DE1253462B

DE1253462B - Kupfer-Nickel-Legierung fuer verschleissfeste UEberzugsschichten

Info

Publication number: DE1253462B
Application number: DEE27547A
Authority: DE
Inventors: John P Broderick; Daniel P Tanzman; Frederick T Wishnie
Original assignee: Eutectic Welding Alloys Corp
Current assignee: Eutectic Corp
Priority date: 1963-08-05
Filing date: 1964-08-04
Publication date: 1967-11-02
Also published as: GB1014338A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22c

Deutsche Kl.: 40 b - 9/06

Nummer: 1253 462

Aktenzeichen: E 27547 VI a/40 b

Anmeldetag: 4. August 1964

Auslegetag: 2. November 1967

Die vorliegende Erfindung betrifft Kupfer-Njckel-Legierungen zur Aufbringung verschleißfester Überzugsschichten auf Metallflächen, insbesondere durch Flammspritzen, und die als Grundmasse für einzubettende Hartstoffteilchen, besonders Carbide, geeignet sind.

Man hat bereits in großem Umfange verschiedene Kupfer-Nickel-Legierungen zum Aufbringen von Deckschichten auf verschiedene Metalle verwendet. Diese Legierungen können auch als Grundmassen für harte Teilchen, wie Woframcarbid, dienen. Nickel-Silberhaltige und andere messingartige Legierungen wurden gleichfalls für solche Überzugsschichten benutzt, jedoch verdampft das darin enthaltene Zink bei Einwirkung von Wärme. Dieses Verdampfen des Zinks, insbesondere beim Flammspritzen, ist wegen dessen giftiger Natur für das Bedienungspersonal sehr gesundheitsschädlich und vermindert außerdem den Zinkgehalt der fertigen Überzugsschicht beträchtlich. Dadurch werden die physikalischen Eigenschaften der Überzüge, nämlich Härte und Abrieb- bzw. Verschleißfestigkeit, nachteilig beeinflußt. Diese bekannten Legierungen und darin eingebetteten harten Teilchen können ferner beim Erwärmen beschädigt werden und müssen durch einen Fluß- oder Schmelzmittelzusatz geschützt werden, wenn sie der Wärme ausgesetzt werden, was notwendigerweise dann der Fall ist, wenn die Hartstoffteilchen in die Grundlegierung eingebettet werden, um einen besonders carbidhaltigen Flammspritzdraht zu erzeugen und wenn die Grundlegierung mit oder ohne Hartstoffteilchen auf eine Unterlage aufgebracht wird. Die Schmelztemperatur der erhältlichen Überzugslegierungen ist ebenfalls verhältnismäßig hoch.

Ein Ziel der Erfindung ist eine geeignete, bei dieser Wärmebehandlung keine Dämpfe abgebende Legierung, die für sich allein oder zusammen mit Hartstoffteilchen zur Herstellung von Metallüberzugsschichten verwendet werden kann.

Ein anderes Ziel ist die Herstellung einer Legierung mit verhältnismäßig niedrigem Schmelzpunkt, die mit Vorteil für das Flammspritzen verwendbar ist und die zähe und gut bearbeitbare Überzüge zu ergeben vermag.

Ein weiteres Ziel ist die Herstellung einer Legierung, die in sich genügend schmelzpunkterniedrigende Zusätze enthält und mit Grundmetallen in einem großen Bereich verträglich ist.

Nach der Erfindung enthält die benutzte Grundlegierung die folgenden Bestandteile in den in Gewichtsprozent angegebenen Mengen, wobei insbesondere in den angegebenen mittleren Bereichen besonders geeignete Legierungen dieser Art gebildet werden.

Kupfer-Nickel-Legierung für verschleißfeste Überzugsschichten

Anmelder:

Eutectic Welding Alloys Corporation.

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Chem. Dr. jur. W. Beil, A. Hoeppener, Dr. H. J. Wolff und Dr. H. Chr. Beil, Rechtsanwälte,
Frankfurt/M.-Höchst, Adelonstr. 58

Als Erfinder benannt:
John P. Broderick, New York, N. Y.; Daniel P. Tanzman, Far Rockaway, N. Y.; Frederick T. Wishnie, Seaford, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 5. August 1963 (300 077)

Bestandteil

Nickel .
Silicium

Mangan
Kupfer .

