DE19733306C1

DE19733306C1 - Zusatzmaterial zum thermischen Beschichten tribologisch beanspruchter Bauteile

Info

Publication number: DE19733306C1
Application number: DE19733306A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Ing Roethig; Hans Joachim Prof Dr Ing Kecke; Bernd Dr Ing Reichmann; Rolf Dr Ing Reiter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2017-08-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Zusatzmaterial zum thermischen Beschichten tribologisch sowie thermisch und chemisch beanspruchter Bauteile des Maschinen-, Apparate- und Anlagenbau es.

Bei metallischen Reibpaarungen mit Festkörperkontakt werden die beanspruchten Flächen zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit in vielen Fällen durch Beschichtung mit harten Materialien gepanzert. Für thermomechanisch hochbelastete Gleitpaarungen werden im Ma schinen- und Anlagenbau meist Kobalt (Stellite)- oder Nickelhartlegierungen eingesetzt (Tab. 1), wobei die Kobalthartlegierungen ein besseres Reibverhalten aufweisen. Nachteil dieser Legierungen sind ihr hoher Materialpreis sowie gesundheitliche Gefährdungen für den Men schen, die sich aus Ihrer Verwendung ergeben. Nickeldämpfe sind krebserregend und Kobalt bzw. Kobaltlegierungen sind in Nuklearanlagen durch Bildung des langlebigen radioaktiven Isotopes Co 60 nicht einsetzbar. Hartlegierungen auf Eisenbasis sind zwar kostengünstiger, werden aber wegen ihrer zum Teil hohen Sprödbruchanfälligkeit bevorzugt für abrasive Be anspruchungen eingesetzt. Im Reibverhalten sind sie den Co-Hartlegierungen deutlich unter legen. Ihre Korrosionsbeständigkeit ist gegenüber den Kobalt- und Nickelhartlegierungen schlechter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Zusatzmaterial auf Eisenbasis zum thermischen Beschichten tribologisch beanspruchter Bauteile anzugeben, das die Ausbil dung einer reibungs- und verschleißarmen Hartlegierung mit guten Korrosionseigenschaften ermöglicht, wobei die Metallmatrix aus metastabilem Austenit und hexagonalem ε-Martensit besteht und deshalb ein gleichgutes Reibverhalten wie bei Hartlegierungen auf Kobaltbasis (Stellite) erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Zusatzmaterials gemäß Anspruch 1 ge lößt. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß die durch Auftragschweißen, Auf tragspritzen oder anderer thermischer Beschichtungsverfahren hergestellte Schicht eine Hart legierung bzw. ein Verbund aus einer metastabilen austenitischen FeMn- bzw. FeMnCr- Metallmatrix mit eingelagerten boridischen Hartstoffen ist (Bild 1). Beschichtungen, die mit tels des erfindungsgemäßen Zusatzmaterials hergestellt werden, ermöglichen damit die Stei gerung des Gebrauchswertes und der Lebensdauer reibbeanspruchter Bauteile, z. B. Sitzflä chen von Rohrleitungsschiebern bzw. Ventile bei Verbrennungsmotoren oder Aktivkompo nenten bei Extrudern. Das Zusatzmaterial für die erfindungsgemäße Herstellung einer ver schleiß- und korrosionsbeständigen Schicht besteht aus folgenden Komponenten in Ge wichtsprozent, bezogen auf die Masseprozent:
15-40% Mn,
0,1-30% Cr,
0,1-8% Si,
0,1-6% Ni,
≦ 1% Al,
≦ 0,2% C,
0,5-7% B,
≦ 0,05% S,
≦ 0,05% P,
sowie Zusätzen von
≦ 5% Mo,
≦ 5% Ti,
≦ 6% Nb,
≦ 6% V,
≦ 12% W,
zusammen bis höchstens 12%, Rest Fe, einschließlich unvermeidbarer metallurgischer Ver unreinigungen.

Das Zusatzmaterial ist entweder ein Pulvergemisch, eine gasverdüste Legierung, ein agglo meriertes Metallpulver, ein Fülldraht bzw. Füllband, ein Sinterband oder eine gegossene, um hüllte Stabelektrode.

