DE19757568A1 - Easily oxidized material is hard faced by plasma transferred arc powder weld deposition - Google Patents

Easily oxidized material is hard faced by plasma transferred arc powder weld deposition

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Abstract

Plasma transferred arc powder weld deposition on easily oxidized materials is carried out using a weld filler material of a CuNi alloy with certain alloy additions. In the process for coating of easily oxidized materials by plasma transferred arc powder weld deposition using d.c. or d.c.-superimposed a.c. by the method described in DE 19626941.5, the weld filler material comprises a CuNi alloy with additions of (by wt.) (a) less than 10% Fe, less than 5% Cr, less than 4% B, less than 4% Si and about 1.5% C, the mixing ratio with the parent material being more than 40 vol.%, or (b) less than 10% Mo, Mn, Co, Ti, Ta, Zr and Mg and less than 2% P and N. Preferred Features: The resulting deposit comprises a metallic matrix containing (by wt.) 30-70% Al, 42-21% Cu, 18-9% Ni, 6-2% Fe, 4-0.5% Cr, 1.8-0.5% Si, less than 2% B and less than 10% others.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Werkstoffen durch Plasma-Pulverauftragsschweißen nach Pa­ tentanmeldung 196 26 941.The invention relates to a method for coating Materials by plasma powder cladding according to Pa tent registration 196 26 941.

Das Beschichten von Werkstoffen auf Eisenbasis mit pulverförmigen Werkstoffen auf Nickel-, Kobalt- und/oder Kupferbasis wird seit langem in der Industrie durchgeführt. Beim Auftragen von leicht oxidierenden Werkstoffen wie etwa Aluminium, Titan, deren Legierungen ist durch die sich an der Oberfläche ausbildenden Oxide der Beschichtungsvorgang sehr stark gestört, gegebenenfalls gänzlich undurchführbar.Coating iron-based materials with powdery materials on nickel, cobalt and / or Copper base has long been used in industry. When applying slightly oxidizing materials such as Aluminum, titanium, their alloys is characterized by the the surface forming oxides the coating process very badly disturbed, possibly completely unworkable.

Auch Versuche, diese Vorgänge unter einem Schutzgas zu hal­ ten, schlugen fehl. Die einzige Möglichkeit für einen sol­ chen Beschichtungsvorgang ist das sehr kostspielige und umständliche Arbeiten unter Vakuum, das nie zu einer großtechnischen Anwendung geführt hat.Also attempts to hal these processes under a protective gas failed. The only way for a sol Chen coating process is very expensive and cumbersome work under vacuum that never becomes one large-scale application has led.

Mit der Hauptanmeldung 196 26 941.5 hat der Erfinder zur Lösung der Aufgabe, das Beschichten von leicht oxidierenden Werkstoffen - insbesondere von Leichtmetallen - auf ein­ fache und kostengünstige Weise zu ermöglichen, vorgeschla­ gen, auf einer Aluminiumlegierung eine Beschichtung mit einem pulverförmigen Zusatzwerkstoff durch Pulverauftrags­ schweißen mit übertragenem Plasmalichtbogen (PTA = Plasma Transferred Arc) aufzubringen durch Einsatz eines Wechselstroms oder eines Gleichstroms mit einem überlagerten Wechselstrom; dank dieser Maßgabe wird die sich durch den Luftsauerstoff bzw. den Restsauerstoff im Schutzgas ausbildende Oxidhaut an der Oberfläche des Grundwerkstoffes oder des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes zerstört bzw. aufgerissen. Dadurch wird es möglich, Beschichtungen auch auf oder mit diesen leicht oxidierenden Werkstoffen durchzuführen und eine gute Schweißqualität zu erzielen. Bevorzugt wird dort ein Wechselstrom in einem Frequenzbereich zwischen 10 und 100 Hz. Beim Arbeiten mit einem Gleichstrom als Energieträger muß diesem - um die gleichen schweißtechnischen Eigenschaften zu erzielen - ein Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen etwa 10 bis 1000 Hz oder im Frequenzbereich zwischen etwa 1 bis 200 KHz zugeordnet werden.With the main application 196 26 941.5, the inventor has Solution of the task of coating slightly oxidizing Materials - especially of light metals - on one easy and inexpensive way to allow proposed a coating on an aluminum alloy a powdery filler material by powder application welding with transferred plasma arc (PTA = plasma Transferred Arc) by using a AC or DC with a superimposed alternating current; thanks to this, the by the atmospheric oxygen or the residual oxygen in the Protective gas-forming oxide skin on the surface of the Base material or the powdery filler material destroyed or torn open. This makes it possible Coatings also on or with these slightly oxidizing Materials and a good welding quality achieve. An alternating current in one is preferred there  Frequency range between 10 and 100 Hz. When working with a direct current as an energy source must be - in order to to achieve the same welding properties - an alternating current with a frequency between about 10 to 1000 Hz or in the frequency range between about 1 to 200 KHz be assigned.