Weiter Bereich | Bevorzugter Bereich Gewichtsprozent

15 bis 40
1 bis 5
0,15 bis 2,5 0,2 bis 2
Rest

20 bis 25 3 bis 4 0,25 bis 0,5 0,5 bis 1 Rest

Ein kleiner Teil des Silicium- und Mangananteils kann durch Zinn und/oder Phosphor ersetzt werden, die das Fließvermögen verbessern. Diese Elemente können bis zu einem Fünftel des Silicium- und Mangangewichts zugegen sein. Diese Mittel zur Verbesserung des Fließvermögens können beispielsweise aus 95 Gewichtsprozent Zinn und 5 Gewichtsprozent Phosphor bestehen. Die Gegenwart von Zinn und/oder Phosphor vermindert auch die Liquidustemperatur der Legierung auf einen sehr engen Bereich zwischen 925 und 1010 ° C. Die Grundlegierung ohne diese Zusätze zur Verbesserung des Fließvermögens hat eine Liquidustemperatur von etwa 1065⁰C, die im Vergleich zu derjenigen anderer Kupferlegierungen noch verhältnismäßig niedrig ist.

709 680/340

Trotz des Bor- und möglicherweise auch Zinngehalts der erfindungsgemäßen Legierungen sind diese bemerkenswert zäh und dehnbar mit einer Härte nach Rockwell C von 22 bis 28 und einer hohen Bruchdehnung von 10 bis 15 % bei ausgezeichneter Bearbeitbarkeit. Die Abwesenheit von Zink macht diese Legierungen mit eisen- und nichteisenhaltigen Trägermetallen in einem außerordentlich weiten Bereich gut verträglich, so daß sie auf diese als Überzugsschichten nach einem beliebigen, mit Wärme arbeitenden Verfahren einschließlich des Flammspritzens aufgebracht werden können, ohne giftige Dämpfe zu entwickeln.

Ein anderer unerwarteter Vorteil der Legierungen nach der Erfindung ist ihr Eigenschmelzvermögen, das so günstig ist, daß die Legierungen ohne besondere Fluß- und Schmelzmittel wirkungsvoll aufgetragen werden können. Der genaue Grund für dieses bemerkenswerte Schmelzvermögen ist nicht bekannt, er kann jedoch teilweise in dem Silicium- und Borgehalt zu suchen sein. Für den Fachmann wäre wohl anzunehmen, daß diese Elemente eine Kupfer-Nickel-Legierung sehr brüchig machen, jedoch sind die erhaltenen Legierungen nach der Erfindung bemerkenswert geschmeidig. Dies ist ein anderer unerwarteter Vorteil, der möglicherweise ein Ergebnis der Bildung von intermetallischen Verbindungen ist.

Die erfindungsgemäßen Legierungen sind sehr geeignet als Grundlegierungen zum Aufbringen von Hartstoffteilchen auf eine Metallunterlage, um z. B. stark abriebfeste und verschleißfeste Schneidoberflächen zu erzeugen. Demgemäß sind sie zum Aufbringen von Überzügen auf Werkzeuge zum Bohren, Schleifen, Räumen und Stoßen, auf Baggerzähne und alle Arten von Bohr- und Bergbaumaschinen geeignet. Bei der Verwendung als Grundmasse ist die Legierung weich genug, um vorzugsweise derart nachzugeben, daß die Kanten darin eingebetteter Carbidteilchen in wirksamer Schneidstellung herausragen.

Feuerfeste, erfindungsgemäße Carbide, die für Werkzeuge verwendet werden können, sind z. B. Titan-, Zirkonium-, Vanadium-, Chrom-, Molybdän-, Wolfram-, Tantal- und Niobcarbid. Diese feuerfesten Carbide können für sich allein oder in Gemischen miteinander eingebettet werden. Gegossenes Wolframcarbid ist besonders wirkungsvoll, weil es außerordentlieh abrieb- und verschleißfest ist.

Die Teilchengröße der feuerfesten Carbide schwankt je nach dem gewünschten Verwendungszweck der Werkzeuge. Teilchen von etwa 8 bis 9,5 mm Durchmesser von polygoner Gestalt eignen sich für hohe Schneid- und Bohrleistungen. Carbidteilchen, die durch ein Sieb von 0,3 bis 0,6 mm Maschenweite hindurchgehen, hat man für abrieb- und verschleißfeste Uberzugsschichten mit Erfolg benutzt.

