DE2355532C2 - Verfahren zum Pulver-Auftragschweißen von Metallen und Legierungen - Google Patents

Verfahren zum Pulver-Auftragschweißen von Metallen und Legierungen

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DE2355532C2 DE2355532A DE2355532A DE2355532C2 DE 2355532 C2 DE2355532 C2 DE 2355532C2 DE 2355532 A DE2355532 A DE 2355532A DE 2355532 A DE2355532 A DE 2355532A DE 2355532 C2 DE2355532 C2 DE 2355532C2
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Description

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65 wobei eine Schicht abgeschieden wird, die man anschlle- Bend mittels eines Schweißbrenners schmilzt, um im wesentlichen das gleiche Ergebnis wie beim vorgenannten Verfahren zu erhalten, nämlich eine harte Schicht, die metallurgisch an die Unterlage geschweißt Ist. Bei dem letztgenannten Verfahren erhält man vor dem erneuten Schmelzen eine sehr poröse und schlechthaftende Schicht.
Zur Verbesserung dieser Verfahren und zur Vermeidung der Hantierung mit Pulver soll ein z. B. aus FR-PS-20 81 169 bekanntes Verfahren dienen, wobei das Pulver In Form einer weichen Schnur ausgeblasen und unmittelbar nach dem Auftreffen auf der Unterlage wieder geschmolzen wird. Die weiche Schnur weist eine Seele auf, die im wesentlichen aus einem anorganischen Pulver und einem organischen Bindemitte! besteht und von einer Hülle umgeben ist, die ebenfalls aus organischem Material besteht und die mechanische Festigkeit, Nachgiebigkeit und die Erhaltung der Schnur gewährleistet. Beim Vorschleudern der Schnur verbrennen das organische Bindemittel der Seele und die äußere organische Hülle in der Flamme des Schweißbrenners, während das In Form geschmolzener Teilchen vorwärts gesprühte Pulver auf der Unterlage eine zugleich gleichmäßige und poröse Schicht bildet, die anschließend nochmals geschmolzen werden muß.
Die bei diesem Verfahren benutzten Pulver müssen zum Schmelzen auf mindestens 1000° C erhitzt werden. Diese hohe Temperatur begrenzt offensichtlich die Anwendungsmöglichkelten dieses Verfahrens auf Gegenstände, welche so hohe Temperaturen ohne Verformung aushalten und schließt seine Anwendung zur Auftragschwelßung auf Unterlagen aus Metallen oder Legierungen mit einem Schmelzpunkt unter 1000° C sowie auf Stücken aus, bei denen mindestens eine Abmessung groß bezüglich der anderen Abmessungen ist, beispielsweise Wellen mit einem Verhältnis Länge/Durchmesser über zehn, dünne Wände usw. sowie Werkstücke, die einer Temperaturbehandlung unterworfen wurden, deren Wirkung durch eine Erhitzung und anschließende Abkühlung verschlechtert werden kann.
Diese Begrenzungen gelten auch für das aus H. S. Ingham und A. P. Shepard, METCO Flame Spray Handbook, Vol. II, METCO INC., Westbury, N.Y., besonders Seite 60 bis 63 und 70 bis 72 bekannte Verfahren für das Aufbringen von Ni- oder Co-Leglerungen mit Flußmittelzusatz, die nach dem METCO-Flammsprühverfahren auf Stahl, Nl- oder Co-Leglerungen aufgebracht werden können, wobei das Pulver aus einer Entfernung von 152 bis 241 mm mit einer Spritzgeschwindigkeit von ca. 1 bis 5 m/sec auf das auf mindestens 94° C vorgewärmte Werkstück aufgespritzt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Pulverauftragschweißen von Metallen und Legierungen auf eine durch Sandstrahlen vorbereitete, vorgewärmte Metallunterlage unter Verwendung eines Gemisches des Pulvers des aufzutragenden Metalls oder der aufzutragenden Legierung und von Reduktionsmitteln und Zusätzen zur Herabsetzung des Schmelzpunktes derart weiterzubilden, daß damit auch auf nicht hoch erhitzbaren Metallunterlagen hochwertige und gut haftende Metallschichten aufgebracht werden können.
