DE19628346A1

DE19628346A1 - Werkstoff in Pulver- oder Drahtform auf Nickelbasis für eine Beschichtung sowie Verfahren und Verwendungen dazu

Info

Publication number: DE19628346A1
Application number: DE19628346A
Authority: DE
Inventors: Gary Robert Dr Heath; Peter Dr Heimgartner; Ingo Kretschmer
Original assignee: Castolin SA
Current assignee: ECG Immobilier SA
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1996-07-13
Publication date: 1998-01-02
Also published as: DE59711271D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff in Pulver- oder Drahtform auf Nickelbasis zum Herstellen einer Beschichtung hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens, beispielsweise durch thermisches Spritzen, Plasmapulverauftragsschweißen oder Lichtbogenschweißen. Zudem erfaßt die Erfindung Verfahren zum Auftragen eines solchen Werkstoffes sowie die Verwendungen einer solchen Beschichtung.

Die Verwendung von Nickelbasis-Legierungen mit Zusätzen von Chrom und Molybdän zum Verschleiß- sowie Korrosionsschutz sind seit langem bekannt und werden in vielen Industrie zweigen zum thermischen Spritzen und Schweißen mit Erfolg eingesetzt.

So beschreibt etwa die US-A-4 325 995 eine größere Anzahl von Legierungen auf Nickelbasis mit Zusätzen wie Chrom, Mo lybdän, Bor, Silizium und anderen Komponenten. Auch der US- A-3 999 952 sind Legierungen im Legierungsbereich von 5 bis 15 Gew.-% B; 5 bis 50 Gew.-% Cr; 1 bis 50 Gew.-% Mo; 20 bis 96 Gew.-% Fe zu entnehmen, die zudem zusätzlich 1 bis 50% Ni enthalten können.

Betrachtet man diese beiden Schriften -- oder DE-A-25 56 960 und DE-A-38 23 140 -- so stellt man fest, daß sie vor nehmlich das Beschichten oder das Erzeugen von Sinterkör pern erörtern. Bei diesen vorbekannten Legierungen wird auf ihre gute Korrosionsbeständigkeit hingewiesen.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin der das Ziel gesetzt, derartige Legierungszusammensetzungen weitergehend zu verbessern und vor allem deren Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit über das bisher bekannte Maß hinauszuheben.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängi gen Patentansprüche; die Unteransprüche geben günstige Aus gestaltungen an.

Dank der Erfindung wurde es in der Tat möglich, Legierungen herzustellen und mit diesen Beschichtungen durchzuführen, deren Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit weit über diese Eigenschaften bekannter Legierungen hinausreichen. Dies ergibt sich wohl durch den Zusatz von Kupfer in einem bestimmten Legierungsbereich der Zusatzelemente Molybdän, Chrom, Kohlenstoff, Bor sowie Silizium und zwar in folgenden Bereichen (jeweils in Gewichts-%)

C\|0,005-1,0;
Cr	10,0-26,0;
Mo	8,0-20,0;
Fe	0,1-10,0;
Si	3,0-7,0;
B	1,0-4,0;
Cu	0,1-5,0;
Ni	Rest,

insbesondere

C\|0,01-0,5;
Cr	14,0-20,0;
Mo	10,0-18,0;
Fe	0,5-5,0;
Si	4,0-6,5;
B	1,5-3,5;
Cu	1,0-4,0;
Ni	Rest

oder

C\|0,05-0,3;
Cr	15,0-18,0;
Mo	12,0-16,0;
Fe	2,0-4,0;
Si	4,5-5,5;
B	2,0-3,0;
Cu	2,0-3,0;
Ni	Rest.

Der Beschichtungswerkstoff wird bevorzugt in Pulverform eingesetzt und kann dann zudem mit einem Ni-B-Si-Pulver und/oder einem Ni-Cr-B-Si-Pulver gemischt werden.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Verfahren zum Auftragen eines erfindungsgemäßen Werkstoffes zum Herstellen von Beschichtungen hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit auf einem Werkstück durch ein thermisches Beschichtungsverfahren, bei dem der pulverförmige Beschichtungswerkstoff legiert und aus dem Schmelzfluß verdüst oder aber aus verschiedenen legierten und nicht legierten Metallpulvern agglomeriert wird.

Zudem hat es sich als günstig erwiesen, den Beschichtungswerkstoff als Fülldraht oder als legiertes und gegossenes Stabmaterial einzusetzen.

Das Auftragen des erfindungsgemäßen Werkstoffes kann durch thermisches Spritzen mittels eines Plasmapulver-Auftrags schweißverfahrens, eines Flammspritzverfahrens mit nach träglichem Einschmelzen, eines Flammspritzverfahrens - insbesondere eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfah rens -, eines Lichtbogenzweidraht-Spritz-Verfahrens oder mit einem Lichtbogenschweiß-Verfahren erfolgen.

