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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein thermisches Spritzpulver aus granulierten und gesinterten Cermet-Partikeln.
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STAND DER TECHNIK
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Um Metallteilen verschiedener Industriemaschinen oder Universalmaschinen Eigenschaften wie etwa Abriebfestigkeit, Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verleihen, wurde herkömmlicher Weise eine thermische Spritzbeschichtung auf der Oberfläche der Teile vorgesehen. Als ein Material zum Herstellen der thermischen Spritzbeschichtung ist ein Cermet-Pulver hinlänglich bekannt, das mindestens einen Keramikwerkstoff wie etwa Wolframcarbid und Kobalt als seine Hauptbestandteile enthält (siehe z. B. Patentschriften 1 und 2). Verglichen mit anderen Metallen hat Kobalt eine ausgezeichnete Fähigkeit als Bindemittel, um Keramikpartikel in einem thermischen Spritzpulver zu binden. Deshalb ist eine aus einem Kobalt enthaltenden Cermet-Pulver hergestellte thermische Spritzbeschichtung im Vergleich zu einer Spritzbeschichtung, die aus einem andere Metalle enthaltenden Cermet-Pulver hergestellt ist, von ausgezeichneter Härte, Abriebfestigkeit, Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Obwohl Kobalt jedoch in der modernen Gesellschaft als Material für eine Akkubatterie eines elektronischen Geräts, Sinterhartmetall o. dgl. wesentlich ist, wird es zu einem hohen Preis gehandelt, weil seine Lieferanten ungleichmäßig verteilt und politisch und wirtschaftlich instabil sind. Gleichzeitig schwankt der Preis von Kobalt auf nicht vorhersehbare Weise, weil seine Produktion gering ist. Dies ist ein Grund für eine Zunahme beim Preis des Kobalt enthaltenden Cermet-Pulvers. Deshalb bestand ein Bedarf an einer Entwicklung eines neuen Cermet-Pulvers, das eine thermische Spritzbeschichtung mit einer Leistungsfähigkeit ausbilden kann, die gleich derjenigen oder höher als diejenige der thermischen Spritzbeschichtung ist, die aus dem Kobalt enthaltenden Cermet-Pulver hergestellt ist und dabei ein Metall enthält, das ein Ersatz für Kobalt und stabil von einem niedrigeren Preis, von höherer Produktion ist und somit im Vergleich zu Kobalt stabil geliefert werden kann.
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DRUCKSCHRIFTEN DES STANDS DER TECHNIK
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- Patent-Dokument 1: Japanische Patentveröffentlichung mit der Auslegungsnummer 8-311635
- Patent-Dokument 2: Japanische Patentveröffentlichung mit der Auslegungsnummer 10-88311
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Probleme, die die Erfindung lösen soll
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Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein thermisches Spritzpulver bereitzustellen, das eine thermische Spritzbeschichtung mit einer Leistungsfähigkeit ausbilden kann, die gleich derjenigen oder höher als diejenige der thermischen Spritzbeschichtung ist, die aus dem Kobalt enthaltenden Cermet-Pulver hergestellt ist, und dabei ein Metall enthält, das ein Ersatz für Kobalt und stabil von einem niedrigeren Preis, von höherer Produktion ist und somit im Vergleich zu Kobalt stabil geliefert werden kann.
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Mittel zur Lösung der Probleme
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Um das vorstehende Ziel zu erreichen und gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein thermisches Spritzpulver aus granulierten und gesinterten Cermet-Partikeln bereitgestellt. Das Pulver enthält Wolframcarbid oder Chromcarbid und eine siliciumhaltige Legierung auf Eisenbasis.
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Der Gehalt der Legierung im thermischen Spritzpulver beträgt vorzugsweise 5 bis 40 Massen-%. In diesem Fall enthält die Legierung Silicium in einem Gehalt von 0,1 bis 10 Massen-%.
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Die Legierung kann ferner 0,5 bis 20 Massen-% Chrom enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Legierung darüber hinaus 5 bis 20 Massen-% Nickel enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Legierung darüber hinaus Aluminium, Molybdän oder Mangan enthalten.
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Vorzugsweise macht das Wolframcarbid oder Chromcarbid den Restanteil des thermischen Spritzpulvers exklusive der Legierung aus.
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Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein thermisches Spritzpulver bereitgestellt, das eine thermische Spritzbeschichtung mit einer Leistungsfähigkeit ausbilden kann, die gleich derjenigen oder höher als diejenige der thermischen Spritzbeschichtung ist, die aus dem Kobalt enthaltenden Cermet-Pulver hergestellt ist, und dabei ein Metall enthält, das ein Ersatz für Kobalt und stabil von einem niedrigeren Preis, von höherer Produktion ist und somit im Vergleich zu Kobalt stabil geliefert werden kann.
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ARTEN UND WEISEN ZUR UMSETZUNG DER ERFINDUNG
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Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Ein thermisches Spritzpulver gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst granulierte und gesinterte Partikel aus Cermet (im Nachstehenden als „granulierte und gesinterte Cermet-Partikel” bezeichnet). Die granulierten und gesinterten Cermet-Partikel werden hergestellt, indem ein Gemisch aus Keramikpartikeln und Metallpartikeln granuliert und das erhaltene granuliere Produkt (Granulat) gesintert wird. Deshalb handelt es sich bei den jeweiligen granulierten und gesinterten Cermet-Partikeln um Verbundpartikel, die durch Agglomerieren der Keramik- und Metallpartikel erhalten werden.