Diesem Zweck dient erfindungsgemäß das Im Anspruch 1 angegebene Verfahren.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Pulver wird vorzugsweise in Form einer weichen Schnur benutzt, die mit einem Zerstäubungsdruck zwl-
sehen 2 und 5 Bar mittels Druckluft durch einen Luftstutzen versprüht wird, dessen Öffnung einen Durchmesser zwischen 5 und 13 mm hat. Die weiche Schnur hat vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 4,75 mm. Die Herstellung einer solchen Schnur ist beispielsweise beschrieben in FR-PS 20 81 169.
Man kann auch alle bekannten Sprühverfahren benutzen, die den Teilchen eine Geschwindigkeit von mehr als lOOm/Sek. erteilen, beispielsweise Verfahren mit Plasmabrenner oder Explosionspistole.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders brauchbaren Metallpulver enthalten im wesentlichen Nickel zusammen mit einem oder mehreren der Elemente C, Cr, B, Si, Fe, W, Cu, Mo oder auch Kobalt zusammen mit einem oder mehreren der Elemente C, Cr, Ni, B, Sl, Fe, W, Mo.
Da das Metallpulver mit großer Geschwindigkeit, jedoch In geschmolzenem Zustand aufgesprüht wKd, is», die in Berührung mit der MetallunterlTge gebildete Metallschicht sehr dicht. Sie ist praktisch nicht porös und bildet so eine dichte Abschirmung zwischen dem darunterliegenden Werkstück und der Umgebung und haftet sehr viel besser an der Unterlage als die nach den bekannten Verfahren aufgetragenen Schichten. Bor und Silicium als Zusatzstoffe des Pulvers setzen seinen Schmelzpunkt herab und verändern vorteilhaft die Viskosität der Abscheidung. Sie haben auch eine reduzierende Wirkung. Auf diese Welse werden die Oxldfiime, die sich auf der sandgestrahlten Oberfläche der Unterlage und auf den versprühten Metallteilchen rasch bilden, beim Auflreffen der Teilchen zerbrochen und sammeln sich örtlich in Form nicht störender begrenzter Agglomerate, welche eine Berührung zwischen dem Basismetall und dem aufgesprühten Metall über den größten Teil der beschichteten Oberfläche ermöglichen. Diese Wirkung ist besonders ausgeprägt, wenn das aufgesprühte Metall eine Affinität für das Metall der Unterlage hat, was zur Bildung einer Zwischenschicht mit hohem Schmelzpunkt führt, z. B. im Fall des Aufsprühens einer Nickel- oder Kobaltlegierung auf eine Unterlage aus Aluminium.
Die Erfindung wird erläutert durch die folgenden Beispiele.
Beispiel 1
Eine Welle aus dem Stahl XC32 soll mit einer Auftragschwelßung versehen und Im Bereich dieser Auftragschweißung über eine Länge von 120 mm einen Enddurchmesser von 60 mm haben. Das Werkstück wird zunächst auf einen Anfangsdurchmesser von 59,2 mm abgedreht und dann mit scharfkantigem Korund von 0,5 mm Korngröße sandgestrahlt.
Anschließend wird das Werkstück In einem Futter oder Dorn mit einer Geschwindigkeit von 120 Umdrehungen/Minute gedreht und mit dem Gebläsebrenner auf eine Temperatur von 520° C vorgewärmt. Nach Erreichen der Vorwärmtemperatur wird mit einer Drahtpistole, die eine Luftmuffe mit einer Öffnung von 8,5 mm Durchmesser aufweist und durch Druckluft mit 4 Bar gespeist wird, eine Schnur von 4,75 mm Durchmesser aus Nickellegierung der folgenden Gewichtszusammensetzung aufgesprüht: 71% Ni; 3,5% B; 4,5% Sl; 4% Fe; 16,1% Cr; 0,9% C. Der Abstand des Werkstücks von der Pistole (Sprühabstand) beträgt 130 mm. Die Geschwindigkeit der Mehrzahl der Teilchen liegt in der Größenordnung von 100 bis 250 m/s. Das Werkstück wird anschließend auf sein Endmaß abgeschliffen. Die Auftragschicht besitzt eine gute Haftung und leicht poröse Oberfläche.
