DE2926879A1 - Verfahren zum beschichten der oberflaeche von metallsubstraten mit verschleissfesten materialien - Google Patents

Verfahren zum beschichten der oberflaeche von metallsubstraten mit verschleissfesten materialien

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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Metalloberflächen mit verschleißfesten Materialien, insbesondere zum Beschichten von Metalloberflächen, die mit einer anderen, üblicherweise metallischen Oberfläche in Gleitkontakt stehen und daher dem Verschleiß unterliegen. Das Verfahren der Erfindung eignet sich insbesondere zum Beschichten von Kolbenringen für Verbrennungskraftmaschinen mit hin- und herbewegten Kolben.
Bekanntlich hängt der Verschleiß, der beim Kontakt von bewegten Konstruktionsteilen auftritt, weitgehend von den mechanischen Eigenschaften und dem Mikrogefüge der jeweiligen Materialien ab. Im allgemeinen werden an verschleißfeste Beschichtungen folgende Anforderungen gestellt.
- Perfekte Bindung zwischen der Beschichtung und dem Substrat mit ausreichender Verträglicheit ihrer thermomechanischen Eigenschaften (z.B. unterschiedlicher Wärmeausdehnung)?
- Optimale Zusammensetzung der gekoppelten Materialien. Es ist bekannt, daß neben der Härte die Löslichkeit des einen Materials in dem anderen niedrig sein soll (z.B. 4 0,1 %), um den Verschleiß und die Reibung niedrig zu halten;
- Ausreichende Dicke, um genügend lange Standzeiten ohne Abschälungserscheinungen zu gewährleisten;
- Rückhaltevermögen für Schmiermittel, das nicht nur durch eine geeignete Qberflächenrauhheit, sondern auch durch eine geeignete Porosität der Beschichtung erzielt wird.
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Insbesondere die Beschichtungen von Kolbenringen sollten eine möglichst gute Verschleißfestigkeit gewährleisten, da hiervon in großem Ausmaß die Dichtung zwischen dem Ring und dem Zylinder, die ein Entweichen von Verbrennungsgasen verhindert, und die Zuverlässigkeit-des Rings selbst abhängen.
Derzeit besteht in der Automobilindustrie der Trend zur Entwicklung von Kraftfahrzeugmaschinen mit immer größerer Leistung, was im allgemeinen eine entsprechende Erhöhung der mittleren Drücke in den Maschinenzylindern mit sich bringt. Dies hat dazu geführt, daß Lösungen für die mit der Herstellung von Kolbenringen, die dem an ihren Außenoberflächen während des Einsatzes auftretenden Verschleiß standhalten, verbundenen technischen Probleme gefunden werden mußten.
Der übliche Weg zur Lösung dieser technischen Probleme bestand darin. Ringe mit porösen Außenoberflächen herzustellen, die im Einsatz.Schmieröl aufnehmen können und die Bildung einer Schmieröl-Grenzschicht zwischen dem Ring und dem Zylinder fördern. Die Anwesenheit dieser ölschicht hat sowohl einen günstigen Einfluß auf die Dichtung zwischen dem Ring und dem Zylinder als auch auf die Standzeit des Ringes.
Auf herkömmliche Weise hergestellte verschleißfeste Beschichtungen erfüllen nicht alle notwendigen Voraussetzungen. Insbesondere ist es schwierig/ gleichzeitig eine ausreichende Oberflächenporosität und zufriedenstellende mechanische "und Hafteigenschaften zu erzielen.
Um eine ausreichende Oberflächenporosität zu erhalten, werden insbesondere im Falle von Kolbenringen für Hochleistungs-Dieselmotoren Plasmaspritzverfahren angewandt. Dieses Verfahren besteht,darin, geschmolzenes Beschichtungsmaterial, z.B. Cr-, Ni- oder Mo-Carbide, bei sehr hohen Temperaturen (einigen 10000C) .auf die zu beschichtende Oberfläche zu sprühen. Die gegen die Oberfläche geschleuderten Materialtröpfchen erreichen diese in teilweise verfestigtem Zustand,
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d.h. in Form kleiner Agglomerate, die an mehreren Punkten zusammengeschweißt werden und dabei eine harte schwammige Beschichtung ergeben, die zwar ausgezeichnet dazu geeignet ist, die erforderliche Öl-Grenzschicht zwischen dem Kolbenring und dem Zylinder auszubilden, jedoch den Nachteil hat, daß sie aufgrund ihrer Schwammstruktur außerordentlich brüchig ist.
