DE2208070A1

DE2208070A1 - Plasma-flammgespritzte titancarbidwerkzeugstahl-ueberzuege auf metallsubstraten, die so gebildeten verbundwerkstoffe und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2208070A1
Application number: DE2208070A
Authority: DE
Inventors: John L Ellis; Kumar Mal; Stuart E Tarkan
Original assignee: Chromalloy American Corp
Current assignee: Chromalloy American Corp
Priority date: 1971-11-17
Filing date: 1972-02-21
Publication date: 1973-05-24
Also published as: US3779720A; DE2208070C2; JPS5545630B2; FR2161645A5; IT970600B; JPS4862628A; GB1379946A

Description

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Ciirornalloy Araeric-.n Corporation, 1 ^S ^T»^restern Eigh^^y V/est Nyock, New λογΙ, tV«3t,;.)

Plasma-flammgespritzte Titancarbidwerkzeugstahl-Überzüge auf Metallsubstraten^ die so gebildeten Verbundwerkstoffe und Verfahren zu deren Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines festhaftenden, harten, verschleißfesten Überzuges aus einem vergütbaren TitancarbidWerkzeugstahl auf einem Metallsubstrat (z.B. Stahl), und insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Erzeugung derartiger Überzüge auf verhältnismäßig weichen Metailsubstraten, wie Aluminium, Kupfer, Silber u.dgl., wobei der harte Titancarbid stahl -Überzug gewünschtenfalls bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Substratmetalles weiter hitzebehandelt werden kann. Die Erfindung betrifft auch die Verbundmetallwerkstoffe, die nach der erfindungsgemäßen Arbeitsweise erzeugt werden.

Es ist an sich bekannt, Metallsubstrate einer Oberflächenhärtung bzw. -panzerung mit Hilfe von Auftragsschweiß-

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oder -Hartlötverfahren zu unterwerfen, wobei das Metallsubstrat während der Abscheidung des die Oberfläche panzernden Materials zugleich erhitzt wird. Wegen der allgemeinen Natur der vorerwähnten Arbeitsprozesse waren die Metallsubstrate auf solche Metalle beschränkt, die ziemlich hohe Schmelzpunkte aufweisen, da das Substrat andernfalls überhitzt werden und entweder schmelzen oder in anderer Weise beeinträchtigt werden würde.

Ein Versuch, den Anwendungsbereich der Oberflächenhärtung zu erweitern, bestand in der Entwicklung des Plammspritzens. Diese Arbeitsweise besteht darin, Pulvermetallmassen in einer erhitzten Zone zu schmelzen und die geschmolzenen Partikel auf die Oberfläche eines Metallsubstrates zu schleudern, um darauf einen Überzug zu bilden. Dieser Arbeitsmethode wird durch den Typ des Materials, das aufgespritzt werden kann, eine Grenze gesetzt. Werden beispielsweise hochschmelzende Carbidpartikel aufgespritzt, so wird im allgemeinen ein Metallgrundmassenpulver, z.B. aus Nickel, Kobalt u.dgl., damit vermischt, und das Gemisch wird aufgespritzt, um die technischen Mittel zu schaffen, mit deren Hilfe die Carbidpartikel auf der sie aufnehmenden Oberfläche verankert werden. Solange der überzug keiner weiteren Hitzebehandlung unterworfen zu werden braucht, können bestimmte Typen von harten Überzügen erzeugt werden, wenngleich sie eine gewisse Neigung zeigen, porös zu sein.

Vor kurzem ist eine spezielle Art eines harten Titancarbidwerkzeugstahls entwickelt worden, die außer der ihr innewohnenden hohen Titancarbid-Härte die Fähigkeit aufweist, sehr viel weltergehender härtbar zu sein, als Werkzeugstahl sonst gehärtet wird. Beispielsweise benötigt ein Titancarbid-

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werkzeugstahl, der 33 Gewiehwprosent Titancarbid (entspricht etwa ^JI5 Vol.-#) und ais Rest eine Chrom-Molybdänstahlmasse aufweist (vgl, die USA-Pat-entschriften 2 828 202 und 3 4l6 976) für die Hitzebehandlung eine verhältnismäßig hohe Temperatur. Un? ein Martensit-Gefüge zu erhalten, wird so die Titancarbidwerkseugstahlmasse von etwa 954°C (1750⁰F) in öl. abgeschreckt. Die vorerwähnte Hitzebehandlungstemper*atur ist nun höher als dor Schmelzpunkt von gewissen Metallsubstraten, wie a.E. Aluminium. Darüber hinaus neigen die in konventioneller Weise aufgebrachten Überzüge dasu, stark porös 2u sein*

Hartcarbid-Überzüge sind auf bestimmten Substratmetallen sehr erwünscht, z.B. auf Metallen, die eine verhältnismäßig hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wie z.B. Aluminium, Kupfer, Silber u.dgl., Dabei ist es erwünscht, solche Überzüge zu erzeugen, die eine möglichst geringe Porösität und eine außergewöhnlich gute Verschleißfestigkeit aufweisen« Derartifft; !«foersüga war-en von großem Nutzen für die Herstellung 70η eine 1-siigs Lebensdauer aufweisenden Metallen fur elektrische Kontakte, die durch eine harte, verschleißfeste Kontaktfiäehs und daneben durch ein Substrat von gute"*· thermischer unä elektrischer Leitfähigkeit ausgezeichnet sind. Derartige überzüge sind weiter von großem Nutzen für die Herstellung von Aluminium-Maschinenelementen, ν,ίώ a,B. 70η C-ehäusen für die kürzlich entwiekelt-en Drehkolben-Var-brennung,?,-» kraftmaschinen, die einen harten Oberfläohenüfoersug aufweisen müssen, um widerstandsfähig gegen den Verschleiß durch den im Kontakt mit dem Gehäuse befindlichen Drehkolben zu sein.

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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, ein Verfahren zur Erzeugung eines harten, dichten, verschleißfesten Überzuges aus Titancarbidwerkzeugstahl auf einem Metallsubstrat zu entwickeln.

Ein weiterer Gegenstand besteht darin, der Fachwelt als Verbundwerkstoff ein Metallsubstrat zur Verfügung zu stellen, das einen festhaftenden, dichten überzug aus einem Titancarbidwerkzeugstahl aufweist, der metallographisch aus primären Titancarbidkörnern besteht, die in einer Stahlgrundmasse, die durch ein Martensit enthaltendes Austenit-Umwandlungsprodukt charakterisiert ist, im wesentlichen gleichmäßig dispergiert sind. Es können auch andere harte Phasen, wie Bainit, anwesend sein, und der hier gebrauchte Ausdruck "Martensit" soll Martensit sowohl mit als auch ohne zurückgebliebenen Austenit und auch Gemische von Martensit mit Bainit, und zwar ebenfalls mit oder ohne verbliebenen Austenit, umfassen.

Ein weiterer Gegenstand bestellt darin, einen Titancarbidwerkzeugstahl-überzug zu entwickeln, der metallographisch durch abgerundete primäre Titancarbidkörner gekennzeichnet ist.

Ein weiterer Gegenstand besteht darin, einen Titancarbidwerkzeugstahl -überzug auf MetallSubstraten, deren Schmelzpunkt über 593°C (1100⁰F) liegt, zu erzeugen.

Ein noch weiterer Erfindungsgegenstand besteht darin, einen Titancarbidwerkzeugstahl-Panzerüberzug auf einem Metallsubstrat aus Aluminiurnmetall zu erzeugen, wobei der Überzug metallographi^scn aus primären Titancarbidkörnern besteht, die in einer Stahlgrundmasse, welche durch ein martensit-haltiges Austenit-Umwandlungsprodukt

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charakterisiert ist, gleichmäßig dispergiert sind.

Diese und weitere Gegenstände sind deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen, bei denen Figur 1 schematisch eine Vorrichtung zur? Flasaia-FlaiBmspritzen von Metallpulvern veranschaulicht arid Figur 2 schematisch einen Drehkolben-Verbrennungsmotor veranschaulicht, der einen vergütbaren Titancarbidwerkzeugstahl als Oberflächen-Panzerungsmaterial auf der Innenwand des Gehäusemantels benutzt.

