DE1521132A1 - Verfahren zur Herstellung von Hartmetallschutzschichten auf Werkstuecken durch Spritzauftrag - Google Patents

Description

Augsburg, den ^_</ⁱCktober 1963

The Britisli Oxygen Company Limited, Hammersmith House, Hammersmith, London W.6., England

Verfahren zur Herstellung von Hartmetallschutzschichten auf Werkstücken durch Spritzauftrag

Die vorliegende Erfindung betrifft Hartmetallschutzschichten und ein Verfahren zum Aufspritzen dieser Hartmetalle,

Soweit besonders harte Oberflächenschutzschichten auf metallischen Werkstücken erforderlich sind, ist es bekannt, auf diese Werkstücke Hartmetallschutzschichten aufzutragen, die zum großen Teil oder vollständig aus Wolframkarbid bestehen. Eine Möglichkeit, diese Hartmetallschutzschichten aufzutragen, besteht darin, das geschmolzene Material auf die zu schützende Oberfläche aufzuspritzen. Jahrelang wurdt dieser Spritzvorgang mit Azetylen-Sauerstoff -Pistolen ausgeführt. Das in den Azetylen-

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Sauerstoff-Pistolen verarbeitete Metallpulver enthielt jedoch immer Bindemittel mit niedrigerem Schmelzpunkt, beispielsweise Kobalt. Diese Bindemittel sollen die Bindung der Schutzschicht auf dem metallischen Werkstück erleichtern und das Bestreben der Schutzschicht, auszubrechen oder sich abzuschälen, vermindern. Das Bindemittel hat die Nebenwirkung, daß es die Härte der Schutzschicht auf einen Maximalwert von ungefähr 17OO Vickers P-Härte begrenzt. Eine weitere Nebenwirkung des Bindemittels ist, daß gegeneinander bewegte, mit solchen Schutzschichten versehene Teile das Bestreben haben, zu fressen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Schutzschicht zu schaffen, welche eine Härte von mindestens 17OO Vickers P-Härte aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schutzschicht zu entwickeln.

Gemäß der Erfindung werden zufriedenstellende Schutzschichten aus Wolframkarbid ohne Bindemittel durch Aufspritzen auf metallische Werkstücke unter Verwendung einer sogenannten Plasmadüse erzielt und es hat sich gezeigt, daß diese Schutzschichten härter als die bekannten, mit Hilfe von Azetylen-Sauerstoff-Düsen und Metallpulver hergestellten Schutzschichten sind. Es hat sich jedoch herausgestellt,

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daß unter bestimmten Bedingungen mit dem Verfahren nach der Erfindung eine völlig unerwartet große Härte in der Schutzschicht erzielt werden kann, welch letztere sehr viel härter ist als ein unter bekannten Bedingungen hergestelltes Wolframkarbid.

Das Verfahren zur Herstellung von Hartmetallschutzschichten nach der Erfindung besteht darin, daß Pulver aus Wolfram in elementarer Form oder in Verbindung mit Kohlenstoff unter die Oxydierung verhindernden Bedingungen und unter Anwendung hoher Temperaturen zusammen mit einer, zur Erzeugung einer Hartmetallschutzschicht mit etwa 1,3 % bis 4,5 % von an Wolfram gebundenem Kohlenstoff ausreichenden Menge an kohlenstoffhaltigem Material rasch erhitzt und auf eine zu schlitzende Oberfläche als Hartmetallschutzschicht aufgespritzt wird, und daß die Erhitzung so durchgeführt wird, daß anfänglich ein beträchtlicher Anteil des Wolframs in Bi-Wolframkohlenstoff der Beta-Struktur umgewandelt wird.

Es ist unwesentlich, wenn ein geringer Überschuß an Kohlenstoff von mehr als der theoretischen Menge von 4-, 5 % noch in den Bereich der hohen Temperatur gelangt, soweit diese Überschußmenge sich nicht mit dem Wolfram verbindet.

