DE19513919C2

DE19513919C2 - Verfahren zur Hochgeschwindigkeitsbeschichtung von Bauteilen und Werkstücken sowie mögliche Vorrichtung zur Hochgeschwindigkeitsbeschichtung von Bauteilen und Werkstücken

Info

Publication number: DE19513919C2
Application number: DE19513919A
Authority: DE
Inventors: Volker Fux; Andreas Uelze
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-03-22
Filing date: 1995-04-12
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2015-04-13
Also published as: DE19513919A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hochgeschwindigkeitsbeschichtung von Werkstücken und Bauteilen im Schichtdickenbereich von 20 µm bis 500 µm. Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung liegt auf dem Gebiet der Oberflächenbehandlung von metalli schen Bauteilen und Werkstücken durch Beschichten.

Werkstücke werden ganz oder teilweise an mechanisch, thermisch oder chemisch besonders bean spruchten Stellen beschichtet. Diese Schichten sollen zum einen eine gute Bindung zum Substrat aufweisen, eine geringe Aufmischung durch den Grundwerkstoff erhalten sowie eine geringe Bau teilerwärmung und wenig Nacharbeit verursachen. Zum anderen wird von einem Beschichtungs prozeß eine hohe Wirtschaftlichkeit erwartet, d. h. das Beschichtungsverfahren soll in der Regel eine hohe Beschichtungsrate ermöglichen. Zum Beschichten metallischer Bauteile werden beson ders Metallspritzverfahren (thermische Spritzverfahren) [Thermische Spritzkonferenz, DVS-Tagung, Aachen, März 1993], Lichtbogenauftragschweißverfahren [R. Killing: Handbuch der Schweißtech nik, Teil 1; Lichbogenverfahren, 2. Auflage, DVS-Verlag Düsseldorf 1991] und in zunehmenden Maße auch Laserbeschichtungsverfahren [W. Amende: Die Veredelung metallischer Randschichten mit dem CO₂-Hochleistungslaser, Laser und Optoelektronik, (1988) 2, S 44-47 und D. Buchards, A. Hinse: Laserstrahl- und Laserheißdrahtbeschichten, Proceedings of the 3rd European Conferen ce on Laser Treatment of Materials, S. 439-450, Erlangen 1990] sowie induktive Beschichtungs verfahren genutzt.

Alle Metallspritzverfahren arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip. Es besteht darin, dass pulver- oder drahtförmige Zusatzwerkstoffe (Schichtwerkstoff) in einer Spritzpistole (Brenner) durch Gas flammen bzw. nichtübertragende Licht- oder Plasmabögen an- oder aufgeschmolzen und gleich zeitig durch den Druck des Gases auf ein kaltes oder vorgewärmtes Substrat gebracht werden. Ein Anschmelzen der Substratoberfläche entfällt, wodurch eine Verunreinigung des Schichtwerkstoffes durch den Grundwerkstoff vermieden wird. Die Schicht haftet auf der Substratoberfläche durch Adhäsion und mechanische Verankerung. In einigen Fällen tritt auch eine Verbesserung der Bin dungsverhältnisse durch Diffusionsprozesse ein. Trotzdem bleibt diese Zone die Schwachstelle dieser Verfahren und führt durch die oftmals unzureichende Haftfestigkeit zu einer Begrenzung der mechanischen Belastbarkeit dieser Schichten. Typisch für einige dieser Verfahren ist außerdem das Auftreten einer begrenzten Anzahl von Poren in den Schichten.

Bei den Auftragschweißverfahren unter Nutzung des Licht- oder Plasmabogens wird der Zusatz werkstoff im Bogen (übertragender Bogen) auf- bzw. abgeschmolzen, aber gleichzeitig auch der Grundwerkstoff angeschmolzen. Der Licht- oder Plasmabogen brennt dabei zwischen der Sub stratoberfläche und/oder dem Schmelzbad und der W-Elektrode bzw. der abschmelzenden Elek trode. Die so entstehenden Schichten haben eine sehr gute, mechanisch hochbelastbare Bindung zum Substrat. Einige der nach diesem Prinzip arbeitenden Verfahren können sehr hohe Beschich tungsraten erreichen.

Als nachteilig zeigt sich das teilweise nicht vermeidbare tiefere Anschmelzen des Grundwerkstof fes, was eine stärkere Aufmischung bzw. Verunreinigung des Schichtwerkstoffes bewirkt. Weiter hin führt die erhebliche Bauteilerwärmung während des Beschichtungsprozesses zu einem stärke ren Verzug dieser Teile und zu einer großen Wärmeeinflusszone mit einer für bestimmte Werkstof fe nicht akzeptablen Gefügebeeinflussung im Substrat.

Bei den Laserbeschichtungsverfahren erfolgt das Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes direkt im Brennfleck des Laserstrahls, was den Hauptteil der zugeführten teuren Laserenergie beansprucht. Das Anschmelzen des Grundwerkstoffes wird im wesentlichen indirekt über den Wärmetransport im Schmelzbad (Konvektion, Wärmeleitung) erreicht. Dadurch lässt sich die Substratanschmelzung sehr gut dosieren und die Aufmischung des Schichtwerkstoffes gering halten. Der notwendige Wärmetransport begrenzt zugleich aber die Vorschubgeschwindigkeit und damit die Beschich tungsrate. Unter Berücksichtigung energetischer und wirtschaftlicher Kriterien werden Laserbe schichtungstechnologien deshalb vorzugsweise für partielle Beschichtungen eingesetzt.

