DE3341034C2

DE3341034C2 -

Info

Publication number: DE3341034C2
Application number: DE3341034A
Authority: DE
Inventors: Eduardo Coram N.Y. Us Romero; Richard J. Centerreach N.Y. Us Dumola
Original assignee: Eutectic Corp
Current assignee: Eutectic Corp
Priority date: 1982-11-16
Filing date: 1983-11-12
Publication date: 1992-07-02
Also published as: AU2026783A; JPH0474423B2; AU562217B2; JPS59104446A; DE3341034A1; BR8306313A; MX160598A; US4471034A; FR2535991A1; FR2535991B1; GB8329574D0; CA1224065A; GB2130242B; GB2130242A; BE898230A

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbund-Formkörper aus einem Gußeisen-Substrat und einem darauf aufgebrachten Überzug aus einer Legierung auf Nickelbasis sowie dessen Verwendung zum Formen von Glas.

Das Formen von Glas erfolgt im allgemeinen in der Weise, daß man hochviskoses, geschmolzenes Glas in Metallformen gießt und abkühlen läßt, wonach das gegossene Glasformstück aus der Form entnommen wird. Da geschmolzenes Glas die Neigung hat, an einer Metallform zu haften, und weil die Oberfläche der Metallform im Kontakt mit dem geschmolzenen Glas die Neigung hat, zu verschleißen, wenn kein Trennmittel verwendet wird, wird im allgemeinen ein Trennmittel auf die Innenfläche der Form aufgetragen, um die Entnahme des gegossenen Glasformstücks nach dem Abkühlen zu erleichtern und den Verschleiß der Form herabzusetzen. Da geschmolzenes Glas aber im allgemeinen eine Temperatur von über 982°C bis 1204°C hat, treten auch da Probleme auf, weil nämlich bei diesen Temperaturen das Trennmittel die Neigung hat zu verdampfen, woraus ein starker Verschleiß der Formoberfläche resultiert, die mit dem heißen Glas in Kontakt kommt.

Man ist daher seit langem bestrebt, die zum Formen von geschmolzenem Glas bisher verwendeten Metallformen durch solche aus einem anderen Material zu ersetzen, das die oben geschilderten Nachteile nicht aufweist, insbesondere gegen Verschleiß beim Kontakt mit dem geschmolzenem Glas beständiger ist.

In diesem Zusammenhang wurde Gußeisen als Material zur Herstellung der Formen vorgeschlagen. Bei Gußeisen handelt es sich bekanntlich (siehe ASM Metals-Handbook, Band I, 8. Auflage, 1961, Seite 7) um Eisen, das im Lösungsüberschuß Kohlenstoff in der austenitischen Phase enthält, die in der Legierung bei der eutektischen Temperatur vorliegt. Dabei umfaßt der hier verwendete Ausdruck "Gußeisen", Graugußeisen, Weißgußeisen, schmiedbares Eisen und Eisen mit Kugelstruktur. Gußeisen enthält im allgemeinen einen Überschuß von 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, Hartgrauguß 1,7 bis 4,5% Kohlenstoff und 1 bis 3% Silicium, schmiedbares Eisen 2 bis 2,6% Kohlenstoff und 0,9 bis 1,65% Silicium neben anderen Elementen. Unlegiertes körniges oder biegsames Gußeisen hat eine ähnliche Zusammensetzung wie Grauguß. Eine bekannte Zusammensetzung eines solchen körnigen Eisens umfaßt 3,2 bis 4,1% C, 1,8 bis 2,8% Si, bis zu 0,8% Mn, höchstens 0,1% P und höchstens 0,03% S. Der Kohlenstoffgehalt von Gußeisen liegt somit allgemein in der Größenordnung von 2 bis 4,5%.

Formen aus Gußeisen unterliegen bei den obengenannten hohen Temperaturen der Glasschmelzen aber ebenfalls einem gewissen Verschleiß, so daß Formen, wie Druckformen, Blasformen, Halsringe, Druckkolben, Prallflächen, Bodenplatten und dgl., bisher selten aus Gußeisen gefertigt wurden. Man hat versucht, durch Aufbringen von harten, verschleißfesten und dichten Metallüberzügen auf diese Formen das Gußeisen-Substrat gegen die bei Glasschmelzen auftretenden hohen Temperaturen beständiger zu machen. Beim Aufbringen dieser Metallüberzüge unter Anwendung der Schmelztechnik tritt jedoch der Nachteil auf, daß bei hohen Temperaturen der freie Kohlenstoff im Gußeisen mit der benachbarten Luft reagiert unter Bildung eines Gases, insbesondere von CO₂, das zu einer unerwünscht hohen Porosität führt und die metallurgischen Eigenschaften des Verbundkörpers beeinträchtigt.

