Gases kann durch Anheben des Druckes einer Gaszuführeinheit erreicht werden. Dennoch verlangt dieses Verfahren eine große Menge an Gas, so dass der Gasdruck erhöht werden kann. Folglich wird eine große Menge an Gas verwendet, so dass sich die wirtschaftliche Effizienz verschlechtert.
Um dieses Problem zu lösen, wird das beschleunigende Gas im Allgemeinen auf etwa 400–600°C erhitzt, so dass die Gasgeschwindigkeit ohne Erhöhung des Drucks der Gaszuführeinheit in der Kaltspritzvorrichtung erhöht werden kann. Das Verfahren ist effektiv bezüglich des Erhöhens der Geschwindigkeit des beschleunigenden Gases, denn das spezifische Volumen und der Druck des Gases kann erhöht werden und der adiabatische Ausdehnungseffekt an der Düse kann mittels dieses Verfahrens erreicht werden.
Wenn das Verfahren alleine genutzt wird, ist es dennoch schwierig, eine zufrieden stellende Abscheiderate zu erhalten, insbesondere bei der Beschichtung durch Cermet-Materialien. Dementsprechend muss der Gasheizer das Gas höher erhitzen, so dass die Gastemperatur erhöht wird, wodurch sich der Stromverbrauch erhöht. Zusätzlich verkürzt sich die Lebensdauer eines Rohres im Gasheizer, so dass sich eine Grenze bezüglich der Erhöhung der Temperatur ergibt.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend verfolgt die vorliegende Erfindung das Ziel, ein oder mehrere Probleme aufgrund von Begrenzungen oder Nachteilen des Standes der Technik im Wesentlichen zu beseitigen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Kaltspritzvorrichtung mit einer Pulvervorheizeinrichtung, mit der eine hohe Abscheiderate und eine exzellente Deckschicht unter denselben Spritzverfahrensbedingungen durch Vorheizen des Beschichtungspulvers vor dem Beschichtungsprozess erreicht werden können.
Um dieses Ziel und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erreichen, umfasst eine Kaltspritzeinrichtung eine Gassteuereinheit zur Steuerung der Gaszufuhrmenge von Hauptgas und Restgas (Gas, das nicht als das Hauptgas zugeführt wird); einen Gasheizer zum Aufheizen des durch Steuerung der Gassteuereinheit zugeführten Hauptgases, eine Pulverzuführeinheit zum Empfangen des Restgases durch Steuerung der Gassteuereinheit und zum Zuführen eines Beschichtungspulvers mit dem Restgas, eine Pulvervorheizeinrichtung zum Vorheizen des von der Pulverzuführeinheit zugeführten Beschichtungspulvers, eine Mischkammer zum Mischen des erhitzten Hauptgases mit dem vorerhitzten Beschichtungspulver, eine Temperatursteuereinheit zum Anpassen der Temperatur durch Steuerung der Pulvervorheizeinrichtung und des Gasheizers und eine Düse zum Spritzen des in der Mischkammer gemischten Beschichtungspulvers.
Die Pulvervorheizeinrichtung kann umfassen: ein Gehäuse; einen auf dem Gehäuse befestigten Heizer zur Durchführung von Widerstandserhitzung und ein im Gehäuse in Schraubenform ausgebildetes Pulvertransferrohr zur Fluidkommunika tion zwischen der Pulverzuführeinheit und der Mischkammer, wobei das Pulvertransferrohr das Pulver transferiert.
Das Pulvertransferrohr kann aus Edelstahl sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit der Kaltspritzvorrichtung mit Pulvervorheizeinrichtung eine hohe Abscheiderate und eine exzellente Deckschicht unter denselben Spritzverfahrensbedingungen durch Vorheizen des Beschichtungspulvers vor einem Besichtungsprozess erreicht werden.