Diese Brüchigkeit ist vor allem in der Haftzone der Schicht auf der Metallgrundlage ausgeprägt, was zur Folge hat, daß im Falle von Zweitaktmotoren, bei denen eine starke Wechselwirkung zwischen den Ringen und den seitlichen Gaseinlaß- und -auslaßöffnungen auftritt, die Gefahr einer Grübchenkorrosion besteht, die zu einem schnellen Ablösen der Beschichtung von der Grundlage führt.
Andererseits ergeben bekannte Beschichtungsverfahren, bei denen Energiequellen von hoher Energiedichte angewandt werden, um eine Schmelzverbindung zwischen dem Substrat und dem Überzug zu ergeben, im allgemeinen beschichtete Materialien mit zufriedenstellenden mechanischen und Hafteigenschaften, jedoch sehr geringer Oberflächenporosität, da der Überzug außerordentlich kompakt ist.
Aufgabe der Erfindung ist.es daher, ein Verfahren zum Beschichten von Metalloberflächen, insbesondere der Außenoberfläche von Kolbenringen, mit verschleißfesten Materialien bereitzustellen, das einen überzug mit hoher Oberflächenporosität und guten mechanischen Eigenschaften ergibt, der fest auf der Unterlage haftet.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Beschichten der Oberfläche von Metallsubstraten mit verschleißfesten Materialien, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man auf die Oberfläche eine gleichförmige Schicht eines innigen.. Gemisches aus einem Beschxchtungspulver, das ein Metallcarbid enthält.
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und pulverförmigem Silicium aufbringt und die Schicht mit einer Energiequelle von hoher Energiedichte in einem Ausmaß und ausreichend lange erhitzt, daß gleichzeitig das Silicium verdampft, das Beschichtungspulver schmilzt und die Schicht mit dem Substrat verbunden wird.
Im Gegensatz zu der Schwammstruktur der im Plasmaspritzverfahren erhaltenen überzüge, die auf Spalten zwischen den auf der zu beschichtenden Oberfläche nacheinander abgelagerten Agglomerate beruht, und die sich daher über die gesamte Dicke der Schicht erstreckt, ist die erfindungsgemäß erzeugte Schwammstruktur im wesentlichen oberflächlich, da sie auf den beim Verdampfen des Siliciums in dem überzug entstehenden Blasen beruht. Diese Gasblasen treten beim Schmelzen aus der Oberfläche hervor und können bei der Oberflächenbehandlung des Überzuges leicht geöffnet werden, falls sie noch nicht offen sind. Die Kontaktzone zwischen der Grundlage und dem erfindungsgemäß hergestellten überzug ist daher im Gegensatz zu bekannten überzügen im wesentlichen porenfrei und viel fester mit der Unterlage verbunden, während die Außenoberfläche die erforderliche Porosität zum Absorbieren von Schmieröl besitzt, so daß die Funktionsfähigkeit des beschichteten Substrats im Einsatz gewährleistet ist.
Das Beschichtungspulver enthält ein Metallcarbid mit verschleißfesten Eigenschaften, im allgemeinen Wolfram- und Chromcarbide. Vorzugsweise liegt der Schmelzpunkt des Beschichtungspulvers mindestens 35O0C (üblicherweise 350 bis 65O°C) über dem Siedepunkt von Silicium. Das Beschichtungspulver enthält im allgemeinen ein oder mehrere Metalle oder Legierungen mit verschleißfesten Eigenschaften und einem Siedepunkt, der über dem von Silicium, jedoch unter dem des Carbids liegt,.welche eine niedrigschmelzende Matrix für die Beschichtung bilden. Für diesen Zweck verwendet man vorzugsweise Nickel, gegebenenfalls im Gemisch mit. Chrommetall. Das Beschichtungspulver kann auch eine oder mehrere
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Komponenten enthalten, die der Beschichtung verbesserte me-. chanische Eigenschaften und insbesondere verbesserte Hochtemperaturbeständigkeit verleihen, wobei diese Komponenten vorzugsweise einen höheren Schmelzpunkt als das verwendete Carbid haben. Metallisches Molybdän ist für diesen Zweck bevorzugt.