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Die Keramikpartikel umfassen Wolframcarbid und/oder Chromcarbid und umfassen vorzugsweise Wolframcarbid. Das heißt, das thermische Spritzpulver umfasst als Keramikbestandteil Wolframcarbid und/oder Chromcarbid und umfasst vorzugsweise Wolframcarbid.
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Die Metallpartikel umfassen eine siliciumhaltige Legierung auf Eisenbasis. Das heißt, das thermische Spritzpulver enthält als Metallbestandteil eine siliciumhaltige Legierung auf Eisenbasis. Die siliciumhaltige Legierung auf Eisenbasis kann ein anderes Metall als Silicium enthalten, wie etwa Chrom, Nickel, Aluminium, Molybdän und Mangan.
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Der Gehalt des Metallbestandteils im thermischen Spritzpulver beträgt vorzugsweise 5 Massen-% oder mehr, bevorzugter 10 Massen-% oder mehr, und noch bevorzugter 12 Massen-% oder mehr. Mit anderen Worten beträgt der Gehalt des Keramikbestandteils im thermischen Spritzpulver vorzugsweise 95 Massen-% oder weniger, bevorzugter 90 Massen-% oder weniger, und noch bevorzugter 88 Massen-% oder weniger. Wenn der Gehalt des Metallbestandteils im thermischen Spritzpulver höher wird, nimmt die Sprödigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung tendenziell ab. Die thermische Spritzbeschichtung mit einer geringeren Sprödigkeit hat im Allgemeinen eine höhere Abriebfestigkeit. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Metallbestandteils im thermischen Spritzpulver 5 Massen-% oder mehr, und im Spezielleren 10 Massen-% oder mehr oder 12 Massen-% oder mehr beträgt (mit anderen Worten, wenn der Gehalt des Keramikbestandteils im thermischen Spritzpulver 95 Massen-% oder weniger, und im Spezielleren 90 Massen-% oder weniger oder 88 Massen-% oder weniger beträgt), wird die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Andererseits beträgt der Gehalt des Metallbestandteils im thermischen Spritzpulver vorzugsweise 40 Massen-% oder weniger, und bevorzugter 30 Massen-% oder weniger. Mit anderen Worten beträgt der Gehalt des Keramikbestandteils im thermischen Spritzpulver vorzugsweise 60 Massen-% oder mehr, und bevorzugter 70 Massen-% oder mehr. Wenn der Gehalt des Metallbestandteils im thermischen Spritzpulver abnimmt, nimmt die Härte der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung tendenziell zu. Die thermische Spritzbeschichtung mit einer gesteigerten Härte hat im Allgemeinen eine höhere Abriebfestigkeit. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Metallbestandteils im thermischen Spritzpulver 40 Massen-% oder weniger und im Spezielleren 30 Massen-% oder weniger beträgt (mit anderen Worten, wenn der Gehalt des Keramikbestandteil im thermischen Spritzpulver 60 Massen-% oder mehr und im Spezielleren 70 Massen-% oder mehr beträgt), wird die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Der Gehalt des Siliciums in der Legierung auf Eisenbasis, die im thermischen Spritzpulver als Metallbestandteil enthalten ist, beträgt vorzugsweise 0,1 Massen-% oder mehr, und bevorzugter 1 Massen-% oder mehr. Wenn der Gehalt des Siliciums in der Legierung auf Eisenbasis zunimmt, sinkt der Schmelzpunkt der Legierung auf Eisenbasis, und zusätzlich verbessern sich die Gleitfähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Siliciums in der Legierung auf Eisenbasis 0,1 Massen-% oder mehr und im Spezielleren 1 Massen-% oder mehr beträgt, werden die Gleitfähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Andererseits beträgt der Gehalt des Siliciums in der Legierung auf Eisenbasis vorzugsweise 10 Massen-% oder weniger, und bevorzugter 7 Massen-% oder weniger. Wenn der Gehalt des Siliciums in der Legierung auf Eisenbasis abnimmt, nimmt die Zähigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver hergestellten thermischen Spritzbeschichtung zu und im Ergebnis verbessert sich die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Siliciums in der Legierung auf Eisenbasis 10 Massen-% oder weniger und im Spezielleren 7 Massen-% oder weniger beträgt, wird die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Wenn die Legierung auf Eisenbasis Chrom enthält, beträgt der Gehalt des Chroms in der Legierung auf Eisenbasis vorzugsweise 0,5 Massen-% oder mehr, bevorzugter 1 Massen-% oder mehr, und noch bevorzugter 5 Massen-% oder mehr. Wenn der Gehalt des Chroms in der Legierung auf Eisenbasis zunimmt, verbessert sich die Korrosionsbeständigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Chroms in der Legierung auf Eisenbasis 0,5 Massen-% oder mehr und im Spezielleren 1 Massen-% oder mehr oder 5 Massen-% oder mehr beträgt, wird die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Andererseits beträgt der Gehalt des Chroms in der Legierung auf Eisenbasis vorzugsweise 20 Massen-% oder weniger, und bevorzugter 18 Massen-% oder weniger. Wenn der Gehalt des Chroms in der Legierung auf Eisenbasis abnimmt, nimmt die Zähigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung zu, und im Ergebnis verbessert sich die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Chroms in der Legierung auf Eisenbasis 20 Massen-% oder weniger und im Spezielleren 18 Massen-% oder weniger beträgt, wird die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Wenn die Legierung auf Eisenbasis Nickel enthält, beträgt