Zudem kann die vorliegende Erfindung eine nanostrukturierte extrem harte WC-Co-Beschichtung mit hohem Schleifabnutzungswiderstand und Bruchzähigkeit bereitstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht einer Kaltspritzvorrichtung mit einer Pulvervorheizeinrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Perspektivansicht der Pulvervorheizeinrichtung aus 1;
3 ist eine Photographie, die eine aus Bereichen bestehende Struktur einer Deckschicht zeigt, welche nach einem Ätzen durch das Vergleichsbeispiel 4 aus Tabelle 5 ausgebildet wurde;
4 ist eine Photographie, die eine aus Bereichen bestehende Struktur einer Deckschicht zeigt, welche nach einem Ätzen durch das Erfindungsbeispiel 8 aus Tabelle 5 ausgebildet wurde;
5 zeigt das Ergebnis einer Röntgenbeugungsanalyse einer Deckschicht, die nach dem Vergleichsbeispiel 4 aus Tabelle 5 ausgebildet wurde; und
6 zeigt das Ergebnis einer Röntgenbeugungsanalyse einer Deckschicht, die durch das Erfindungsbeispiel 8 aus Tabelle 5 ausgebildet wurde.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Nun wird im Detail Bezug genommen auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind.
1 ist eine schematische Ansicht einer Kaltspritzvorrichtung mit einer Pulvervorheizeinrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und 2 ist eine Perspektivansicht der Pulvervorheizeinrichtung aus 1.
Wie in 1 und 2 dargestellt, umfasst eine Kaltspritzvorrichtung 100 mit einer Pulvervorheizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Gassteuereinheit 10, einen Gasheizer 20, eine Pulverzuführeinheit 30, eine Pulvervorheizeinrichtung 40, eine Mischkammer 50, eine Temperatursteuereinheit und eine Düse 70. In der Kaltspritzvorrichtung 100 steuert die Gassteuereinheit 10 die Gaszufuhrmenge an Hauptgas 11 und Restgas 13 (Gas, das nicht dem Hauptgas zugeführt wird), und der Gasheizer 20 heizt das Hauptgas 11, das unter Steuerung der Gassteuereinheit 10 zugeführt wurde. Die Pulverzuführeinheit 30 führt ein Beschichtungspulver zusammen mit dem Restgas 13 zu. Die Pulvervorheizeinrichtung 40 heizt das Beschichtungspulver, das von der Pulverzuführeinheit 30 zugeführt wurde, vor und die Mischkammer 50 mischt das erhitzte Hauptgas mit dem vorerhitzten Beschichtungspulver. Die Temperatursteuereinheit 60 passt die Temperatur durch Steuerung der Pulvervorheizeinrichtung 40 und des Gasheizers 20 an. Die Düse 70 spritzt das Beschichtungspulver, das in der Mischkammer 50 gemischt wurde.
Die Gassteuereinheit 10 steuert die Gaszufuhrmenge. Detaillierter führt die Gassteuereinheit 10 das Hauptgas 11 dem Gasheizer zu und führt zudem das Rest gas (das Gas, das nicht dem Gasheizer zugeführt wird) der Pulverzuführeinheit 30 zu.
Der Gasheizer 20 heizt das Hauptgas 11, das von der Gassteuereinheit 10 zugeführt wurde. Das erhitzte Hauptgas erhöht den Druckausgleich aufgrund Volumenausdehnung und außerdem die adiabatische Expansion aufgrund hoher innerer Energie, wenn das Hauptgas durch die Düse 70 gespritzt wird.
Die Pulverzuführeinheit 30 empfängt das Restgas von der Gassteuereinheit 10 und trägt das Pulver unter Verwendung des Restgases. Dann führt die Pulverzuführeinheit 30 das Pulver und das Restgas der Pulvervorheizeinrichtung 40 zu.
Die Pulvervorheizeinrichtung 40 ist ein sehr wesentliches Element der vorliegenden Erfindung. Die Pulvervorheizeinrichtung 40 kann den Ertrag an Pulver erhöhen, mit dem unter denselben Gaszufuhrbedingungen wie bei der herkömmlichen Kaltspritzvorrichtung beschichtet wird. Zusätzlich vereinfacht die Pulvervorheizeinrichtung 40 die Beschichtung mit Materialien wie beispielsweise WC-Co-Cermet, welches schlechte Beschichtungseigenschaften hat, so dass das Beschichten mit WC-Co-Cermet in der herkömmlichen Kaltspritzeinrichtung schwierig ist.