Das Carbid kann in Mengen von 10 bis 30 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 20 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gemisch, insbesondere im Falle von Chromcarbiden, verwendet werden.
Die niedrigschmelzenden Komponenten können in Mengen von 1 bis 12 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 4 bis 8 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gemisch, eingesetzt werden. Die hochschmelzenden Komponenten, wie Molybdän, werden in Menge von 50 bis 85 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 70 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gemisch, verwendet. Die bevorzugten Beschichtungspulver bestehen aus Chromcarbiden, Molybdän und Nickel und können auch geringe Mengen metallisches Chrom (typischerweise 0,5 bis 2 Gewichtsprozent, bezogen auf das Beschichtungsgemisch) enthalten, da handelsübliches Chromcarbidpulver üblicherweise kleine Menge Chrommetall enthält. Die Korngröße des Beschichtungspulvers beträgt gewöhnlich 10 bis 100 μΐη.
Ein essentieller Bestandteil des Beschichtungsgemisches ist Silicium. Dieses Element ist für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet, da es im Vergleich mit anderen Elementen, die ähnliche Schmelz- und Siedepunkte aufweisen, eine niedrige latente Verdampfungswärme und eine hohe latente Schmelzwärme besitzt. Unter den Arbeitsbedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens "explodieren" daher vermutlich die Siliciumteilchen und ergeben die gewünschte Porosität. Die Siliciumteilchen haben eine Größe von vorzugsweise 10 bis 200 μπι, insbesondere 20 bis 7O \xm. Im allgemeinen werden mit kleinen Siliciumteilchen kleine Poren erhalten. Die Siliciummenge
richtet sich nach der gewünschten Porenanzahl und anderen Betriebsbedingungen, üblicherweise verwendet man das Siliciumpulver in einer Menge von 4 bis 7 Gewichtsprozent, vorzugsweise etwa 5 Gewichtsprozent/ bezogen auf das Beschichtungsgemisch.
Als Energiequellen mit hoher Energiedichte eignen sich herkömmliche Energiequellen zur Oberflächenbehandlung, z.B. zum Legieren, Schweißen oder Beschichten, wie Laserstrahlen und Elektronenstrahlen. Im allgemeinen sollte die Energiequelle etwa 100 bis 150 J/rnrn2 Schicht über eine Dauer von nicht mehr als 1,5 Sekunden, vorzugsweise 0,4 bis 1,2 Sekunden, liefern, was der üblicherweise im Verfahren der Erfindung erforderlichen Energie entspricht. Aus praktischen Gründen ist das Arbeiten mit Laserstrahlen bevorzugt, jedoch können auch Elektronenstrahlen mit Vorteil angewandt werden, wenn das Erhitzen unter Vakuum erfolgen soll.
Bei Verwendung eines Laserstrahls führt man das Erhitzen vorzugsweise in einer Inertatmosphäre durch, z.B. durch Spülen der Auftrefflache des Strahls auf die Schicht mit einem Inertgas. Hierzu eignen sich verschiedene Inertgase, z.B. CO2, Argon, Stickstoff und Helium. Die besten Ergebnisse werden im allgemeinen mit Helium erzielt. Eine alternative Verfahrensweise besteht darin, auf den überzug vor der Wärmebehandlung ■eine dünne Schutzschicht aufzubringen. .