der Gehalt des Nickels in der Legierung auf Eisenbasis vorzugsweise 5 Massen-% oder mehr. Wenn der Gehalt des Nickels in der Legierung auf Eisenbasis zunimmt, verbessert sich die Korrosionsbeständigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Nickels in der Legierung auf Eisenbasis 5 Massen-% oder mehr beträgt, wird die Korrosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Andererseits beträgt der Gehalt des Nickels in der Legierung auf Eisenbasis vorzugsweise 20 Massen-% oder weniger, und bevorzugter 18 Massen-% oder weniger. Wenn der Gehalt des Nickels in der Legierung auf Eisenbasis abnimmt, nimmt die Zähigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung zu, und im Ergebnis verbessert sich die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Nickels in der Legierung auf Eisenbasis 20 Massen-% oder weniger und im Spezielleren 18 Massen-% oder weniger beträgt, wird die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Wenn die Legierung auf Eisenbasis Aluminium enthält, beträgt der Gehalt des Aluminiums in der Legierung auf Eisenbasis vorzugsweise 0,4 Massen oder mehr, und bevorzugter 1 Massen-% oder mehr. Wenn der Gehalt des Aluminiums in der Legierung auf Eisenbasis zunimmt, verbessert sich die Korrosionsbeständigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Aluminiums in der Legierung auf Eisenbasis 0,4 Massen-% oder mehr und im Spezielleren 1 Massen oder mehr beträgt, wird die Korrosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Andererseits beträgt der Gehalt des Aluminiums in der Legierung auf Eisenbasis vorzugsweise 5 Massen oder weniger, und bevorzugter 3 Massen oder weniger. Wenn der Gehalt des Aluminiums in der Legierung auf Eisenbasis abnimmt, nimmt die Zähigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung zu, und im Ergebnis verbessert sich die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Aluminiums in der Legierung auf Eisenbasis 5 Massen-% oder weniger und im Spezielleren 3 Massen oder weniger beträgt, wird die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Wenn die Legierung auf Eisenbasis Molybdän enthält, beträgt der Gehalt des Molybdäns in der Legierung auf Eisenbasis vorzugsweise 0,4 Massen-% oder mehr, und bevorzugter 1 Massen-% oder mehr. Wenn der Gehalt des Molybdäns in der Legierung auf Eisenbasis zunimmt, verbessert sich die Korrosionsbeständigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Molybdäns in der Legierung auf Eisenbasis 0,4 Massen-% oder mehr und im Spezielleren 1 Massen-% oder mehr beträgt, wird die Korrosionsbeständigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Andererseits beträgt der Gehalt des Molybdäns in der Legierung auf Eisenbasis vorzugsweise 5 Massen-% oder weniger, und bevorzugter 3 Massen-% oder weniger. Wenn der Gehalt des Molybdäns in der Legierung auf Eisenbasis abnimmt, nimmt die Zähigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung zu, und im Ergebnis verbessert sich die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht der Gehalt des Molybdäns in der Legierung auf Eisenbasis 5 Massen-% oder weniger und im Spezielleren 3 Massen-% oder weniger beträgt, wird die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Wenn die Legierung auf Eisenbasis Mangan enthält, liegt der Gehalt des Mangans in der Legierung auf Eisenbasis vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 5 Massen-%, und bevorzugter im Bereich von 1 bis 3 Massen-%. Wenn der Gehalt des Mangans in der Legierung auf Eisenbasis im vorstehenden Bereich liegt, wird die Korrosionsbeständigkeit der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Die Untergrenze für den mittleren Partikeldurchmesser (mittlere Partikelgröße im Volumen) der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel beträgt vorzugsweise 5 μm, bevorzugter 8 μm, und noch bevorzugter 15 μm. Wenn der mittlere Partikeldurchmesser der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel zunimmt, ist die im thermischen Spritzpulver enthaltene Menge an freien Feinpartikeln kleiner, die während des thermischen Spritzens überschmolzen werden können, und im Ergebnis ist es weniger wahrscheinlich, dass Spratzen auftritt. Spratzen bedeutet ein Phänomen, bei dem eine Ablagerung, die sich durch Anhaften und Abscheidung eines überschmolzenen thermischen Spritzpulvers an einer Innenwand einer Düse einer thermischen Spritzvorrichtung gebildet hat, während des thermischen Spritzens des thermischen Spritzpulvers von der Innenwand abfällt und sich in die thermische Spritzbeschichtung mischt. Das Phänomen senkt die Leistungsfähigkeit der thermischen Spritzbeschichtung. Wenn in dieser Hinsicht der mittlere Partikeldurchmesser der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel 5 μm oder mehr, und im Spezielleren 8 μm oder mehr oder 15 μm oder mehr beträgt, wird das Auftreten von Spratzen während des thermischen Spritzens des thermischen Spritzpulvers mühelos auf ein Niveau gedrückt, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Die Obergrenze für den mittleren Partikeldurchmesser der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel beträgt vorzugsweise 50 μm, bevorzugter 40 μm, und noch bevorzugter 30 μm. Wenn der mittlere Partikeldurchmesser der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel abnimmt, nimmt die Dichte der aus dem thermischen