Beispiel 2
Eine Scheibe aus einer Aluminiumlegierung mit einem äußeren Enddurchmesser von 146 mm und einer Breite von 25 mm wird auf einen Durchmesser von 145,4 mm abgedreht und dann mit einem scharfkantigen Korund von 0,3 mm Korngröße sandgestahlt. Das Werkstück wirf anschließend auf eine mit 60 Umdrehungen/min, laufende Welle gesetzt und auf 390° C vorgewärmt. Nach Erreichen dieser Temperatur wird mit einer Drahtpistole mit einem Luftsutzen, dessen Austrlffsöffnung 7,3 mm Durchmesser hat und der durch Druckluft mit 3,8 Bar gespeist wird, eine Schnur von 4 mm Durchmesser aus Nickellegierung aufgesprüht, um eine 0,5 mm dicke Schicht zu erhalten. Die Nickellegierung hat folgende Zusammensetzung: 83% Ni; 9% Cr; 1,7% B; 3% Si; 3% Fe; 0,3% C. Die Sprühentfernung beträgt 115 mm. Nach dem Abkühlen wird das Werkstück auf Endmaß abgeschliffen. Es zeigt eine gute Oberfläche und besonders gute Haftung der Auftragschicht.
Vergleichsversuche
Beschichtung einer Platte aus Aluminiumlegierung AU4G durch Auftragschweißung mit einer Nlckellegierung mittels einer Sauerstoff-Acetylen-Sprltzpistole.
Verschuchsansordnung
Die Metallunterlage bestand in beiden Fällen aus einer Platte der Nickellegierung AU4G (Zusammensetzung 4% Cu; 0,6% Mn; 0,7% Mg; Rest Al). Die zu beschichtende Oberfläche der Platte war in üblicher Weise durch Sandstrahlen mit scharfkantigem Korund vorbereitet.
Die Aluminlumplatten waren jeweils 2 mm unterhalb der zu beschichtenden Oberfläche mit einer parallel zu dieser verlaufenden Bohrung von 2 mm Durchmesser versehen, in welche ein Chromel-Alumel Thermoelement eingeführt wurde, um die Vorwärmtemperatur zu messen. Das verwendete Spritzmetall war in jedem Fall eine weiche Schnur mit einer Nickellegierung mit der Zusammensetzung 83% Ni, 9% Cr, 1,7% B, 3% Sl, 3% Fe, 0,3% C. Diese wurde mittels einer AcetyleivSauerstoff-Sprltzpistole heiß aufgespritzt.
A) Vergleich
Die Beschichtung wurde in üblicher Welse mittels der Acetylen-Sauerstoff-Spritzplstole auf eine durch Sandstrahlen, wie angegeben, vorbereitete und auf etwa 1000C vorgewärmte Oberfläche der Aluminiumplatte aufgebracht.
B) Erfindung
Die Beschichtung wurde nach dem Verfahren der Erfindung mittels einer Sauerstoff-Acetylen-Sprltzplstole auf eine durch Sandstrahlen, wie oben angegeben, vorbereitete Oberfläche einer gleichen Aluminiumlegierungsplatte, die auf 480° C vorgewärmt war, aufgespritzt.
Ergebnisse
A) Vergleich
Beim Spritzen stellte man fest, daß es unmöglich war, eine Schichtdicke der Nickellegierung von mehr als 0,3 mm zu erhalten, da sich dickere Schichten von der Unterlage lösten.
Selbst für dünnere Schichten war es sehr schwierig, die Probestücke für die mikroskopische Untersuchung zu gewinnen, da die dafür erforderliche mechanische Vorbereitung nur bei Anwendung größter Sorgfalt möglich war.
Die mikroskopische Untersuchung zeigt, daß die Verbindung zwischen Beschichtung und Unterlage schwach und fast ausschließlich mechanisch 1st.
Beim Metallspritzen ist die Verbindung Im allgemeinen nur mechanisch, jedoch ist die Verbindung im vorliegenden Fall deshalb besonders schwach, weil das Aluminium einen hohen Ausdehnungskoeffizienten hat und seine Oberfläsche sehr rasch oxidi-srt.Die Ergebnisse der Röntgenuntersuchung sind weiter unten angegeben und erläutert.
B) Erfindung
Beim erfindungsgemäß durchgeführten Verfahren kann man auf der auf 480° C vorgewärmten Unterlage ohne Schwierigkeit Überzüge' von mehr als 0,5 mm Dicke erhalten.
Bei der Herstellung der Proben zum Mikroskopieren können Risse erzeugt werden, die meist außerhalb der Grenzfläche auftreten.