Wie in 1 und 2 gezeigt, ist die Pulvervorheizeinrichtung 40 zwischen der Pulverzuführeinheit 30 und der Mischkammer 50 angeordnet und umfasst ein Gehäuse 41, einen Heizer 43 und ein Pulvertransferrohr 45. Der Heizer 43 ist auf dem Gehäuse 41 befestigt, um Widerstandserhitzung durchzuführen. Das Pulvertransferrohr 45 ist innerhalb des Gehäuses 41 in einer Schraubenform zur Fluidkommunikation zwischen der Pulverzuführeinheit 30 und der Mischkammer 50 ausgebildet. Das Beschichtungspulver wird durch das Pulvertransferrohr 45 transportiert.
Der Heizer 43 wird zum Heizen des Inneren des Gehäuses 41 verwendet und ist vorteilhafterweise mit Widerstandsdraht versehen. Das bedeutet, der Heizer 43 heizt das in dem Pulvertransferrohr 45 enthaltene Pulver indirekt, welches Pulver durch das Innere des Gehäuses 41 bewegt wird.
Um die thermische Effizienz und den Raumbedarf der Pulvervorheizeinrichtung 40 zu maximieren, ist es effektiv, das Pulvertransferrohr 45 in einer Schraubenform auszubilden. Zusätzlich ist es vorzuziehen, dass das schraubenförmige Pulvertransferrohr 45 fünf oder mehr Windungen hat. Die Form der Pulvertransfereinrichtung 45 veranlasst das Pulver, länger innerhalb des Gehäuses 41 zu verbleiben. Daher kann der Vorheizeffekt des Beschichtungspulvers insoweit erhöht werden. Es ist vorzuziehen, dass das Pulvertransferrohr 45 aus Edelstahlmaterial zum Zwecke der Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen gefertigt ist.
Das in einer solchen Pulvervorheizeinrichtung erhitzte Pulver hat eine höhere Temperatur als die des Pulvers, das von der herkömmlichen Kaltspritzvorrichtung gespritzt wurde. In diesem Fall wird die Energie des Pulvers erhöht und die Dehnbarkeit und Bruchzähigkeit werden ebenso verbessert, so dass die Beschichtungseigenschaften bemerkenswert verbessert sind.
Die Pulvervorheizeinrichtung 40 und der Gasheizer 20 müssen innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs angesteuert werden, wobei die Stabilität sowohl der Pulvervorheizeinrichtung 40 als auch des Gasheizers 20 und die Beschichtungseigenschaften des Pulvers in Betracht gezogen werden müssen. Zu diesem Zweck ist die Temperatursteuereinheit 60 vorgesehen. Die Temperatursteuereinheit 60 kann ein Computersystem sein.
Das durch die Pulvervorheizeinrichtung 40 vorerhitzte Beschichtungspulver wird dann in die Mischkammer 50 weitergeleitet. Dort wird das vorerhitzte Beschichtungspulver mit dem Hauptgas gemischt, welches erhitzt und dann von dem Gasheizer 20 zugeführt wird. Folglich wird ein Gas-zu-Pulver-Verhältnis gebildet, das geeignet für den Beschichtungsvorgang ist.
Die Mischung des Gases und des Pulvers wird von der Mischkammer 50 auf ein Beschichtungsziel 71 durch die Düse 70 gespritzt. Auf diese Art wird die Beschichtung durchgeführt.
Im Vergleich zu der herkömmlichen Kaltspritzvorrichtung, wie oben beschrieben, hat die Kaltspritzvorrichtung mit der Pulvervorheizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung exzellente Beschichtungseigenschaften. Die Gründe sind die Folgenden. Der Kaltspritzvorgang wird durch die Stapelung aufgrund der plastischen Verformung des Materials erreicht. Da die Dehnbarkeit des Beschichtungsmaterials erhöht wird, verbessert sich die Abscheiderate und die Beschichtungseigenschaft. Wenn die Temperatur erhöht wird, nimmt die Dehnbarkeit des Metalls zu. Hierzu kann die Spritzvorrichtung mit der Pulvervorheizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung effektiv die Pulvertemperatur erhöhen.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Verwendung der Kaltspritzvorrichtung im Detail anhand eines Beispieles mit nanostrukturierter WC-Co-Beschichtung mit super hoher Härte beschrieben.