Aus der GB-PS 10 16 629 war es bereits bekannt, Gußeisensubstrate durch Flammspritzen mit einem Überzug zu versehen unter Verwendung einer Pulvermischung, die besteht zu 4 bis 90% aus einer Legierung, enthaltend 7,0 bis 40,0% Cr, 1,5 bis 5,0% B, 1,0 bis 5,5% Si, 0 bis 30,0% Mo, 0 bis 30,0% W, 0 bis 8,0% Cu, Rest Ni, Co und/oder Fe, und zu 96 bis 10% aus einem oder mehreren Carbiden der 4., 5. oder 6. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente.

Aus der GB-PS 8 67 455 war es bereits bekannt, Substrate durch Spritzschweißen mit einem Überzug zu versehen, der besteht aus einer selbstfließenden Legierung und einem Carbid in Form eines geschmolzenen Aggregats.

Aus der US-PS 43 48 433 war es bereits bekannt, Substrate mit einem Überzug aus einem freifließenden, selbst-bindenden Flammspritzpulver zu versehen, dessen Teilchen charakteristische Formen und eine charakteristische durchschnittliche Teilchengrößenverteilung aufweisen.

Aber auch diese bekannten Beschichtungsverfahren führen, wie sich in der Praxis gezeigt hat, nicht zu einem Verbund-Formkörper mit einem Gußeisen-Substrat zum Formen von Glas, der den heutigen Anforderungen genügt.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Verbund-Formkörper aus einem Gußeisen-Substrat und einem darauf aufgebrachten Überzug aus einer Legierung auf Nickelbasis zu schaffen, der gegen die beim Kontakt mit einer Glasschmelze auftretenden hohen Temperaturen verschleißbeständig ist und sich hervorragend eignet zur Herstellung von Glasformen, die auch ohne Verwendung eines Trennmittels zur Herstellung von gegossenen Glasformstücken hervorragend geeignet sind.

Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst werden kann mit einem Verbund-Formkörper aus einem Gußeisen-Substrat und einem darauf aufgebrachten Überzug aus einer Legierung auf Nickelbasis, der dadurch gekennzeichnet ist, daß
das Gußeisen-Substrat mehr als 1,5 Gew.-% Kohlenstoff enthält,
die Legierung auf Nickelbasis im wesentlichen besteht aus 0,5 bis 5% Ti, 0,5 bis 5% Si, 0 bis 5% B, 0 bis 2% Mn, 0 bis 1% Al, 0 bis 5% Fe, 0 bis 15% Cr und 0 bis 0,5% C, Rest Nickel und
der Legierungsüberzug gebildet worden ist unter Anwendung eines Übertragungs-Lichtbogen-Plasma-Auftragsverfahrens, wobei das Gußeisen-Substrat in dem Plasmaerzeugungs-Stromkreis als Anode geschaltet ist und das Legierungspulver mittels eines Trägergases in dem Lichtbogen-Plasma auf die Oberfläche des Gußeisen-Substrats in der Weise aufgebracht wird, daß zwischen dem Übertragungs-Lichtbogen-Plasma und der Gußeisen-Substratoberfläche eine Schmelze der Legierung aufrechterhalten wird, die bewirkt, daß Kohlenstoff aus dem Gußeisen-Substrat in die abgeschiedene Legierungsschmelze diffundiert und mit dem darin enthaltenen Titan reagiert unter Bildung eines feinen Präzipitats aus sekundärem Titancarbid, so daß ein dichter, schmelzgebundener Überzug aus der Legierung auf Nickelbasis mit einer Mikrostruktur entsteht, in der das gebildete sekundäre Titancarbid fein verteilt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Legierung auf Nickelbasis des erfindungsgemäßen Verbund-Formkörpers im wesentlichen aus 0,5 bis 3% Ti, 0,5 bis 3% Si, 0,5 bis 2% B, höchstens 1,0% Mn, höchstens 1,0% Al, 0,5 bis 3% Fe, 0 bis 10% Cr, 0,05 bis 0,3% C und zum Rest Nickel.