Die induktiven Beschichtungsverfahren werden in der Regel in Form von Auftragslötungen, die im Ofen unter Vakuum oder Schutzgas erfolgen, eingesetzt [E. Lugscheider, H. Schmoor, M. Koschlig: Auftragslötungen von konturgenauen Verschleißschutzschichten, DVS 148]. Hierbei wird der Be schichtungswerkstoff vorher auf dem Substrat, z. B. als Vliese oder Spritzschichten, deponiert. Un ter Nutzung der induktiven Randschichterwärmung des Substrates wird der Schichtwerkstoff über Wärmeleitung aufgeschmolzen. Bei diesen Verfahren muss der Schichtwerkstoff lotähnliche Eigenschaften besitzen (z. B. selbstfliessende Hartlegierungen) oder muss in Verbindung mit einem Lot aufgebracht werden (z. B. Herstellung hartstoffhaltiger Schichten).

Mit diesen Verfahren lassen sich hochqualitative flächige Beschichtungen mit definierter Bindung zum Substrat herstellen, die jedoch aufwendige Vorarbeiten benötigen. Eine andere Verfahrens weise ist die direkte induktive Beschichtung (DD 254 218). Bei diesem Verfahren wird die Substrat oberfläche partiell hoch vorgewärmt oder angeschmolzen. Durch die gleichzeitige Zuführung von pulverförmigen Beschichtungswerkstoff erfolgt die Ausbildung eines Schmelzbades, aus dem sich in Verbindung mit einer definierten Vorschubbewegung die Auftragschicht speist. Über dieses Ver fahren lassen sich sehr definierte Auftragschichten erzeugen. Die besondere Art der induktiven Energieeinkopplung ermöglicht breite Einzelspuren mit guten glatten Spurüberlappungen. Die indirekte Verflüssigung des Schichtwerkstoffes wirkt sich jedoch begrenzend auf die Vorschubge schwindigkeit und somit auf die Beschichtungsrate aus.

Alle diese Verfahren (einschließlich Laserbeschichtungsverfahren) haben eine Gemeinsamkeit: Sie basieren auf einer Energiequelle zum Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs und zum Anschmelzen des Grundwerkstoffs. Hierdurch ergeben sich jedoch Kompromisse in der gleichzeitigen Erzielung definierter Schicht- bzw. Schichtverbundeigenschaften und hoher Beschichtungsraten. Letztere sind für eine kostengünstige Gestaltung des Fertigungsprozesses notwendig.

Weiterhin sind aus DE 37 28 473 und DE 39 05 684 Auftragschweißverfahren bekannt, bei denen der Grundwerkstoff mittels Plasma-Lichtbogen bzw. mittels Laserstrahl angeschmolzen und der Schichtwerkstoff in Form eines Drahtes, der mittels direktem Stromdurchgang (Heißdrahtprinzip) unmittelbar unter Schmelztemperatur erwärmt wird, zum angeschmolzenen Grundwerkstoff ge führt und mittels des Laserstrahls bzw. des Plasma-Lichtbogen mit dessen Hilfe der Grundwerkstoff angeschmolzen wurde, gänzlich aufgeschmolzen wird. Durch Anwendung des Heißdrahtprinzips wird hier praktisch eine weitere Energiequelle für die Hauptenergiequelle (Laserstrahl bzw. Plasma- Lichtbogen) unterstützend eingesetzt.

Diese beiden, zum übrigen Stand der Technik bereits vorteihaften Verfahren haben aber den er heblichen Nachteil, dass zum einen der Schichtwerkstoff in Drahtform eingebracht werden muss, was bedeutet, dass einerseits nicht in die Drahtform überführbare Schichtwerkstoffe diesem Ver fahren nicht zugänglich sind und andererseits nicht in Drahtform vorliegende Schichtwerkstoffe erst in diese überführt werden müssen, und zum anderen, dass mit diesem Verfahren keine we sentlich höheren Beschichtungsgeschwindigkeiten bzw. nur Abschmelzraten zwischen 10 und 30 kg/h erreichbar sind.

Darüber hinaus sind aus DE 42 33 516, EP 04 50 069, EP 04 50 070, DE 856 712 und DE 883 381 Lösungen bekannt, die sich auf konventionelle Gas- bzw. Lichtbogen-Auftragschweißverfahren stützen. Die hier beschriebenen Verfahren beinhalten ausschließlich ein Aufschmelzen des pulver förmigen Zusatzwerkstoffes während des Auftragschweißprozesses, wodurch sich zwangsläufig eine zeitliche Abhängigkeit der Prozessgeschwindigkeit von diesem Aufschmelzvorgang ergibt. Demzufolge sind auch mit diesen Verfahren keine höheren Beschichtungsgeschwindigkeiten bzw. nur Abschmelzraten bis höchstens 30 kg/h erreichbar.