Das nanostrukturierte WC-Co-Pulver ist ein Pulver, das nanogroßes WC (Wolframcarbid) enthält, welches fein und gleichmäßig innerhalb einer Co-basierten Struktur verteilt ist. Wenn die Deckschicht aus einem solchen nanostrukturierten WC-Co-Pulver besteht, hat sie einen sehr hohen Schleifabnutzungswiderstand. Zudem kann sie als eine Deckschicht mit super hoher Härte verwendet werden.
Dennoch hat das nanostrukturierte WC-Co-Pulver eine hohe Reaktivität aufgrund seiner großen Oberfläche. Daher zerfällt, wenn die Beschichtung mit Hilfe des thermischen Spritzbeschichtungsverfahrens durchgeführt wird, WC leicht in ein empfindliches Carbid wie W₂C, W₃Co₃C oder W₆Co₆C, so dass es schwierig ist, eine exzellente Deckschicht zu erhalten. Selbst wenn das typische Kaltspritzverfahren zur Überwindung dieser Nachteile genutzt wird, ist die Grenzgeschwindigkeit für die exzellente Deckschicht so hoch, dass dieses Verfahren ungeeignet ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten viele Versuche zur Lösung des Problems durch. Als Ergebnis wissen die Erfinder, dass die Beschichtungseigenschaften in größerem Maße verbessert werden können, wenn die Gesamtenergie der während des Kaltspritzens aufgespritzten Partikel erhöht wird.
Die Gründe sind die Folgenden. Wenn nur die Geschwindigkeit des üblichen Kaltspritzbeschleunigungsgases genutzt wird, ist es schwer, die Grenzgeschwindigkeit zu erreichen, bei welcher WC-Co-Cermet als Beschichtungsmaterial verwendet werden kann. Zudem ist ein Verfahren, bei dem die Geschwindigkeit höher als die Grenzgeschwindigkeit erhöht wird, praktisch unmöglich. Daher wird eine andere Energie benötigt, um für kinetische Energie aufgrund der Geschwindigkeit aufzukommen. Zusätzlich ist sie notwendig, um die Dehnbarkeit so zu erhöhen, dass die Energie des Auftreffens absorbiert wird, welche bei der Kollision der gespritzten Partikel mit dem Beschichtungssubstrat erzeugt wird.
Ein Verfahren, das diese Bedingungen erfüllen kann, ist die Erhöhung der Temperatur der Partikel. Das heißt, wenn die Temperatur der Partikel erhöht wird, wird auch die Wärmeenergie der Partikel erhöht, so dass die Energie für die Verbindung mit dem Substrat nach der Kollision oder anderen Pulverpartikeln erhöht ist. Zudem kann die Dehnbarkeit der Co-basierten Struktur abhängig von den Eigenschaften des Metalls verbessert werden.
Auf der Basis der oben genannten Gründe wird im Folgenden ein Herstellungsverfahren für die Nano-WC-Co-Deckschicht mit super hoher Härte beschrieben.
Zunächst muss die Größe des WC-Co-Cermets, in welches nanogroßes WC gleichförmig innerhalb Co-basierten Strukturen verteilt wird, auf den Bereich von 1–50 μm begrenzt werden. Die Partikel können am einfachsten mit der Größe von 1–50 μm während des Kaltspritzens gespritzt werden. Zusätzlich ist es vorzuziehen, dass mehr als 12 Gew.% Co in dem WC-Co-Pulver enthalten sind, so dass die Härte des Pulvers gesichert ist.
Als nächstes müssen Trägergase, die zum Tragen des Beschichtungspulvers dienen, zugeführt werden. Die Trägergase werden durch zwei Pfade zugeführt. Einer ist das Hauptgas, welches kinetische Energie an das Beschichtungspulver überträgt, und der andere ist das Restgas, welches benötigt wird, wenn das Beschichtungspulver zu einem Ort, wo das Beschichtungspulver und das Hauptgas gemischt werden, transportiert werden soll.