Versuche haben gezeigt, daß eine auf die beschriebene Weise erzeugte Beschichtung bevorzugt die folgenden Einsatzfälle ermöglicht:

- als Hochtemperatur-Schutzschicht;
- als Korrosions-Schutzschicht;
- als Verschleiß-Schutzschicht.

Diese Schutz schichten dienen dem Verschleiß- und Korrosionsschutz in der chemischen Industrie oder der pharmazeutischen Industrie, in der Papier-Industrie, in der Glas-Industrie oder in der Kunststoffe verarbeitenden Industrie.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.

BEISPIEL 1

Eine an der Oberfläche sehr stark korrodierte Wellenscho nerbüchse für ein Rührwerk der Papier-Industrie sollte durch Flammspritzen und nachträgliches Einschmelzen mit einer selbstfließenden pulverförmigen Legierung hoher Ver schleiß- und Korrosionsbeständigkeit beschichtet werden. Die Zusammensetzung der ausgewählten Legierung war (in Gew.-%):

C\|0,1;
Cr	16,5;
Mo	13,2;
Fe	4,5;
B	3,5;
Si	5,0;
Cu	1,5;
Ni	Rest.

Nach dem Reinigen und Abdrehen der korrodierten Oberfläche wurde diese durch Strahlen mit Korund einer Kornverteilung zwischen 0,3 und 0,6 mm vorbereitet sowie anschließend eine Schicht einer Schichtdicke von 1,4 mm mit einem autogenen Flamspritzbrenner aufgespritzt. Nach dem Aufspritzen wurde die Schicht mit einem autogenen Einschmelzbrenner einge schmolzen und -- um Risse zu vermeiden -- langsam abge kühlt.

Die beschichtete Wellenschonerbüchse wurde nach dem Abküh len auf Raumtemperatur durch Drehen und Schleifen auf eine Oberflächenrauhigkeit von 3 µm Ra bearbeitet. An der Schichtoberfläche konnten optisch keine Fehler festgestellt werden.

Nach der für die nichtbeschichtete Wellenschonerbüchse be kannten maximalen Laufzeit wurde die -- wie vorstehend dar gestellt -- beschichtete ausgebaut. Bei der Kontrolle der Beschichtung konnte nach dieser Laufzeit ein Korrosionsan griff nicht festgestellt werden.

BEISPIEL 2

Der Pumpenschaft einer Pumpe in einer Chemieanlage, die durch das in dieser verarbeitete Medium -- und die darin enthaltenen ausgefällten Salzkristalle -- einer sehr star ken Korrosions- und Verschleißbeanspruchung unterworfen war, mußte wegen dieser Beanspruchung der Pumpenwelle nach etwa zwei Wochen Laufzeit ausgetauscht werden.

Nun sollte versucht werden, diese sehr kurze Laufzeit durch eine Beschichtung zu verlängern. Da das Bauteil relativ wärmeempfindlich ist, mußte eine Schicht ohne Einschmelzen aufgebracht werden, weshalb als Beschichtungsverfahren das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) herangezogen wurde.

Der für diese Beschichtung ausgewählte pulverförmige Spritzwerkstoff hatte die folgende chemische Zusammenset zung (in Gew.-%):

C\|0,4;
Cr	18,2;
Mo	16,1;
Fe	4,1;
B	2,1;
Si	5,5;
Cu	3,0;
Ni	Rest.

Nach Vorbereitung der zu beschichtenden Oberfläche durch Abstrahlen mit Siliziumkarbid wurde diese mit einer HVOF-Pistole unter Verwendung des ausgewählten pulverförmigen Spritzwerkstoffes 0,3 mm dick beschichtet; die Temperatur des Teiles lag während des Beschichtungsvorganges bei 80°C.

Die fertig bearbeitete Schicht hatte auf dem Pumpenschaft eine Schichtdicke von 0,2 mm bei sehr guter Oberflächen güte.

Wie bei einem Betriebsversuch festgestellt, wurde durch die aufgebrachte Beschichtung die Standzeit des Pumpenschaftes um das 3-fache erhöht.

BEISPIEL 3

Ein durch Verschleiß sehr stark belasteter Schiebeventil sitz in der Zuckerindustrie mußte wegen Beschädigung der Dichtfläche nach einer relativ kurzen Laufzeit ausgetauscht werden.

Zur Senkung der Unterhaltskosten wurde vorgeschlagen, eine Beschichtung besserer Beständigkeit gegen Verschleiß und Korrosion durch ein Plasmapulverauftrags-Schweißverfahren (PTA) mit transferiertem Lichtbogen und dem folgenden pul verförmigen Beschichtungswerkstoff (in Gew.-%) durchzufüh ren:

C\|0,25;
Cr	20,5;
Mo	18,5;
Fe	1,0;
B	1,5;
Si	4,0;
Cu	2,0;
Ni	Rest.