Desweiteren ist noch aus DE 41 41 927 ein Verfahren zum Auftragschweißen von Werkstücken aus Superlegierungen bekannt. Dieses Verfahren wird mit konventionellen Lichtbogenschweißver fahren durchgeführt, wobei bei diesem Verfahren eine Vorwärmung vorgesehen ist, mit welcher das Auftreten von Materialfehlern (beispielsweise Rissen) durch den Schweißprozess verhindert bzw. minimiert werden soll. Auch dieses Verfahren ist analog der bereits oben beschriebenen wei teren Verfahren in seiner Beschichtungsgeschwindigkeit sehr begrenzt. Auch mit diesem Verfahren sind Beschichtungsgeschwindigkeiten bzw. Abschmelzraten bis höchstens 30 kg/h erreichbar.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine mögliche Vorrichtung zu seiner Durchführung anzugeben, die sämtliche Nachteile des Standes der Technik nicht aufwei sen.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der genannten Art vorzuschlagen, mit dem so wohl definierte Schicht- bzw. Schichtverbundeigenschaften und -zusammensetzungen sowie Ab schmelzraten über 30 kg/h realisierbar sind, das kostengünstig ist und bei dem der Schichtwerk stoff nicht unbedingt in Drahtform vorliegen muß.

Es ist somit außerdem Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Einsatz das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.

Erfindungsgemäß werden die gestellten Aufgaben verfahrensseitig gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 3 und vorrichtungsseitig gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 4 bis 16 gelöst.

Das Verfahren zur Hochgeschwindigkeitsbeschichtung von Bauteilen und Werkstücken mit Schichtdicken der Einzelspur im Bereich von 20-500 µm ist erfindungsgemäß dadurch gekenn zeichnet, dass das Bauteil- bzw. das Werkstück an seiner Oberfläche unter Anwendung konventio neller Erwärm- bzw. Aufschmelzverfahren angeschmolzen wird, der auf die Bauteil- bzw. Werk stückoberfläche aufzubringende Zusatzwerkstoff (Schichtwerkstoff) ebenfalls unter Anwendung konventioneller Erwärm- bzw. Aufschmelzverfahren, die jedoch nicht gleich denen, die beim An schmelzen der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche eingesetzt werden, sein müssen, in einem ge eigneten Behältnis aufgeschmolzen wird, das Anschmelzen der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche, sowie das Aufschmelzen des Schichtwerkstoffes absolut entkoppelt voneinander, das bedeutet zeitlich, energetisch und örtlich voneinander getrennt, sind und dass es mit Abschmelzleistungen bis 75 kg/h durchgeführt wird.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, mit zwei absolut voneinander entkoppelten und getrennten Energiequellen zum einen die Aufschmelzung des Schichtwerkstoffes und zum ande ren die Anschmelzung (im speziellen Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, die Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche nur auf Temperaturen zumindest über der Schmelztemperatur des Schicht werkstoffes hochvorzuerwärmen und nicht anzuschmelzen) der Oberfläche des Bauteils bzw. des Werkstückes zu realisieren, um beide Vorgänge vorneinander getrennt aber definiert steuern zu können und somit beispielsweise definierte Schicht- bzw. Schichtverbundzusammensetzungen und -eigenschaften oder hohe Beschichtungsraten zu realisieren und damit die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Vorteilhafterweise können als konventionelle Erwärm- bzw. Auf schmelzverfahren (zu diesen werden Laserstrahlverfahren nicht gezählt) beim Anschmelzen der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche und beim Aufschmelzen des Schichtwerkstoffes das WIG- Plasma-Schweißverfahren und/oder das Induktionsschmelzverfahren angewendet werden, wobei die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn der Schichtwerkstoff induktiv aufgeschmolzen und die Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche induktiv oder mittels des WIG- oder Plasma-Bogen vorzugswei se letzteres angeschmolzen wurde.

Es ist weiterhin günstig als geeignetes Behältnis, in welchem der Schichtwerkstoff aufgeschmolzen wird, einen für die Aufschmelztemperaturen geeigneten Tiegel einzusetzen und den erschmolze nen Schichtwerkstoff mittels einer Düse (Auslaufdüse) auf die Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche aufzubringen, wobei der Tiegel an seinem unteren Ende in die Auslaufdüse übergehen kann, vor zugsweise wird hier ein Bauteil einsetzt, daß in seinem oberen Teil Tiegel und in seinem unteren Teil Auslaufdüse ist.

Es ist darüberhinaus vorteilhaft, wenn zum besseren Auslaufen bzw. zur besseren Steuerung und Kontrolle des Auslaufens des Schichtwerkstoffes aus der Düse diese bzw. der Tiegel an den sie sich nahtlos anschließt mit einem Druck (beispielsweise Inertgasdruck) beaufschlagt wird, dessen Höhe durch die benötigte Schmelzmenge vorgegeben wird.