Von den beiden Gasen muss das Hauptgas durch den Gasheizer oder dergleichen erhitzt werden, so dass das Hauptgas eine hohe Geschwindigkeit während des Spritzvorgangs hat. Daher ist der Erhitzungsvorgang notwendig, bevor das Hauptgas mit dem Pulver gemischt wird.
Daneben trägt das Restgas das Pulver, welches in einem getrennten Pulverbehälter (der Gaszuführeinheit 30) aufbewahrt ist, zum Ort des Mischens.
Das erhitzte Pulver, das Restgas und das Hauptgas werden in der Mischkammer 50 gemischt und bei hoher Geschwindigkeit gespritzt. Dann verbindet sich aufgrund der Energie das Beschichtungspulver mit dem Beschichtungssubstrat oder dem zuvor gestapelten Pulver, um dadurch die Deckschicht zu bilden.
Es ist vorzuziehen, dass Stickstoff oder Helium als Hauptgas und Restgas verwendet wird, so dass Reaktionen mit dem nanostrukturierten WC-Co-Pulver mit hoher Reaktivität minimiert werden.
Zusätzlich muss das Pulver bis zu 100°C oder höher erhitzt werden, um die Wärmeenergie dem Pulver zuzuführen. Wird die Pulvervorheiztemperatur erhöht, verbessern sich die Beschichtungseigenschaften. Jedoch erhöht sich dadurch die für das Vorheizen notwendige Zeit und der Stromverbrauch, so dass sich die wirtschaftliche Effizienz verschlechtert. Aus diesem Grund ist die Pulvervorheiztemperatur auf maximal 600°C beschränkt.
Obwohl die vorliegende Erfindung insbesondere in Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele derselben erklärt und beschrieben wird, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiel 1: Kaltspritzverfahren von Nickelpulver
Eine Spritzbeschichtung mit Nickel (Ni)-Pulver wurde unter den Bedingungen von Tabelle 1 durchgeführt, um die Wirkung der Kaltspritzvorrichtung mit der Pulvervorheizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu beobachten.
Tabelle 1
Das Kaltspritzverfahren wurde unter den Bedingungen von Tabelle 1 durchgeführt, während die Pulvervorheizbedingungen wie in Tabelle 2 gezeigt verändert wurden.
Tabelle 2
Das Beschichtungssubstrat, welches in Tabelle 1 verwendet wurde, wurde durch einen Strahlprozess vor dem Beschichtungsprozess aufgeraut.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, kann nur durch Veränderung der Pulvervorheizbedingungen, während alle anderen Bedingungen gleich bleiben, die Abscheiderate und die Beschichtungsdicke enorm erhöht werden, während sich die Pulvervorheiztemperatur erhöht. Insbesondere weist das Vergleichsbeispiel 1 eine Porosität von 5% auf, welche höher ist als die der Erfindungsbeispiele. Daher ist es im Vergleichsbeispiel 1 schwieriger, eine dichte Deckschicht zu erzeugen.
Ausführungsbeispiel 2: Überblick über die Kaltspritzbedingungen von WC-Co-Pulver
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Kaltspritzvorrichtung mit der Pulvervorheizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den Tabellen 3 und 4 unten gezeigt.
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 3 zeigt die Bedingungen, unter denen WC-12%Co und WC-15%Co kaltgespritzt wurden, und Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse des unter den Bedingungen von Tabelle 3 durchgeführten Kaltspritzverfahrens, wobei die Pulvervorheiztemperatur verändert wurde.
Wie aus Tabelle 4 ersichtlich, ist das Kaltspritzverfahren des Vergleichsbeispiels 2, wo kein Vorheizvorgang durchgeführt wird, minderwertiger als das der Erfindungsbeispiele im Hinblick sowohl auf Beschichtungsdicke und Vickershärte.
