DE3337012C2

DE3337012C2 - Verfahren zum Aufbringen einer metallischen und/oder keramischen Schutzschicht auf ein Substrat

Info

Publication number: DE3337012C2
Application number: DE19833337012
Authority: DE
Inventors: Walter 8421 Sandersdorf Neudahm
Original assignee: Castolin SA
Current assignee: ECG Immobilier SA
Priority date: 1982-03-19
Filing date: 1983-03-17
Publication date: 1987-01-15
Also published as: US4529631A; ATA901383A; GB8330376D0; FR2523480A1; DE3337012T1; AT378377B; BE896200A; CH656560A5; GB2128105B; BR8306485A; GB2128105A; WO1983003263A1; FR2523480B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer metallischen und/oder keramischen Schutzschicht auf ein Substrat durch thermisches Aufspritzen pulverförmiger Stoffe, wobei nacheinander bandförmige nebeneinanderliegende und miteinander verbundene Schichtteile aufgebracht werden, deren jedes eine Höhe aufweist, die im wesentlichen der Dicke der zu bildenden Schicht entspricht.
Zur Bildung von harten Schutzschichten mit relativ großer Dicke aus metallischen oder keramischen Stoffen, werden üblicherweise durch thermisches Aufspritzen mehrere übereinanderliegende Einzelschichten aufgebracht. Die Maximaldicke, die mit einem derartigen Verfahren mit mehreren Schichten erzielbar ist, ist jedoch stark begrenzt und liegt in der Praxis zwischen 0,3 und 0,5 mm. Dies beruht insbesondere auf den starken Innenspannungen, die in einer derartigen Schutzschicht auftreten und die nur teilweise verringert werden können durch geeignete Wahl des Spritzparameter und durch Hinnahme einer zunehmenden Porosität der Schicht. Obendrein entsteht, insbesondere, wenn es sich um keramische in mehreren übereinanderliegenden Schichten aufgebrachte Stoffe handelt, eine zunehmende Erwärmung in Höhe einer jeden aufgebrachten Einzelschicht, so daß ein erhöhter Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und der Schicht entsteht, wobei dieser Temperaturunterschied mit jeder Einzelschicht ansteigt und bis zu 150°C erreichen kann. Dadurch treten aber im allgemeinen Risse auf sowie ein Ablösen der verschiedenen Einzelschichten.
Aus der US-PS 41 91 791 ist ein Verfahren zum Aufbringen eines Metallüberzuges auf ein Metallsubstrat bekannt, nach dem das Metall in Form von Tröpfchen aufgesprüht wird. Ein bestimmter Kühlschritt um die Temperatur des Substrates zu erhalten, ist dabei nicht vorgesehen. Noch viel weniger ist die Einhaltung einer bestimmten Grenze der Differenz zwischen der Temperatur des Substrats und jener der aufgesprühten Metalltröpfchen dieser Druckschrift zu entnehmen. Auch sieht dieses bekannte Verfahren eine Schmelzbehandlung der aufgebrachten Tröpfchen unmittelbar nach deren Aufbringung vor, wobei der Temperatur des Substrates keinerlei Beachtung geschenkt wird. Dieses Verfahren unterscheidet sich daher wesentlich von dem erfindungsgemäßen Verfahren und legt dieses auch nicht nahe.
Auch bei diesem bekannten Verfahren tritt noch der Nachteil auf, daß hohe Innenspannungen entstehen und sich ein relativ großer Temperaturunterschied zwischen Substrat und oberster Schicht ergibt, der zu störenden Spannungen bis zur Rißbildung und im Extremfall zur Ablösung von Schichten führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, daß das Aufbringen von Schichten relativ grosser Dicke ermöglicht, d. h. in der Praxis bis 3 mm, ausgehend von Stoffen mit erhöhtem Schmelzpunkt oder von keramischen Stoffen, wobei Schichten großer Dichte, d. h. sehr geringer Porosität erzielbar sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß das Substrat während des Aufbringungsverfahrens auf einer Temperatur unterhalb von 300°C gehalten wird und der Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und einer Stelle eines aufgebrachten Schichtteils, gemessen spätestens vor dem Aufbringen eines benachbarten Schichtteils in der Nachbarschaft der genannten Stelle unterhalb von 100°C gehalten wird.