Vorgeschlagen wird auch, einen hohen Aufmischungsgrad mit dem Grundwerkstoff anzustreben sowie ferner, die Strömungs­ geschwindigkeit der austretenden Gase erfindungsgemäß so zu wählen, daß die sich durch den Rest-Sauerstoff bildenden Oxide oder Schlacken durch die Gasströmung zerrissen und am Rande des Schmelzbades abgelagert werden.It is also proposed to use a high degree of mixing to strive for the base material as well as the flow speed of the escaping gases according to the invention choose that those formed by the residual oxygen Oxides or slags are torn apart by the gas flow and am Edge of the weld pool to be deposited.

Im Rahmen der Vorerfindung liegt zudem ein Plasmabrenner mit einem Düsendurchbruch engeren Querschnitts vorgeordne­ tem Gaskanal einer Brennerdüse sowie mit einer stabartigen Kathode, die für das Arbeiten mit einem überlagerten Wech­ selstrom zum Transferieren des Plasmas endwärts gerundet, insbesondere kugelartig ausgeformt, ist; dieses Katho­ denende bildet den Fußpunkt des entstehenden Plasmalichtbo­ gens. Im übrigen wird auf den Inhalt der Hauptanmeldung und deren Offenbarung Bezug genommen unter Hinweis auf die be­ sondere Ausbildung der Kathode; dieses sphärische Katho­ denende bildet den Fußpunkt des entstehenden Plasmalichtbo­ gens.A plasma torch is also part of the invention with a narrower cross-section gas channel of a burner nozzle and with a rod-like Cathode used for working with a superimposed altern selstrom to transfer the plasma rounded towards the end, is particularly spherical in shape; this Katho the end forms the base of the resulting plasma light gens. Otherwise, the content of the main application and the disclosure of which is referred to with reference to the be special training of the cathode; this spherical Katho the end forms the base of the resulting plasma light gens.

Ein Plasmabrenner für einen übertragenen Lichtbogen der eingangs genannten Art mit rundum angefastem freiem Ende einer - vor einer dem Düsendurchbruch vorgeordneten Kammer stehenden - Rundstabelektrode sind zwar aus der EP-A-0 452 494 bekannt. Jedoch findet sich dort kein Hinweis auf die erörterte Lösung.A plasma torch for a transmitted arc type mentioned at the beginning with a chamfered free end one - in front of a chamber upstream of the nozzle opening standing round rod electrodes are from EP-A-0 452 494 known. However, there is no reference to the discussed solution.

Beim Plasmabrenner der Vorerfindung kann die bauchige An­ formung der Kathode so angeordnet sein, daß sie eine durch die Stirnfläche einer die Kathode umfangenden Anode be­ stimmte Ebene tangiert oder letztere ein wenig - etwa höchstens 3 bis 4 mm - nach außen überragt.With the plasma torch of the invention, the bulbous type Formation of the cathode be arranged so that it through the end face of an anode encompassing the cathode  was affected by the plane or the latter a little - for example at most 3 to 4 mm - protruding outwards.

Bevorzugt wird eine Anordnung mit in den Gaskanal der Bren­ nerdüse zurückgenommener Kathode, deren sphärische Anfor­ mung dann in einem kurzen Abstand - von ebenfalls höch­ stens 4 mm - zu jener Ebene sowie in Spaltabstand zu einem Schulterabsatz, der einen Übergang zwischen dem Gaskanal und dem nachfolgenden Düsendurchbruch engeren Querschnittes bildet. An diesen ringartigen Schulterabsatz schließt ein zylindrischer Abschnitt des Gaskanals als Aufnahme für die Anformung der Kathode an und begrenzt mit dieser und dem Schulterabsatz den Gasdurchlaß.An arrangement in the gas channel of the bren is preferred withdrawn cathode, whose spherical requirements then at a short distance - also from the highest at least 4 mm - to that level and at a gap to one Shoulder heel, making a transition between the gas channel and the subsequent nozzle opening of a narrower cross section forms. This ring-like shoulder heel includes cylindrical section of the gas channel as a receptacle for the Formation of the cathode and limited with this and that Shoulder heel the gas passage.