Um die Testergebnisse genauer überprüfen zu können, wurden die im Vergleichsbeispiel 2 und im Erfindungsbeispiel 6 beschichteten Bereiche mit einem Mikroskop beobachtet. Die Ergebnisse sind in 3 und 4 dargestellt. Dabei zeigt 3 eine Photographie, die die aus Bereichen bestehende Struktur der Deckschicht, welche im Rahmen des Vergleichsbeispiels 2 ausgebildet wurde, zeigt, und 4 ist eine Photographie, die die aus Bereichen bestehende Struktur der Deckschicht, welche im Erfindungsbeispiel 6 ausgebildet wurde, zeigt. Es ist ersichtlich, dass die Struktur der 3 nicht dichter ist als die der 4. Ebenso ist ersichtlich, dass die Struktur der 4 die Nano-Struktur gut aufrecht erhält. Dementsprechend kann die Deckschicht der vorliegenden Erfindung eine exzellente Beschichtungsdicke und Härte haben. Zusätzlich tritt, ungleich des thermischen Spritzbeschichtungsverfahrens, die Transformation der Nano-Struktur fast nicht auf.
Ausführungsbeispiel 3: Vergleich des Kaltspritzverfahrens mit thermischem Spritzbeschichtungsverfahren
Um das Kaltspritzverfahren der vorliegenden Erfindung mit dem herkömmlichen thermischen Spritzbeschichtungsverfahren zu vergleichen, wurde ein Versuch unter den Bedingungen der unten stehenden Tabelle 5 durchgeführt. Die anderen Bedingungen zur Durchführung des Kaltspritzbeschichtens sind dieselben wie die in Tabelle 3 Genannten bezüglich der Zusammenstellung von WC-Co.
Tabelle 5
Wie aus Tabelle 5 ersichtlich, ist es in den Fällen der Vergleichsbeispiele 3 bis 5 unter Verwendung des thermischen Hochgeschwindigkeitsspritzverfahrens schwierig, eine nanostrukturierte Deckschicht nach dem thermischen Spritzvorgang ohne Rücksicht auf die Zusammenstellung, Partikelgröße und Struktur des Pulvers zu erhalten. So zeigt das Vergleichsbeispiel 4 das Ergebnis, wenn 1–20 μm große, nanostrukturierte Partikel thermisch bei hoher Geschwindigkeit gespritzt werden. Dennoch hat sich die Struktur in der Deckschicht stark verändert und sie enthält daher eine große Zahl an Mikro-Strukturen. Im Falle der Erfindungsbeispiele 8 und 9 jedoch war es möglich, eine exzellent nanostrukturierte Deckschicht zu erhalten. Zusätzlich war im Fall der Vergleichsbeispiele 3 bis 5 die Härte der Deckschicht grundsätzlich niedriger als 1200 HV. Im Fall der Erfindungsbeispiele jedoch war die Härte der Deckschicht größer als 1500 HV, in manchen Fällen 2000 HV.
Um einen objektiven Vergleich zwischen dem Vergleichsbeispiel und dem Erfindungsbeispiel zu ermöglichen, wurde eine Röntgenbeugungsanalyse bezüglich der Deckschicht durchgeführt. 5 zeigt das Ergebnis der Röntgenbeugungsanalyse für die Deckschicht, welche durch das Ausführungsbeispiel 4 ausgebildet wurde, und 6 zeigt die Ergebnisse der Röntgenbeugungsanalyse für die Deckschicht, welche mittels des Erfindungsbeispiels 8 gebildet wurde.
Der Unterschied ist offensichtlich in den 5 und 6. Wie in 6 zu erkennen, erscheinen deutlich die Spitzenwerte von WC und Co, aber die Mittelphase kann nicht überprüft werden. Auf der anderen Seite, wie in 5 zu erkennen, sind sowohl die durch das thermische Spritzen transformierten Peaks von W₂C und Co als auch der Peak von in dem enthaltenen Pulver WC reduziert (both peak of W₂C and Co transformed by the thermal spray and peak of WC contained in the powder reduced). Daher ist ersichtlich, dass die Härte reduziert ist.
