DE3337012T1

DE3337012T1 - Verfahren zum Aufbringen einer metallischen und/oder keramischen Schutzschicht auf ein Substrat

Info

Publication number: DE3337012T1
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: 1984-02-09
Also published as: US4529631A; ATA901383A; BR8306485A; BE896200A; WO1983003263A1; GB2128105B; AT378377B; DE3337012C2; FR2523480A1; CH656560A5; GB2128105A; FR2523480B1; GB8330376D0

Description

Die vorliegende Erfindung beitrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer metallischen und/oder keramischen Schutzschicht au!: ein Substrat durch thermisches Aufspritzen pulverförmiger Stoffe.

Zur Bildung von harten Schutzschichten mit relativ großer Dicke aus metallischen oder keramischen Stoffen werden üblicherweise durch thermisches Aufspritzen mehrere übereinänderLiegende Einzelschichten aufgebracht. Die Maximaldicke, die man mit einem derartigen Verfahren mit mehreren Schichten erzielen kann, 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 der 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 15O⁰C erreichen kann. Dadurch treten aber im allgemeinen Risse auf, sowie ein Ablösen der verschiedenen Einzelschichten.

Die Erfindung hat die Schaffung eines Verfahrens zum Ziel, die das Aufbringen von Schichten relativ großer Dicke ermöglicht, d.h. in der Praxis bis 3 mm, ausgehend von Stoffen mit erhöhten Schmelzpunkt oder von keramischen Stoffen, wobei Schichten großer Dichte, d.h. sehr geringer Porosität, C5rzielbar sind.

Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch 5 gekennzeichnet, daß nacheinander bandförmige nebeneinanderliegende und miteinander verbundene Schichtteile aufgebracht werden, deren jedes eine Höhe aufweist, die im wesentlichen der Höhe der zu bildenden Schicht entspricht, wobei das

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Substrat während des Aufbringungsverfahrens auf einer Temperatur unterhalb von 300⁰C 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 100⁰C gehalten wird. Vorzugsweise erfolgt ein örtliches Abkühlen auf Höhe eines jeden aufgebrachten Schichtteils,derart, daß die Temperatur des Substrats 200⁰C oder selbst 100⁰C nicht übersteigt und daß der genannte Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und einer Stelle eines aufgebrachten Schichtteils 50 oder 60⁰C nicht überschreitet. Das Abkühlen erfolgt vorzugsweise mittels einer Vorrichtung, die Auslaßdüsen für ein Kühlfluid aufweist, die punktförmig, ringförmig, linear oder fächerförmig sind oder über eine Fläche verteilt sind, wobei die Kühlfluide vorzugsweise aus Wasser, flüssigem Kohlendioxid, Stickstoff, komprimierter Luft ausgewählt sind und auch miteinander vereint angewendet werden können.

Die Erfindung wird besser verstanden im Licht der anschließend angegebenen Beispiele und der Beschreibung, die durch die angefügte Zeichnung ergänzt wird, in welcher:

Figuren

1 und 2 schematisch den Aufbau einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Schutzschicht darstellen.

Die bandförmigen Schichtteile 1, 2, 3, 4 usw. wie sie in Figur 1 dargestellt sind, sind nebencinanderlicgond,Sei te 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 ge-' eignete Wahl der Spritzparameter und dor ReIa L ivbewecjurnj zwischen dem Spritzapparat und dom Substrat erreicht. 7,ur Bildung einer Schicht von C,1 bis 3 min Dicke .ία f.' einem zylindrischen Stück wählt man z.B. eine konstante Umfan'jr,-

geschwind.i.gkuiL· des Stücks in der Größenordnung von 5 bis 60 m/min und eine Tranülationsgoschwindigkeit in Axialrich-

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tung zwischen 10 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 oben erwähnten 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,

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20 bis 40 m/min, 5 χ 10 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 abge kühlt, derart , daß der Temperaturunterschied zwischen dem Basisstück und der Schicht auf einen Wert kleiner als 60 und vorzugsweise 50⁰C gehalten wird.

Wi3 Figur 1 zeigt, überlappen sich die einzelnen Schicht-5 teile 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 Ober fläche, so daß die Gefahr eines AblÖsens der Schicht praktisch nicht besteht. ' *

Figur 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 Figur 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.
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Beispiel 1

Auf einer Welle aus Stahl ST 37 mit einem Durchmesser von 40 mm wird eine Schutzschicht von 1,5 mm Dicke aufgebracht unter Verwendung eines Pulvers, das, in Gewicht,87 % Al-O und 13 % TiO- aufweist- Ein Flamniouritzbrenner der Bezeichnung "Castodyn 2000" (Warenzeichen der Firma Castolin S.A.) wurde in einem Abstand von 90 mm von der Oberfläche der Welle angeordnet um das Spritzen durchzuführen. Die zugeführte Pulvermenge wurde auf 1,0 kg/h eingestellt und ein drehbarer Träger für die Welle wurde wie ; folgt angetrieben: Umfangsgeschwindigkeit der Welle 30 in/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 botrug 20 mm,derart, daß der abgekühlte Bereich ein ringförmiger Bereich von 2 mm Breite war. Die Versorgung mit Kühlflüssigkeit wurde auf ungefähr 4 Liter/min (l/min) eingestellt und derart geregelt, daß die Temperatur der Welle weniger als 100⁰C betrug und der Temperaturunterschied zwisehen einem aufgebrachten Schichtteil und der Wellenoberfläche, gemessen unmittelbar nach dem Abstallen der Spritz- und Kühlvorrichtung vor dem nachfolgenden Durchgang der betrachteten Stelle durch die Spritzposition, k Le iner als 20⁰C war.