Die Auslaufdüsen sollten vorzugsweise so ausgewählt sein, dass zur Aufbringung des Schichtwerk stoffes auf die Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche eine Schlitzdüse, bei der die Schlitzausmaße dem entsprechenden Anwendungsfall angepasst sind oder eine Lochdüse, bei der die Lochausma ße ebenfalls dem entsprechenden Anwendungsfall angepasst sind, eingesetzt werden.

Weiterhin wurde festgestellt, dass es günstig ist, das Verfahren so zu führen, dass das Bauteil bzw. das Werkstück an seiner Oberfläche angeschmolzen wird und unmittelbar danach, d. h., wenn die angeschmolzene Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche in die Abkühlphase einzutreten beginnt, der erschmolzene Schichtwerkstoff auf diese Oberfläche trifft, so dass sich beide Phasen nur definiert, steuerbar und örtlich begrenzt oder überhaupt nicht vermischen, aber trotzdem eine metallurgi sche Bindung eingehen können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochgeschwindigkeitsbeschichtung von Bauteilen und Werkstücken, welche mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 3 beansprucht wird, besteht aus zwei getrennten Energiequellen zur Anschmelzung von Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche und zur Aufschmelzung des Schichtwerkstoffes. Zunächst sind die zur Bewegung des Bauteils bzw. Werkstückes entsprechenden Einrichtungen, d. h., mindestens eine Einrichtung zur Bewegung des Bauteils in X- und/oder Y- und/oder Z-Richtung bzw. eine Drehein richtung für die Rotation runder oder zylindrischer Bauteile angeordnet.

Desweiteren ist die Energiequelle zur Anschmelzung der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche so positioniert, dass Sie in Bewegungsrichtung gesehen so weit vor dem Auftreffpunkt der Schmelze des Schichtwerkstoffes auf die Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche auf diese Oberfläche einwirkt, dass die Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche am Auftreffpunkt der Schmelze des Schichtwerkstoffes auf sie in die Abkühlphase einzutreten beginnt. Zur Aufschmelzung, des Schichtwerkstoffes ist eine weitere Energiequelle so angeordnet, dass sie an der unteren Hälfte des Behältnisses in dem sich der aufzuschmelzende Schichtwerkstoff befindet, einwirkt. Das Behältnis, in dem der Schicht werkstoff aufgeschmolzen wird, weist neben der Öffnung zum Einfüllen bzw. kontinuierlichen Nachfüllen des Schichtwerkstoffes an seinem oberen Ende auch eine Öffnung zum Auslaufen des erschmolzenen Schichtwerkstoffes an seinem unteren Ende auf. Daran schließt eine Düse (vor zugsweise Auslaufdüse) zum Auslaufen der Schichtwerkstoffschmelze, die in definiertem Abstand über der zu beschichtenden Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche angeordnet ist, an, wobei es sich dafür anbietet, wenn Behältnis und Düse ein Bauteil sind, dass beide (Behältnis und Düse) derart kombiniert sind, dass das Behältnis an dem Ende, an dem die Schichtwerkstoffschmelze ausläuft, zu einer Düse geformt ist. Das Behältnis zur Aufschmelzung des Schichtwerkstoffes sollte vor zugsweise ein Tiegel aus einem für den Schichtwerkstoff und seine Schmelztemperatur geeigneten Material sein. Die Düse sollte entsprechend der konkreten Prozesserfordernisse und dem entspre chenden Anwendungsfall geformt sein, d. h., dass die Düse zum Aufbringen des Schichtwerkstof fes in breiten Spuren als Schlitzdüse und zum Aufbringen des Schichtwerkstoffes in schmalen Spu ren als Lochdüse ausgeführt ist.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn zum besseren Auslaufen bzw. zur besse ren Steuerung und Kontrolle des Auslaufens der Schichtwerkstoffschmelze aus der Düse in Verbin dung mit dieser bzw. mit dem Behältnis an dem sie sich nahtlos anschließt bzw. mit dem kombi nierten Behältnis-Düse-Bauteil eine Vorrichtung angeordnet ist, mit deren Hilfe die Düse, das Be hältnis oder die Behältnis-Düse-Kombination mit einem Druck (z. B. Inertgasdruck) beaufschlagt werden können, dessen Höhe durch die benötigte Schmelzmenge vorgegeben wird.

Als Energiequellen zur Anschmelzung der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche und zur Aufschmel zung des Schichtwerkstoffes haben sich konventionelle Energiequellen (damit sind keine Laserstrahl- oder Elektronenstrahlquellen gemeint), wie beispielsweise Induktoren und/oder WIG- oder Plasma-Bogen als die geeignetsten erwiesen.

Vorteilhafterweise sollte zur Aufschmelzung des Schichtwerkstoffes mindestens ein Induktor, vor zugsweise ein Induktor, der das Behältnis in dem der Schichtwerkstoff erschmolzen wird, am Auf schmelzbereich ringförmig umschließt, eingesetzt werden.

Das Anschmelzen der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche sollte mit mindestens einem Induktor oder mindestens einem WIG- oder Plasma-Schweißbrenner erfolgen.