Das prozentuale Verhältnis der feuerfesten Carbidteilchen zu der Grundlegierung hängt von den jeweiligen Forderungen des Verbrauchers ab. Bereits eine so geringe Menge wie 10 Gewichtsprozent Carbidteilchen ist wirkungsvoll. Der Höchstgehalt an Carbidteilchen wird dadurch begrenzt, daß noch eine ausreichende Menge der Grundlegierung vorhanden sein muß, um die Teilchen fest zu binden. Für einige Zwecke hat sich schon die geringe Menge von nur 5 Gewichtsprozent der Grundlegierung als wirksam erwiesen. Im allgemeinen nimmt man 60 bis 75 Gewichtsprozent Carbidteilchen auf 25 bis 40 Gewichtsprozent der Grundlegierung. Ein Beispiel für eine geeignete Drahtzusammensetzung ist eine solche von 65 Gewichtsprozent Teilchen aus gegossenem Wolframcarbid und 35 Gewichtsprozent der nachfolgenden GrundJegierung nach Beispiel A.

Die erfindungsgemäße Grundlegierung entwickelt in der Wärme keine giftigen Dämpfe, da sie kein Zink enthält, und ihre physikalischen Eigenschaften sind ebenso gut oder besser als die von zinkhaltigen Legierungen, bei denen man den Zinkgehalt bisher für unerläßlich hielt. Das Schmelzverhalten der Legierung ist gleichfalls bemerkenswert im Vergleich zu dem von anderen Legierungen mit einem Gehalt von 3 bis 5 Gewichtsprozent Bor. Der Grund für dieses unerwartete Verhalten ist nicht bekannt.

Die Verwendung von Fluß- oder Schmelzmitteln ist bei der endgültigen Aufbringung der Legierung nicht notwendig, auch wenn Hartstoffteilchen in die Grundmasse zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Flammspritz-Drahtes eingebettet werden. Die Legierungen sind auch mit bereits aufgetragenen Kupfer-Nickel-Legierungen, wie auch Messing- oder anderen zinkhaltigen Legierungen gut verträglich. Dadurch ist es möglich, sie zur Ausbesserung von Überzugsschichten auf Basis anderer Grundlegierungen zu verwenden.

Nachfolgend werden zwei Beispiele von besonders geeigneten Grundlegierungen nach der Erfindung angegeben:

Beispiel A
Bestandteile Gewichtsprozent

Nickel 23,00

Silicium 3,45

Bor 0,47

Mangan 0,75

Kupfer Rest

Beispiel B
Bestandteile Gewichtsprozent

Nickel 23,00

Silicium 2,75

Bor 0,47

Mangan 0,60

Zinn 0,81

Phosphor 0,04

Kupfer Rest

Die Legierungen nach der Erfindung kann man in beliebiger Form, z. B. als Drähte oder Pulver zum Flammspritzen oder auch als Pasten, zusammen mit verschiedenen Bindemitteln, anwenden. Dise Bindemittel sind z. B. organischer Art, z. B. Polyäthylen, Mineralöle oder Acrylsäureharze. Man kann jedoch auch Silicatbinder nehmen, die beispielsweise wasserlöslich sind. Eine derartige Paste wird auf die Oberfläche eines Trägers aufgetragen und diese dann nach einem beliebigen Heizverfahren direkt oder indirekt erwärmt, wodurch eine zähe, dauerhafte, verschleißfeste Überzugsschicht entsteht.

Für Flammspritzpulver haben dieTeilchen vorteilhafterweise eine solche Größe, daß sie durch ein Sieb mit 0,15 bis 0,044 mm Maschenweite hindurchgehen. In der Pulverform kann man die Legierungen auch mit Borat und Borat-Fluorid-Flußmitteln vermischen, insbesondere zum Aufbringen auf Trägerkörper, die oberflächlich oxydiert oder sonst schwierig zu benetzen sind, z. B auf mit Chromoxyd überzogene Metallkörper.