In breitem Sinne besteht das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines verschleißfesten Überzuges aus einem vergütbaren Titancarbidv/erkaeugstahl auf einem Metallsubstrat darin, von einer Pulvermasse auszugehen, die im wesentlichen aus etwa 10 bis 80 Gewichtsprozent primären Titancarbidkörnern und als Rest aus im wesentlichen 90 bis 20 Gewichtsprozent stahlbildenden Bestandteilen besteht, und die genanrie Masse aus dem geschmolzenen Zustand unter Abschrecken abzuscheiden auf einem Metallsubstrat mit Hilfe einer Plasmaflamme, welche die stahlbildenden Bestandteile im wesentlichen auf eine über dem Schmelzpunkt liegende Temperatur erhitzt, wodurch ein dichter, festhaftender Überzug der Masse auf dem Metallsubstrat erzeugt wird und der Überzug verhältnismäßig dünn im Vergleich zum Metallsubstrat ist und vorzugsweise eine Dicke bis zu etwa O,.6jJ5 Rim (0,025 inch) aufweist,

Bei Anwendung der Plasmaflamme zur Abscheidung des Überzuges werden verhältnismäßig hohe Temperaturen erreicht,

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welche das Stahlgefüge der Masse bei Temperaturen zum Schmelzen bringen, die wesentlich über dem Schmelzpunkt liegen, so daß dünne Überzüge, die auf dem Metallsubstrat abgeschieden werden, dank der Kühlwirkung des Substrates drastisch abgeschreckt werden und eine Mikrostruktur liefern, die aus Titanearbidkörnern besteht, die in einer Grundmasse dispergiert sind, die aus einem Martensit enthaltenden Austenit-Umwandlungsprodukt besteht. Das Metalisubstrat soll vorzugsweise einen Schmelzpunkt von über 593°C (1100⁰F) aufweisen.

Wie bereits erwähnt, werden in der Plasmaflamme sehr hohe Temperaturen erreicht. Jedoch scheint für die meisten Flammspritzanwendungen eine Plasmatemperatur von etwa 665O bis 11 O93°C (12 000 - 20 000⁰F) das Optimum zu sein. Einer der Vorteile der Plasmaflamme besteht darin, daß sie in einer genau eingestellten Atmosphäre zur Anwendung gebracht werden kann. Dies ist wichtig, um eine Entkohlung der Stahlgrundmasse zu vermelden, wo der Kohlenstoff von wesentlicher Bedeutung für das Ansprechen des Titancarbidwerkzeugstahls auf die Hitzebehandlung ist. So kann als Flammenmedium ein inertes oder ein chemisch inaktives Gas verwendet werden.

Die Plasmaflamme wird erzeugt, indem man einen Lichtbogen zwischen einer Kathode und einer Anode zustandebringt und ein Plasmagas durch den Bogen leitet. Durch Einengen des Bogens in einer Kammer unter Druck kann die Lichtbogentemperatur erhöht werden. Bildet man die Anode als Hohldüse aus und leitet das Plasmagas in die Lichtbogenkammer und treibt sie durch die Düse, so dissoziiert das Gas und ionisiert im Lichtbogensaum und tritt aus der Düse als

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Plasraaflamme aus. Ein typisches Piasmagas ist sin solches, das aus 90 % Stickstoff und 10 β Wasserstoff besteht* Anstelle von Stickstoff können auch Argon od-ar anders Gase verwendet werden.

Eine schematische Darstellung einer Plasma-Flarnrnsprit-zvorrichtung ist in der O'iig^fiJgt^n Zeichnung abgebildet, bei der die Kathode 10 und die Anode 11 über die Syrern-

quelle 12 zwecks Erzeugung eines Li?.ht.togens'_%elekt,r-iseh verbunden sind. Durch die Rohrleitung 15 wird las Plasinagas 14, z.B. 90 % Stickstoff und 10 % Wasserstoff., singespeist und in das Plasma Io umgewandelt j, das aus der BU-se 17 mit sehr hoher Temperatur als freies Plassa 13 austritt. Durch die Rohrleltur-g 19 wird das Spritzpulver in die Düse eingeführt., in dev es ciiirch die Plasiaitflaa^ca erhitzt wird und zusammen tnit äeni freiem ?las«5a austritt und auf das lu übersieijeDae Werkctü^ic odsr Substrat ai:ftrifft. Plasma-Spritzpiatoler; für da3 M-^t-allpiAlysrsprit^an sind bekannte, leicht !,ii^&agllane Geräte.» bo daS es ni-?-li^:: erforderlich ist, sie 5:Lr:gehor-i^r- su '■ rfirt^rn.: als es :Ui der vorstehend beschi'ilvbr-iisn .äolioiiiatlsci?·^ Da:^stgl3,i?ng geschehen ist.

Einer der Vorteile des Plasmaflanimspritae-is lsi dei^ us,£ verhältnismäßig dünne Übersüße aufgespritzt werden \z"inii3ii_f die dicht und im wesentlichen frei von Foren sind. Bs,im Aufspritzen von überzügen, 'deren Dicken bis zu 0,635 se; 1,0,025 inch) betragen., wird ein äuSe^yiot schnelles Abschrecken der Abscheidung erreicht, die im allgemeinen aus Martensit besteht, l^enn das Metall substrat ein Metall von verhältnismäßig hoher thermischer Leitfähigksit ist_;i z.B. aus Aluminium, Kupfer, Silber u.dgl« besteht, se

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werden sehr harte Überzüge erhalten, die bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Substrates weiter vergütet, z.B. angelassen oder ausgehärtet werden können. Der Überzug kann jedoch auch auf Eisensubstrate, z.B. Stähle, mit vorteilhaftem Ergebnis aufgebracht werden.

Zur Erläuterung der Ti tancarbidv/erkzeugstahlmassen, die auf das Metallsubstrat durch Plasma-Flammspritzen aufgebracht werden können, werden nun die folgenden Beispiele angeführt.

Beispiel 1

In breitem Sinne besteht der Titancarbidwerkzeugstahl im wesentlichen aus etwa 10 bis 8o Gewichtsprozent primären Titancarbidkörnern, die in einer Stahlgrundmasse dispergiert sind, die als Rest etwa 90 bis 20 $ ausmacht. Der Stahl kann ein kohlenstoffarmer oder kohlenstoffreicher Stahl, ein mittelmäßig oder hochlegierter Stahl sein, der wenigstens 50 % Eisen enthält, das nach im wesentlichen schneller Abkühlung von einer oberhalb des Schmelzpunkts liegenden Temperatur ein metallographisches Grundgefüge liefert, welches ein martensit-haltiges Austenit-Umwandlungsprodukt aufweist. In diesem Zusammenhang wird auf die USA-Patentschrift 2 828 202 verwiesen. Als Beispiele von Stählen mit einem derartigen Grundgefüge sind anzuführen die Stähle der Typen SAE 1010 bis SAE I080, die folgende Zusammensetzungen aufweisen können: 0,8 % Cr, 0,2 % Mo, 0,3 # C und als Rest im wesentlichen Eisen; 5 % Cr, 1,4 # Mo, 1,4 # W, 0,45 % V, 0,35 % C und als Rest im wesentlichen Eisen; 8 % Mo, 4 % Cr, 2 % V, 0,8 % C und als Rest im wesentlichen Eisen; l8 % W, 4 % Cr, 1 % V, 0,75 % C und als Rest im wesentlichen Eisen; 20 # W, 12 % Co, 4 $ Cr, 2 % V,

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0,8 % C und als Rest im wesentlichen Eisen.

Eine bevorzugt in Frage kommende Zusammensetzung ist eine solche, die etwa 1 % bis 6 % Cr, etwa 0,3 % bis 6 % Mo, etwa 0,3 # bis 0,8 $ C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält.

Beispiel 2

Zu den besonders geeigneten Titancarbxdwerkzeugstahlen gehören diejenigen, die 10 bis 80 Gewichtsprozent TiC und als Rest im wesentlichen einen chromreichen und kohlenstoffreichen Stahl aufweisen und im einzelnen etwa 6 oder 7 % bis 12 % Chrom, 0,6$ bis 1,2 % Kohlenstoff, 0,5 % bis 5 % Molybdän, bis zu etwa 5 % Wolfram, bis zu etwa 2 % Vanadin, bis zu etwa 3 % Nickel, bis zu etwa 5 % Kobalt und als Rest im wesentlichen Eisen enthalten. Eine besondere Vorteile bietende Zusammensetzung der eben erwähnten chrom- und kohlenstoffreichen Stähle ist eine solche, die aus etwa 10 % Chrom, 1 % Kohlenstoff, 3 % Molybdän, 1 % Vanadin und als Rest im wesentlichen aus Eisen besteht. Dieser Stahl ist dadurch ausgezeichnet, daß er Martensit bildet, wenn er aus einem Plasma-Flammspritzstahl auf ein verhältnismäßig kaltes Substrat, wie z.B. Stahl, Aluminium u.dgl., auftrifft, und durch ein zweimaliges, jeweils einstündiges Anlassen bei (1000⁰F) wird er in seiner Härte durch Sekundärhärtung weiter verbessert, wobei der Überzug gleichzeitig von allen, durch das schnelle Abkühlen bei der Abscheidung zustandegekommenen Wärmespannungen im wesentlichen befreit wird. Es ist zu beachten, daß die Anlaßtemperatur von 538 C (1000⁰F) unter dem Schmelzpunkt des Aluminiums liegt.