Die besten Ergebnisse wurden erzielt, wenn als Energiequelle zur Aufschmelzung des Schichtwerk stoffes ein Induktor und als Energiequelle zur Anschmelzung der Bauteil- bzw. Werkstückoberflä che ein WIG- oder Plasma-Schweißbrenner eingesetzt wurden.

Mit der Erfindung, deren Grundprinzip die energetische Aufteilung des Beschichtungsprozesses ist, konnten alle Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Das erfindungsgemäße Ver fahren, das hohe Geschwindigkeiten in allen Bewegungsrichtungen des Bauteils bzw. Werkstückes erlaubt, untergliedert sich in zwei Ausführungsvarianten:

1. induktive Aufschmelzung des Schichtwerkstoffes und Anschmelzung der Bauteil- bzw. Werk stückoberfläche mittels WIG- oder Plasma-Bogen.
2. induktives Aufschmelzen des Schichtwerkstoffes und induktives Anschmelzen der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche.

Beide Varianten laufen verfahrensseitig nach dem gleichen Grundprinzip ab.

Bei 1. wird in einem Schmelzgefäß der Schichtwerkstoff (Zusatzwerkstoff) verflüssigt und auf die gewünschte Temperatur gebracht. Das Schmelzgefäß (Tiegel) ist vorzugsweise über dem Werk stück angebracht. Der Tiegel kann aber auch seitlich oder unterhalb vom Werkstück positioniert sein. Die dem Werkstück zugewandete Seite des Tiegels ist mit einer Düse (rund oder schlitzför mig) versehen. Der WIG- oder Plasmabrenner wird so einjustiert, dass der Bogen die Werkstück oberfläche unmittelbar vor dem (späteren) Auftreffpunkt der Zusatzwerkstoffschmelze partiell an schmelzen kann. Während des Beschichtungsvorgangs wird die Zusatzwerkstoffschmelze mittels Druckbeaufschlagung auf die Werkstückoberfläche befördert. Der gleichzeitig einwirkende WIG- oder Plasmabogen sorgt zum einen durch die lokale Erhöhung der Oberflächentemperatur des Substrates für ausreichende Benetzungsbedingungen und zum anderen, wenn nötig, für den me tallurgischen Verbund zwischen Schicht und Werkstück. Die Beschichtungsgeschwindigkeit wird dabei durch Umfangs- bzw. Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes vorgegeben. Sie wird nach oben durch die maximal verfügbare Energie des verwendeten WIG- oder Plasmagerätes bestimmt. Die Tatsache, dass der Bogen nur die Werkstückoberfläche partiell anschmelzen soll, ermöglicht wesentlich höhere Beschichtungsgeschwindigkeiten. Je nach Art der zu beschichtenden Fläche kann diese entweder durch eine einmalige, auf Endbreite bezogene Auftragung oder durch das Aneinanderlegen von mehreren Einzelspuren realisiert werden.

Als ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens erweist sich die von der Leistung der Schweißquelle und der Beschichtungsgeschwindigkeit unabhängige Einstellung der Schichtdicke, da der flüssige Zu satzwerkstoff in beliebiger Menge zur Verfügung steht und, in Abhängigkeit von Düsenquerschnitt und Auspressdruck, unter einer sehr hohen Rate gefördert werden kann.

Die sehr hohen Vorschubgeschwindigkeiten, die nach diesem Verfahrensprinzip möglich werden, gestatten außerdem einen mehrlagigen Gesamtschichtaufbau aus einer oder verschiedenen Legie rungen, da durch das erfindungsgemäße Verfahren zwei wichtige Voraussetzungen hierfür erfüllt werden:

- Erzeugung einer solchen Schichtqualität, die ahne eine mechanische Schichtbearbeitung das Aufbringen weiterer Schichten gestattet
- Erzeugung dünner Einzelschichten bei sehr hohen Geschwindigkeiten, wodurch der zeitli che Aufwand für die Gesamtbeschichtung in vertretbaren Größen gehalten werden kann

Ein Gesamtschichtaufbau aus mehreren Einzellagen verschiedener Legierungen ermöglicht gegen über einer massiven Schicht eine wesentlich bessere Anpassung der Schicht an die jeweilige Bau teilbelastung.

Desweiteren können auf Grund sehr hoher Beschichtungsgeschwindigkeiten und dem stark lokali sierten Erstarrungsbereich sehr feinkristalline, mikrokristalline bzw. sogar amorphe Werkstoffzu stände nutzbar gemacht werden.