Vorzugsweise erfolgt ein örtliches Abkühlen auf Höhe eines jeden aufgebrachten Schichtteils derart, daß die Temperatur des Substrates 200°C oder selbst 100°C nicht übersteigt und daß der genannte Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und einer Stelle eines aufgebrachten Schichtteils 50 oder 60°C nicht überschreitet. Das Abkühlen erfolgt vorzugsweise mittels einer Vorrichtung, die Auslaßdüsen für ein Kühlmedium aufweist, die punktförmig, ringförmig, linear oder fächerförmig sind oder über eine Fläche verteilt sind, wobei die Kühlmedien vorzugsweise aus Wasser, flüssigem Kohlendioxid, Stickstoff, komprimierter Luft ausgewählt sind und oft miteinander vereint angewendet werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist neu, fortschrittlich und erfinderisch. Es bietet unter anderem den Vorteil, daß Schutzschichten mit einer Dicke und einer Qualität, insbesondere was das Fehlen von Rissen und Poren anbetrifft, erzielbar sind, die mit dem bekannten Verfahren nicht herstellbar sind.
Ferner wird bei erheblicher Verringerung der Fertigungskosten eine bis zu 50% verlängerte Lebensdauer der Schichten erzielt.
Die Erfindung wird besser verstanden im Licht der anschließend angegebenen Beispiele und der Beschreibung, die durch die Zeichnung ergänzt wird, in welcher
Fig. 1 und 2 schematisch den Aufbau einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Schutz -schicht darstellen.
Die bandförmigen Schichtteile 1, 2, 3, 4 usw. wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, sind nebeneinanderliegend, Seite an Seite, auf einem Substrat 5 aufgebracht. Jedes derart aufgebrachte Schichtteil weist im wesentlichen die Gesamthöhe H der zu bildenden Schicht auf. Dies wird durch geeignete Wahl der Spritzparameter und der Relativbewegung zwischen dem Spritzapparat und dem Substrat erreicht. Zur Bildung einer Schicht von 0,1 bis 3 mm Dicke auf einem zylindrischen Stück wählt man z. B. eine konstante Umfangsgeschwindigkeit des Stücks in der Größenordnung von 5 bis 60 m/min und eine Translationsgeschwindigkeit in Axialrichtung zwischen 10^-4 und 1 m/min. Im Falle des Aufbringens einer derartigen Schicht auf einer ebenen Fläche wird eine Relativbewegung zwischen dem Stück und dem Spritzapparat gewählt, die diskontinuierlich ist, mit Schritten, deren Länge zwischen 0,1 und 20 mm liegt, sowie eine Relativbewegung in senkrechter Richtung zur vorhergehenden mit einer analogen Geschwindigkeit zu derjenigen in Axialrichtung des obenerwähnten zylindrischen Stücks. Die der Spritzvorrichtung zugeführte Pulvermenge beträgt zwischen 0,2 und 3 kg/h. Für eine Schichtdicke von 0,25 bis 2,5 mm sind die entsprechenden Werte, in der Reihenfolge wie oben ausgeführt, 20 bis 40 m/min, 5 × 10^-4 bis 0,5 m/min und 0,5 bis 15 mm, wobei die Menge des aufgespritzten Pulvers von 0,5 bis 2 kg/h reicht.
Insbesondere im Fall von Schichten, deren Dicke 0,5 mm übersteigt, wird das aufgebrachte Schichtteil örtlich abgekühlt, derart, daß der Temperaturunterschied zwischen dem Basisstück und der Schicht auf einen Wert kleiner als 60 und vorzugsweise 50°C gehalten wird.
Wie Fig. 1 zeigt, überlappen sich die einzelnen Schichtteile nur teilweise, wodurch eine Wärmeanhäufung in den nacheinander aufgebrachten Schichtteilen verhindert wird. Andererseits sind die in der Schicht auftretenden inneren Spannungen nicht mehr parallel zur Oberfläche des Basisstücks ausgerichtet, sondern geneigt bezüglich dieser Oberfläche, so daß die Gefahr eines Ablösens der Schicht praktisch nicht besteht.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Schicht mit einer geringeren Dicke h, bei der die einzelnen Schichtteile relativ breiter sind, sich jedoch nur teilweise überlappen, in ähnlicher Weise wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
Die folgenden Beispiele beschreiben das Aufbringen von Schutzschichten mit einer Dicke und einer Qualität, insbesondere was das Fehlen von Rissen und Poren betrifft, die bisher mit den betreffenden Stoffen als nicht erzielbar galten.