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Beispiel

Als erläuterndes Beispiel einer weiteren Titancarbidwerkzeugstahlmasse, die auf ein Metallsubstrat durch Plasma-Flammspritzen aufgebracht und bei einer unter dem Schmelzpunkt des Substrrtmetalles liegenden Temperatur weiter einer Hitzebehandlung unterworfen v/erden kann, ist ein vergütbarer, kohlenstoffarmer, nickelhaltiger Titancarbidwerkzeugstahl anzuführen (vgl. hierzu die USA-Patentschrift 5 369 Ö91). Wie in den vorangehenden Beispielen liegt der Titancarbidgehalt in den Mengenbereichen von etwa 10 bis 80 Gewichtsprozent und die Stahlgrundmasse macht etwa 90 bis 20 Gewichtsprozent aus. Die Grundmasse enthält - in Gewichtsprozent ausgedrückt - etwa 10 bis j50 % Nickel, 0,2 bis 9 % Titan und bis zu etwa 5 'j* Aluminium, wobei die Sumr.e des Titans und des Aluminiums etwa 9 % nicht übersteigt, ferner bis zu etwa 25 % Kobalt, bis zu etwa 10 % Molybdän, und der Rest der Grundmasse besteht aus wenigstens etwa 50 % Eisen; die Metalle, welche die Grundmasse ausmachen, sind in ihren Mengen so eingestellt, daß dann, wenn der Nickelgehalt etwa 10 bis 22 % und die Summe der Aluminium- und Titangehalte weniger als 1,5 $ betragen, die Kobalt- und Molybdängehalte sich auf jeweils mindestens etwa 2 % belaufen; und daß weiter dann, wenn der Nickelgehalt etwa l8 bis 30 % und der Molybdängehalt weniger als 2 % betragen, die Summe des Aluminium- und Titan-Gehalts 1,5 % übersteigt.

Wird der vorerwähnte Tltancarbidwerkzeugstahl aus der Plasmaflamme abgeschieden und schnell abgeschreckt, so besteht das metallographische Gefüge im wesentlichen aus Weich-Martensit. In diesem Zustand kann der Carbidstahl in Form des Überzuges vermittels eines etwa dreistündigen Er-

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hitzeris auf eine Temperatur von etwa 26o°C bis 65O⁰C durch Ausscheidungshärtung vergütet werden. Eine typische Ausscheidungshärtungs-Temperatur ist eine von 483 C. Es ist zu beachten, daß die Ausscheidungshärtungs-Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Aluminiums liegt. Normalerweise liegt die Lösungstemperatur zur Bildung von weichem Martensit in der Grundmasse zwischen etwa 76O⁰C und 1165⁰C. Wie ersichtlich ist, liegt der vorerwähnte Temperaturbereich über dem Schmelzpunkt des Aluminiums. Ein Lösungsglühen ist jedoch für den Überzug nicht erforderlich, da der Stahl lösungs-abgeschreckt ist, und zwar aufgrund der schnellen Abkühlung im Anschluß an das Aufspritzen der Masse vermittels des Plasmaspritzverfahrens.

Eine typische Spritzmasse ist eine solche, die ötwa 35 Gewichtsprozent Titanearbid und als Rest von 65 % eine Stahlgrundmasse enthält, die ihrerseits 21,7 % Ni, 8,49 % Co, 3,42 % Mo, 0,37 % Ti und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Die Legierung zeigt nach einem dreistündigen Alterungsglühen bei 483°C eine Rockwell C-Härte von etwa 60.

Arbeitet man mit Massen solcher Typen, wie sie in den Beispielen 1, 2 und 3 veranschaulicht sind, so ist es empfehlenswert, mit einem vorlegierten Titancarbldwerkzeugstahl zu arbeiten. Dieses Vorgehen gewährleistet das Vorhandensein von abgerundeten Titancarbidkörnern, was nicht nur die Verschleißfestigkeit bewirkt, sondern zugleich auch ursächlich ist für einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten. Dies ist von technischer Bedeutung bei Anwendungszwecken, bei denen ein ständiges Gegeneinanderreiben von Apparateteilen erfolgt, wie es z.B. in Drehkolben-Verbrennungskraftmaschinen vor sich geht, bei denen sich die Scheitel (Apizes)

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der Drehkolben in ständigem Kontakt mit den Innenwänden der Gehäuse befinden. Ist das Gehäuse aus Aluminium gefertigt, so bewirkt eine Oberflächen-Panzerung aus einem Titancarbidwerkzeugstahl des in Beispiel 2 beschriebenen Typs eine angemessene Verschleißfestigkeit und darüber hinaus dank der abgerundeten Titancarbidkörner einen niedrigen Reibungskoeffizienten.

Um die abgerundete Kornstruktur des Tltancarbids mit Sicherheit zu erreichen, wird der Titancarbidwerkzeugstahl durch eine FlUssigphane-Sinterung einer pulvermetallurgischen Carbidstahimasse vorlegiert. Der vorlegierte Carbidstahl wird dann für die Verwendung zum Plasma-Flammspritzen bis zu einer Teilchengröße, die ein 200-Maschensieb passiert, zerrnahien.

Zur Herstellung einer voi'legierten Stahlmasse mit abgerundeten Titanearbiäkürrern wj.rd die folgende Arbeitsmethode angewendet.

Eine Ti tancarbidwerlczeigscahlmasse, die 33 Gewichtsprozent (entsprechend 4*3 Vc-I ,--I) iit&nearbid und als Rest im wesent-Ii-Iien eine Stahlgrunatnas-se, z.B. einen Chrom-Molybdän-Stahl, enthält, wird in der Weise hergestellt, daß man 500 g Titanc ar bid (von einer Teilotiengrode von etwa 5 bis 7 Mikron) mit 1 000 g stahl bildenden Bestandteilen in einer Kugelmühle, die mit Kugeln aus rostfreiem Stahl zur Hälfte gefüllt ist, vermischt. Das Pulvergemisch wird mit 1 g Paraffinwachs auf je 100 g Mischung versetzt. Das Vermischen wird etwa 40 Stunden durchgeführt, .vobei Hexan als Verdünnungsmittel dient. Eine typische Stahlzusammensetzung für die Grundmasse weist 0,5 % C, etwa 3 % Cr, etwa } % Mo und als Rest im wesentlichen Eisen auf. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung

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von Carbonyleisen für die Herstellung des Gemisches. Ein Carbidwerkzeugstahl des vorerwähnten Typs ist. in der USA-Patentschrift 3 H16 976 beschrieben.

Nach Beendigung des Mahl pro ζ ess es wird das Gemisch herausgenommen und ge trockne c, und es werden Preßlinge der· gewünschten Gestalt unter einem Druck von etwa 2,3 t/cm¹" (15 t.s.i.) geformt, und die Preßlinge v/erden dann etwa 1/2 Stunde lang einem Sintern in flüssiger Phase bei einer Temperatur von etwa 145O°C in einem Vakuum von etwa 2G Mikron oder weniger unterworfen. Nach Beendigung des Sinterns werden die Preßlinge gekühlt und danach aus dem Ofen herausgenommen. Die primären Titanearbidkörner, die vor dem Sintern scharfkantig sind., nehmen als Folge der Flüssigphase-Sinterung eine abgerundete Konfiguration an. Unter dem Ausdruck "Flüssigphase-Sinterung" soll hier das Erhitzen des Preßlings auf eine Temperatur, die über dem Schmelzpunkt der Stahlgrundmasse, aber unter dem Schmelzpunkt des Titancarbids liegt, verstanden werden, z. B. das Erhitzen auf eine solche Temperatur, die bis zu etwa 10O⁰C über dem Schmelzpunkt der Stahlgrundmasse liegt.

Im Anschluß an die Herstellung des gesinterten Preßlings kann der gesinterte Preßling durch spanabhebende Bearbeitung zu Spänen verarbeitet werden, und die Späne können in einer Kugelmühle bis zu einer Maschensiebfeinheit von 200 Maschen (z.B. 1 bis 5 Mikron) zerkleinert v/erden. Das Pulver wird für die Verwendung zum Plasma-Flammspritzen gereinigt und getrocknet. Wie oben bereits erwähnt, werden in dem fertigen Überzug abgerundete Titanearbidkörner bevorzugt, weil eine derartige Konfiguration dem Überzug einen niedrigen Reibungskoeffizienten verleiht und die abgerundeten Körner bei der Beanspruchung durch Verschleiß Vorteile bieten.