Als günstig hat es sich erwiesen, die mit einem Wechsel­ strom oder mit einem Gleichstrom samt überlagertem Wechsel­ strom beaufschlagte Kathode mit einer Wasserkühlung aus zu­ statten. Die Kathode kann beispielsweise als wassergekühl­ ter Tragkörper mit austauschbar angesetztem Kathodenteil - aus hochschmelzendem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähig­ keit - für die Anformung bzw. für den Fußpunkt des Licht­ bogens ausgebildet werden; den Tragkörper formt man vor­ teilhafterweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.It has proven to be cheap with a change current or with a direct current including a superimposed change current charged cathode with a water cooling from equip. The cathode can, for example, be water-cooled ter support body with replaceable cathode part - made of high-melting material with low thermal conductivity speed - for the shaping or for the base of the light arches are formed; one preforms the supporting body partly made of copper or a copper alloy.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich nun der Erfinder die Aufgabe gestellt, ein ergänzendes Verfahren zum Erzeugen von Hartplattierungen mittels des Plasma- Pulverauftragsschweißen (PTA) anzubieten.In view of these circumstances, the inventor has now asked the task, a complementary procedure for Generation of hard plating using the plasma Powder build-up welding (PTA) to offer.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Patentanspruches; die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen an. The teaching of the independent leads to the solution of this task Claim; the sub-claims give preferred Refinements.  

Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Synergie von Verfahrensmodifikationen - Anwendung von Wechsel- und/oder Impulsstrom, chemische Zusammensetzung des Schweißzusatzwerkstoffes - CuNi-Legierung in einem bevorzugten Verhältnis von etwa 70 : 30 - mit Zusätzen von FE (< 10 wt. %), Cr (< 5 wt. %), B (< 3 wt. %), Si (< 3 wt. %) und C (< 1,5 wt. %) sowie Einstellen der Verfahrensparameter mit verfahrensuntypisch hohem Auf­ mischungsgrad von < 40 vol. %.The method according to the invention is a synergy of Process modifications - application of exchange and / or Pulse current, chemical composition of the Filler metal - CuNi alloy in one preferred ratio of about 70:30 - with additions of FE (<10 wt.%), Cr (<5 wt.%), B (<3 wt.%), Si (<3 wt. %) and C (<1.5 wt.%) and setting the Process parameters with a high non-typical process degree of mixing of <40 vol. %.

Die chemische Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffes muß je nach zu beschichtender Al-Legierung und gewünschtem Härte­ grad - 200 bis 800 Vickers - angepaßt werden. Zudem sind gegebenenfalls weitere Legerierungselemente als die bisher genannten - wie Mo, Mn, Co, Ti, Ta, Zr, Mg in Mengen < 10 wt. sowie P, N < 2 wt. - möglich. Gleichfalls ist die Ein­ mischung von oxidischen, karbidischen oder anderen Hart­ stoffen (Nitride, Silizide) zur weiteren Steigerung der Verschleißbeständigkeit denkbar.The chemical composition of the filler material has to according to the Al alloy to be coated and the desired hardness degrees - 200 to 800 Vickers. Also are if necessary, more alloying elements than those previously - such as Mo, Mn, Co, Ti, Ta, Zr, Mg in amounts <10 wt. and P, N <2 wt. - possible. Likewise, the one mix of oxidic, carbidic or other hard substances (nitrides, silicides) to further increase the Wear resistance conceivable.

Die chemische Zusammensetzung der metallischen Matrix in der resultierenden Hartauftragung ergibt sich - unter Ver­ nachlässigung von Hartstoffeinlagerungen - erfindungsgemäß wie folgt:
The chemical composition of the metallic matrix in the resulting hard application results — with the neglect of hard material deposits — according to the invention as follows:

Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine nach den vorstehen­ den Maßgaben hergestellte Verschleißschutzschicht. Within the scope of the invention is also one according to the above wear protection layer manufactured according to the specifications.  