Das PTA-Beschichten erfolgte mit einer Stromstärke von 130-150 A bei einer Pulverdurchsatzleistung von 1,5 kg/h. Als Plasmagas wurden Argon/Wasserstoff und als Schutzgas Ar gon verwendet.

Die aufgeschweißte Schicht hatte eine Schichtdicke von 4,0 mm und die fertig bearbeitete Schicht eine Schichtdicke von 3,00 mm mit einer sauberen poren- sowie fehlerfreien Dich tungsfläche.

Beim anschließenden Einsatz konnte eine erhebliche Stand zeiterhöhung festgestellt werden.

BEISPIEL 4

In einer Zuckerfabrik zeigte sich an der Innenseite eines Flansches ein starker einseitiger Angriff durch Verschleiß und Korrosion. Da das Teil verhältnismäßig groß ist, mußte die Beschichtung in eingebautem Zustand durchgeführt wer den.

Zum Beschichten wurden ein Schutzgasschweißverfahren (MIG) sowie ein Fülldraht von 1,6 mm Durchmesser mit einer Depotanalyse (in Gew.-%) wie folgt ausgewählt:

C\|0,25;
Cr	18,0;
Mo	13,0;
Fe	4,2;
B	1,5;
Si	3,0;
Cu	2,5;
Ni	Rest.

Nach dem MIG-Schweißen wurde die beschichtete Stelle nach bearbeitet und die Anlage wieder in Betrieb genommen. Auch nach längeren Laufzeiten traten keine Probleme durch Abnut zung an der behandelten Stelle auf.

BEISPIEL 5

Ein Zwischenlagerbehälter eines Durchmessers von 2,50 m und einer Tiefe von 3,0 m für Zelluloselösungen in einer Pa pierfabrik sollte gegen Korrosion geschützt werden. Ange sichts der Dimensionen des Zwischenlagerbehälters wurde das Zweidraht-Lichtbogenspritzverfahren wegen seines relativ hohen Spritzwerkstoff-Durchsatzes vorgeschlagen, um die Stillstandzeit für das Beschichten zu verkürzen.

Als Spritzzusatzwerkstoff wurden Fülldrähte eines Durchmes sers von 1,6 mm verwendet. Die Zusammensetzung der aufge spritzten Schicht (in Gew.-%) war folgende:

C\|0,5;
Cr	17,0;
Mo	15,2;
Fe	3,0;
B	2,5;
Si	4,5;
Cu	3,0.

Die Vorbereitung der zu beschichtenden Oberfläche erfolgte durch Strahlen mit Korund einer Korngröße zwischen 0,6 und 0,8 mm. Sofort nach der Vorbereitung wurde die Fläche unter Verwendung einer Bewegungseinrichtung für die Spritzpistole halbautomatisch gespritzt. Die Spritzparameter waren:

Stromstärke:\|200 A;
Spannung:	32 V;
Druck der Zerstäubungsluft:	4,5 bar;
Spritzwerkstoffdurchsatz:	8 kg/h;
Spritzabstand:	200 bis 250 mm.

Die Schichtdicke betrug nach dem Spritzen 1,2 mm. Um die Rauhigkeit der entstandenen Schicht zu mindern, wurde nach dem Beschichten die Oberfläche leicht geschliffen. Die fer tige Schicht hatte keine sichtbaren Fehler oder Risse.

Das Ergebnis der Behandlung war sehr zufriedenstellend, je doch können über längerfristige Resultate beim Einsatz bis jetzt keine Aussagen gemacht werden.

Claims

1. Werkstoff in Pulver- oder Drahtform auf Nickelbasis zum Herstellen einer Beschichtung hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit mittels eines thermischen Be schichtungsverfahrens in der folgenden Zusammensetzung (in Gew.-%): C|0,005-1,0; Cr 10,0-26,0; Mo 8,0-20,0; Fe 0,1-10,0; Si 3,0-7,0; B 1,0-4,0; Cu 0,1-5,0; Ni Rest.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pulver- oder drahtförmige Werkstoff eine Zusammen setzung in den folgenden Abgrenzungen (in Gew.-%) auf weist: C|0,01 -0,5; Cr 14,0-20,0; Mo 10,0-18,0; Fe 0,5-5,0; Si 4,0-6,5; B 1,5-3,5; Cu 1,0-4,0; Ni Rest.

3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der pulver- oder drahtförmige Werkstoff eine Zusammensetzung in den Abgrenzungen (in Gew.-%) auf weist: C|0,05-0,3; Cr 15,0-18,0; Mo 12,0-16,0; Fe 2,0-4,0; Si 4,5-5,5; B 2,0-3,0; Cu 2,0-3,0; Ni Rest.

4. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der pulverförmige Werkstoff mit einem Ni-B-Si-Pulver und/oder einem Ni-Cr-B-Si-Pulver gemischt ist.

5. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß er insbesondere zum Flammspritzen und nachträglichen Einschmelzen mit einer selbstfließenden pulverförmigen Legierung folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) aufweist: C etwa 0,1; Cr etwa 16,5; Mo etwa 13,2; Fe etwa 4,5; Si etwa 5,0; B etwa 3,5; Cu etwa 1,5; Ni Rest.

6. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß er pulverförmig sowie insbesondere zum Auftragen durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen von folgender chemischer Zusammensetzung (in Gew.-%) ist: C etwa 0,4; Cr etwa 18,2; Mo etwa 16,1; Fe etwa 4,1; Si etwa 5,5; B etwa 2,1; Cu etwa 3,0; Ni Rest.

7. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß er pulverförmig sowie insbesondere zum Auftragen durch ein Plasmapulverauftrags-Schweiß verfahren mit transferiertem Lichtbogen von folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) ist: C etwa 0,25; Cr etwa 20,5; Mo etwa 18,5; Fe etwa 1,0; Si etwa 4,0; B etwa 1,5; Cu etwa 2,0; Ni Rest.

8. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß er als Fülldraht ausgebildet sowie insbesondere zum Auftragen mittels Schutzgasschweißver fahren von folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) ist: C etwa 0,25; Cr etwa 18,0; Mo etwa 13,0; Fe etwa 4,2; Si etwa 3,0; B etwa 1,5; Cu etwa 2,5; Ni Rest.

9. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß er als Fülldraht insbesondere beim Auftragen im Zweidraht-Lichtbogenspritzverfahren eine aufgespritzte Schicht folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) bildet: C|0,5; Cr 17,0; Mo 15,2; Fe 3,0; Si 4,5; B 2,5; Cu 3,0.

10. Verfahren zum Auftragen eines Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, zum Herstellen von Beschichtun gen hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit auf einem Werkstück durch ein thermisches Beschichtungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der pulverförmige Beschichtungswerkstoff legiert und aus dem Schmelzfluß verdüst wird.

11. Verfahren zum Auftragen eines Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Herstellen von Beschichtungen hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit auf einem Werkstück durch ein thermisches Beschichtungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der pulverförmige Beschich tungswerkstoff aus verschiedenen legierten und nicht legierten Metallpulvern agglomeriert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der pulverförmige Werkstoff mit einem Ni-B-Si-Pulver und/oder einem Ni-Cr-B-Si-Pulver gemischt wird.

13. Verfahren zum Auftragen eines Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Herstellen von Beschichtungen hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit auf einem Werkstück durch ein thermisches Beschichtungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschichtungswerkstoff als Fülldraht oder als legiertes und gegossenes Stabma terial eingesetzt wird.

14. Verfahren zum Auftragen eines Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere mittels eines Ver fahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 11, durch ther misches Spritzen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mittels eines Plasmapulver-Auftrags schweißverfahrens beschichtet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mittels eines Flammspritzverfahrens mit nachträglichem Einschmelzen beschichtet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mittels eines Flammspritzverfahrens, ins besondere mittels eines Hochgeschwindigkeits-Flamm spritzverfahrens, beschichtet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mittels eines Lichtbogenzweidraht-Spritz verfahrens beschichtet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mittels eines Lichtbogenschweiß-Verfah rens beschichtet wird.

20. Verwendung einer durch ein thermisches Beschichtungs verfahren mit einer Legierung auf Nickelbasis hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder dem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 19 hergestellten Beschichtung als Hochtemperatur-Schutzschicht.

21. Verwendung einer durch ein thermisches Beschichtungs verfahren mit einer Legierung auf Nickelbasis hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder dem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 19 hergestellten Beschichtung als Korrosions-Schutzschicht.

22. Verwendung einer durch ein thermisches Beschichtungs verfahren mit einer Legierung auf Nickelbasis hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder dem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 19 hergestellten Beschichtung als Verschleiß-Schutzschicht.

23. Verwendung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, für den Verschleiß- und Korrosionsschutz in der chemischen In dustrie oder der pharmazeutischen Industrie.

24. Verwendung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, für den Verschleiß- und Korrosionsschutz in der Papier-Indu strie.

25. Verwendung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, für den Verschleiß- und Korrosionsschutz in der Glas-Industrie.

26. Verwendung nach einem der Ansprüche 20 bis 22 für den Verschleiß- und Korrosionsschutz in der Kunststoff ver arbeitenden Industrie.