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Der Verschleiß stellt sich als eine Kombination aus Korrosion, Erosion, Abrieb, Reibung, Sulfidierung, Ermüdung, Abscheuerung und Oxydation dar, und das Gesamtergebnis besteht in der Zerstörung der Oberfläche. Ein Vorteil der Verwendung eines Titancarbidwerkzeugstahls als Panzerungsmaterial für die Oberfläche besteht darin, daß er im Vergleich zu anderen Panzerungsmaterialien eine niedrige Dichte aufweist und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen die oben erwähnten Phänomene verleiht. Dies bringt auch gewisse Vorteile in wirtschaftlicher Hinsicht mit sich, da eine Gewichtseinheit des vorerwähnten Oberflächen-Panzerungsmaterials - in volumenmäßiger Betrachtung - eine größere Oberfläche eines Metallsubstrates überzieht als vergleichsweise bekannte Oberflächen-Panzerungsmaterialien, die , Wolframcarbid enthalten, das eine wesentlich höhere Dichte aufweist.

Die abgerundete Korner-Struktur des Titancarbids, die oben erwähnt wurde, ist ideal, weil sie dem Überzug einen niedrigen Reibungskoeffizienten verleiht, und auch deshalb, weil Titancarbid eine außerordentlich hohe innere Härte aufweist und daher durch eine sehr hohe Verschleißfestigkeit ausgezeichnet ist. Darüber hinaus sind die mit diesem Panzerungsmaterial überzogenen Oberflächen so, wie sie durch das Plasma-Flammspritzen erhalten werden, sehr glatt, z.B. etwa 0,00254 bis 0,00381 mm im Durchschnitt als quadratischer Mittelwert (100 - 150 microinches rms, "root-mean square average" bzw. "square root of mean square¹). Dies ist von Vorteil, weil die überzogene Oberfläche mit recht geringem Kostenaufwand geschwabbelt werden kann, um ein Maximum an Verschleißfestigkeit und Scheuerfestigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten zu

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Ό O Γ* '— ί"· ^;~?

erzielen. Der abgeschieden- d\.;divi; Überzug kann bis sv< einer Glätte von weniger als "-.,0003.27 ϋ·.'π ouadratiseher.: Mittelwert (3 rnicroinchei? rms) iorciggeglattet werden^ wobei man Diamant-LäppuiitU-i:! und ai.der·-' 3cesi-5ll3 Ifethc·· den benutzen kann.

Zur Vorbereitung eines I^SGaliaubsträtes für das PlasiEeV-Flammspritzen wird die Oberfläche -desselben entfettst, gereinigt und vorzugsweise mit Hartguß- oder reinem Aluminiumoxyd-Feins<3hrot gestrciilt, nm eine gute Haftung der panzernden Leg!?rung £"if de:,; Grundla^^nniaterilal sicherzustellen. Das Oberfla^ieri-Pa.o.^erungsnis.tei^ial vrird in Form eines fein verteilten Pij.vor,,j ^Hasohensieofairlie - 200 bis -r d25 Maschen) in der. Strci·· eines überliitst-e-n PIasmaga.ses eingespeist, Die Pai'-t-:-.;.;^! "■;erü';^;:⁵: 21111; Sote^I-zen gebracht und durch das Ga? r.it Lohor Gfsschvjindioi-f-it auf die zu pi attiereode CH'-arfii-Jhs gsa Jd¹Ie"id32?ί. Dur-eh Bildung mehrerer Übe^zugssaiidaddav: k.i"rx ein Überzug fcis zu der· jeweils gev/üiisohr-m D:' ^^tf;-^a a\;rt:.3oaut; fcruen, Es ist von Vorteil, Jad nor "'o.;-r;y-v; ^dnr. .Lsi v:r:d s-iin-s Dioke sich. Yc:r7ugsv<e:i:-e 1-:;.^ :^if e ::-,';■■ C., o;i;5 BjS ^C, 025 ine noch besser bis auf etv;a !■,>..:. ■.-.";: ■'" -Oi⁵T- i'iol..; t-Blauit-.-. eine Hißbiidung d;irdi ade Oid;¹- l::l:drli ;:. .;;,uf ti-3 ϊΓ.'ώΛνιΙ-'ν;! .ΐ'.";.?/: nungeu so v/eit v.'ie inc·^j : "h s'.; "-η",;-"d~d.::.dsr._; Im "-^erglsdc-h zu den meisten anderen kor: /ent:> onsilsn Ubärs'dgen gs^Ldrleistet der Ti tancaroiä.srahl-^o^i'^-ig eine besond-3i's gute Verträglichkeit als Me tall ve rbuvj Λ ΐήίΐ den ^:-fetall-subst;r;i.-ten, und zwar aufgrund iioi^vie-r. niedrige η '//Ιΐτ-ην.; ay 3dsh:ii;ngS koef'fizienten. Durch diese Sia<^;:ii£Chaft gewirkt dieses Ma terial eine technische Bedeutung für die varsohlsiiBfeste Ausrüstung von Apparateteilen in der Automobil- und Luft fahrtindustrie.

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Zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll das folgende Beispiel dienen.

Beispiel 4.

Ein vorlegierter Titancarbidwerkzeugstahl, der durch Flüssigphase-Sinterung hergestellt worden war, wurde als Plasma-Flammspritzpulver verwendet, wobei die Maschensiebfeinheit des Pulvers größenordnungsmäßig etwa -I/O bis +^25 Maschen betrug, und dessen Zusammensetzung sich im wesentlichen auf etwa y$ Gewichtsprozent Titancarbid und 67 Gewichtsprozent einer Stahlgrundmasse belief, welch letztere ihrerseits - in Gewichtsprozent ausgedrückt - folgende Zusammensetzung aufwies: J> $ Cr, 3 % Mo, 0,5 % C und als Rest im wesentlichen Eisen.

Als Metallsubstrat wurde ein Blech aus Aluminium (AMS-4026) verwendet. Das zur Anwendung kommende Plasma-Gas bestand aus 90 % Stickstoff und 10 % Wasserstoff. Die Aluminium-Oberfläche wurde entfettet und mi*, reinem Aluminiumoxyd-Feinschrot (Maschensiebfeinheit - 60 Maschen) gestrahlt, um eine Oberfläche zu erzeugen, welche die Haftung des Überzuges zu verbessern vermochte. Es wurden zwei Überzüge von jeweils 0,178 mm (0,007 inch) Dicke erzeugt, und zwar einer durch Aufspritzen in Luft und der andere durch Plasmaspritzen in Luft unter Verwendung einer Argon-Schutzatmosphäre, um die Bildung von Oxyden in dem Überzug so niedrig wie möglich zu halten.

Das Plasma-Flammspritzen wurde unter Verwendung einer Plasma-Spritzpistole durchgeführt, wie sie in der einschlägigen Technik als ¹¹Metco plasma flame spray system" bekannt ist und die aus einer Spezialkonstruktion einer

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Brenner-Pistole besteht, bei der das gepulverte Überzugsmaterial - in einem geeigneten Trägergas (N₂) suspendiert - in eine Kammer eingespeist wird, in der das Plasma-Gas durch einen elektrischen Lichtbogen zu hohen Temperaturen "erregt" wird.

Die metallographische Untersuchung eines jeden der Überzüge ergab, daß die Bestandteile des Überzuges gleichmäßig verteilt sind. Die Überzüge waren Im wesentlichen frei von Rissen, von massiger Porösität, wie sie übliche flammgespritzte Überzüge aufweisen, und im wesentlichen frei von übermäßigen Oxyden. Bei den unter der Argon-Schutzatmosphäre aufgebrachten Überzügen waren weniger Oxyde vorhanden als bei den ohne diese Schutzatmosphäre aufgebrachten Überzügen. Die Überzüge waren im wesentlichen frei von Einschlüssen an der Überzug/Substratmetall-Grenzflache. Die Grenzfläche selbst schien gut ausgebildet und praktisch ohne Porösität. Die Gesamt-Porösität in dem Überzug betrug etwa 8 oder 9 %, was als günstig anzusehen ist.

Die Mikrohärte des dünnen Überzuges wurde quer durch seine Dicke bestimmt und sie belief sich - wie festgestellt wurde - auf etwa 650 bis 770 VHN (200 g Belastung), was einer Rockwell C-Härte von etwa 52 bis 60 entspricht. Diese Härte ist charakteristisch für das Vorhandensein eines Austenit-Umwandlungsproduktes, das Martensit enthält. Die vorerwähnte Stahlmasse weist im geglühten Zustand (Perlit-Mikrogefüge oder kugeliger Kohlenstoff) normalerweise eine Rockwell C-Härte von annähernd 40 auf.