Das kohlenstoffhaltige Material kann freien Kohlenstoff oder eine Kohlenstoffverbindung enthalten. So ist

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es möglich, entweder Wolframpulver und Kohlenstoff oder Wolframkarbid mit gegebenenfalls weiterem Kohlenetoff oder Wolfram und eine Kohlenstoffverbindung zu verwenden. Die Kohlenstoffverbindung kann fest, flüssig oder gasförmig sein* Folgende Kohlenstoffverbindungen sind im Rahmen des Verfahrene nach der Erfindung schon verwendet wordent

In fester Form» Naphtalin, Kohlenstoffpulver

In flüssiger Form: Benzol, Toluol, Tetrachlorkohlenstoff

In Grasform: Propan, Butan, Azetylen.

Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung) daß mindestens ein Teil (vorzugsweise der größte Teil) des Wolframs und des Kohlenstoffe auf eine Temperatur erhitzt wird, welche genügend hoch ist, um die Beta-Struktur des Bi-WoIframkarbids, W^C, zu erzeugen. Dies entspricht im allgemeinen einer Erhitzung auf eine Temperatur von mehr als 2400 ⁰O. Eine bevorzugte AusführungBform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine sogenannte Plasmadüse verwendet wird, bei welcher das Wolfram und der Kohlenstoff in Berührung mit einem PlasmaBtrom gebracht werden, welch letzterer beim Hindurchleiten eines Gases durch eine ver-

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engte Mchtbogendüse entsteht. Unter Verwendung einer solchen Einrichtung werden der Kohlenstoff und das Wolfram auf ein« Temperatur erhitzt, welche zur Erzeugung eines Bi-WoIframkohlenstoffs in der Beta-Struktur ausreicht· Dieser Beta-Wolframkohlenstoff ist nicht beständig und neigt daau, sich in seine Alpha-Struktur zurückzuverwandeln. Die so erzeugte Schutzschicht enthält jedoch im Bereich der Alphft-Struktur feinverteilten Beta-Bi-Wolframkohlenstoff, und es wurde festgestellt, daß auch dann, wenn die Gesamtmenge der Beta-Struktur in die Alpha-Struktur umgewandelt wird« die dabei erzeugte Feinkonstruktur wesentlich härtere und zähere Schutzschichten ergibt als die Schutzschichten aus normalem Wolframkarbid. Ss wurde festgestellt, daß ao hergestellte Schutzschichten aus Wolframkohlenetoff eine gute Adhäsion an metallischen Oberflächen aufweisen, und daß aie in eich eine außerordentliche Härte mit ausreichender Zähigkeit und Widerstandsfähigkeit vereinigen. Insbesondere ist es möglich geworden, auf jegliches Bindemittel in der Schutzschicht zu verzichten, woraus sich eine erhöhte Härte ergibt, ohne daß Nachteile erkennbar wären. Andererleite kann in besonderen Fällen auch ein Bindemittel verwendet werden» beispielsweise, um die Adhäsion gegenüber ^Mschwierigen¹¹ Grundmetallen zu verbessern oder um eine elastischere Schutzschicht zu erzeugen.

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Unter den erfindungsgemäßen Bedingungen wird während der Erhitzung Beta-Bi-Wolframkohlenstoff erzeugt, während eine Umwandlung in die Alpha-Struktur während der Abkühlung eintritt. Der Umfang und der Gesamtbetrag der Umwandlung in die Alpha-Struktur hängen wesentlich vom Umfang der genauen Erhitzunge- und Kühlungsbedingungen ab* Im allgemeinen entsteht immer eine gewisse Menge von Bi-Wolframkohlenstoff in der Beta-Struktur, vorausgesetzt} daß eine entsprechende Erwärmung vorgenommen wird und die richtige Menge Kohlenstoff vorhanden ist. Andererseits hat es sich gezeigt, daß auch dann, wenn ein Teil des Bi-WoIframkohlenstoffs sich während der Kühlung aus der Beta-Struktur in die stabilere Alpha-Struktur umwandelt, die Härte des dabei entstehenden Materials nicht ernstlich beeinträchtigt wird und zwar wahrscheinlich wegen der bei diesem Verfahren erzeugten fehlsteilen in der Gitterstruktur der Alpha-Struktur. Vorausgesetzt, daß die Erhitzung so durchgeführt wird, daß anfänglich eine beträchtliche Menge dee Bi-Wolframkohlenstoff s in der Beta-Struktur auftritt, entsteht auch dann eine genügend harte Schutzschicht, wtnn bei der Abkühlung ein Abbau der Beta-Struktur auftritt·