Die erfindungsgemäß aufgebrachte ebene Beschichtung kann man ohne jede Ablösung spanabhebend bearbeiten, z. B. abfräsen in einer um etwa 20% bezüglich der beschichteten ebenen Fläche geneigten Ebene, was für die nach dem üblichen Verfahren erhaltene Probe A) nicht der Fall Ist und ganz allgemein sehr schwierig Ist für eine durch Flammspritzen erhaltene ebene Beschichtung.
Eine noch weitergeführte Untersuchung der Grenzfläche zeigt eine ausgzelchnete gegenseitige Durchdringung der aufgespritzten Nlckellleglerung und der Aluminiumlegierungsunterlage mit sehr wenigen Unterbrechungen der Kontinuität der Grenzfläche.
Eine Ätzung mit Fluorsalpetersäure läßt bei starker Vergrößerung in der Höhe der Grenzfläche eine Zwischenphase erkennen.
Röntgenuntersuchung
Diese Untersuchungen wurden durchgeführt mittels eines am Mikroskop montierten Meßkopfes, der auf 20 kV eingestellt war und es ermöglichte, jeweils eine Zone von 25 nm Durchmesser zu analysleren. Es wurden bei jeder Probe eine Anzahl von Punkten In verschiedenen Abständen von der Grenzfläche untersucht.
A) Bei der Vergleichsprobe wird bis unmittelbar an die Grenzschicht auf der einen Seite nur die Zusammensetzung des Grundmetalls, also der Aluminiumlegierung AU4G und auf der anderen Seite nur die der Nickellegierung gefunden.
B) Erfindung
Eine gleiche punktweise Analyse liefert die folgenden Ergebnisse: In einem Abstand von 1500 nm von der Grenzfläche findet man im Untersuchungsbereich auf der Seite der Aluminiumlegierung außer dem Spektrum dieser Legierung (49b Cu; 0,6% Mn; 0,7% Mg; Rest Al) den Strahl Ka von Nickel (7,48) m't einer Intensität von 49 Zählimpulsen in 400 Sekunden.
In 500 nm von der Grenzfläche steigt die Zählrate des Strahles Ka des Nickels auf 157 Zählimpulse in der gleichen Zeit.
Bei Überschreiten der Grenzfläche findet man im gleichen Abstand von 500 nm auf der Seite der Nickellegierung (Nl; Cr, Fe, Si) den Strahl von Aluminium (1,50) mit einer hohen Zählrate von 459 Zähllmpulse.n in 400 Sekunden.
Man findet also in der Nähe der Grenzfläche eine Durchdringung der Metalle Aluminium und Nickel unter Bildung von Nickel-Aluminium-Verbindungen.
Eine weitere Untersuchungsreihe wurde an Proben im Bereich der Grenzfläche an einer Reihe von Punkten vorgenommen, die sich in geringem Abstand voneinander befanden.
Die Beobachtungsergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Außerdem wurde eine Messung des Strahls 1,50 des Aluminiums und des Strahls 7,48 des Nickels an der Probe vorgenommen, Indem man die gleiehe Zone senkrecht zur Grenzfläche überstrich. Dabei zeigte sich für den Vergleich A, daß nur eine ganz schwach gestörte Zone in der Grenzfläche auftauchte, obgleich man gerade für diese Untersuchung in der Materialprobe eine Stelle ausgewählt hatte, wo anschelnend eine besonders innige Verbindung zwischen Unterlage und Beschichtung vorhanden war. Dagegen wurde in der Probe B der Erfindung in einem Band von 2 nm im Inneren der Aluminiumgrundlage eine starke Durchdringung des Nickels festgestellt. Die Nickeldurchdrlngung setzt sich deutlich über eine weitere Strecke in das Aluminiummetall hinein fort als umgekehrt. Obgleich man die In diesem Grenzbereich gebildete Verbindung nicht analysleren konnte, wird angenommen, daß hier eine Verbindung der beiden Hauptkomponenten Ni und Al vorliegt, welche von der Nickelseite aus abnehmend über einen Bereich von 2 nm in das Innere der Aluminiumgrundlage hinein dieser Verbindungsschicht eine ausgezeichnete Haftung und einen Widerstand gegen, mechanische Beanspruchung verleiht, welche keinerlei Vorbild findet bei einer Beschichtung des gleichen Typs, die nach den üblichen Pulverspritzverfahren erhalten wurde. Wahrscheinlich liegt hier eine Verbindung vom Typ Nickelalumlnld vor, deren Entstehnung auf die hohe kinetische Energie der auftreffenden Teilchen der NIkkelleglerung und eine hohe Vorwärmung der Aluminiumgrundlage zurückzuführen 1st.