Spritzpulver ausgebildeten thermischen Spritzbeschichtung zu, und im Ergebnis verbessern sich die Härte und die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht der mittlere Partikeldurchmesser der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel 50 μm oder weniger und im Spezielleren 40 μm oder weniger oder 30 μm oder weniger beträgt, wird die Abriebfestigkeit der thermischen Spritzbeschichtung mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Die Untergrenze für die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel beträgt vorzugsweise 100 MPa, bevorzugter 150 MPa, und noch bevorzugter 200 MPa. Es ist weniger wahrscheinlich, dass sich granulierte und gesinterte Cermet-Partikel mit einer höheren Druckfestigkeit zersetzen. Deshalb ist bei einem thermischen Spritzpulver, das die granulierten und gesinterten Cermet-Partikel mit einer höheren Druckfestigkeit enthält, die Entstehung von freien Feinpartikeln, die während des thermischen Spritzens durch Zersetzung der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel vor dem thermischen Spritzen überschmolzen werden können, unterbunden, und im Ergebnis ist es weniger wahrscheinlich, dass Spratzen auftritt. Wenn in dieser Hinsicht die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel 100 MPa oder mehr, und im Spezielleren 150 MPa oder mehr oder 200 MPa oder mehr beträgt, wird das Auftreten von Spratzen während des thermischen Spritzens des thermischen Spritzpulvers mühelos auf eine Niveau gedrückt, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Die Obergrenze für die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel beträgt vorzugsweise 800 MPa, und bevorzugter 700 MPa. Granulierte und gesinterte Cermet-Partikel mit einer niedrigeren Druckfestigkeit erfahren während des thermischen Spritzens eine Erwärmung durch eine Wärmequelle und werden leicht erweicht oder geschmolzen. Deshalb verbessert sich bei einem thermischen Spritzpulver, das die granulierten und gesinterten Cermet-Partikel mit einer niedrigeren Druckfestigkeit enthält, die Adhäsionswirkung tendenziell. Wenn in dieser Hinsicht die Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel 800 MPa oder weniger, und im Spezielleren 700 MPa oder weniger beträgt, wird die Adhäsionswirkung des thermischen Sprtzpulvers mühelos auf ein Niveau verbessert, das in der Praxis besonders geeignet ist.
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Ein thermisches Spritzpulver gemäß der vorliegenden Erfindung, d. h. granulierte und gesinterte Cermet-Partikel, kann bzw. können zum Beispiel wie folgt hergestellt werden: zuerst werden Keramikpartikel, die zumindest Wolframcarbid, Chromcarbid und eine siliciumhaltige Legierung auf Eisenbasis enthaltende Metallpartikel enthalten, in ein Dispersionsmittel gemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Der Aufschlämmung kann ein geeignetes Bindemittel zugesetzt werden. Dann wird die Aufschlämmung in einem Trommelgranulator, einem Sprühgranulator oder einem Kompressionsgranulator zu einem granulierten Pulver verarbeitet. Das so erhaltene granulierte Pulver wird gesintert und falls nötig weiter zu kleineren Partikeln zerstoßen und gesichtet, um granulierte und gesinterte Cermet-Partikel hervorzubringen. Es ist anzumerken, dass das granulierte Pulver entweder im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre entweder mittels eines Elektroofens oder eines Gasofens gesintert werden kann.
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Ein thermisches Spritzpulver gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird hauptsächlich in einer Anwendung zum Ausbilden einer thermischen Cermet-Spritzbeschichtung durch thermisches Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wie etwa thermisches Hochgeschwindigkeitsluftbrennstoffspritzen (HVAF-Spritzen) oder thermisches Hochgeschwindigkeitssauerstoffbrennstoffspritzen (HVOF-Spritzen) verwendet. Insbesondere im Fall von HVOF lässt sich im Vergleich zu einem anderen Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren als HVOF ohne Weiteres eine thermische Spritzbeschichtung von ausgezeichneter Härte und Abriebfestigkeit aus einem thermischen Spritzpulver mit hoher Adhäsionswirkung ausbilden. Dementsprechend ist HVOF ein vorzuziehendes thermisches Spritzverfahren.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die folgenden Vorteile erzielt.
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In einem thermischen Spritzpulver gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine siliciumhaltige Legierung auf Eisenbasis ein Ersatz für Kobalt. Entsprechend dem „Element strategy outlook: Material and fully alternative strategy", veröffentlicht durch das National Institute for Materials Science, beträgt das reiche Vorhandensein von Eisen in der Erdkruste ca. das 2.000-fache von Kobalt, und dasjenige von Silicium ca. das 22.000-fache von Kobalt; die jährliche Eisenproduktion beträgt ca. das 25.000-fache von Kobalt und diejenige von Silicium ca. das 100-fache von Kobalt; und der durchschnittliche Preis von Eisen und Silicium betragen jeweils ca. das 0,03-fache von Kobalt. Dies legt nahe, dass ein thermisches Spritzpulver gemäß der vorliegenden Ausführungsform stabil zu einem niedrigen Preis geliefert werden kann, da es eine siliciumhaltige Legierung auf Eisenbasis als Ersatz für Kobalt enthält.