Die Heizbedingungen sollten so gewählt werden, daß das Silicium verdampft und das Beschichtungspulver schmilzt, so daß es mit dem Substrat verbunden wird. Die zugeführte Energie sollte insbesondere ein homogenes Schmelzen des Beschichtungspulvers ermöglichen, und eine gute Haftung des Überzuges auf dem Substrat gewährleisten. Andererseits sollte die zugeführte Energie niedrig genug sein, um die Diffusion des Substrats in den überzug in tolerierbaren Grenzen zu halten (üblicherweise unter 30 %). Das Substrat ist im allgemeinen ein Eisensubstrat,
z.B. Fluß- oder Edelstahl, kugel- oder schichtförmiges Gußeisen oder eine Superlegierung. Zwischen der Verdampfungsgeschwindigkeit des Siliciumpulvers und der Verfestigungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Überzuges sollte ein gutes Gleichgewicht gefunden werden. Insbesondere sollte die Wechselwirkungszeitspanne kurz genug sein, um die gewünschte Bildung von Mikroporen im Inneren des Überzugs zu erhalten, üblicherweise ist jeder Punkt der Beschichtung der Energiequelle nicht mehr als 1,5 Sekunden ausgesetzt, wobei die besten Ergebnisse im allgemeinen bei Einwirkungs- bzw. Bestrahlungszeiten von 0,4 bis 1,2 Sekunden erzielt werden. Die Heiztemperatur beträgt üblicherweise 2700 bis 30000C. Die zugeführte Energie beträgt gewöhnlich 100 bis 150 J/mm2 überzug, vorzugsweise etwa 120 bis 130 J/mm2 überzug.
Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Metallsubstrat 1, z.B. einen Kolbenring. In die Außenfläche 2 des Substrats ist eine Nut 3 eingeschnitten, die einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, obwohl auch andere Querschnittformen angewandt werden können. Die Nut 3 erstreckt sich über den größeren Teil der Oberfläche 2 und hat üblicherweise eine Tiefe von 1 bis 1,5 mm.
Die Nut -3 ist mit einer Schicht 4 eines innigen Gemisches aus Beschichtungspulver und Siliciumpulver gefüllt, wobei die Außenoberfläche 5 der Schicht 4 und die Oberfläche 2 im wesentlichen in einer Ebene liegen. Das Beschichtungsgemisch kann direkt in die Nut gegossen und gepreßt werden, z.B. in einem kontinuierlichen Verfahren, um eine Schicht mit im wesentlichen ebener Oberfläche zu erhalten.
Eine andere Methode besteht darin/ das Beschichtungsgemisch mit einem geeigneten flüssigen Bindemittel oder Verankerungsmittel zu einer Paste zu vermischen, die dann auf die Oberfläche aufgetragen wird, um die Nut zu bedecken. Der Zusatz eines
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Bindemittels kann auch in einigen Fällen notwendig sein, um .eine feste Haftung auf dem Substrat vor und während der Behandlung zu erzielen, z.B. wenn das Substrat eine zylindrische Außenfläche hat und es erwünscht ist, den in der vorangehenden Stufe erhaltenen Überzug mit einer fest angeordneten Energiequelle bei kontrollierter Rotation des Substrats zu bestrahlen.
Als Bindemittel eignen sich zahlreiche Produkte, z.B. Öle, Kohlenwasserstoffe oder die unter dem Handelsnamen "Nicrobraz" und "Nicrocoat" von der Wall Colmonoy Ltd. Company, vertriebenen Produkte, die im allgemeinen bevorzugt sind.
Die Überzugsschicht 4 wird unter Verwendung eines Lasers 6 erhitzt, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Der Laserstrahl 7 trifft auf die Schicht 4 und schmilzt das Beschichtungspulver. Der Laserstrahl wird auf die gewünschte Punktgröße fokusiert, so daß er nur das Pulver in der Nut trifft. Das Substrat 1 wird in der durch den Pfeil 8 angezeigten Richtung mit einer Geschwindigkeit bewegt, daß die gewünschte Wechselwirkungs- oder Bestrahlungszeit in jedem Bereich der Schicht 4 erhalten wird. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine Abschirm-Gasdüse 9 z.B. etwa 2 bis 4 cm von der Schmelzzone in einem Winkel von 30 bis 50° zur Substratoberfläche angeordnet, die einen Inertgasstrahl zum Spülen der Schmelzfläche liefert.