Die Erfindung ermöglicht so die Herstellung eines Aluminiumsubstrates mit einem gehärteten Titancarbidstahl-Überzug

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ohne die Notwendigkeit, den Überzug einer Abschreck-Härtung ron einer Austenitisierungstemperatur von etwa 954 C (l75O°F)_f die über dem Schmelzpunkt des Aluminiumsubstrates liegt, zu unterwerfen. Der Abschreckungseffekt, der während der Abscheidung des Überzuges eintritt, liefert das gewünschte Austenit-Umwandlungsprodukt.

Es wurde kein Absplittern, Abblättern, kein schichtweises Ablösen, keine Mißbildung u.dgl. ;;uf der Überzugs-Oberfläche beobachtet, und die allgemeine Qualität war gut.

Bei einem Test zur Beurteilung der Haftfestigkeit des Überzuges wurde eine Testplatte aus Aluminium (AMS-4026) vom Format etwa 76,2 χ 44,4 χ 1,27 mm (3 χ 1,75 χ 0,05 inches) mit derselben Stahlmasse durch Plasma-Flammsprilzen Dis zur Bildung eines Überzuges von einer Dicke von 0,12/ mm (0,005 inch) überzogen. Die mit dem Überzug versehene Platte wurde dann einem Becher-Test nach der Arbeitsvorschrift des "Pratt & Whitney Aircraft Materials Control Laboratory Manual" (Abschnitt E-53» neu gefaßt I963) unterworfen, bei dem eine Kugel von 22,22 mm (0,875 inch) Durchmesser und eine Matrize (die) von 3^»92 mm (1,275 inch) Öffnungsweite verwendet wurden, um in der Platte eine Delle von annähernd 7,6 mm (0,3 inch) zu erzeugen. Der Überzug zeigte keinerlei Abtrennung vom Grundmetall, was belegt, daß der plasma-flammgespritzte Überzug eine gute Haftfestigkeit besitzt.

Ein unter Abschrecken abgeschiedener Überzug derselben Stahimasse wurde auf etwa 0,381 mm (0,015 inch) dickem Aluminium erzeugt. Dieser Überzug wies eine Abschreckhärte von übei' 50 Rockwell C und bis zu etwa 60 Rockwell C auf, was das Vorhandensein von Martensit in dem

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Überzug anzeigte. Der Überzug war gleichmäßig, dicht und frei von Rissen. Gehärtete Überzüge dieses Typs können bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Metallsubstrates angelassen werden. Eine typische Temperatur für diesen Stahl kann zwischen etwa 93°C und 200°C (200°F 50O⁰F) liegen.

Beispiel 5

Eine Oberflächen-Panzerungsmasse, die besonders beständig ist gegen ein weichwerden bei erhöhten Temperaturen, die sich bis zu etwa 53& C (1000 F) erstrecken können, ist eine solche, die aus etwa 35 Gewichtsprozent Titancarbid und als Rest auü 65 % einer Stahlgrundmasse besteht, die ihrerseits im wesentlichen aus etwa 10 % Cr, 3 % Mo, 0,8 f. C und als Rest im wesentlichen aus Eisen besteht. Wie im Beispiel 4 wird diese Stahlmasse im wesentlichen, in vorlegiertern Zustand verwendet, um das Vorhandensein von abgerundeten primären Tltancarbidkörnern, die in der Stahlgrundmas^e dirjpergiert sind, sicherzustellen.

Ein Pulver des vorerwähnten Titancarbidwerkzeugstahls von einer Maschensiebfeinheit von -200 bis +325 Maschen wird durch Plasma-Flammspritzen auf ein Flußstahlsubstrat von etwa 6,35 mm (1/^ inch) Dicke aufgebracht, um einen Überzug von einer Dicke von etwa 0,25^ mm (0,01 inch) zu erzeugen, wobei der erzeugte Überzug eine Abschreckungshärtung erfährt dank der Metallsubstratmasse, die den Überzug schnell genug abkühlt, um ein martensit-haltiges metallographisches Gefüge zu liefern. Die Härte dieses Überzuges liegt im allgemeinen in der Größenordnung von etwa 50 bis 55 Rock ell C. Diese Stahlmasse kann jedoch weiter gehär-

OftlGlNAL INSPECTED 30982 1 /0984

tet werden durch Ausnutzung ihres Sekundärhärtungsvermögens unter Bildung von sekundären Carbiden durch Erhitzen des mit dem Überzug versehenen Metallsubstrates mitsamt dem Überzug auf etwa 558⁰C (1000⁰F) und etwa 1 1/2-stündiges Halten der Temperatur. Auf diese Weise dient das Erhitzen auf 53Ö°C einer doppelten Funktion: (1) Der Ausnutzung des Vermögens der Titancarbidstahlmasse zur Sekundärhärtung und (2) der Herabsetzung der Wirkung aller restlichen Wärmespannungen in dem Überzug, die bei dem schnellen Abschrecken ^es Überzuges während der Abscheidung aus der Plasma-Flamme zustande gekommen sind.

Beispiel 6

Ergänzend zu dem vorangehenden Beispiel wurden einige zahlenmäßige Ergebnisse bei der Hitzebehandlung von zwei durch Plasma-Spritzen überzogenen Aluminiumsubstratmustern gewonnen.

Substrat A wurde mit einem vorlegierten Titancarbidwerkzeugstahl überzogen, der 35 Gewichtsprozent Titancarbid und als Rest eine Stahlgrundmasse enthielt, die ihrerseits 3 % Cr, 3 % Mo, 0,5 % C und als Rest Eisen enthielt.

Substrat B wurde mit einem vorlegierten Titancarbidwerkzeugstahl überzogen, der 35 Gewichtsprozent Titancarbid und als Rest eine Stahlgrundmasse enthielt, die ihrerseits 10 % Cr, 3 % Mo, 0,8 % C und als Rest Eisen enthielt.

Die Härte-Messungen erfolgten an den Überzügen einmal so, wie sie nach dem Spritzen angefallen waren, und zum anderen bei den zweimal bei 524/51O°^c (975/950°F) angelassenen

309821/0984 ««IN*

Überzügen. Jedes Muster wurde 1 Stunde bei der Temperatur angelassen, dann gekühlt und nochmals 1 Stunde angelassen. Die erhaltenen Ergebniste sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Alumi ni um- sub-	Zustand	nach dem	angelassen	angelassen	Mikrohärte (Vickers)	(Durchschnitt	Rockwell C- Härte (umgerechnet)
strat		Spritzen angefal				aus Z Messun
A	so, wie	len			859	gen)	65,9
		zweimal	nach dem		(Durchschnitt
		Spritzen angefal		aus / Messun
		len	/88	gen)	63,5
	so, wie	zweimal		(Durchschnitt
				aus 5 Messun
B		620	gen)	56,5
			(Durchschnitt
		aus 6 Messun
	1048	gen)	69,4

Hieraus ist zu entnehmen, daß die Härte beim Substrat A nur um wenige Punkte nach dem zweimaligen Anlassen abnahm, wohingegen die Härte beim Substrat B merklicn, nämlich um etwa 13 Punkte, anstieg, ganz offensichtlich aufgrund der Sekundärhärtung.

Beispiel /

Diese oberflächen-härtende Titanearbidstahlmasse ist deshalb vorteilhaft, weil der auf einem Substrat, wie Alumi-

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nium, abgeschiedene Überzug nach der Abscheidung durch Hitzebehandlung bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiums oder eines anderen Substratmetalles gehärtet werden kann. Eine besonders vorteilhafte Masse ist eine solche, die 30 Gewichtsprozent Titancarbid und als Rest im wesentlichen 70 % einer Stahlgrundmasse enthält, die ihrerseits etwa 21,5 % Ni, 8,5 % Co, 3,4 °/> Mo, 0,4 % Ti und als Rest im wesentlichen Eisen enthält.

Der vorerwähnte Stahl wird in vorlegiertem Zustand und als Pulver mit einer Maschensiebfeinheit von -I50 bis +325 Maschen durch Plasma-Flammsprizen auf Aluminium auf- . gebracht, wie es in Beispiel 4 beschrieben ist. Durch Verwendung einer kohlenstoffarmen Stahlgrundmasse, z.B. einer solchen mit weniger als 0,-5 % 0, wird in dem Überzug Weichmartensit erhalten. Nachdem das Substrat mit dem Überzug versehen worden ist, werden das Substrat und der Überzug auf eine Temperatur von etwa 482°C (900⁰F), wie es in Beispiel 3 beschrieben ist, erhitzt, um dem Stahl durch Ausscheidungshärtung die gewünschte Härte zu verleihen.

Ein Vorteil der vorerwähnten Stahlmasse ist der, daß der Überzug bis zur Erreichung der gewünschten Glätte geschwabbelt und danach bei der oben angeführten Temperatur durch Ausscheidungshärtung auf die gewünschte Härte gebracht werden kann.

