DE19747386A1 - Verfahren zum thermischen Beschichten von Substratwerkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Substratwerkstoffen durch thermisches Spritzen, wobei ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Gases auf die zu beschichtende Oberfläche des Substratwerkstoffes geleitet wird, ohne daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl geschmolzen werden.

Das thermische Spritzen zum Beschichten kennt als Verfahrensvarianten das auto­ gene Flammspritzen oder das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das Lichtbogen­ spritzen, das Plasmaspritzen, das Detonationsspritzen und das Laserspritzen.

Thermische Spritzverfahren werden in allgemeiner Form beispielsweise in

• - Übersicht und Einführung in das "Thermische Spritzen", Peter Heinrich Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 52/1982, Seiten 29 bis 37,

oder

• - Thermisches Spritzen - Fakten und Stand der Technik, Peter Heinrich Jahrbuch Oberflächentechnik 1992, Band 48,1991, Seiten 304 bis 327, Metall-Verlag GmbH,

beschrieben.

Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen ermöglichen. Durch thermische Spritz­ verfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die Spritzmaterialien können dabei in Form von Drähten, Stäben oder als Pulver verarbeitet werden. Beim thermi­ schen Spritzen kann zusätzlich eine thermische Nachbehandlung vorgesehen sein.

In jüngerer Zeit wurde darüber hinaus ein weiteres thermisches Spritzverfahren ent­ wickelt, welches auch als Kaltgasspritzen bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um eine Art Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens mit Pulver. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0484 533 B1 beschrieben. Beim Kaltgasspritzen kommt ein Zusatzwerkstoff in Pulverform zum Ein­ satz. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl ge­ schmolzen. Vielmehr liegt die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelz­ punktes der Zusatzwerkstoffpulverpartikel (EP 0 484 533 B1). Im Kaltgasspritzver­ fahren wird also ein im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren "kaltes" bzw. ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet. Gleichwohl wird das Gas aber ebenso wie in den herkömmlichen Verfahren erwärmt, aber in der Regel lediglich auf Tempe­ raturen unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes.

Im Kaltgasverfahren nach dem Stand der Technik (EP 0 484 533 B1) wird als Gas Luft, Helium oder ein Gemisch aus Luft und Helium eingesetzt. Beim Einsatz von Luft werden die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 600 m/s, beim Einsatz von Helium auf eine Geschwindigkeit von 1000 bis 1200 m/s und beim Einsatz eines Luft/Helium-Gemisches auf eine Geschwindigkeit im Bereich von 300 bis 1200 m/s beschleunigt. Die Partikelgeschwindigkeit kann auch im Bereich zwischen 300 und 1200 m/s durch Erhitzen des Gases von 30 bis 400°C gesteuert werden. Das Gas wird mit einem Druck von etwa 5 bis etwa 20 bar eingesetzt. Es wird ein Pulver mit einer Partikelgröße von 1 bis 50 µm verwendet.

Das Kaltgasverfahren besitzt gegenüber herkömmlichen Verfahren des thermischen Spritzens eine Reihe von Vorteilen. Die thermische Einwirkung und Kraftwirkung auf die Oberfläche des Substratwerkstoffes ist verringert, wodurch ungewollte Verände­ rungen der Materialeigenschaften des Substratwerkstoffes verhindert oder zumindest merklich verringert werden können. Ebenso können weitgehend Änderungen in der Struktur des Substratwerkstoffs unterbunden werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß eingangs genannte Ver­ fahren weiterzubilden, und die Qualität der Beschichtungen zu verbessern und/oder die Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit des Kaltgaspritzverfahrens zu vergrößern.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das den pulverförmigen Zusatzwerk­ stoff tragende Gas ein Stickstoff enthaltendes, sauerstofffreies Gas, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, oder Mischungen der vorgenannten Gase enthält.

Unter Stickstoff enthaltendes Gas sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Stick­ stoff oder ein Stickstoff enthaltendes Gasgemisch zu verstehen. Als sauerstofffreie Gase werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Gase bezeichnet, die frei von elementarem Sauerstoff sind, wobei sich diese Angabe auf technische Reinheiten bezieht, also Verunreinigungen von elementarem Sauerstoff zugelassen sind.