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Zusätzlich ist Silicium, das in einem thermischen Spritzpulver gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthalten ist, in einer thermischen Spritzbeschichtung fein kristallisiert, um die Gleitfähigkeit der thermischen Spritzbeschichtung zu verbessern.
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Die vorliegende Ausführungsform kann wie folgt abgewandelt werden.
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Außer Wolframcarbid oder Chromcarbid und einer siliciumhaltigen Legierung auf Eisenbasis können die granulierten und gesinterten Cermet-Partikel im thermischen Spritzpulver einen Bestandteil wie etwa unvermeidbare Fremdstoffe oder Zusatzstoffe enthalten.
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Das thermische Spritzpulver kann einen anderen Bestandteil als die granulierten und gesinterten Cermet-Partikel enthalten, vorausgesetzt, der Gehalt des anderen Bestandteils als den granulierten und gesinterten Cermet-Partikeln ist vorzugsweise so gering wie möglich.
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Das thermische Spritzpulver kann in einer Anwendung zur Ausbildung einer thermischen Spritzbeschichtung in einem anderen thermischen Spritzverfahren als dem thermischen Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren eingesetzt werden, wie etwa einem thermischen Spritzprozess bei einer relativ niedrigen Temperatur, zum Beispiel Kaltspritz- oder Warmspritzprozessen, oder einem thermischen Spritzprozess bei einer relativ hohen Temperatur, zum Beispiel einem thermischen Plasmaspritzprozess.
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Kaltspritzen ist ein technisches Verfahren zum Ausbilden einer Beschichtung, indem ein Arbeitsgas, das auf eine Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt oder der Erweichungstemperatur eines thermischen Spritzpulvers liegt, erwärmt wurde, auf eine Ultraschallgeschwindigkeit beschleunigt wird und man das thermische Spritzpulver in einer festen Phase mit einem Substrat bei einer Geschwindigkeit mit dem beschleunigten Arbeitsgas kollidieren lässt. Da im Falle eines thermischen Spritzprozesses bei einer relativ hohen Temperatur ein thermisches Spritzpulver, das auf eine Temperatur erwärmt ist, die gleich oder höher als sein Schmelzpunkt oder seine Erweichungstemperatur ist, zu einem Substrat hin geblasen wird, kann das Substrat in Abhängigkeit von seinem Material und seiner Form eine thermische Veränderung oder Verformung erfahren. Deshalb kann nicht auf allen Substraten aus jedem Material und in jeder Form eine Beschichtung ausgebildet werden, und somit ist ein Nachteil des thermischen Spritzprozesses, dass es das Material und die Form des Substrats einschränkt. Zusätzlich muss das thermische Spritzpulver auf eine Temperatur erwärmt werden, die gleich oder höher als sein Schmelzpunkt oder seine Erweichungstemperatur ist, was zu großen Vorrichtungen und eingeschränkten Bedingungen wie etwa Aufbauorten führt. Da Kaltspritzen hingegen thermisches Spritzen bei einer relativ niedrigen Temperatur möglich macht, ist es unwahrscheinlich, dass ein Substrat thermische Veränderung oder Verformung erfährt, und somit ist ein Vorteil des Kaltspritzens, dass einige Vorrichtungen kleiner ausgelegt werden können als beim thermischen Spritzprozess bei einer relativ hohen Temperatur. Darüber hinaus ist das zu verwendende Arbeitsgas kein Verbrennungsgas, und somit sind weitere Vorteile eine ausgezeichnete Sicherheit und hohe Bedienerfreundlichkeit für einen Aufbau vor Ort.
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Im Allgemeinen wird Kaltspritzen je nach Arbeitsgasdruck in eine Hochdruckart und eine Niederdruckart eingeteilt. Das heißt, wenn die Obergrenze für den Arbeitsgasdruck 1 MPa beträgt, wird Kaltspritzen als Niederdruckkaltspritzen bezeichnet, und wenn die Obergrenze für den Arbeitsgasdruck 5 MPa beträgt, wird es als Hochdruckkaltspritzen bezeichnet. Im Falle des Hochdruckkaltspritzens wird hauptsächlich ein Inertgas wie etwa ein Heliumgas, ein Stickstoffgas oder ein Gemisch aus diesen als Arbeitsgas verwendet. Im Falle des Niederdruckkaltspritzens wird dieselbe Art Gas wie beim Hochdruckkaltspritzen oder ein Druckgas als Arbeitsgas verwendet.