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in einem Teillängsschnitt durch den Kopf einer Bren­ nerdüse zum Beschichten oder Schweißen von leicht oxidier­ baren pulverförmigen Zusatzstoffen inFurther advantages, features and details of the invention result from the following description more preferred Exemplary embodiments and with reference to the drawing; this shows in a partial longitudinal section through the head of a bren ner nozzle for coating or welding slightly oxidized Powdery additives in

Fig. 1, 2: jeweils eine Stiftkathode mit drei­ dimensional ausgeformtem Fußpunkt für einen Plasmalichtbogen. Figure 1., 2: in each case a pin cathode with three dimensional fully molded sill for a plasma arc.

An einer Brennerdüse 10 ist auf einen Düsenkörper 12 eine Schutzgaskappe 14 aufgesetzt, die eine Anode 16 umgibt. In Längsachse A der Brennerdüse 10 verläuft in Fig. 1 eine - einen axialen Gaskanal 18 der Anode 16 durchgreifende - stabförmige Kathode 20. Diese endet mit einer Anformung 34 an einer von der Mündung 22 des Gaskanals 18 bzw. von der Stirnfläche 17 - Fig. 2 - der Anode 16 bestimmten Ebene E nahe einem Durchlaß 15 in der Schutzgaskappe 14. Die Anfor­ mung 34 liegt an einem zylindrischen Düsendurchbruch 19 des Gaskanals 18 in einem Abstand a von etwa 3 mm zu jener Mündungsebene E in einem Zylinderabschnitt 36 der Höhe h des Gaskanals 18 sowie in Spaltabstand zu einem schrägen Schulterring 38 gegenüber. An diesem geht der Zylinderab­ schnitt 36 des sich außerhalb dessen verjüngenden Gaskanals 18 in den zylindrischen Düsendurchbruch 19 - zum Zylinder­ abschnitt 36 - geringeren Durchmessers über.A protective gas cap 14 , which surrounds an anode 16 , is placed on a nozzle body 12 on a burner nozzle 10 . In FIG. 1, the longitudinal axis A of the burner nozzle 10 extends through a rod-shaped cathode 20 which passes through an axial gas channel 18 of the anode 16 . This ends with a molding 34 on a plane E, which is defined by the mouth 22 of the gas channel 18 or by the end face 17 - FIG. 2 - of the anode 16 , near a passage 15 in the protective gas cap 14 . The Anfor formation 34 is on a cylindrical nozzle opening 19 of the gas channel 18 at a distance a of about 3 mm to that mouth plane E in a cylinder section 36 of the height h of the gas channel 18 and at a gap distance to an oblique shoulder ring 38 . At this, the cylinder section 36 of the tapered gas channel 18 outside of the cylindrical nozzle opening 19 - to the cylinder section 36 - of smaller diameter passes.

Der Kathode 20 sind - innerhalb einer zylindrischen Span­ neinrichtung 24 vorgesehene - Kontaktteile 26 zugeordnet, die mit ihrer Spanneinrichtung 24 in einer Isolierung 28 ruhen. Letztere ist ihrerseits in jenem Düsenkörper 12 untergebracht. Im Düsenkörper 12 sind in Abstand zur Iso­ lierung 28 achsparallele Wasserkühlkanäle 30 zu erkennen. The cathode 20 are - provided within a cylindrical clamping device 24 - associated contact parts 26 , which rest with their clamping device 24 in an insulation 28 . The latter in turn is accommodated in that nozzle body 12 . In the nozzle body 12 28 axially parallel water cooling channels 30 can be seen at a distance from the Iso.

Bei der Ausgestaltung einer Brennerdüse 10 a nach Fig. 2 enthält deren Kathode 32 einen Kathodenteil in Form einer kurzen Stiftkathode 33 aus hochschmelzendem Werkstoff sowie von geringer Wärmeleitfähigkeit für die gerundete Anformung 34 a. Der Kathodenteil 33 ist axial an einen Tragkörper 40 aus Kupfer angeschraubt. Letzterer ist mit einer Was­ serkühleinrichtung 42 verbunden.In the embodiment of a burner nozzle 10 a according to FIG. 2, its cathode 32 contains a cathode part in the form of a short pin cathode 33 made of high-melting material and of low thermal conductivity for the rounded projection 34 a . The cathode part 33 is axially screwed to a support body 40 made of copper. The latter is connected to a water cooling device 42 .