Das so behandelte Substrat kann durch übliches Abgraten und Bearbeiten in die gewünschte Form gebracht werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, überzüge mit ausgezeichneter Haftung auf dem Meta11substrat sowie der gewünschten Oberflächenporosität zu erhalten. .Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von beschichteten mechanischen Teilen, die unter extremen Bedingungen arbeiten (fiohci Temperaturen, ungenügende Schmierung), z.B. von Kolbenringen für Hochleistungs-Dieselmotoren. Im erfindungsgemäßen Verfahren können Schichtdicken von bis zu 1 bis 1,5 mm mit ausgezeichneten Eigenschaften erhalten werden.
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung.
Beispiel
Als Energiequelle wird ein kontinuierliches Lasersystem verwendet, das mit einem Gemisch arbeitet, welches im wesentlichen aus CO9 und kleineren Anteilen anderer Gase, wie H9, He und CO, besteht. Die maximale kontinuierliche Leistung dieses Lasers beträgt 15 kW, die mit einer minimalen Anstiegszeit von 250 msec erhalten wird. Die Wellenlänge liegt im Infrarotbereich (X= 10,6 μπι) .
Das optische Strahlungspumpen, d.h. die für den Lasereffekt erforderliche Populationsinversion der Energieniveaus, erfolgt mit einem Elektronenstrahl, der das Lasergemisch quer zum Gasstrom energetisiert. Das System hat zwei Arbeitsstationen, wobei die erste mit einem optischen System zur Erzielung hoher Energiedichten (1,5 χ 10 W/cm2) ausgerüstet ist und die zweite für Oberflächenbehandlungen eingesetzt wird. Das optische System besteht aus zwei hochfrequent schwingenden Spiegeln zum Oszillieren des Laserstrahls in zwei zueinander senkrechten Richtungen, das einen rechtwinkligen Strahl von variabler Größe zwischen 6 χ 6 mm und 25 χ 25 mm ergibt.
Eine Reihe von Tests wird unter Verwendung eines Beschichtungspulvers durchgeführt, das ein Gemisch der Handelsprodukte "63 NS" und "81 NS" der Metco Inc. Company darstellt. Das 63'NS-Pulver besteht aus Molybdän und das 81 NS-Pulver hat folgende Gewichtszusammensetzung: 20 % Ni, 5 % Cr und 75 % Cr3C9 und Cr5C9. Die beiden Pulver werden mit einem Siliciumpulver mit einer Korngröße von nicht mehr als 66 μΐη in Mengen vermischt, daß das erhaltene Beschichtungsgemisch die folgende Gewichtszusammensetzung hat: 70 % Molybdän, 18,8 % Carbide, 5 % Ni, 1,2 % Cr und 5 % Si. Das Beschichtungsgemisch wird mit einem Bindemittel vermischt, üblicherweise Nicrocoat, so daß eine pastöse Masse mit guter Haftung auf dem Substrat entsteht.
Die zu beschichtenden Proben sind parallelepipedförmige Gußeisenbarren mit einer oberen Oberfläche 100 χ 10 mm und einer Höhe von 15 mm. In der oberen Oberfläche ist eine Nut mit einer Tiefe von 1,5 mm und einer Größe von etwa 8 mm vorgesehen, die mit der pastösen Masse gefüllt wird.
Die Testbarren werden unter Verwendung der Vorrichtung von Fig. 2 und einem 8x8 mm-Laserstrahl erhitzt. Der Laser wird mit einer maximalen Leistung von 12 kW betrieben. Während des Tests wird der Schmelzbereich mit einem Heliumstrahl aus einer Düse, die etwa 25 bis 35 mm von der Schmelzzone entfernt in einem Winkel von 35° zur Probenoberfläche angeordnet ist, mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 3500 Liter/Stunde gespült.