Die metallische Matrix, Herzstück einer Hartlegierung, hat neben der festen Einbettung der Hartstoffe, die Träger einer hohen Härte des Verbundes sind, zusätzliche Anforderungen zu erfüllen:

- mechanische Stabilität und Duktilität (hohe Mischkristallhärte, hohe Rißzähigkeit),
- thermische Stabilität (hoher Schmelzpunkt, gute Wärmeleitfähigkeit, geringe Wärmeaus dehnung),
- chemische und elektrochemische Beständigkeit,
- gutes Reibungs- und Verschleißverhalten.

Gegenüber den handelsüblichen Hartlegierungen resultiert der besondere Vorzug der erfin dungsgemäß hergestellten Hartlegierungen aus der thermodynamischen Instabilität des Austenits, aber je nach Mangangehalt auch des ε-Martensits, der metallischen Matrix im Le gierungsbereich zwischen 10 und 30% Mangan, bis zu 15% Chrom und Kohlenstoff ≦ 0,15% (Bild 2). Diese bewußt auf diesen Zustand metallurgisch ausgelegte Matrix neigt dann unter tribomechanischer Belastung zu martensitischen Phasenumwandlungen γ -< (ε) -< α' und γ -< ε. Die damit verbundenen Eigenschaftsänderungen:

- Steigerung der Festigkeit
Bildung von tribomechanisch induziertem α'- und ε-Martensit in Oberflächenbereichen mit starker Beanspruchung,
Entstehung von Druckeigenspannungen bei α'-Martensitbildung,
- Verbesserung der Rißzähigkeit
Erzeugung und Bewegung für die Martensitbildung notwendiger Umwandlungsversetzun gen in der Metallmatrix (Umwandlungsplastizität),
- Erniedrigung des Reibaufwandes durch ε-Martensitbildung
geringe Scherfestigkeit zwischen den Basisebenen der hexagonalen Atomzelle sowie Ein drehung der Basisebenen (Reibtextur) parallel zur reibbeanspruchten Oberfläche,
- Erhöhung der Energiedissipation
Der für die Form- und Volumenänderung des Martensits benötigte Energiebetrag wird der durch Reibung eingeleiteten Energie entzogen und in Form von Umwandlungswärme an die Umgebung abgegeben und steht damit insbesondere bei ermüdungsartiger Werkstoff schädigung der Verschleißbildung nicht mehr zur Verfügung,

die das Reibungs- und Verschleißverhalten der Matrix verbessern (

Bild

2 im Bereich von 15 bis 30% Mn sowie

Bild

3 am Beispiel von FeMn20Cr12), ermöglichen in Zusammenhang mit den boridischen Hartphasen die Ausbildung einer Oberflächenstruktur mit tribologisch geeignetem Eigenschaftsprofil. Damit weisen die erfindungsgemäß hergestellten Hartstoff schichten bzw. Hartlegierungen mit metastabiler austenitischer FeMn-Basis im Vergleich zu den mit handelsüblichen Zusatzmaterialen auf Co- und Ni-Basis hergestellten Hartlegierun gen bei niedrigeren Materialkosten ein besseres aber mindestens gleichwertiges Triboverhal ten auf.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Zusatzmaterials mit der chemischen Zusammensetzung:
20-22% Mn,
13-18% Cr,
0,1-2% Ni,
3-5% W,
0,1-0,15% C,
1,5-2,5% B,
Rest Eisen
läßt sich eine korrosionsbeständige Schicht mit gutem Reibverhalten herstellen, in deren zä her Metallmatrix, bestehend aus metastabilem Austenit und hexagonalem ε-Martensit, chrom reiche Mischboride eingelagert sind. Dieses Zusatzmaterial eignet sich vorzüglich zum Pan zern von Dichtflächen bei Rohrleitungsschiebern bzw. von Ventilen bei Verbrennungsmoto ren. In Tab. 2 bis 4 ist die tribologische Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Hartlegie rung (FeMnCrWB) im Vergleich zu handelsüblichen Hartmetallen auf Ni- und Co-Basis auf geführt.

