DE3310650C1 - Verfahren zur Verbesserung thermisch aufgespritzter α-Al↓2↓O↓3↓-Schichten - Google Patents

Description

• Mikrohärtemessungen an umgeschmolzenen Schichten ergaben die für Korund deutlich höheren Werte als für gespritztes Alias Röntgenfeinstrukturmessungen belegten eindeutig die Umwandlung von y-AkO3 in oc-AI203 nach dem Umschmelzen. Temperaturwechselbelastungen an beschichteten Proben zwischen 200 und 800"C ergaben für umgeschmolzene Schichten ein besseres Thermoschockverhalten als für nicht aufgeschmolzene Schichten. Diese Feststellung war ebenso überraschend wie die Tatsache, daß y-AI203-Schichten durch eine Elektronenstrahl- oder Laserbehandlung in o;-Al2O3 umgewandelt werden können.
• Schrifttum: 1. Wecht, P., H. Müller Flammgespritzte keramische Schichten Technische Mitteilungen 66 (1973) H. 1 S. 31/34 2. Eichhorn, J., J. Metzler, W. Eysel Röntgenbeugungsuntersuchungen an plasmagespritzten Aluminiumoxidschichten Metalloberfläche Angewandte Elektrochemie 26 (1972) H. 6 S. 212/213 3. Iwamoto, N., Y. Makino, K. Sakata, Y. Watanabe, Fundamental consideration of plasma sprayed ceramic coating (Report II) - Structuralstudy of plasma sprayed Al2O3-Transactions of JWRI 6 (1977) 16. 2,S. 107/111 4. Ayers, J. O., R. J. Schaefer, W. P. Robey, A Laser Processing Technique for Improving the Wear Resistance of Metals Journal of metals (1981) Nr. 8, S. 19 5. Ayers, J. P., T. RTucker Particulate-TiC-Hardened Steel Surfaces by Laser-Melt Injection Thin Solid Films 73(1980)S.201/207 -6. Ayers, J. D., R. J. Schaefer Consolidation of plasma-sprayed coatings by laser remelting SPIE Vol.198-Laser Applications in Materials Processing (1979)S.57/64 - Leerseite -

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Verbesserung einer thermisch aufgespritzten oc-Al203-Schicht, d a d u r c h g e -kennzeichnet, daß diese Schicht mit einem Elektronenstrahl in einer Elektronenstrahl-Schweißkammer oder mit einem Laserstrahl auf die Korund-Modifikation des Aluminiumoxids umgeschmolzen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine dünne Oberflächenschicht umgeschmolzen wird.

   Beschichtungsverfahren für die Herstellung von Schicht-Verbundwerkstoffen zum Einsatz bei hohen oder komplexen Beanspruchungen bzw. zur Einsparung von Material und Energie werden zunehmend eingesetzt Eine besondere Stellung nehmen hierbei die Verfahren des thermischen Spritzens ein, da sie nahezu beliebige Kombinationen von Schicht- und Grundwerkstoff gestatten. Hierbei wird das Material in schmelzflüssigem oder teigigem Zustand auf den zu beschichtenden Grundwerkstoff mit einem Trägergas aufgeschleudert.

   Die genauen Definitionen dieser Verfahrensgruppe sind in DIN 32 530 »Thermisches Spritzen; Begriffe« festgelegt Besonders das Spritzen oxidkeramischer Werkstoffe wie Aluminiumoxid Al203 mit und ohne Zusatz von TiO2 oder MgO, stabilisiertem Zirkoniumoxid ZrO2 oder Chromoxid Cr203 gewinnt z.Zt. an Bedeutung.

   Das thermische Spritzen dieser Materialien kann jedoch auch Nachteile haben, die unter Umständen den Einsatz dieser Verfahren ausschließen.

   Hierzu gehören: - geringe Haftung der Schichten auf dem Grundwerkstoff, - Porosität der Schichten, die einen korrosiven Angriff auf den zu schützenden Grundwerkstoff ermöglicht, - Modifikationsänderungen des Spritzwerkstoffs und - geringe Eigenfestigkeit der Schicht Besonders Al2O3-Schichten sind durch diese Qualitätsmängel für viele interessante Anwendungsfälle nicht zu verwenden. Gravierend ist hierbei vor allem die Modifikationsänderung des Werkstoffs durch das Spritzen.