Bei 2. wird in einem Schmelzgefäß der Zusatzwerkstoff oder Schichtwerkstoff mit dem ersten In duktor verflüssigt und auf die gewünschte Temperatur gebracht. Das Schmelzgefäß (Tiegel) ist vorzugsweise über dem Werkstück angebracht. Die Tiegelposition kann aber auch seitlich oder unterhalb vom Werkstück sein. Die dem Werkstück zugewandte Seite des Tiegels ist mit einer Dü se (rund oder schlitzförmig) versehen. Der zweite Induktor wir so einjustiert, daß der induzierte MF/HF-Strom die Werkstückoberfläche unmittelbar vor dem (späteren) Auftreffpunkt der Zusatz werkstoffschmelze partiell anschmelzen kann. Während des Beschichtungsvorgangs wird die Zu satzwerkstoffschmelze mittels Druckbeaufschlagung auf die Werkstückoberfläche befördert. Der gleichzeitig in die Oberfläche induzierte HF/MF-Strom sorgt zum einen durch die lokale Erhöhung der Oberflächentemperatur des Substrates für ausreichende Benetzungsbedingungen und zum anderen, wenn nötig, für den metallurgischen Verbund zwischen Schicht und Werkstück. Die Be schichtungsgeschwindigkeit wird dabei durch Umfangs- bzw. Vorschubgeschwindigkeit des Werk stückes vorgegeben. Sie wird nach oben durch die maximal verfügbare Energie der zum Substrat anschmelzen verwendeten Induktionsanlagen bestimmt. In Abhängigkeit von der Leistung und der Frequenz dieses HF/MF-Generators sowie der Gestaltung des Induktors kann die jeweilige Größe des aufzuheizenden bzw. anzuschmelzenden Oberflächenbereiches gewählt werden. Da die HF/MF-Energie nur die Oberfläche in einer sehr geringen Tiefe aufheizen bzw. anschmelzen soll, diese aber zugleich in einer größeren Breite erfolgen kann, ermöglicht dieses Verfahrensprinzip sehr hohe Beschichtungsraten. Durch die entsprechende Gestaltung der Düse kann der schmelz flüssige Zusatzwerkstoff unkompliziert und sehr gleichmäßig in der gewünschten Breite zugeführt werden. Je nach Art der zu beschichtenden Fläche kann diese entweder durch eine einmalige, auf Endbreite bezogene Auftragung oder durch das Aneinanderlegen von mehreren Einzelspuren reali siert werden.

Die sehr hohen Vorschubgeschwindigkeiten, die nach diesem Verfahrensprinzip möglich werden, gestatten außerdem einen mehrlagigen Gesamtschichtaufbau aus einer oder verschiedenen Legie rungen, da hierfür durch das erfindungsgemäße Verfahren zwei wichtige Voraussetzungen erfüllt werden:

- Erzeugung einer solchen Schichtqualität, die ohne eine mechanische Schichtbearbeitung das Aufbringen weiterer Schichten gestattet
- Erzeugung dünner Einzelschichten bei sehr hohen Geschwindigkeiten, damit der zeitliche Aufwand für die Gesamtbeschichtung in vertretbaren Größen gehalten werden kann

Auch hier können wie bei 1. auf Grund sehr hoher Beschichtungsgeschwindigkeiten und dem stark lokalisierten Erstarrungsbereich sehr feinkristalline, mikrokristalline bzw. amorphe Werkstoff zustände nutzbar gemacht werden.

Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei beschreibt das Ausführungsbeispiel 1 die oben unter 1. genannte Variante (Kombination Induktor und WIG- oder Plasma-Schweißbrenner) und das Ausführungsbeispiel 2 die oben unter 2. genann te Variante (Kombination Induktor und Induktor).

Die beigefügten Abbildungen sollen

Abb. 1 allgemeine verfahrenstypische Prozessführung für Variante 1 (Ausführungsbeispiel 1)

Abb. 2 allgemeine Anordnung zur Beschichtung Variante 1

Abb. 3 spezielle Versuchsanordnung der Variante 1 für das Ausführungsbeispiel 1

Abb. 4 Grundprinzip des Beschichtungsverfahrens zu Variante 2 (Ausführungsbeispiel 2)

Abb. 5 allgemeine Anordnung zur Beschichtung Variante 2

Abb. 6 spezielle Versuchsanordnung der Variante 2 für das Ausführungsbeispiel 2
skizzieren.

1. Ausführungsbeispiel

In Abb. 3 ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Beschichtung von Trans portwalzen wiedergegeben. Die Walze (1) in diesem Beispiel hat einen Durchmesser von 300 mm und eine Länge von 1200 mm. Sie besteht aus dem Stahl 52 CrMo4, liegt im vergüteten Zustand vor und soll auf ihre Mantelfläche durch Beschichten mit einer Hartlegierung verschleißfester ge macht werden. Dazu wird sie mit einer 0,65 mm dicken Schicht (2), bestehend aus 4 einzelnen Lagen, versehen. Die erste 150 µm dicke Lage wird aus einer duktilen NiCrMo-Legierung aufgetra gen. Dazu wird diese Legierung (9) im Tiegel (3) vor dem eigentlichen Beschichtungsvorgang mit tels der Induktionsspule (4) erschmolzen. Dieser Vorgang läuft zeitgleich mit der Vorbereitung und Positionierung der Walze auf der Drehachse der CNC-gesteuerten Werkstückaufnahmevorrichtung ab. Nach Erreichen der notwendigen Überhitzungstemperatur wird die Schmelze (9) über eine Dü se (5) auf die Walzenoberfläche gebracht. Mit einer WIG-Schweißanlage (6) wird das Substrat un mittelbar vor dem Auftreffpunkt der Schmelze in einer Spurbreite von lmm angeschmolzen. Das Zünden des Bogens über den HF-Impulsgenerator (7) der Schweißanlage und das Betätigen der Ausdrückvorrichtung (8) für die Schmelze erfolgen zeitgleich. Dabei wird im Gleichstrombetrieb mit dem Minuspol an der Elektrode und bei einem Schweißstrom von 350 A gearbeitet. Durch eine definierte, von der Steuerung vorgegebene Bewegung des Maschinentisches längs zur Walze (1) wird die Mantelfläche beschichtet.