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Wenn ein thermisches Spritzpulver gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einer Anwendung zum Ausbilden einer thermischen Spritzbeschichtung mit dem Hochdruckkaltspritzen verwendet wird, wird das Arbeitsgas dem Kaltspritznebel mit einem Druck von vorzugsweise 0,5 bis 5 MPa, bevorzugter 0,7 bis 5 MPa, noch bevorzugter 1 bis 5 MPa und am bevorzugtesten 1 bis 4 MPa zugeführt und auf vorzugsweise 100 bis 1.000°C, bevorzugter 300 bis 1.000°C, noch bevorzugter 500 bis 1.000°C und am bevorzugtesten 500 bis 800°C erhitzt. Das thermische Spritzpulver wird dem Arbeitsgas aus einer zum Arbeitsgas koaxialen Richtung mit einer Zuführgeschwindigkeit von vorzugsweise 1 bis 200 g/min und noch bevorzugter 10 bis 100 g/min zugeführt. Während des Spritzvorgangs beträgt der Abstand von einer Spitze einer Düse für den Kaltspritznebel zum Substrat vorzugsweise 5 bis 100 mm, und bevorzugter 10 bis 50 mm, und die Vorschubgeschwindigkeit der Düse für den Kaltspritznebel beträgt vorzugsweise 10 bis 300 mm/sec, und bevorzugter 10 bis 150 mm/sec. Die Dicke einer auszubildenden thermischen Spritzbeschichtung beträgt vorzugsweise 50 bis 1.000 μm, und bevorzugter 100 bis 500 μm.
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Wird hingegen ein thermisches Spritzpulver gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einer Anwendung zum Ausbilden einer thermischen Spritzbeschichtung mit dem Niederdruckkaltspritzen verwendet, wird das Arbeitsgas dem Kaltspritznebel mit einem Druck von vorzugsweise 0,3 bis 1 MPa, bevorzugter 0,5 bis 1 MPa, und am bevorzugtesten 0,7 bis 1 MPa zugeführt und auf vorzugsweise 100 bis 600°C, bevorzugter 250 bis 600°C, und am bevorzugtesten 400 bis 600°C erhitzt. Das thermische Spritzpulver wird dem Arbeitsgas aus einer zum Arbeitsgas koaxialen Richtung mit einer Zuführgeschwindigkeit von vorzugsweise 1 bis 200 g/min und noch bevorzugter 10 bis 100 g/min zugeführt. Während des Spritzvorgangs beträgt der Abstand von einer Spitze einer Düse für den Kaltspritznebel zum Substrat vorzugsweise 5 bis 100 mm, und bevorzugter 10 bis 40 mm, und die Vorschubgeschwindigkeit der Düse für den Kaltspritznebel beträgt vorzugsweise 5 bis 300 mm/sec, und bevorzugter 5 bis 150 mm/sec. Die Dicke einer auszubildenden thermischen Spritzbeschichtung beträgt vorzugsweise 50 bis 1.000 μm, und bevorzugter 100 bis 500 μm, und am bevorzugtesten 100 bis 300 μm.
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Als Nächstes wird die vorliegende Erfindung im Spezielleren mit Bezug auf Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben.
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(Beispiele 1 bis 14 und Vergleichsbeispiele 1 und 2)
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Es wurden thermische Spritzpulver gemäß den Beispielen 1 bis 14 und Vergleichbeispielen 1 und 2 angesetzt, wovon jedes aus granulierten und gesinterten Cermet-Partikeln bestand. Die thermischen Spritzpulver wurden jeweils unter einer von in Tabelle 1 gezeigten ersten bis dritten Bedingungen thermisch gespritzt, um eine thermische Spritzbeschichtung mit einer Dicke von 200 μm auszubilden. Tabelle 1
Erste Bedingungen
Thermische Spritzvorrichtung: HVOF thermische Spritzvorrichtung „JP-5000”
... hergestellt von Praxair/TAFA Inc.
...Durchsatz von Sauerstoff: 1.980 scfh (ca. 893 l/Minute)
...Durchsatz von Kerosin: 5,1 gph (ca. 0,32 l/Minute)
thermischer Spritzabstand: 388 mm
... Spritzgehäuselänge der thermischen Spritzvorrichtung: 8 Zoll (ca. 203,2 mm) |
Zweite Bedingungen
Thermische Spritzvorrichtung: HVOF thermische Spritzvorrichtung „JP-5000”
...hergestellt von Praxair/TAFA Inc.
...Durchsatz von Sauerstoff: 2.100 scfh (ca. 989 l/Minute)
...Durchsatz von Kerosin: 6,5 gph (ca. 0,41 l/Minute)
thermischer Spritzabstand: 380 mm
...Spritzgehäuselänge der thermischen Spritzvorrichtung: 8 Zoll (ca. 203,2 mm) |
Dritte Bedingungen
Thermische Spritzvorrichtung: HVOF thermische Spritzvorrichtung „JP-5000”
...hergestellt von Praxair/TAFA Inc.
...Durchsatz von Sauerstoff: 2.300 scfh (ca. 1.084 l/Minute)
...Durchsatz von Kerosin: 4,0 gph (ca. 0,25 l/Minute)
thermischer Spritzabstand: 380 mm
...Spritzgehäuselänge der thermischen Spritzvorrichtung: 8 Zoll (ca. 203,2 mm) |
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Die thermischen Spritzpulver gemäß den Beispielen 1 bis 14 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 sowie die thermischen Spritzbeschichtungen, die aus den thermischen Spritzpulvern ausgebildet wurden, sind im Einzelnen in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
*A – ausgezeichnet, G – gut, M – mittelmäßig, S – schlecht
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(Beispiele 15 bis 22 und Vergleichsbeispiel 3 bis 7)
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Es wurden thermische Spritzpulver gemäß den Beispielen 15 bis 22 und Vergleichbeispielen 3 bis 7 angesetzt, wovon jedes aus granulierten und gesinterten Cermet-Partikeln bestand. Die thermischen Spritzpulver wurden jeweils unter einer von in Tabelle 3 gezeigten vierten oder fünften Bedingungen thermisch gespritzt, um eine thermische Spritzbeschichtung auszubilden. Tabelle 3
Vierte Bedingungen
Thermische Spritzvorrichtung: thermische Spritzvorrichtung zum Kaltspritzen „PCS-203”, hergestellt von Plasma Giken Co., Ltd.