   Während das Ausgangsmaterial in der Korund- oder a-Modifikation vorliegt und in dieser Form auch für sämtliche technischen Anwendungen, z. B. für gesinterte Körper oder als Schleifmittel verarbeitet wird, liegt es nach dem Spritzen als Schicht in der y-Modifikation oder als Gemisch von y und a vor (1 bis 3). Eine exakte Erklärung für dieses Phänomen ist z.Zt. noch nicht bekannt. y-A12O3 weist gegenüber der Korund-Modifikation folgende Nachteile auf: - geringere Härte, - geringere Verschleißfestigkeit, besonders bei abrasiver Beanspruchung und - geringere chemische Beständigkeit, z. B. durch Wasseraufnahme.

   Zwar ist es möglich, durch Glühen bei 1100°C das y-Al203 wieder in oc-AI203 umzuwandeln, das dann auch bei Abkühlung als Korund erhalten bleibt, doch hat sich dieses Verfahren als untauglich erwiesen, weil die Schicht dadurch zerstört wird und abbröckelt. Für viele Gn:ndwerkstoffe verbietet sich außerdem eine längere Glühung bei höheren Temperaturen, da es zu unerwünschten Gefügeausbildungen kommt oder der Schmelzpunkt überschritten wird.

   Zur Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlen gibt es inzwischen eine umfangreiche Literatur. Grundsätzlich können die gleichen Arbeiten auch mit einem Elektronenstrahl durchgeführt werden, wenn dabei elektrisch leitende Werkstoffe verwendet werden.

   Die Veredlung der Oberfläche von Bauteilen geschieht dabei in den Anwendungsfällen angepaßt unterschiedlicher Weise: - Oberflächiges Aufschmelzen kompakter Körper, um in den Randbereichen durch schnelle Abkühlung ein günstiges Gefüge zu erhalten; - Auflegieren der Radbereiche durch gemeinsames Aufschmelzen einer aufliegenden Schicht und des Grundwerkstoffs oder Einbringen der Legierungsbestandteile in den Laserstrahl. Dieses Verfahren wurde für Korrosions- und Verschleißschutzzwekke untersucht (4, 5); - Veredlung einer durch andere Verfahren aufgebrachten Schicht durch Aufschmelzen der Schichtoberfläche oder der gesamten Schicht (6).

   Auch bei den zuletzt genannten Verfahren sind vorwiegend metallische oder metallkeramische Auftragungen untersucht worden. Das Einschmelzen von Schichten um Hartstoffe in die Oberfläche einzubringen und die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, wird als wenig aussichtsreich beurteilt (6). Über das Einschmelzen oxidkeramischer Spritzschichten liegen den Anmeldern keine Veröffentlichungen vor.

   Die Anmelderin hatte sich zum Ziel gesetzt, die gravierenden Qualitätsmängel thermisch aufgespritzter Al203-Schichten zu beheben, womit dem billigen Schichtwerkstoff Al203 zahlreiche neue Anwendungen auf den Gebieten Verschleiß- und Korrosionsschutz eröffnet werden.

   Dies wird dadurch erreicht, daß diese Schicht mit einem Elektronenstrahl in einer Elektronenstrahl-Schweißkammer oder mit einem Laserstrahl auf die Korund-Modifikation des Aluminiumoxids umgeschmolzen wird, ohne daß die Schicht dabei Schaden nimmt. Neben der y.Form des Al2O3 wird auch die Porosität und Rissigkeit des Überzugs, wie sie nach dem Spritzen besteht, weitgehend beseitigt.

   Es ist möglich, die Schicht nur oberflächig anzuschmelzen und damit zu versiegeln, wie es für Korossionsschutzzwecke infrage kommt, oder auch tiefer umzuschmelzen und mit der Homogenisierung der Schicht und der Einstellung der oc-Modifikation die Verschleißbeständigkeit wesentlich zu erhöhen. Gleichzeitig wird die Oberflächenrauhigkeit der Schicht eingeebt, so daß eine Nachbehandlung durch Schleifen in vielen Fällen nicht mehr erforderlich ist.