Nach dem Auftragen der ersten Lage erfolgt eine Neubeschickung des Tiegels (3) mit Stellit F. Diese Menge ist für die weiteren drei Schichten ausgelegt, wobei die zweite und dritte Lage je 200 µm und die vierte 100 µm betragen sollen. Die unterschiedliche Schichtdicke der einzelnen Lagen wird durch die Variation der Walzendrehzahl eingestellt und von der CNC während der Be schichtung gesteuert. Die Breite der Einzelspuren beträgt jeweils 1 mm. Sie werden so spiralförmig aneinandergelegt, dass sich ein Überlappungsgrad von 10-15% ergibt.

Die reine Beschichtungszeit für die Walze beträgt 42 Minuten. Für die Gesamtzeit des Beschich tungsvorgangs wird noch der zeitliche Aufwand für die Erschmelzung des Stellites hinzugefügt.

2. Ausführungsbeispiel

Transportwalzen (1), bestehend aus dem Vergütungsstahl 42 CrMo4, verschleißen sehr stark auf ihrer Mantelfläche. Üblicherweise werden sie mit einer 0,5 mm dicken Spritzschicht aus einer Ni-Hartlegierung versehen. Die teilweise linienförmige Belastung führt bei der relativ geringen Schichthaftung mitunter zu Abplatzungen. Erfindungsgemäß wird diese Walze (1) mit einer NiCrBSi-Legierung zweilagig beschichtet. Dazu wird diese Legierung (9) im Tiegel (3) vor dem ei gentlichen Beschichtungsvorgang mittels der Induktionsspule (4) erschmolzen. Dieser Vorgang läuft zeitgleich ab mit der Vorbereitung und Positionierung der Walze (1) auf der Drehachse der CNC-gesteuerten Werkstückaufnahmevorrichtung. Nach Erreichen der notwendigen Überhitzungs temperatur wird die Schmelze (9) über eine Düse (5) auf die Walzenoberfläche (1) gebracht. Mit der zweiten Induktionsanlage (10) und einem Flächeninduktor (11) wird das Substrat unmitelbar vor dem Auftreffpunkt der Schmelze (9) in eine Spurbreite von 10 mm angeschmolzen. Das Aus laufen der Schmelze (9) wird mittels geringfügiger Druckbeaufschlagung über eine Ausdrückvor richtung (8) definiert, gesteuert und kontrolliert. Durch eine definierte, von der Steuerung vorge gebene Bewegung des Maschinentisches längs der Walze (1) wird die Mantelfläche beschichtet, wobei mit einer sehr geringen Überlappung gearbeitet wird. Die Höhe der Einzelspuren liegt bei 250 µm. Die Ausführung der zweiten Lage erfolgt durch Umkehrung der Bewegungsrichtung des Maschinentisches aus dem kontinuierlichen Schmelzfluss heraus. Die fertigen Schichten (2) sind sehr glatt und bedürfen nur wenig oder keiner Nachbearbeitung.

Mit beiden Ausführungsbeispielen konnten die gestellten Aufgaben gelöst werden.

Claims

1. Verfahren zur Hochgeschwindigkeitsbeschichtung von Bauteilen und Werkstücken mit Schicht dicken der Einzelspur im Bereich von 20-500 µm, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bzw. Werkstück an seiner Oberfläche unter Anwendung konventioneller Erwärm- bzw. Auf schmelzverfahren angeschmolzen wird, der auf die Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche aufzu bringende Zusatzwerkstoff (Schichtwerkstoff) ebenfalls unter Anwendung konventioneller Er wärm- bzw. Aufschmelzverfahren, die jedoch nicht gleich denen, die beim Anschmelzen der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche eingesetzt werden, sein müssen, in einem geeigneten Be hältnis aufgeschmolzen wird, wobei das Verfahren derart geführt wird, dass das Bauteil bzw. das Werkstück an seiner Oberfläche partiell angeschmolzen wird und unmittelbar danach, d. h., wenn die angeschmolzene Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche in die Abkühlphase einzu treten beginnt, der erschmolzene Schichtwerkstoff auf diese Oberfläche trifft, so dass sich bei de Phasen nur definiert, steuerbar und örtlich begrenzt oder überhaupt nicht vermischen, aber trotzdem eine metallurgische Bindung eingehen können, und das Anschmelzen der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche, sowie das Aufschmelzen des Schichtwerkstoffes absolut voneinan der entkoppelt, das bedeutet zeitlich, energetisch und örtlich voneinander getrennt, sind, wo bei zum Anschmelzen der Bauteil- bzw. Werkstück-Oberfläche und zum Aufschmelzen des Schichtwerkstoffes zwei voneinander getrennte Energiequellen eingesetzt werden und das Ver fahren mit Abschmelzleistungen bis 75 kg/h durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als konventionelle Erwärm- bzw. Aufschmelzverfahren beim Anschmelzen der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche und beim Aufschmelzen der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche und beim Aufschmelzen des Schicht werkstoffes ein WIG- oder Plasma-Bogen und/oder das Induktionsschmelzverfahren verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtwerkstoff induktiv aufgeschmolzen wird und die Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche induktiv oder mittels des WIG- oder Plasma-Bogens angeschmolzen wird.