Zur Optimierung der Verfahrensparameter werden zunächst die Wandergeschwindigkeit der Probe und die Leistung variiert. Hierbei erhält man gute Ergebnisse mit einer Wandergeschwindigkeit von etwa 40 ..bis 90 cm/min und einer nominalen Laserleistung von 8 bis 12 kW, was einer spezifischen Energie von 100 bis 150 J/mm2 entspricht. Dies ist ausreichend, um eine gute Haftung und Porosität sowie ein homogenes Schmelzen zu erzielen, und niedrig genug, um eine übermäßige Diffusion des Eisens (>30 %) in den Überzug zu verhindern.
Eine Reihe von Versuchen wird dann unter Anwendung einer Energie von 125 J/mm2 und einer Einwirkungszeit von etwa 0,8 see (Wandergeschwindigkeit 60 cm/min) durchgeführt.
Die beschichteten Testbarren werden einer Strukturanalyse unterworfen, die eine ausgezeichnete Haftung des Überzugs auf dem Substrat ergibt. Das Gefüge besteht aus Molybdändendriten, die mit einer Chrom-Nickel-Matrix, welche Chromcarbide enthält, umgeben sind. Der Überzug ist im allgemeinen bis zu Dicken von 1 mm vollständig homogen. Die Hauptelemente sind über die Dicke des Überzuges gleichmäßig verteilt, wobei eine allmähliche Konzentrationsabnahme gegen die Überzug-
Substrat-Grenzfläche zu beobachten ist. In den untersuchten Proben ist ein nennenswerter Eisengehalt (10 bis 30 %) festzustellen, der hauptsächlich auf das Verdampfen des Substrats bei der Betriebstemperatur (280O0C) zurückzuführen ist.
Die Mikrohärteprüfung ergibt eine ausgezeichnete Härteverteilung über die Dicke des Überzuges mit einem durchschnittlichen Wert von 800 bis 900 HV. Die Proben haben eine gleichmäßig verteilte Porosität mit einer maximalen Porengröße von etwa 80 \im.
Um die Gefügebeständigkeit des Überzugs bei mittleren und hohen Temperaturen zu untersuchen, wird eine Anzahl von Proben 5 Stunden auf 300, 500, 750 bzw. 8500C erhitzt und dann an der Luft gekühlt. Die Röntgenbeugung zeigt eine allmähliche Umwandlung von der γ- in die α-Struktur. Die Umwandlung beginnt bei etwa 4000C und erreicht bei 75O°C 100 %. Dies verursacht eine weitere Härtezunahme auf etwa 1000 HV. Keine nennenswerte Gefügeänderung wird an Proben beobachtet, die bis zu 200 Stunden auf Temperaturen unter 400 C erhitzt wurden.
Verschleißprüfungen werden in einem Labor mit einer sich hin- und herbewegenden Testvorrichtung durchgeführt. Eine Reihe von Gleitkörpern, die nach dem herkömmlichen Plasmaspritzverfahren bzw. nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren mit einem Beschichtungspulver derselben Zusammensetzung beschichtet wurden, werden gegen stationäre Proben von lamellemförmigem Gußeisen mit bestimmter Oberflächenrauhigkeit geprüft. Die Tests werden bei unterschiedlicher Normalbelastung bei einer relativen Geschwindigkeit von 1,25 m/sec über insgesamt 27 km bei unzureichender Schmierung mit Paraffinöl durchgeführt. Die Oberflächenrauhigkeit beträgt 1,2 Ra.
Die Ergebnisse zeigen ein überlegenes Verhalten der Laserbeschichtung, insbesondere bei spezifischen Normalbelastungen
von mehr als 800 bis 1000 N/cm . Der Verschleiß beträgt bei
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einer Auflast von etwa 2400 N/cm im Falle des Plasmaspritz-Verfahrens etwa 4 mg gegenüber nur etwa 1 mg im Falle des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens. Außerdem zeigen Mikrophotographien des Haftbereiches der getesteten Gleitkörper im Falle des plasmagespritzen Überzuges eine Rißbildung an der Grenzfläche, die die Haftung des Überzuges auf der Metallunterlage stark verschlechtert.