Claims

Die Legierungen lassen sich auf alle eisenhaltigen und nichteisenhaltigen Unterlagen aufbringen, deren Schmelztemperaturen hoch genug sind, um ein Aufbringen solcher Deckschichten zu erlauben, ohne daß die Unterlage schmilzt. Die Schmelztemperatur des Aluminiums ist etwas zu niedrig, um die erfindungsgemäßen Legierungen aufzubringen, jedoch kann man sie auf Gußeisen aufbringen. Die niedrigen Schmelztemperaturen der Legierungen nach der Erfindung, die zwischen 925 und 1070° C liegen, sind besonders günstig, etwa im Vergleich zu anderen Kupfer-Nickel-Legierungen, die bei 1100° C und darüber schmelzen. Die Legierungen nach der Erfindung kann man als homogene Pulver oder als heterogene Gemische von Pulvern aus verschiedenen Legierungssystemen herstellen, die so zusammengesetzt sind, daß sie den besonderen chemischen Charakter der Gemische ergeben. Man kann die Legierungen aber auch in Form von Drähten anwenden, die normalerweise ohne zusätzliches Flußmittel gebraucht werden. In bestimmten ao Fällen können sie jedoch auch mit solchen Flußmitteln überzogen sein, die mit Kupfer-Nickel-Legierungen verträglich sind. Man kann auch Stangen ohne solche Überzüge benutzen und diese zusammen mit einem gesonderten, damit verträglichen Flußmittel anwenden. Diese Legierungen sind wegen ihrer niedrigeren Schmelzbereiche sehr wertvoll zum Aufbringen auf verhältnismäßig niedrigschmelzende Metalle, wie Messing, und sie sind besonders nützlich, um z. B. den Ventilsitzen in Kupfer- oder Bronzeventilen eine harte Oberfläche zu verleihen, sowie zum Überziehen von Punktschweißelektroden aus Bronze, wo es auf einen niedrigen Reibungskoeffizienten und große Härte ankommt. Sie können ferner zum Aufbringen auf Walzen in Standmühlen zur Herstellung außerordentlich zäher und dauerhafter Überzüge Verwendung finden. Beim Einbetten von Hartstoffteilchen in die erfin dungsgemäße Grundlegierung für die Herstellung von Drähten nach der Erfindung kann man diese Teilchen in Formen verschiedener Art einbringen, z. B. solche aus Graphit, Stahl oder keramischen Massen, die mit einer Feststoffumhüllung oder Wasser gekühlt sein können. Die Carbide können dabei mit einem trockenen Schmelzmittel oder einer Paste behandelt sein, bevor sie erwärmt werden, um eine unerwünschte Oxydation zu verhindern. Wird jedoch die Grundlegierung in die Form eingebracht, bevor diese erwärmt wird, so können die harten Carbidteilchen durch das bemerkenswerte Schmelzvermögen der Legierung geschützt werden. Die Legierung kann auch durch Flammspritzen über Carbidteilchen verteilt werden. Die erfindungsgemäßen Produkte kann man beispielsweise dadurch erhalten, daß man die die Hartstoffteilchen und die Grundlegierung enthaltenden Formen in einem diskontinuierlich arbeitenden Ofen erwärmt, bis die Legierung ihren Schmelzpunkt erreicht hat. Hierfür kann man sich beliebiger Wärmequellen bedienen, beispielsweise eines Brenners, der mit einem Gemisch von Sauerstoff und Brennstoff betrieben wird, oder einer Induktionsheizung u. dgl. Das Fehlen flüchtiger Bestandteile in der Grundlegierung verhindert es, daß sich die physikalischen Eigenschaften der Legierung dabei wesentlich ändern. Ihre hohe Dauerfestigkeit und die besonders hohe Verschleißfestigkeit der eingebetteten Hartstoffteilchen machen sie außerordentlich wertvoll für das Aufbringen widerstandsfähiger Schneidschichten bei einer großen Zahl von Bohr-, Bergbau- und Baumaschinen. Patentansprüche:

1. Kupfer-Nickel-Legierung für verschleißfeste Überzugsschichten, bestehend aus

15 bis 40 % Nickel,
1 bis 5 % Silicium,
0,15 bis 2,5% Bor,
0,2 bis 2 % Mangan,
Rest Kupfer.

2. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus

20 bis 25 % Nickel,
3 bis 4 % Silicium,
0,25 bis 0,5% Bor,
0,5 bis 1 % Mangan,
Rest Kupfer.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß darin ein Fünftel der Gewichtsmenge an Mangan und Silicium durch einen schmelzpunkterniedrigenden Zusatz ersetzt ist, der Zinn, Phosphor oder ein Gemisch dieser Stoffe ist.

4. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der schmelzpunkterniedrigende Zusatz aus 95 % Zinn und 5 °/₀ Phosphor besteht.

5. Draht zur Herstellung verschleißfester Überzugsschichten, bestehend aus einer Grundlegierung, die die im Anspruch 1 angegebene Zusammensetzung hat, und darin eingebetteten Hartstoffteilchen.

6. Draht nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffteilchen Carbide sind.

7. Draht nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffteilchen aus Wolframcarbid bestehen.