Bei Anwendungen mit zusätzlicher abbrasiver Beanspruchung des Bauteils, z. B. zum Pan zern von Aktivkomponenten bei Extrudern oder bei Brechanlagen des Baustoffrecyclings, ist eine weitere Ausführungsform des Zusatzmaterials mit der chemischen Zusammensetzung:
20-22% Mn,
15-20% Cr,
0,1-2% Ni,
3-5% W,
0,1-0,15% C,
3-5% B,
vorteilhaft geeignet. Der sich durch den höheren Borgehalt in der aufgetragenen Schicht her ausgebildete hohe Anteil an Hartstoffen (Primärboride) verbessert die Abrasionsbeständigkeit dieser zähen Hartlegierung, so daß sich eine Leistungssteigerung einstellt, die die tribologi sche Leistungsfähigkeit handelsüblicher Hartlegierungen, wie die teueren Ni- und Co- Basislegierungen oder die meist sehr harten und daher rißempfindlichen Fe-Basislegierungen, mindestens erreicht.

Tab. 2: Chemische Zusammensetzung der untersuchten Hartlegierungen (in Masseprozent)

Tab. 3: Mineralgleitverschleiß w' von Hartlegierungen (Versuchsbedingungen siehe Bild 4)

Tab. 4: Reibung µ und Verschleiß w' von Hartlegierungen bei Temperaturen von 20 und 500°C (trockene oszillierende Gleitreibung, Versuchsbedingungen siehe Bild 4)

Claims

1. Zusatzmaterial in Form eines Gemisches, einer gasverdüsten Legierung, eines agglomerierten Metallpulvers, eines Fülldrahtes, eines Füllbands, eines Sinterbands oder einer gegossenen umhüllten Stabelektrode zum thermischen Beschichten tribologisch beanspruchter Bauteile, insbesondere mittels Auftragspritzen oder Auftragschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß es aus folgenden Komponenten in Masseprozent, bezogen auf die Gesamtanalyse, besteht:
15 bis 40% Mn,
0,1 bis 30% Cr,
0,1 bis 8% Si,
0,1 bis 6% Ni,
≦ 1% Al,
≦ 0,2% C,
0,5 bis 7% B,
≦ 0,05% S,
≦ 0,05% P,
sowie Zusätzen von
≦ 5% Mo,
≦ 5% Ti,
≦ 6% Nb,
≦ 6%V,
≦ 12% W,
zusammen bis höchstens 12%, Rest Fe, einschließlich unvermeidbarer metallurgischer Verunreinigungen.

2. Zusatzmaterial nach Anspruch 1, bestehend aus den Komponenten, bezogen auf die Gesamtanalyse in Masseprozent:
20 bis 25% Mn,
13 bis 20% Cr,
0,1 bis 2% Ni,
3 bis 6% W,
0,1 bis 0,15% C,
1,5 bis 2,5% B,
Rest Fe, einschließlich unvermeidbarer metallurgischer Verunreinigungen.

3. Zusatzmaterial nach Anspruch 1 bestehend aus den Komponenten, bezogen auf die Gesamtanalyse in Masseprozent:
18 bis 25% Mn,
13 bis 25% Cr,
0,1 bis 2% Ni,
3 bis 5% W,
0,1 bis 0,15% C,
4 bis 6% B,
Rest Fe, einschließlich unvermeidbarer metallurgischer Verunreinigungen.

4. Zusatzmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des Fülldrahtes oder des Füllbandes neben den Legierungskomponenten auch Flußmittelbestandteile in Mengenanteilen von 6-10% bezogen auf die Gesamtanalyse enthält.

5. Verwendung von Zusatzmaterial nach Anspruch 1 oder 4 zum Auftragen einer Schicht, die ein Verbund aus einer Metallmatrix, bestehend aus metastabilem Austenit, aus metastabilem Austenit und hexagonalem ε-Martensit oder aus metastabilem Austenit, hexagonalem ε-Martensit und α'-Martensit, und boridischen Hartstoffen aber weniger als 10 Volumen-% karbidischen Hartstoffen ist.

6. Verwendung eines Zusatzmaterials nach Anspruch 2 oder 4 zum Auftragen einer reibungs- und verschleißarmen Schicht bei Gleitpaarungen mit guter Beständigkeit gegenüber ermüdungs- und stoßartiger Werkstoffbeanspruchung.

7. Verwendung eines Zusatzmaterials nach Anspruch 3 oder 4 zum Auftragen einer reibungsarmen Schicht mit hoher Abrasionsbeständigkeit bei gleichzeitig hoher thermischer Belastbarkeit.