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Claims (28)

  1. Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke
    Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Li ska
    Ba/gr »coo München 86, den „λ (- .t «n·^
    POSTFACH 860820 S> Jli» 1^'*
    F. 2527 - MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22
    CENTRO RICERCHE FIAT S.p.A.
    Strada Torino 50
    Orbassano (Turin) Italien
    Verfahren zum Beschichten der Oberfläche von Metallsubstraten mit verschleißfesten Materialien "
    Patentansprüche
    .1. Verfahren zum Beschichten der Oberfläche von Metallsubstraten mit verschleißfesten Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Oberfläche
    eine gleichförmige Schicht eines innigen Gemisches aus einem Beschichtungspulver, das ein Metallcarbid enthält, mit
    pulverförmigern Silicium aufbringt und die Schicht mit einer Energiequelle von hoher Energiedichte in einem Ausmaß und
    ausreichend lange erhitzt, daß gleichzeitig das Silicium
    verdampft, das Beschichtungspulver schmilzt und die Schicht mit dem Substrat verbunden wird;
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Wolfram-und/oder Chromcarbid verwendet.
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    ORIGINAL INSPECTED
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Chromcarbid verwendet.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungspulver ein oder mehrere verschleißfeste Metalle oder Legierungen mit einem Siedepunkt oberhalb dem von Silicium, jedoch unterhalb dem des Carbids, enthält, um eine niedrig - schmelzende Matrix für die Beschichtung zu ergeben.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Nickel oder dessen Gemischen mit Chrom besteht.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Matrix in einer Menge von 1 bis 12 Gewichtsprozent, bezogen auf das innige Gemisch, verwendet.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungspulver eine oder mehrere Komponenten mit einem Schmelzpunkt über dem des Carbids enthält, um der Beschichtung verbesserte Temperaturbeständigkeit zu verleihen.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente Molybdänmetall ist.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente in einer Menge von 50 bis 85 Gewichtsprozent, bezogen auf das innige Gemisch, verwendet wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man das Carbid in einer Menge von 10 bis 30 Gewichtsprozent, bezogen auf das innige Gemisch, verwendet.
    909883/0841
    2926873
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man das Silicium in einer Menge von 4 bis 7 Gewichtsprozent, bezogen auf das innige Gemisch, verwendet.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Silicium eine Korngröße von 10 bis 200 μΐη hat.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 127 dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Silicium eine Korngröße von 20 bis 70 μΐη hat.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das innige Gemisch etwa 20 Gewichtsprozent Chromcarbide, etwa 70 Gewichtsprozent Molybdän und etwa 5 Gewichtsprozent Silicium, Rest im wesentlichen Nickel und Chrom, enthält.
  15. 15... Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Energiequelle verwendet, die 100 bis 150 J/mm2 der Schicht über eine Zeitspanne von nicht mehr als 1,5 Sekunden liefert.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Elektronenstrahl oder Laserstrahl als Energiequelle verwendet.
  17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß man einem Laserstrahl als Energiequelle verwendet.
  18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Auftreffläche des Strahls auf der Schicht während des .Erhitzens mit einem Inertgas abgeschirmt wird.
    909883/0841
  19. 19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man CO2, Argon, Helium oder Stickstoff als Inertgase verwendet.
  20. 20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß man Helium als Inertgas verwendet.
  21. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Punkt der Schicht nicht mehr als 1,5 Sekunden der Energiequelle ausgesetzt ist.
  22. 22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet/ daß die Einwirkungs- bzw. Bestrahlungszeit 0,4 bis 1,2 Sekunden beträgt.
  23. 23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedichte 100 bis 150 J/mm2 beträgt.
  24. 24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedichte 120 bis 130 J/mm2 beträgt.
  25. 25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiztemperatur 2700 bis 30000C beträgt.
  26. 26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß man das innige Gemisch nach dem Vermischen mit einem flüssigen Bindemittel oder Verankerungsmittel auf die Oberfläche des Substrats aufbringt.
  27. 27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, .daß man ein Substrat auf Eisenbasis verwendet.
    909883/0841
  28. 28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, da&urchgekennzeichnet, daß man einen Kolbenring als Substrat verwendet.
    909883/0841
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