4. Vorrichtung zur Hochgeschwindigkeitsbeschichtung von Bauteilen und Werkstücken, wie sie in einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 3 beschrieben ist, bestehend aus zwei getrenn ten Energiequellen zur Anschmelzung von Bauteil- bzw. Werkstückoberflächen und zur Auf schmelzung des Schichtwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechenden Ein richtungen für die Bewegung des Bauteils bzw. Werkstückes (1) in X-, Y- und Z-Richtung bzw. eine Dreheinrichtung für die Rotation zylindrischer oder runder Bauteile angeordnet sind, die Energiequelle (6, 7 oder 10, 11) zur Anschmelzung der Bauteil- bzw. Werkstückoberflächen so positioniert ist, dass sie in Bewegungsrichtung gesehen so weit vor dem Auftreffpunkt der Schmelze (9) des Schichtwerkstoffes auf die Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche (1) auf diese Oberfäche einwirkt, dass die angeschmolzene Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche (1) am Auf treffpunkt der Schmelze (9) des Schichtwerkstoffes auf sie in die Abkühlphase einzutreten be ginnt, zur Aufschmelzung des Schichtwerkstoffes eine weitere Energiequelle (4) so angeordnet ist, dass sie an der unteren Hälfte des Behältnisses (3), in dem sich der aufzuschmelzende Schichtwerkstoff (9) befindet, einwirkt und das Behältnis (3), in dem der Schichtwerkstoff (9) aufgeschmolzen wird, neben der Öffnung zum Einfüllen bzw. kontinuierlichen Nachfüllen des Schichtwerkstoffes an seinem oberen Ende auch eine Öffnung zum Auslaufen des erschmolze nen Schichtwerkstoffes (9) an seinem unteren Ende aufweist, sich an diese untere Öffnung ei ne Düse (5) zum Auslaufen der Schichtwerkstoffschmelze (9) anschließt, die sich in definiertem Abstand zu der zu beschichtenden Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche (1) befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (3), in dem der Schichtwerkstoff (9) erschmolzen wird, ein Tiegel aus einem für den Schichtwerkstoff und sei ne Schmelztemperatur geeigneten Material ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (5) so ange ordnet ist, dass sie im Moment der Beschichtung an das Behältnis (3) anschließt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (3) und die Düse (5) ein Bauteil ist, d. h., dass das Behältnis (3) an dem Ende, an dem die Schichtwerkstoff schmelze ausläuft zu einer Düse (5) geformt ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche von 4 bis 7, dadurch gekennzeich net, dass die Düse (5) eine Schlitzdüse ist, bei der die Schlitzausmaße dem entsprechenden Anwendungsfall angepasst sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche von 4 bis 7, dadurch gekennzeich net dass die Düse (5) eine Lochdüse ist, bei der die Lochausmaße dem entsprechenden An wendungsfall angepasst sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche von 4 bis 9, dadurch gekennzeich net, dass zum besseren Auslaufen bzw. zur besseren Steuerung und Kontrolle des Auslaufens der Sichtwerkstoffschmelze aus der Düse (5) in Verbindung mit dieser bzw. mit dem Behältnis (3) an dem sie anschließt bzw. mit dem kombinierten Behältnis-Düse-Bauteil eine weitere Vor richtung (8) angeordnet ist, mit deren Hilfe die Düse (5), das Behältnis (3) oder die Behältnis- Düse-Kombiantion mit Druck beaufschlagt werden können, deren Höhe durch die benötigt Schmelzmenge vorgegeben wird.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen (6, 7, oder 10, 11) zur Anschmelzung der Bauteil- bzw. Werkstückober fläche (1) und (4) zur Aufschmelzung des Schichtwerkstoffes (9) konventionelle Energiequellen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese Energiequellen (4, 6, 7, 10 oder 11) Induktoren und/oder WIG- oder Plasmabögen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufschmelzung des Schichtwerkstoffes mindestens ein Induktor (4) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Induktor (4) das Be hältnis (3), in dem der Schichtwerkstoff erschmolzen wird, am Aufschmelzbereich ringförmig umschließt.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche von 12 bis 14, dadurch gekennzeich net dass zum Anschmelzen der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche (1) mindestens ein Induk tor oder mindestens ein WIG/Plasma-Lichtbogen-Schweißbrenner angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, 15, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Energie quelle zur Aufschmelzung des Schichtwerkstoffes ein Induktor (4) und als Energiequelle zur Anschmelzung der Bauteil- bzw. Werkstückoberfläche (1) ein WIG- oder Plasma-Schweißbren ner (6, 7) angeordnet ist.