Bei der Ausübung des erfindungigemäßen Verfahrens ist es im allgemeinen vorteilhaft, Wolfreapulver und ein kohlenstoffhaltiges Material zu verwenden» Wegen der sehr hohen

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Dichte des Wolframs hat es eich als schwierig erwiesen, kohlenstoffhaltiges Pulver mit Wolframpulver zu mischen. Bei Verwendung einer kohlenstoffhaltigen Flüssigkeit oder eines kohlenstoffhaltigen Gases sind jedoch auch ausgezeichnete Erfolge ersielt worden* Bei Verwendung von Gasen ist es meistens wünschenswert, daß das verwendete Gas einen hohen Kohlenstoffanteil enthält. Insbesondere hat sich die Verwendung von Acetylen und Butan als kohlenstoffhaltige Gase als vorteilhaft erwiesen.

Wenn eine Flüssigkeit als Kohlenstoffquelle verwendet wird, hat es sich gezeigt, daß die Flüssigkeit mit dem Pulver in so geringen Mengen gemischt werden soll, daß das Pulver gerade noch fließt, und daß genügend große Mengen von Flüssigkeit verwendet werden, daß die aufgespritzte Schutzschicht einen genügend großen Kohlenstoffanteil aufweist* Zu den bei diesem Verfahren angewendeten Flüssigkeiten gehört Benzol und Schmieröl. Bs hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, einen Stoff zu verwenden, der die chemische Bindung zwischen dem Wolfram und dem Kohlenstoff erhöht, und es wurde gefunden, daß Stoffe mit Halogenen, beispielsweise Meihylenchlorid und Tetrachlorkohlenstoff, den Anteil an Bi-Wolframkohlenstoff in einer gegebenen Menge von Wolfram und kohlenstoffhaltigem Material erhöht.

Die vorliegende Erfindung umfaßt die Herstellung

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solcher harter Schutzschichten durch Jedes Verfahren, bei welchem:

a) ein Wolframpulver oder ein Wolfram enthaltendes Material mit einer genügend großen Menge an Kohlenstoff zur Erzeugung einer Schutzschicht mit mindestens 1,3 % Kohlenstoffgehalt reagiert, und

b) ein wesentlicher Anteil des pulverförmlgen Wolframs und kohlenstoffhaltigen Materials auf eine Temperatur von mehr als 2400 ⁰O erwärmt wird, so daß Bi-WoIframkohlenstoff in seiner Beta-Struktur erzeugt wird und ein Material von höchster Härte entsteht* Mit höchster Härte ist eine Härte von mehr als 1700 Vickers P-Härte gemeint. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Schutzschichten bis zu 2200 Vickers P-Härte erzielt werden.

Die Erfindung beinhaltet außerdem metallische Werkstücke, die mit einer Hartmetallschutzschicht versehen sind, welch letztere aus Bi-WoIframkohlenstoff besteht und eine höhere Härte als 1700 Vickers P-Härte aufweist.

Sowohl bei Verwendung von Sprühvorrichtungen, bei welchen ein zum Werkstück gesogener Lichtbogen als auch

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bei Verwendung von Sprühvorrichtungen, bei welchen ein werkstückunabhängiger Lichtbogen angewandt wird, können Schutzschichten mit sehr wünschenswerten Eigenschaften erzeugt werden, bei denen der Anteil des Bi-Wolframkohlenstoffs in verschiedenen Schichthöhen vom Grundmetall bis zur freien Oberfläche ansteigt. Das kann folgendermaßen in drei Verfahrensschritten geschehen)

1. Die au überspritzende Grundfläche wird durch eine Plasmadüse mit Hilfe eines zum Werkstück gezogenen Lichtbogens rasch erhitzt. Hierbei wird die Plasmadüse schnell über die metallische Grundfläche hinwegbewegt.

2. Sie Schutzschicht wird auf die vorgewärmte metallische Grundfläche mit Hilfe eines werkstückunabhängigen Lichtbogens aufgetragen. Vorzugsweise wird die Schutzschicht auf die Grundfläche in einem einzigen Arbeitsgang aufgetragen und nicht in verschiedenen Arbeitsgängen aufgebaut.

3. Danach kann die Oberfläche der Schutzschicht kurzzeitig mit einer Plasmadüse und mit Hilfe eines zum Werkstück gezogenen Lichtbogens wie beim ersten Verfahrensschritt angewärmt werden, sofern es erwünscht ist, die Haftfähigkeit der Schutzschicht gegenüber dem Grundmetall zu verbessern oder die Dichte der Schutzschicht zu erhöhen.