...Arbeitsgas: Helium
...Arbeitsgasdruck: 3,0 MPa
...Arbeitsgastemperatur: 680°C
thermischer Spritzabstand: 15 mm
...Vorschubgeschwindigkeit: 20 mm/Sek.
...Anzahl Durchläufe: 1 Durchlauf
Durchsatz des thermischen Spritzpulvers: 50 g/Minute
Substrat SS400 |
Fünfte Bedingungen
Thermische Spritzvorrichtung: thermische Spritzvorrichtung zum Kaltspritzen „Dymet”, hergestellt von OCPS (Russland)
...Arbeitsgas: Luft
...Arbeitsgasdruck: 0,7 MPa
...Temperatur Arbeitsgasheizvorrichtung: 600°C
thermischer Spritzabstand: 20 mm
...Vorschubgeschwindigkeit: 5 mm/Sek.
...Anzahl Durchläufe: 1 Durchlauf
Durchsatz des thermischen Spritzpulvers: 15 g/Minute
Substrat SS400 |
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Die thermischen Spritzpulver gemäß den Beispielen 15 bis 22 und Vergleichsbeispielen 3 bis 7 sowie die thermischen Spritzbeschichtungen, die aus den thermischen Spritzpulvern ausgebildet wurden, sind im Einzelnen in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4
Tabelle 5
| Legierung 1 | Legierung 2 | Legierung 3 | Legierung 4 | Legierung 5 | Legierung 6 |
Eisen | Restanteil | Restanteil | Restanteil | Restanteil | Restanteil | Restanteil |
Silicium | 0,82 Massen-% | 0,26 Massen-% | 6,73 Massen-% | - | 4,01 Massen-% | 3,03 Massen-% |
Chrom | 16,51 Massen-% | 1,06 Massen-% | 2,41 Massen-% | 0,43 Massen-% | 3,10 Massen-% | - |
Mangan | 0,19 Massen-% | 0,85 Massen-% | 0,11 Massen-% | - | - | - |
Nickel | 12,38 Massen-% | - | - | - | - | 4,0 Massen-% |
Molybdän | 2,1 Massen-% | 0,20 Massen-% | - | - | - | - |
unvermeidliche Fremdstoffe | 0,152 Massen-% | 0,465 Massen-% | 3,244 Massen-% | 0,132 Massen-% | 0,147 Massen-% | 0,145 Massen-% |
Erscheinungstemperatur Flüssigphase (Schmelzpunkt) | 1.200°C | 1.260°C | 1.030°C | 1.270°C | 1.110°C | 1.150°C |
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Die Spalten mit der Überschrift „Art Keramikbestandteil” in Tabelle 2 und 4 zeigen die Art eines Keramikbestandteils in jedem thermischen Spritzpulver. In den Spalten stellt „WC” Wolframcarbid dar, und „-” gibt an, dass kein Keramikbestandteil enthalten war.
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Die Spalten mit der Überschrift „Art Metallbestandteil” in Tabelle 2 und Tabelle 4 zeigen die Art eines Metallbestandteils in jedem thermischen Spritzpulver. Die Zusammensetzungen der Legierungen, die durch „Legierung 1”, „Legierung 2”, „Legierung 3”, „Legierung 4”, „Legierung 5” und Legierung 6” dargestellt sind, sind in Tabelle 5 gezeigt. Der Schmelzpunkt, genauer ausgedrückt, die Erscheinungstemperatur der Flüssigphase der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel, die 12 Massen-% jeder Legierung enthielten, und deren Restanteil Wolframcarbid war, ist auch in Tabelle 5 gezeigt. Die Erscheinungstemperatur der Flüssigphase der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel wurde ab einer ersten endothermen Spitze berechnet, die mit einer von Rigaku Corporation hergestellten Wärmeanalysevorrichtung „TG-DTA Thermo plus EVO” gemessen wurde. Die Erscheinungstemperatur der Flüssigphase der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel, die 12 Massen-% Kobalt enthielten, und deren Restanteil Wolframcarbid war, betrug 1.270°C. Der Schmelzpunkt des Kobalts, das in den Vergleichsbeispielen 1, 3 und 6 verwendet wurde, betrug 1.490°C, und der Schmelzpunkt des Nickels, der im Vergleichsbeispiel 7 verwendet wurde, betrug 1.455°C.
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Die Spalten mit der Überschrift „Gehalt Metallbestandteil” in Tabelle 2 und Tabelle 4 zeigen den Gehalt eines Metallbestandteils in jedem thermischen Spritzpulver. Es ist anzumerken, dass der Keramikbestandteil den Restanteil jedes thermischern Spritzpulvers exklusive des Metallbestandteils ausmacht.