Beispiel 1

Auf einer Welle aus Stahl mit einem Durchmesser von 40 mm wird eine Schutzschicht von 1,5 mm Dicke aufgebracht unter Verwendung eines Pulvers, das, in Gewicht, 87% Al₂O₃ und 13% TiO₂ aufweist. Ein Flammspritzbrenner wurde in einem Abstand von 90 mm von der Oberfläche der Welle angeordnet um das Spritzen durchzuführen. Die zugeführte Pulvermenge wurde 1,0 kg/h eingestellt und ein drehbarer Träger für die Welle wurde wie folgt angetrieben: Umfangsgeschwindigkeit der Welle 30 m/min, Vorschub in Axialrichtung 0,025 m/min.
Eine Kühlvorrichtung wurde um die Welle am Ort des Spritzens angeordnet, wobei diese Vorrichtung eine ringförmige Anordnung von einzelnen Düsen aufweist, deren jede eine Öffnung von 1 mm im Durchmesser aufweist und mit flüssigem Kohlendioxid versorgt wird. Der Abstand zwischen der Achse der Flamme und der Mittenebene der ringförmigen Düsen betrug 20 mm, derart, daß der abgekühlte Bereich ein ringförmiger Bereich von 2 mm Breite war. Die Versorgung mit Kühlflüssigkeit wurde auf ungefähr 4 l/min eingestellt und derart geregelt, daß die Temperatur der Welle weniger als 100°C betrug und der Temperaturunterschied zwischen einem aufgebrachten Schichtteil und der Wellenoberfläche, gemessen unmittelbar nach dem Abstellen der Spritz- und Kühlvorrichtung vor dem nachfolgenden Durchgang der betrachteten Stelle durch die Spritzposition, kleiner als 20°C war.

Beispiel 2

Eine Gleitbuchse aus Stahl mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einem Innendurchmesser von 50 mm wurde außen mit einer Molybdänschicht von 1 mm Dicke versehen. Der verwendete Brenner war der gleiche wie der von Beispiel 1 und die Pulverzufuhr wurde auf 1,2 kg/h eingestellt. Der Abstand zwischen der Brennerdüse und der Oberfläche der Buchse betrug 100 mm und der Antrieb der drehbaren Halterung wurde, ähnlich wie im Beispiel 1, wie folgt gewählt: Umfangsgeschwindigkeit 30 ± 5 m/min, Vorschub in Axialrichtung 0,05 m/min.
Um die Kühlung durchzuführen wurde eine erste Vorrichtung mit über eine Fläche von 20 mm × 20 mm verteilten Düsen in einer Stellung angeordnet, die der Achse der Brennerflamme diametral gegenüberlag im Abstand von 12 cm von der Oberfläche der Buchse, wobei sie mit flüssigem Kohlendioxid von 3,5 l/min versorgt wurde. Eine zweite Vorrichtung mit über eine Fläche von 5 mm × 10 mm verteilten Düsen wurde in einem Abstand von 30 mm von der ersten Vorrichtung angeordnet, wobei dieser Abstand in Drehrichtung der Buchse entlang ihrer Oberfläche gemessen wurde und sie mit Stickstoff mit einer Leistung von 7 l/min versorgt wurde. Auf diese Weise erreichte die Temperatur des Stücks maximal 150°C und der Temperaturunterschied zwischen dem Stück und der Schutzschicht, gemessen wie im Beispiel 1, war kleiner als 50°C.
Nach dem Polieren betrug die Enddicke der Schicht 0,9 mm, während ihre Oberfläche keine Pore aufwies und keine sichtbaren Risse. Die Lebensdauer war um 50% länger, verglichen mit derjenigen von Buchsen, die mit mehreren übereinanderliegenden Schutzschichten gleicher Gesamtdicke versehen waren.

Beispiel 3

Die Lagerfläche einer Welle aus Grauguß mit einem Durchmesser von 150 mm wurde mit einer Bronzeschicht (10% Al, 90% Cu) von 2 mm Dicke und einer Länge von 100 mm beschichtet. Die verwendete Apparatur wies einen Spritzbrenner auf, dessen Pulverzufuhr auf 1,5 kg/h eingestellt wurde, wobei der Abstand zwischen der Spritzdüse und der Oberfläche der Welle 15 mm betrug. Eine drehbare Halterung wurde verwendet, wie in den Beispielen 1 und 2, so daß der Welle eine Umfangsgeschwindigkeit von 45 m/min und ein Vorschub in Axialrichtung von 0,02 m/min erteilt wurden.
Eine Reihe von Kühldüsen von 2 mm Durchmesser jeweils, wurden im Abstand von 15 mm von der Oberfläche der Welle angeordnet, entlang eines Halbkreises und zwar fächerförmig, wobei diese Düsen mit komprimierter Luft bei einem Druck von 6 · 10&sup5; Pa versorgt wurden. Die Temperatur der Oberfläche der Welle wurde dadurch auf einen Wert kleiner als 250°C gehalten und der maximale Temperaturunterschied zwischen der Schicht und dem Substrat, gemessen wie in den Beispielen 1 und 2, auf 30°C gehalten.
Im Vergleich mit herkömmlichen Beschichtungsverfahren sind die Kosten für die Ausbildung der vorliegenden Lagerfläche erheblich kleiner, während die Lebensdauer des Stücks erheblich erhöht ist.