Nach Wunsch können auch die einzelnen Verfahrensschritte

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durch einen automatischen Schaltmechanismus gesteuert werden, welch letzterer die Bauer eines jeden Verfahrensschrittes und die Aufspritzung des Pulvers regelt.

Beispiel:

Es wurden 500 Gramm feines Wolframpulver mit annähernd 10 cur Benzol befeuchtet, welch letzteres eine geringe Menge von Tetrachlorkohlenstoff enthielt. Nach dieser Behandlung war das Wolfram immer noch fließfähig. Baraufhin wurde das Wolframpulver in eine sogenannte Plasmadüse eingeführt, in der ein Argonstrom als Plasmagaa verwendet wurde. BIe Plasmadüse wurde zunächst mit zum Werkstück gezogenem Lichtbogen eingesetzt und der Lichtbogen zwischen einer Wolframelektrode und einem stählernen Werkstück gezogen. Hierbei war die Wolframelektrode der negative und das Werkstück der positive Pol. Sobald der Lichtbogen gebildet und die Grundfläche des Werkstücks vorgewärmt war, wurde die Art der Anwendung der Plasmadüse geändert und auf einen werkstückunabhängigen Lichtbogen umgeschaltet. Hierbei wurde das mit Benzol befeuchtete Wolframpulver dem Argon mit Hilfe eines Zerstäubers zugeführt und die Plasmadüse wurde zur Erzeugung einer Schutzschicht auf der Oberfläche des Werkstückes über diese hinwegbewegt. Dieser Verfahrensschritt dauerte etwa 40 Sekunden, während dessen

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die Stromstärke des elektrischen Lichtbogens etwa 4-00 Ampere und die Spannung des elektrischen Lichtbogene etwa 55 Volt betrug. Nachdem die Schutzschicht abgekühlt war, wurde ihre Härte gemessen und an allen gemessenen Stellen eine Härte Ton mehr als 2200 Tickers P-Härte gefunden.

Eine Schutzschicht, welche durch eine Azetylen-Oxydflamme und unter Verwendung eines üblichen "Flächenhärt-" Wolframkarbidpulvers hergestellt worden ist, weist an keiner Stelle eine höhere Harte als 1700 Vickers P-Härte auf.

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Claims (10)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Hartmetallschutzschichten auf Werkstücken durch Spritzauftrag, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver aus Wolfram in elementarer Form oder in Verbindung mit Kohlenstoff unter die Oxydierung verhindernden Bedingungen und unter Anwendung hoher Temperaturen zusammen mit einer, zur Erzeugung einer Hartmetallschutzschicht mit etwa 1,3 % bis 4,5 % von an Wolfram gebundenem Kohlenstoff ausreichenden Menge an kohlenstoffhaltigem Material rasch erhitzt und auf eine zu schützende Oberfläche als Hertmetallschutzschicht aufgespritzt wird, und daß die Erhitzung so durchgeführt wird, daß anfänglich ein beträchtlicher Anteil des Wolframs in Bi-Wolframkohlenstoff der Beta-Struktur umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch kohlenstoffhaltiges Material in fester Form.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ■ · · kohlenstoffhaltiges Material in flüssiger Form.

4-. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch kohlenstoffhaltiges Material in Gasform.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet« daS die Erhitzung auf mehr als 2400 ⁰O erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß die zu schützende Oberfläche vorgewärmt wird·

7· Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallschicht nach dem Auftrag erwärmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7i dadurch gekennzeichnet, daß das Wolframpulver und das kohlenstoffhaltige Material in einem Plasmastrom erhitzt werden, welch letzterer beim Hindurchleiten eines Gases durch eine verengte Lichtbogendüse, einer sogenannten Plasmadüse, entsteht.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu schützende Oberfläche mit Hilfe einer sogenannten Plasmadüse und einem zum Werkstück gezogenen Lichtbogen erwärmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7j dadurch gekennzeichnet,

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daß die Hartmetallschicht nach dm Auftrag nit Hilfe einer eogenannten Flasmadüae und eine« zum Werkstück gezogenen Lichtbogen erwärmt wird.

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