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Die Spalten mit der Überschrift „Mittlerer Partikeldurchmesser D50” in Tabelle 2 und Tabelle 4 zeigen die Ergebnisse, die erhalten wurden, indem der mittlere Partikeldurchmesser (mittlere Partikelgröße im Volumen) jedes thermischen Spritzpulvers mit einem Laserbeugung/-streuung nutzenden Partikelgrößenmessinstrument „LA-300” (hergestellt von HORIBA, Ltd.) gemessen wurde.
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Die Spalten mit der Überschrift „Druckfestigkeit” in Tabelle 2 und Tabelle 4 zeigen die Messergebnisse der Druckfestigkeit der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel, die in jedem thermischen Spritzpulver enthalten waren. Konkret ist die Druckfestigkeit σ [MPa] der granulierten und gesinterten Cermet-Partikel gezeigt, die entsprechend der Formel: σ = 2,8 × L/π/d2 berechnet wurde. In der Formel stellt „L” die kritische Belastung [N] dar, und „d” stellt den mittleren Partikeldurchmesser [mm] des thermischen Spritzpulvers dar. Bei der kritischen Belastung handelt es sich um die Größe einer Druckbelastung, die an den granulierten und gesinterten Cermet-Partikeln zum Zeitpunkt eines schnellen Anstiegs der Verschiebung eines Eindruckkörpers anliegt, wenn die granulierten und gesinterten Cermet-Partikel durch den Eindruckkörper mit einer konstant zunehmenden Druckbelastung beaufschlagt werden. Die kritische Belastung wurde unter Verwendung eines von Shimadzu Corporation hergestellten Mikrokompressionstestgeräts „MCTE-500” gemessen.
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Die Spalten mit der Überschrift „Thermische Spritzbedingungen” in Tabelle 2 und Tabelle 4 zeigen die thermischen Spritzbedingungen, die bei der Ausbildung einer thermischen Spritzbeschichtung aus jedem der thermischen Spritzpulver (siehe Tabelle 1 und Tabelle 3) eingesetzt wurden.
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Die Spalte mit der Überschrift „Adhäsionswirkung” in Tabelle 2 zeigt den in Prozent ausgedrückten Wert, der sich ergibt, wenn das Gewicht einer aus jedem thermischen Spritzpulver hergestellten thermischen Spritzbeschichtung durch das Gewicht des verwendeten thermischen Spritzpulvers geteilt wird.
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Die Spalte mit der Überschrift „Dicke” in Tabelle 4 zeigt die Dicke einer aus jedem thermischen Spritzpulver hergestellten thermischen Spritzbeschichtung. In der Spalte gibt „-” an, dass keine Beschichtung ausgebildet werden konnte.
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Die Spalten mit der Überschrift „Härte” in Tabelle 2 und Tabelle 4 zeigen die Ergebnisse, die erhalten wurden, indem die Vickers-Härte (Hv 0,2) einer aus jedem thermischen Spritzpulver hergestellten thermischen Spritzbeschichtung mit einem von Shimadzu Corporation hergestellten Mikrohärtemessinstrument „HMV-1” gemessen wurde. In der Spalte gibt „-” an, dass keine Beschichtung ausgebildet werden konnte.
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Die Spalte mit der Überschrift „Abriebfestigkeit” in Tabelle 2 zeigt den Wert, der erhalten wurde, indem das Abriebvolumen einer aus jedem thermischen Spritzpulver hergestellten thermischen Spritzbeschichtung, das durch einen Abriebradverschleißtest entsprechend den japanischen Industrienormen (JIS) H8682-1 (entspricht ISO 8251) unter Verwendung eines Suga-Abrasionstestgeräts ermittelt wurde, durch das Abriebvolumen eines Kohlenstoffstahls SS400 geteilt wurde, das mit demselben Abriebradverschleißtest ermittelt wurde.
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Die Spalte mit der Überschrift „Oberflächenrauigkeit” in Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse, die erhalten wurden, indem die Oberflächenrauigkeit einer aus jedem thermischen Spritzpulver hergestellten thermischen Spritzbeschichtung mit einem schneidstichelartigen Oberflächenrauigkeitstestgerät gemessen wurde.
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Die Spalte mit der Überschrift „Spratzen” in Tabelle 2 zeigt, ob Spratzen auftrat oder nicht, als jedes thermische Spritzpulver 5 Minuten lang thermisch dauergespritzt wurde.
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Die Spalte mit der Überschrift „Korrosionsbeständigkeit” in Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse, die erhalten wurden, indem die Korrosionsbeständigkeit einer aus jedem thermischen Spritzpulver hergestellten thermischen Spritzbeschichtung gegen eine 0,5 Mol-% wässrige Schwefelsäurelösung gemäß einem Potentialablenkungstest ausgewertet wurde. In der Spalte gibt „A” (ausgezeichnet) an, dass das Korrosionspotential –0,300 bis –0,310 V betrug, „G” (gut) gibt an, dass das Korrosionspotential –0,311 bis –0,320 V betrug, „M” (mittelmäßig) gibt an, dass das Korrosionspotential –0,321 bis –0,330 V betrug, und „S” (schlecht) gibt an, dass das Korrosionspotential –0,331 bis –0,340 V betrug.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Element strategy outlook: Material and fully alternative strategy”, veröffentlicht durch das National Institute for Materials Science [0033]
- (JIS) H8682-1 [0057]
- ISO 8251 [0057]