Die in den Beispielen 4 bis 7 beschriebenen Arbeitsmethoden können auf eine Vielzahl von Metallsubstraten angewendet werden. Die Methode ist besonders brauchbar zum Überziehen von Metallsubstraten, die eine verhältnismäßig hohe Wärme-

BAD ORIGINAL

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leitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit auf.-,eisen, wie Aluminium, Kupfer, Silber u.dgl. In diesem Zusammenhang ist die \L\ findung auch anwendbar auf Me tall substrate, wie Stähle, Legierungen mit Eisen als Grundmetall, Nickel und Legierungen mit Nickel als Grundmetall, Kobalt und Legierungen mit Kobalt als Grundmetall und ganz allgemein a.-<f solche Metalle, die Schmelzpunkte über 649°C (1 r'OO°F) auf we i seil.

Die Erfindung ist insbesondere auf solche Metallsubstrate anweridoar, die Wärmeleitfähigkeiten und elektrische Leitfähigkeiten von mindestens 0,2 aufweisen, bezogen auf die iiohe, elektrische Leitfähigkeit und VJärmeleitfähigkeit des Kupfers, die als 1 gesetzt wird. So ist die Erfindung vorallem auf das Überziehen der Metalle Aluminium, Kupfer und Silber und auf Legierungen mit Aluminium, Kupfer und Silber als Grundmetal1 anwendbar. Die Metalle Kupfer und Silber und deren Legierungen finden eine besonders breite Anwendung in elektrischen Kontakten, bei denen eine Verschleißfestigkeit der Kontaktfläche von technischer Bedeuturi/r sein kann.

Eo können auch gewisse StahJ substrate in ihren Eigenschaften dadurch weiter verbessert werden, daß man auf sie eine Titancarbidwerkzeugstahlmasse des hier beschriebenen Typs mit HiU'e des Plasma-Flammspritzens aufbringt. Ein Vorteil de;; Aufbringens eines Überzuges durch Plasmaspritzen auf solche Substrate besteht darin, daß man abgenutzte Gußformen (dies) oder solche Gußformen, die versehentlich mit Untermaß hergestellt worden sind, wieder auf das richtige Maß aufstärken kann.

BAD OBiOiNAL

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Ein besonderer Oberflächen-Panzerungsüberzug ist unter den vorerwähnten Typen ein solcher, der 10 bis 8o Gewichtsprozent Titancarbid und als Rest eine Stahlgrundmasse enthält, die ihrerseits etwa 6 oder 7 bis 12 % Cr (vorzugsweise 8 bis 12 %), etwa 0,6 bis 1,2 % C, etwa 0,5 bis 5 % Mo, bit; zu etwa 5 f, W, bis zu etwa 2 % V, bis zu etwa 3 % Ni, bis zu etwa 5 # Co und als Rest im wesentlichen Eisen enthält.

Eine spezifische Überzugsmasse ist eine solche, die etwa 40 bis 50 Gewichtsprozent Titancarbid und als Rest eine Stahlgrundmasse enthält, die ihrerseits etwa 10 % Cr, etwa 1 <f C, etwa j5 % Mo, etwa 1 % V und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Als Beispiele von 2 Stahlsubstraten, die mit den vorerwähnten Überzugsmassen überzogen worden sind, seien die folgenden angeführt.

Beispiel 8

Der Überzug kann auf ein Stahlsubstrat aufgebracht werden, das die AISI-Bezeichnung "S2" (Siliciumwerkzeugstahl) trägt und die folgende Zusammensetzung aufweist: 0,5 bis Ο,ό % C, 0,4 bis 0,6 % Mn, 0,7 bis 1,2 % Si, 0,15 bis 0,3 % V, 0,4 bis 0,6 % Mo und als Rest im wesentlichen Eisen. Dieser Stahl weist eine gute Schlagfestigkeit auf. Diese Eigenschaft kann weiter dadurch verbessert werden, daß man die Oberfläche des Substrates durch Plasmaspritzen mit einem panzernden Überzug aus einer Masse der folgenden Zusammensetzung - in Gewichtsprozent ausgedrückt - überzieht: Etwa ^1]0 % TiC, die in einer Stahlgrundmasse dispergiert sind; die etwa 10 % Cr, 1 % C, 3 % Mo, 1 % V und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Der Überzug wird durch Plasmaspritzen nach der in Beispiel 4 angegebenen Methode (in

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einer Dicke von etwa 0,015 inch, das sind 0,501 wn) abgeschieden. Nachdem der Überzug durch Schwabbein geglättet worden ist, wird dr etwa 1 Stunde bei etwa 510/524°C (950/975⁰F) angelassen, abgekühlt und erneut 1 Stunde bei derselben Temperatur angelassen, um die Härte des Überzuges weiter zu erhöhen. Nach dem Anlassen wird das überzogene Substrat auf das Fertigmaß zurechtgeschliffen. Im allgemeinen kann die Anlaßtemperatur zwischen etwa 482°C und 566⁰C (900 - 1050⁰F) liegen.

Beispiel 9

Ein abgenutztes Stanzwerkzeug (die punch) aus einem Titancarbidv/erkzeugstahl wird wieder auf das Vollmaß gebracht, indem man auf die Oberfläche desselben eine Überzugsmasse, die der in Beispiel 8 beschriebenen Masse ähnlich ist, durch Plasma-Flammspritzen aufbringt, wobei die Masse

- in Gewichtsprozent ausgedrückt - etwa 50 % TiC enthält, die in einer Stahlgrundmasse dispergiert sind, die ihrerseits 10 ft Cr, 1 % C, 3 % Mo und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Das Substrat besteht aus 35 Gewichtsprozent TiC in einer Stahlgrundmasse, die 3 % Cr, 3 % Mo, 0,5 % C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Der Überzug wird in einer Dicke von etvtfa 0,25^ mm (0,01 inch) abgeschieden, durch Schwabbeln geglättet und dann zweimal

- wie in Beispiel 8-bei 510/524⁰C (950/975°F) angelassen. Nach dem Anlassen wird das überzogene Stanzwerkzeug auf das gewünschte Maß zurechtgeschliffen. Wenn auch das Substrat bereits hart ist, so verleiht der Überzug eine zusätzliche Härte und verbessert die Verschleißfestigkeit merklich im Hinblick auf den höheren Titäncarbidgehalt.

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So liefert die Erfindung als Fertigerzeugnisse Metallverbundwerkstoffe aus Eisenmetall- und Nichteisenmetall-Substraten mit darauf befindlichen festhaftenden Überzügen aus Titancarbidstahlmassen. Als Beispiele von derartigen. Metallverbundwerkstoffen, die durch.das Plasmaspritzen erzeugt werden, sind die folgenden anzuführen.

Substrat-Metall

legierter Stahl

Nickel Aluminium Aluminium

Kupfer Silber Titane ar bid stall!-Überzug

20 % TiC und 00 % Stahlgrundmasse, die 3 % Cr, 3 % Mo, 0,5 % C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält

j50 % TiC und /0 % Stahlgrundmasse, die 8 i, Mo, 4 % Cr, 2 % V, 0,85 % C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält

35 % TiC und 65 % Stahlgrundmassse, die 5 % Cr, 1,4 % Mo, 1,4 % W, 0,45 56 V, 0,^5 # C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält

40 % TiC und 60 % Stahlgrundmasse, die 8 % Cr, 3 # Mo, 1 # V, 0,9 # C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält

35 % TiC und 65 # Stahlgrundmasse, die 20 % Ni, 1,75 $ Ti, 0,8$ Al, 0,15 % C, 0,5 % Mn, 0,2 % Si und als Rest im wesentlichen Eisen enthält

60 % TiC und 40 % Stahlgrundmasse, die 10 % Cr, 2 % Mo, 2 % W, 1 $ C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält.

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V.ie zu ersehen ist, kann das Metallsubstrat ein Vertreter aus der Gruppe der Stähle und der Nichteisenmetalle sein. Die Nichteisenmetalle, die sich besonders für eine Verwendung als Substrat eignen, sind Aluminium, Kupfer und Silber sowie Legierungen, die diese Metalle als Grundmetall enthalten, also Legierungen auf Aluminium-, Kupfer- oder Silber-Basis.