Die Angabe, daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl nicht ge­ schmolzen werden, soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch bedeuten, daß die Partikel im Gasstrahl im wesentlichen nicht angeschmolzen werden. Dies kann da­ durch sichergestellt werden, daß die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes liegt. Aber selbst bei Tem­ peraturen des Gasstrahles von 100 K bis zu 200 K oberhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes kann aufgrund der extrem kurzen Verweilzeit der Partikel im Gasstrahl im Bereich von Millisekunden ein Schmelzen oder auch ein An­ schmelzen der Pulverpartikel verhindert werden. Die Bedeutung der höheren Gastem­ peraturen bzw. der Vorteil der Erwärmung des Gases liegt darin, daß in heißeren Ga­ sen die Schallgeschwindigkeit höher ist und dadurch auch die Partikelgeschwindigkeit vergleichsweise größer wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz von unterschiedlichen Gasen zum Beschleunigen und Tragen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes die Flexibilität und Wirksamkeit des Verfahrens wesentlich vergrößert werden kann. Die erfindungsgemäß hergestellten Beschichtungen haften sehr gut auf den verschieden­ sten Substratwerkstoffen, beispielsweise auf Metall, Metallegierungen, Keramik, Glas, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stellten Beschichtungen sind von hoher Güte, weisen eine außerordentlich geringe Porosität auf und besitzen extrem glatte Spritzoberflächen, so daß sich in der Regel eine Nacharbeitung erübrigt. Die erfindungsgemäß eingesetzten Gase besitzen eine ausreichende Dichte und Schallgeschwindigkeit, um die erforderlichen hohen Ge­ schwindigkeiten der Pulverpartikel gewährleisten zu können. Das Gas kann dabei inerte und/oder reaktive Gase enthalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht mit diesen Gasen die Herstellung von sehr dichten und besonders gleichmäßigen Be­ schichtungen, welche sich außerdem durch ihre Härte und Festigkeit auszeichnen. Die erfindungsgemäß hergestellten Beschichtungen weisen extrem geringe Oxidgehalte auf. Sie besitzen keine oder zumindest keine ausgeprägte Textur, d. h. es gibt keine Vorzugsorientierung der einzelnen Körner oder Kristalle. Das Substrat wird ferner nicht durch eine Flamme oder ein Plasma erwärmt, so daß keine oder nur extrem geringe Veränderungen am Substrat und auch kein Verzug von Werkstücken durch Wärme­ spannungen auftreten.

Mit Vorteil kann dem Gas Helium zugemischt werden. Der Anteil des Helium am Ge­ samtgas kann bis zu 90 Vol.-% betragen. Bevorzugt wird ein Heliumanteil von 10 bis 50 Vol.-% im Gasgemisch eingehalten.

Der Gasstrahl kann auf eine Temperatur im Bereich zwischen 30 und 800°C erwärmt werden, wobei alle bekannten pulverförmigen Spritzmaterialien eingesetzt werden können. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Spritzpulver aus Metallen, Metall­ egierungen, Hartstoffen, Keramiken und/oder Kunststoffen.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Gas­ strahles im Bereich zwischen 300 und 500°C gewählt. Diese Gastemperaturen eignen sich insbesondere für den Einsatz von reaktiven Gasen oder reaktiven Gasbestand­ teilen. Als reaktive Gase oder Gasbestandteile sind insbesondere Wasserstoffzumi­ schungen, kohlenstoffhaltige Gase oder stickstoffhaltige Gase zu erwähnen.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein Gasstrahl mit einem Druck von 5 bis 50 bar eingesetzt. Vor allem das Arbeiten mit höheren Gasdrücken bringt zusätzliche Vorteile, da die Energieübertragung in Form von kinetischer Energie erhöht wird. Im erfindungs­ gemäßen Verfahren eignen sich Gasdrücke im Bereich von 21 bis 50 bar. Hervor­ ragende Spritzergebnisse wurden beispielsweise mit Gasdrücken von etwa 35 bar erzielt. Die Hochdruckgasversorgung kann beispielsweise durch das in der deutschen Patentanmeldung DE 197 16 414.5 beschriebene Verfahren bzw. die dort beschrie­ bene Gasversorgungsanlage sichergestellt werden.

Im erfindungsgemäßen Verfahren können die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich dabei insbesondere Geschwindigkeiten der Pulverpartikel zwischen 1000 und 1600 m/s, besonders bevorzugt Geschwindigkeiten der Pulverpartikel zwischen 1250 und 1600 m/s, da in diesem Fall die Energieübertragung in Form von kinetischer Ener­ gie besonders hoch ausfällt.

Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Pulver besitzen bevorzugt Partikel­ größen von 1 bis 100 µm.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können alle geeigneten Vor­ richtungen eingesetzt werden. Insbesondere gilt dies für die in der EP 0 484 533 B1 beschriebene Vorrichtung.

Claims (7)

1. Verfahren zum Beschichten von Substratwerkstoffen durch thermisches Spritzen, wobei ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Gases auf die zu beschich­ tende Oberfläche des Substratwerkstoffes geleitet wird, ohne daß die Pulver­ partikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl geschmolzen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Stickstoff enthaltendes sauerstofffreies Gas, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, oder Mischungen der vorgenannten Gase enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gas Helium zugemischt ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gasstrahles im Bereich zwischen 30 und 800°C liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gasstrahles im Bereich zwischen 300 und 500°C liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrahl einen Druck von 5 bis 50 bar aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit zwischen 1000 und 1600 m/s beschleunigt werden.