Nicht dargestellt ist eine Ausführung, bei der die Anfor­ mung 34 jene Stirnfläche 17 bzw. Ebene E um ein Maß von bis zu 4 mm - bevorzugt bis zu 3 mm - überragt.Not shown is an embodiment in which the shaping 34 extends beyond that end face 17 or plane E by a dimension of up to 4 mm - preferably up to 3 mm.

Jene Anformung 34, 34 a wird beim Anlegen eines Stromes wäh­ rend des Plasma-Pulverauftragsschweißen zum Fußpunkt des entstehenden Plasmalichtbogens. Die beispielsweise aus Wolfram oder einer Wolfram-Legierung geformte Stiftkathode 32, 32 a wird mit Wechselstrom in einem Frequenzbereich zwi­ schen 10 und 100 Hz betrieben.That projection 34 , 34 a becomes the base of the resulting plasma arc when a current is applied during the plasma powder deposition welding. The pin cathode 32 , 32 a formed , for example, from tungsten or a tungsten alloy is operated with alternating current in a frequency range between 10 and 100 Hz.

Claims (6)

1. Verfahren zum Beschichten leicht oxidierbarer Werk­ stoffe durch Plasma-Pulverauftragsschweißen pulverför­ miger Zusatzwerkstoffe unter Einsatz von Wechselstrom oder von Gleichstrom mit überlagertem Wechselstrom zum Erzeugen eines übertragenen Plasmalichtbogens für das Pulverauftragsschweißen nach Patentanmeldung 196 26 941.5, gekennzeichnet durch eine CuNi-Legierung als Schweißzusatzwerkstoff mit Zusätzen (in Gew.-%) von
Fe unter etwa 10;
Cr unter etwa 5;
B unter etwa 4;
Si unter etwa 4;
C mit etwa 1,5,
mit einem Aufmischgrad von mehr als 40 Vol.-%.1. Method for coating easily oxidizable materials by plasma powder deposition welding of powdered filler materials using alternating current or direct current with superimposed alternating current to produce a transferred plasma arc for powder deposition welding according to patent application 196 26 941.5, characterized by a CuNi alloy as a welding filler material with additives (in% by weight) of
Fe below about 10;
Cr below about 5;
B below about 4;
Si below about 4;
C with about 1.5,
with a degree of mixing of more than 40 vol%. 2. Verfahren zum Beschichten leicht oxidierbarer Werk­ stoffe durch Plasma-Pulverauftragsschweißen pulverför­ miger Zusatzwerkstoffe unter Einsatz von Wechselstrom oder von Gleichstrom mit überlagertem Wechselstrom zum Erzeugen eines übertragenen Plasmalichtbogens für das Pulverauftragsschweißen nach Patentanmeldung 196 26 941.5, gekennzeichnet durch eine CuNi-Legierung als Schweißzusatzwerkstoff mit Zusätzen (in Gew.-%) von Mo, Mn, Co, Ti, Ta, Zr, Mg in Mengen unter etwa 10 sowie P, N in Mengen unter etwa 2. 2. Process for coating easily oxidizable work substances powdered by plasma powder deposition welding filler materials using alternating current or from direct current with superimposed alternating current to Generate a transferred plasma arc for the Powder build-up welding according to patent application 196 26 941.5, characterized by a CuNi alloy as Welding filler metal with additives (in% by weight) from Mo, Mn, Co, Ti, Ta, Zr, Mg in amounts below about 10 and P, N in amounts below about 2.   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine metallische Matrix mit Zusätzen (in Gew.-%)
Al 30 bis 70;
Cu 42 bis 21;
Ni 18 bis 9;
Fe 6 bis 2;
Cr 4 bis 0,5;
Si 1,8 bis 0,5;
B unter 2;
andere: unter 10.3. The method according to claim 1 or 2, characterized by a metallic matrix with additives (in wt .-%)
Al 30 to 70;
Cu 42 to 21;
Ni 18 to 9;
Fe 6 to 2;
Cr 4 to 0.5;
Si 1.8 to 0.5;
B below 2;
others: under 10. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch ein Verhältnis von Cu und Ni von etwa 70 : 30.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized by a ratio of Cu and Ni of about 70:30. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn­ zeichnet durch das Einmischen von oxidischen, karbidi­ schen od. dgl. Hartstoffen.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized by the mixing in of oxidic, carbidi hard or the like. 6. Verschleißschutzschicht, die mit dem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt ist.6. Wear protection layer using the process after at least one of claims 1 to 5 produced is.
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