Ergebnis der punktweisen Röntgenuntersuchung (Zählimpulse während 400 Sekunden) Punktabstand von der Grenzfläche in nm
Seite Ni-Legierung
>2 1,5		 336 1 0,5 Seite Al
0,5		 -Legierung
1		 1,5 >2
A. Vergleich
Al-Strahl (1,50)
Ni-Strahl (7,48)		 -300 545
9074		 436 437 348
348		 158 75 -75
B. Erfindung
Al-Strahl (1,50)
Ni-Strahl (7.48)		 -500
-9300		 547
9327		 610
9318		 12 500
1480		 20 500
612		 28 000
251		 - 30 000
-170
Die erfindungsgemäß erzeugten Nickellegierungsüberzüge haften so fest auf der Aluminiumunterlage, daß selbst bei schärfster mechanischer Bearbeitung Ablösungen nicht In der Grenzfläche, sondern entweder Im Metall der Unterlage oder in der Beschichtung selbst auftreten.

Claims (8)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pulver-Auftragschweißen von Metallen und Legierungen auf Metallgegenständen besonders das Auftragschweißen von harten Nickel- oder Kobaltlegierungen auf die vorgewärmte Metallunterlage. Bei Auftragschwelßungen wird das Metall entweder mit Hilfe von Schweißstäben als Raupe oder durch ein Pulver-Auftagschweißen mit dem Schweißbrenner oder der Spritzpistole aufgebracht. Beim Pulverauftragschweißen mit dem Brenner von der Art eines Schweißbrenners wird die Metallunterlage bis auf eine In der Nähe der Schmelztemperatur des aufzutragenden Pulvers liegende Temperatur erhitzt und das Pulver dann mittels eines am Brenner angeordneten Zuführungssystems auf die heiße Unterlage gebracht, wo das Pulver schmilzt und die abgeschiedene Schicht durch die welter darauf gerichtete Flamme geglättet wird. Das. Verfahren unter Verwendung eines Plasmabrenners mit übertragenem Lichtbogen verläuft ähnlich. Die Spritzpistole ist das übliche Gerät zur Durchführung des Pulver-Metallsprltzverfahrens nach Schoop, Patentansprüche:
1. Verfahren zum Pulverauftragschweißen von Metallen und Legierungen auf eine durch Sandstrahlen vorbereitete, vorgewärmte Metallunterlage, unter Verwendung eines Gemisches des Pulvers des aufzutragenden Metalls oder der aufzutragenden Legierung und von Reduktionsmitteln und Zusätzen zur Herabsetzung des Schmelzpunktes, (dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus einer Entfernung von 50 bis 200 mm mit einer Geschwindigkeit zwischen 100 und 250 m/s auf die auf eine Temperatur zwischen 100 und 650° C erhitzte Metallunterlage aufgespritzt wird. '5
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in Form einer weichen Schnur eingesetzt wird, die durch einen Luftstutzen mit einem Öffnungsdurchmesser zwischen 5 und 13 mm mit einem Zerstäubungsdruck zwischen 2 und 5 Bar als Pulver versprüht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallpulver eine Nickellegierung mit einem oder mehreren der Elemente C, Cr, B, Si, Fe, W, Cu, Mo eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallpulver eine Kobaltlegierung mit einem oder mehreren der Elemente C, Cr, Nl, B, Si, Fe, W, Mo eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallpulver eine Legierung mit 71 Gew.-96 Nl, 16,1% Cr, 3,5% B, 4,5% Sl, 4% Fe und 0,9% C eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallpulver eine Legierung mit 83 Gew.-% Nl, 9% Cr, 1,7% B, 3% SI, 3% Fe und 0,3% C eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulvergemisch Bor und Silicium zugesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallpulver eine Legierung von Nickel oder Kobalt für eine Metallunterlage aus einer Aluminiumlegierung eingesetzt wird.
•
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DE2355532A 1972-11-08 1973-11-07 Verfahren zum Pulver-Auftragschweißen von Metallen und Legierungen Expired DE2355532C2 (de)

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