Beispiel 2

Eine Gleitbuchsc aus Stahl ST 37 mil einem Auf'.endu rclmie:;:^! r von 100 mm und einem Innendurchmesser von ^r;0 mm wurde aiRen

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 0,0 5 m/min.

Um die Kühlung durchzuführen wurde eine erste Vorrichtung mit über eine Fläche von 20 mm χ 20 mm verteilten Düsen in einer Stellung angeordnet, die der Achse der Brennerflame 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 χ 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 150⁰C und der Temperaturunterschied zwischen dem Stück und der Schutzschicht,gemessen wie im Beispiel 1, war kleiner als 5O⁰C.

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

3b Durchmessser 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 "Rototec 80" auf (Warenzeichen der

Firma Castolin S.A.) 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.

I)

Eine Reihe von Kühldüsenvon 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 Atmosphären versorgt wurden. Die Temperatur der Oberfläche der Welle wurde dadurch auf einen Wert kleiner als 250⁰C gehalten und der maximale Temperaturunterschied zwischen der Schicht und dem Substrat_; gemessen wie in den Beispielen 1 und 2, auf 30⁰C 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 nun betrug und ihr Durchmesser 40 mm betrug. Die Dichtfläche erstreckte sich über eine Länge von ÜOO mm und wurde mit einer Schutzschicht von 0,8 mm beschichtet. Das Aufbringen durch Aufspritzen und Polieren der Schicht wurde Jn einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde ein Spritzbrenner der Art,wie im Beispiel 1 verwendet, und

wurde 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 6 0 m/min,der Vorschub betrug 0,2 m/min und die Polieranordnung wurde mit 1200 U/min angetrieben. Die Pulverzufuhr zun Spritzbrenner betrug 0,7 kg/h und der Spritzabstand betrug 80 mm.

Eine Kühldüse wurde mit flüssigem Kohlendioxid von 6 l/min ^O versorgt, die zur Achse der Flamme diametral gegenüber angeordnet war und eine öffnung von 0,5 mm χ 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 100⁰C vor der Wasserkühlung auf 50⁰C 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

Haft ■ Berngruber - Czybulka Patentanwälte

' 33301

11OL4 ch

Castoiin S.A., CH-1025 Saint-Sulpice

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

Patentansprüche

( 1.!verfahren zum Aufbringen einer metallischen und/oder kera- ^~^^ mischen Schutzschicht auf ein Substrat durch thermisches Aufspritzen pulverförmiger Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander bandförmige, nebeneinanderliegende und miteinander verbundene Schichtteile aufgebracht werden, deren jedes eine Höhe aufweist, die imw esentlichen der Dicke der zu bildenden Schicht entspricht, wobei das Substrat während des Aufbringungsverfahrens auf einer Temperatur unterhalb von 300⁰C 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 genannton Stelle,unterhalb von 100⁰C 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 man ein derartiges Abkühlen durch fülur-t ,daß die; Temper.:! lindes Substrats 200⁰C nicht übersteigt und daß der Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und einer S te I Ie einer.;

aufgebrachten Schichtteils 60⁰C nicht übersteigt.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein derartiges Abkühlen durchführt, daß die Temperatur des, Substrats 100⁰C nicht übersteigt und daß der Temperaturunterschied zwischen dem Substrat und einer Stelle eines aufgebrachten Schichtteils 50⁰C nicht übersteigt.
5. Verfahren nach Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen mittels wenigstens einer Vorrichtung erfolgt, welche fächerförmig angeordnete Auslaßdüsen für das Kühlfluid aufweist.
6. Verfahren nach Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen mittels wenigstens einer Vorrichtung erfolgt, welche ringförmig oder linear angeordnete Auslaßdüsen für das Kühlfluid aufweist.
7. Verfahren nach Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, j . daß das Abkühlen mittels wenigstens einer Vorrichtung erfolgt,

welche über eine Fläche verteilte Auslaßdüsen für das Kühlfluid aufweist.
8. Verfahren nach Ansprüchen 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Kühlfluid aus flüssigem Kohlendioxid, Wasser,

J Stickstoff und komprimierter Luft ausgewählt ist.
9. Verfahren nach Ansprüchen 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, w daß man eine Kombination von Kühlvorrichtungen verwendet,

unter Einsatz verschiedener Kühlfluide, die aus fässer, flüssigem Kohlendioxid, Stickstoff und komprimierter Luft ausgewählt sind.