Wie oben beschrieben kann die Wirkung der Kaltspritzvorrichtung mit der Pulvervorheizeinrichtung und des Kaltspritzverfahrens des WC-Co-Pulvers unter Verwendung derselben bestätigt werden.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedenste Veränderungen und Abweichungen bezüglich der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können. Daher soll die vorliegende Erfindung die Veränderungen und Abweichungen der Erfindung vollständig abdecken, vorausgesetzt, sie liegen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann die Kaltspritzvorrichtung und das Verfahren bereitstellen, die das Problem des herkömmlichen thermischen Spritzbeschichtungsverfahrens, in welchem die Zusammensetzung und Struktur der Partikel transformiert werden, so dass es schwierig ist, die gewünschte Deckschicht zu erzeugen, lösen. Zusätzlich können die Kaltspritzvorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung effektiv und wirtschaftlich die Deckschicht ausbilden, die das Problem der schlechten Porosität und Abscheiderate löst.
Zusammenfassung
Eine Kaltspritzvorrichtung mit einer Pulvervorheizeinrichtung wird bereitgestellt, mit der eine hohe Abscheiderate und eine exzellente Deckschicht unter denselben Spritzverfahrensbedingungen durch Vorerhitzen von Beschichtungspulver vor dem Beschichtungsprozess erreicht werden können. Zudem wird ein Herstellungsverfahren für eine nanostrukturierte WC-Co-Beschichtung super hoher Härte mit hohem Schleifabnutzungswiderstand und hoher Bruchzähigkeit durch Aufspritzen von WC-Co-Pulver mittels der Kaltspritzvorrichtung bereitgestellt. In der Kaltspritzvorrichtung steuert eine Gassteuereinheit die Gasversorgung von Hauptgas und Restgas (Gas, das nicht mit dem Hauptgas zugeführt wird) und ein Gasheizer heizt das Hauptgas, das durch Steuerung der Gassteuereinheit zugeführt wird. Eine Pulverzuführeinheit empfängt das Restgas durch die Steuerung der Gassteuereinheit und führt ein Beschichtungspulver zusammen mit dem Restgas zu. Eine Pulvervorheizeinrichtung erhitzt das durch die Pulverzuführeinheit zugeführte Beschichtungspulver vor und eine Mischkammer mischt das erhitzte Hauptgas mit dem vorerhitzten Beschichtungspulver. Eine Temperatursteuereinheit passt die Temperatur durch Steuerung der Pulvervorheizeinrichtung und des Gasheizers an und das Beschichtungspulver, welches in der Mischkammer gemischt wurde, wird durch eine Düse gespritzt.

Claims

Kaltspritzvorrichtung, umfassend: eine Gassteuereinheit zur Steuerung der Gaszuführmenge von Hauptgas und Restgas (Gas, das nicht als das Hauptgas zugeführt wird); ein Gasheizer zum Aufheizen des durch Steuerung der Gassteuereinheit zugeführten Hauptgases; eine Pulverzuführeinheit zum Empfangen des Restgases durch Steuerung der Gassteuereinheit und zum Zuführen eines Beschichtungspulvers mit dem Restgas; eine Pulvervorheizeinrichtung zum Vorheizen des von der Pulverzuführeinheit zugeführten Beschichtungspulvers; eine Mischkammer zum Mischen des erhitzten Hauptgases mit dem vorerhitzten Beschichtungspulver; eine Temperatursteuereinheit zum Anpassen der Temperatur durch Steuerung der Pulvervorheizeinrichtung und des Gasheizers; und eine Düse zum Spritzen des in der Mischkammer gemischten Beschichtungspulvers.
Kaltspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Pulvervorheizeinrichtung umfasst: ein Gehäuse; einen auf dem Gehäuse befestigten Heizer zur Durchführung von Widerstandserhitzung; und ein im Gehäuse in Schraubenform ausgebildetes Pulvertransferrohr zur Fluidkommunikation zwischen der Pulverzuführeinheit und der Mischkammer, wobei das Pulvertransferrohr das Pulver transferiert.
Kaltspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Pulvertransferrohr aus Edelstahl gefertigt ist.