Beispiel 4

Pumpen-Tauchkolben, die zum Einsatz in stark korrodierenden Medien bestimmt waren, wurden in Serienfertigung an ihren Dichtflächen mit einer Schutzschicht versehen, die aus 97% Al₂O₃ und 3% TiO₂ bestand.
Die Tauchkolben wurden aus einer Nickel-Chrom-Legierung der folgenden Zusammensetzung hergestellt: 20% Cr, 4% Fe, 0,5% Si, Rest Nickel, wobei ihre Länge 850 mm betrug und ihr Durchmesser 40 mm betrug. Die Dichtfläche erstreckte sich über eine Länge von 500 mm und wurde mit einer Schutzschicht von 0,8 mm beschichtet. Das Aufbringen durch Aufspritzen und Polieren der Schicht wurde in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde ein Spritzbrenner auf der Vorschubanordnung einer drehbaren Halterung befestigt, während eine Polieranordnung in einem Abstand von 20 mm von der Flammachse angeordnet wurde. Die Umfangsgeschwindigkeit des Tauchkolbens betrug 60 m/min, der Vorschub betrug 0,2 m/min und die Polieranordnung wurde mit 1200 U/min angetrieben. Die Pulverzufuhr zum Spritzbrenner betrugt 0,7 kg/h und der Spritzabstand betrug 80 mm.
Eine Kühldüse wurde mit flüssigem Kohlendioxid von 6 l/min versorgt, die zur Achse der Flamme diametral gegenüber angeordnet war und eine Öffnung von 0,5 mm × 5 mm aufwies. Andererseits wurde eine ringförmige Anordnung von Düsen mit 1 mm Durchmesser im Abstand von 100 mm von der Flammachse zwischen dieser und der Polieranordnung vorgesehen und zwar um das zu behandelnde Stück herum. Die letztere Kühlanordnung wurde mit 4 l/min Wasser versorgt und ermöglichte, die Temperatur der aufgebrachten Schicht von 100°C vor der Wasserkühlung auf 50°C zu senken.
Die derart behandelten Tauchkolben wiesen eine ausgezeichnete Lebensdauer auf, während die Dauer des Aufbringens der Schutzschicht bezüglich des herkömmlichen Verfahrens um die Hälfte geringer war.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen einer metallischen und/oder keramischen Schutzschicht auf ein Substrat durch thermisches Aufspritzen pulverförmiger Stoffe, wobei nacheinander bandförmige, nebeneinanderliegende und miteinander verbundene Schichtteile aufgebracht werden, deren jedes eine Höhe aufweist, die im wesentlichen der Dicke der zu bildenden Schicht entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat während des Aufbringungsverfahrens auf einer Temperatur unterhalb von 300°C gehalten wird und der Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und einer Stelle eines aufgebrachten Schichtteiles, gemessen spätestens vor dem Aufbringen eines benachbarten Schichtteils in der Nachbarschaft der genannten Stelle, unterhalb von 100°C gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes aufgebrachte Schichtteil örtlich abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein derartiges Abkühlen so, daß die Temperatur des Substrates 200°C nicht übersteigt und daß der Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und einer Stelle eines aufgebrachten Schichtteiles 60°C nicht übersteigt, durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein derartiges Abkühlen, so, daß die Temperatur des Substrats 100°C nicht übersteigt und der Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und einer Stelle eines aufgebrachten Schichtteils 50°C nicht übersteigt, durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen mittels wenigstens einer Vorrichtung, welche fächerförmig angeordnete Auslaßdüsen für das Kühlmedium aufweist, durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen mittels wenigstens einer Vorrichtung, welche ringförmig oder linear angeordnete Auslaßdüsen für das Kühlmedium aufweist, durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen mittels wenigstens einer Vorrichtung, welche über eine Fläche verteilte Auslaßdüsen für das Kühlmedium aufweist, durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Ansprüchen 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium flüssiges Kohlendioxid, Wasser, Stickstoff, oder komprimierte Luft verwendet wird.

9. Verfahren nach Ansprüchen 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination von Kühlvorrichtungen unter Einsatz verschiedener Kühlmedien, die aus Wasser, flüssigem Kohlendioxid, Stickstoff und komprimierter Luft ausgewählt sind, verwendet wird.