Wie bereits erwähnt, soll das Überzugsmaterial vorzugsweise /orlegiert sein, ehe es aufgespritzt wird, um das Vor-.handensein ^!'on abgerundeten primären Titancarbidkörnern zu gewährleisten, die in einer martensit-haltigen Stahlgrundmasse diapergiert sind. Die in der vorstellenden Taoeile angeführten, mittels Plasmaspritzen aufgebrachten Überzüge sind in der Regel durch das Vorhandensein von Martensit in der Grundwasse gekennzeichnet. Hierdurch wird r.iohergestellt, daß eine harte Grundmasse die Titancarbidliörner umgibt, ist eile Grundmasse zu weich, dann wirkt i ich der Verschleiß der Grundmasse in erster Linie in der Lockerung bz_k;. im Herauslösen der Titancarbidkörner und ieuztjicn Im allmählichen Abscheuern des Überzugsinateriai:i aus.

Der derzeitige Entwicklungsstand auf dem Gebiet der Drehkol beri-VerbrenMungsi'raftmaBchLnen faßt die Verwendung vor. Alumiriiumgehäusen ins Auge. Dei· Drehkolben, der im allgemeinen die Form eines Dreiecks aufweist, befindet sich über die ocheitei (Apizes) desselen im Kontakt mit den :;tirriwänden de:s Gehäuses, die ein Abdichtungsmaterial zur- Abdichtung der Räume, die von den Scheiteln abgegrenzt werden, benötigen. Das Abdiehtungsmaterial muß ''erschle 3 ßfestigkeit aufweisen. Nun ist jedoch das Alumimium im Gehäuse im Vergleich zu den meisten anderen Kon-

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struktionsmaterialien im allgemeinen weich und weist nur eine geringe Verschleißfestigkeit auf. Die Lebensdauer des Gehäuses kann nun dadurch verbessert werden, daß man auf die Innenwände des Aluminiumgehäuses durch Plasma-FlamtiK spritzen ein aus einer Titancarbidwerkzeugstahlmasse bestehendes Panzerungsmaterial, welches einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist, aufbringt. Ein Aluminiumgehäuse ist deshalb technisch wünschenswert, weil es dank seiner hohen Wärmeleitfähigkeit einer Luftkühlung leicht zugänglich ist. Das vergütbare Oberflächen-Panzerungsmaterial soll vorzugsweise anlaß-beständig sein, um einem Weichwerden durch die Hitzeerzeugung im Kolben während der Treibstoffverbrennung widerstehen zu können.

Ein Überzugsmaterial, das in dieser Hinsicht für Aluminiumgehäuse erfolgversprechend zu sein scheint, ist ein solches, das - in Gewichtsprozent ausgedrückt - etwa 10 bis 80 $ TiC und als Rest 90 bis 20 % einer Stahlgrundmasse enthält, die ihrerseits 6 oder 7 bis 12 % Cr, 0,5 bis 5 % Mo, 0,6 bis 1,2 % C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Die Stahlgrundmasse kann bis zu etwa 5 % W, bis zu etwa J> % Ni, bis zu etwa 5 % Co, bis zu etwa 2 % V, ferner Mn und Si in Mengen, wie sie in Stählen für gewöhnlich vorhanden sind, und als Rest im wesentlichen Eisen enthalten. Eine spezifische Masse weist 10 % Cr, 3 # Mo, 1 % C und als Rest im wesentlichen Eisen auf. Dieser Stahl ist beständig gegen ein Anlassen bei Temperaturen bis zu 5^8°C (1000⁰F) und nimmt aufgrund eines Sekundarhärtungs-Effektes bei der letztgenannten Temperatur in der Tat sogar an Härte zu.

In Figur 2 ist ein Drehkolben-Verbrennungsmotor rein schematisch dargestellt, und er besteht aus einem Aluminiutn-

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gehäuse 20 mit einer Kammer 21, in der ein dreieckig geformter Drehkolben 2?, der in abdichtendem Kontakt mit den Stirnwänden 23 der Kammer an seinen Scheiteln (Apizes) 24 bis 26 steht, eingebaut ist. Auf dem Drehkolben ist ein Innengetriebe montiert, welches durch das Zahnrad 2b, das auf einer Welle sitzt, die senkrecht zum Drehkolben läuft, angetrieben wird. Das Oberflächen-Panzerungsmaterial wird auf die Stirnwand 27), wie durch die starke Linie angedeutet, aufgebracht, um eine ausreichende Verschleißfestigkeit gegenüber dem Material der Kolbenscheitel (Apizes) während des Streich-Kontaktes mit der Stirnwand zu gewährleisten. Das Material der Scheitel kann aus an einer Feder montierten Einsatzstücken 29 aus demselben Titancarbidwerkzeugstahl bestehen, die in ständigem, abdichtendem Kontakt mit der Stirnwand über die Feder 30 gehalten werden.

Im Betrieb werden beim Rotleren des Drehkolbens Treibstoff und Luft in der Ansaugzone 3J- durch die Ansaugöffnung 32 angesaugt. Das Treiostoff/Luft-Gemisch wird dann verdichtet und in der Verdichtungszone 33 durch die Zündkerze 3^· gezündet, und die verbrannten Gase werden in der Auslaßzone 35 durch den Auspuff 36 ausgeblasen. Die Temperatur in der Kammer steigt auf Werte, die ausreichen wurden, um gewisse vergütbare Stähle zu tempern. Bei Anwendung des in dieser Erfindangsbeschreibung offenbarten Oberflächen-Panzerungsmitteis, das etwa 35 Gewichtsprozent TiC in einer Stahlgrundmasse dispergiert enthält, die ihrerseits etwa 10 % Cr, 3 % Mo, 1 % C und als Rest im wesentlichen Eisen enthält, wird jedoch eine anlaßbeständige Oberfläche geschaffen, die bis zu etwa. 5J58 C (1000°F) erhitzt werden kann, ohne daß eine ins Gewicht

BAO

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fallende Abnahme der Härte eintritt und, falls dies doch in gewissem Umfang eintreten sollte, steigt die Härte wieder an aufgrund eines Sekundärhärtungs-Effektes, der durch die Ausscheidung von Chrom enthaltenden, sekundären Carbiden und bzw. oder durch die Umwandlung von zurückgebliebenem Austenit zustandekommt. Durch das Vorhandensein der abgerundeten Titancarbidkörner sowohl in den EinsatzstücKen der Abdichtung als auch in dem Oberflächen-Panzerungsmaterial der Gehäuse-Stirnwand wird eine nur geringe Reibung während des Motorbetriebes gewährleistet.

Selbstverständlich soll der Ausdruck "Stahlsubstrat", wie er in dieser Erfindungsbeschreibung gebraucht wird, sowohl Gußstähle, Gußeisen und Ma.erialien mit Eisen als Grundmetall umfassen.

Wenn auch die vorliegende Erfindung vornehmlich im Zusammenhang mit deren bevorzugten Ausführungsformen erläutert worden ist, so versteht es sich doch von selbst, daß Modifizierungen und Abwandlungen, wie sie dem auf diesem Gebiet Sachkundigen geläufig sind, vorgenommen werden können, ohne daß hierdurch vorn Prinzip der Erfindung und ihrem Umfang abgewichen wird. Auch solche Modifikationen und Abwandlungen gehören also zum Gegenstand der Erfindung und fallen unter die Schutzansprüche, wie sie nachstehend formuliert sind.

BAO ORiGINAL

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Claims

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Patentansprüche

1. Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Metall substrat besteht, das einen durch Plasma-Flammsprltzen darauf abgeschiedenen, haftfesten Titancarbidwer'kzeugßtahl-iiberzug aufweist, der etwa 10 bis 8o Gewichtsprozent primäre Titancarbidkörner enthält, die in einer Stahlgrundmasse, die im wesentlichen den Rest von etv.'a 90 biß 20 Gev-ichtsprozent ausmacht, dispergiert sind, wobei das Stahlgefüge des durch Plasma-FLammspribzen abgeschiedenen Überzuges durch ein Austenit-Umwandlungsprodukt, welches Martensit enthält, charakterisiert ist.

2. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidkörner in abgerundeter Form vorliegen.

5. VerbundwerKstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Metallsubstrat besteht, das einen durch Plasma-Flammspritzen darauf abgeschiedenen, festhaftenden TLtancarbidwerkzeugstahl-Überzug aufweist, der etwa 10 bis Bo Gev/ichtsprozent primäre Titancarbidkörner enthält, die in einer Stahlgrundmasse, die im wesentlichen den Rest von etwa 90 bis 20 Gewichtsprozent ausmacht, dispergiert sind, wobei die genannte Stahlgrundrnaase aus den Stahlsorten ausgewählt ist, die ihrerseits bestehen aus

(A) etwa 1 °ß> bis 6 f. Cr, etwa 0,3 % bis 6 % Mo, etwa 0,3 f, bis 0,b f. C und als Rest im wesentlichen aus Eisen; oder

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(B) etwa 6 $ bis 12 % Cr, etwa 0,5 $ bis 5 # Mo, etwa 0,6 f. bis 1,2 $ C, bis zu etwa 5 % W, bis zu etwa 2 % V, bis zu etwa 3 % Ni, bis zu etwa 5 $ Co und als Rest im wesentlichen aus Eisen; oder

(C) einer nickelreichen Stahllegierung, die etwa 10 % bis 30 Ji Nickel, etwa 0,2 % bis 9 # Titan, bis zu etwa 5 $ Al mit der Maßgabe, daß die Summe der Ti- und Al-Gehalte etwa 9 % nicht überschreitet, ferner bis zu etwa 25 % Co und bis zu etwa 10 % Mo enthält,

^während der Rest der Grundmasse im wesentlichen aus mindestens etwa 50 % Eisen besteht und die Metalle, aus denen sich die Stahlgrundmasse zusammensetzt, mengenmäßig so gewählt werden, daß in dem Fall, in dem der Nickel-Gehalt etwa 10 % bis 22 $ ausmacht und die Summe der Al- und Ti-Gehalte weniger als etwa 1,5 % beträgt, der Molybdän- und Kobalt-Gehalt jeweils mindestens etwa 2 % beträgt, und daß ferner in dem Fall, in dem der Nickel-Gehalt etwa 18 % bis 30 % ausmacht und der Molybdän-Gehalt weniger als 2 % beträgt, die Summe der Al- und Ti-Gehalte 1,5 % übersteigt,

wobei das Grundgefüge der aus den Massen (A), (B) und (C) hergestellten Stähle metallographisch durch das Vorhandensein von Martensit charakterisiert ist.

4. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat aus der Gruppe solcher Stähle und Nichteisenmetalle ausgewählt ist, deren Schmelzpunkt über 593°C (1100⁰F) liegt.

5. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat eine Wärmeleitfähigkeit und

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eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 0,2 aufweist, bezogen auf die entsprechenden Werte von Kupfer, die als 1 eingesetzt sind.

6. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat aus Aluminium, Kupfer oder Silber oder einer Legierung, welche eines dieser Metalle als Grundmetall enthält, besteht.

7- Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem aluminiumhaltigen Substrat besteht, das einen darauf durch Plasrna-Flammspritzen abgeschiedenen, festhaftenden Überzug aus einem Titancarbidwerkzeugstahl aufweist, der etwa 10 bis 6O Gewichtsprozent primäre Titancarbidkörner enthält, die in einer im wesentlichen den Rest von etwa 90 bis 20 % ausmachenden Stahlgrundmasse dispergiert sind, wobei das Gefüge der Stahlgrundmasse metallographisch durch ein Austenlt-Umwandlungsprodukt, das Martensit enthält, charakterisiert ist.

8. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch "J_t dadurch gekennzeichnet, daß die Titancarbidkörner in abgerundeter Form vorliegen.

9. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlgrundmasse aus den Stahlsorten ausgewählt ist, die ihrerseits bestehen aus

(A) etwa 1 <?o bis 6 % Cr, etwa 0,3 % bis 6 % Mo, etwa 0,3 ρ bis 0,ö % C und als Rest im wesentlichen aus Eisen; oder

(B) etwa 6 % bis 12 % Cr, etwa 0,5 % bis 5 ^cfo Mo₅ etwa 0,6 % bis 1,2 % C, bis zu etwa 5 % W, bis zu etwa 5 fo Co und als Rest im wesentlichen aus Eisenj oder

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(C) einer nickelreicheri Stahllegierung, die etwa 10 % bis J5O % Ni, etwa 0,2 % bis ^ % Ti, bis zu etwa 5 $ Al mit der Maßgabe, daß die Summe der Ti- und Al-Gehalte etwa 9 "/> nicht überschreitet, ferner bis zu etwa 25 % Co und bis zu etwa 10 % Mo enthält, während der Rest der Grundmasse im wesentlichen aus mindestens etwa 50 % Eisen besteht und die Metalle, aus denen sich die Stahlgrundmasse zusammensetzt, mengenmäßig so gewählt werden, daß in dem Fall, in dem der Nickel-Gehalt etwa 10 $ bis 2? % ausmacht und die Summe der Al- und Ti-Gehalte weniger als etwa 1,5 °/> beträgt, die Molybdän- und Kobalt-Gehalte jeweils mindestens etwa 2 $ betragen, und daß in dem Fall, in dem der Nickel-Gehalt etwa l8 % bis JO °/o ausmacht und der Molybdän-Gehalt kleiner als 2 % ist, die Summe der Al- und Ti-Gehalte 1,5 % übersteigt,

wobei das Grundgefüge der aus den Massen (A), (B) und (C) hergestellten Stähle metallographisch durch das Vorhandensein von Martensit charakterisiert ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines harten, verschleißfesten Überzuges aus einem vergütbaren Titancarbidwerkzeugstahl auf einem Metallsubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Pulvermasse, die etwa 10 bis 80 Gewichtsprozent primäre Titancarbldkorner und als Rest im wesentlichen etv/a 90 bis 20 Gewichtsprozent stahl bildende Bestandteile enthält, die beim Schmelzen einen Stahl ergeben und beim Abschrecken von einer Austenitisierungs-Temperatur zur Bildung von Martensit neigen, mit Hilfe einer Plasma-Flamme auf einem Metali substrat unter Abschreckung abscheidet zwecks Erzeugung eines festhaftenden

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Überzuges aus der genannten Titancarbidwerkzeugstahlrnasse auf dem erwähnten Metallsubstrat, welcher Überzug durch primäre Titancarbidkörner ausgezeichnet ist, die in einer Stahlgrundmasse gleichmäßig dispergiert sind, welche ein Austenit-Urnwaridlungsprodukt, das Martensit enthält, auf v/eist und der ferner bei einer Temperatur vergütbar ist, die unter dem Schmelzpunkt des Metallsubstrates liegt.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermasse aus einer vorlegierten Masse besteht, die dadurch ausgezeichnet ist, daß die Titancarbidkörner abgerundet und In einer Stahlgrundmasse dispergiert sind.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlgrundmasse aus den Stahlsorten ausgewählt ist, die ihrerseits bestehen aus

(A) etwa 1 % bis 6 f, Cr, etwa 0,3 f. bis 6 £ Mo, etwa 0,3 $ bis 0,8 f> C und als Rest im wesentlichen aus Eisen; oder

(B) etwa 6 f. bis 12 % Cr, etwa 0,5 % bis 5 % Mo, etwa 0,6 % bis 1,2 % C₅ bis zu etwa 5 f> W, bis zu etwa 2 f. V, bis zu etwa 3 $ Ni, bis zu etwa 5 % Co und als Rest im wesentlichen aus Eisen: oder

(C) einer nickelreichen Stahllegierung, die etwa 10 ^ bis 30 f Ni, etwa 0,2 % bis 9 % Tl, bis zu etwa 5 % Al mit der Maßgabe, daß die Summe der Ti- und Al-Gehalte etwa ^c-i % nicht übersteigt, ferner bis zu etwa 25 f, Co, bis zu etwa 10 % Mo enthält, während der Rest der Stahlgrundmasse im wesentlichen aus mindestens etwa 50 ^cf.> Eisen besteht und die Metalle, aus denen sich die Stahlgrundmasse zusammen-

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setzt, mengenmäßig so gewählt werden, daß in dem FaIi, in dem der Nickel-Gehalt etwa 10 % bis 22 % beträgt und die Summe der Al- und Ti-Gehalte sich au Γ weniger als etwa 1,5 f, belauft, die Molybdän- und Kobalt-Gehalte jeweils mindestens etwa 2 % betragen und in dem Fall, in dem der Nickel-Gehalt etwa l8 % bis ^O % ausmacht und der* Molybdän-Gehalt kleiner als 2 % ist., die Summe der Al- und Ti-Gehalte 1, ^lj % übersteigt,

wobei das Grundgefüge der aas den Massen (A), (B) und (C) hergestellten Stähle metallographisch durch das Vorhandensein von Martensit charakterisiert ist.

1^. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat eine Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 0,2 aufweist, bezogen auf die entsprechenden Leitfähigkeiten des Kupfers, die als 1 einzusetzen sind.

14. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat aus einem Stahl oder Nichteisenmetall, dessen Schmelzpunkt über 593°C (HOO⁰F) liegt, besteht.

15. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Metallsubstrat aus Aluminium, Kupfer oder Silber oder einer Legierung, welche eines dieser Metalle als Grundmetall enthält, besteht.

16. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einer Masse (B) stammt und das mit dem Überzug versehene Substrat nach seiner Erzeugung bei

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einer Temperatur von etv;a 482°C bis 566⁰C (900 1050 F) eine solche Zeit lang angelassen wird, die mindestens ausreicht, um die Härte des Überzuges zu erhöhen.

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L e e r s e i t e