Der erfindungsgemäße Verbund-Formkörper läßt sich nicht nur auf wirtschaftliche Weise herstellen, sondern ist auch außerordentlich verschleißbeständig gegen Glasschmelzen bei den obengenannten hohen Temperaturen, so daß er sich hervorragend eignet zum Formen von Glas.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung des vorstehend geschilderten Verbund-Formkörpers aus einem Gußeisen-Substrat und einem Überzug aus einer Legierung auf Nickelbasis zum Formen von Glas.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 und 2 das Prinzip des Plasmaspritzens, wie es erfindungsgemäß zum Beschichten des Gußeisen-Substrats zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbund-Formkörpers angewendet wird;

Fig. 3 eine Plasmaspritzdüse im Schnitt in Verbindung mit einem Blockschaltbild und

Fig. 4 und 5 Mikrophotographien von Querschnitten von Überzügen aus einer Legierung auf Nickelbasis des erfindungsgemäßen Verbund-Formkörpers, wie sie nach der Schmelzbindung auf dem Gußeisen-Substrat erhalten werden.

Die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbund-Formkörpers verwendete Beschichtungslegierung auf Nickel-Basis ist vorzugsweise ein durch Zerstäuben gewonnenes Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 44 bis 177 µm.

Die Mikrohärte des aufgebrachten Legierungsüberzugs liegt in dem Bereich von RHB 80 bis RHB 35 (nach Rockwell) und weist dank des darin fein verteilten sekundären Titancarbids eines ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit auf. Die Verwendung von Titan als Legierungszugabe ist wegen seiner starken Affinität gegenüber Kohlenstoff und Stickstoff sehr wichtig. Um einen dichten schmelzgebundenen Überzug zu gewährleisten, ist es wichtig, daß die Beschichtung unter solchen Bedingungen ausgeführt wird, die ein übermäßiges Anschmelzen der Oberfläche des Gußeisensubstrats vermeiden, so daß eine Reaktion zwischen der Gußeisen-Oberfläche im Schmelzbereich mit dem Sauerstoff der Luft und die dadurch bewirkte Oxidation des freien Kohlenstoffs im Gußeisen zu CO₂ zuverlässig vermieden wird, so daß der schmelzgebundene Überzug keine unerwünschte Porösität aufweist und seine metallurgischen Eigenschaften dadurch nicht beeinträchtigt werden.

Zu diesem Zweck wird zwischen dem Übertragungs-Lichtbogen-Plasma und der Gußeisen-Substratoberfläche eine Schmelze der Legierung aufrechterhalten, die bewirkt, daß der Kohlenstoff aus dem Gußeisen-Substrat in die abgeschiedene Legierungsschmelze diffundiert und mit dem darin enthaltenen Titan reagiert unter Bildung eines feinen Präzipitats aus sekundärem Titancarbid. Dadurch wird eine Überhitzung des Gußeisen-Substrats und eine Oxidation des freien Kohlenstoff aus dem Gußeisen zuverlässig unterbunden.

Die Verfahrensweise gemäß Fig. 1 ist erfindungsgemäß unerwünscht. Dabei wird durch die Plasmadüse 10 das aufzutragende Legierungspulver über dem Plasmabogen 11 auf das Gußeisen-Substrat 12 aufgebracht. Es entsteht ein Niederschlag 13 in Form einer Schmelze mit dem Plasmabogen 11, wobei der Niederschlag so geführt wird, daß ein guter Teil des Plasmabogens bei 14 auf den Gußeisen-Träger auftrifft.

Demgegenüber zeigt Fig. 2, daß bei erfindungsgemäßer Steuerung des Plasmabogens und der relativen Bewegung zwischen der Düse 10A und dem Werkstück entweder durch Bewegung des Werkstückes relativ zur Düse oder durch Bewegung der Düse relativ zum Werkstück ein Niederschlag 13A des Legierungsüberzugs aufrechterhalten wird und relativ zur Düse so positioniert werden kann, daß der Niederschlag 13A im wesentlichen den vollen Aufprall des Plasmabogens abfängt und das Gußeisen-Substrat gegen den direkten Kontakt mit dem Plasmabogen schützt.

Die Verhältnisse, die zwischen dem Plasmabrenner und dem Werkstück (Gußeisen-Substrat) vorliegen, sind im Blockdiagramm der Fig. 3 schematisch dargestellt, die im Schnitt den Plasmabrenner 15 zeigt, der eine zentrale Wolframelektrode 16 aufweist, die umgeben ist von einer wassergekühlten Kupferelektrode 17 (Anode) mit kreisringförmigem Querschnitt.

Wie aus dem Blockdiagramm hervorgeht, ist die Wolframelektrode 16 mit dem negativen Pol eines Hochfrequenzgenerators 20 verbunden, der zu einer Energiequelle 21 geschaltet ist.

Die Kupferanode 17 ist mit dem positiven Pol des Hochfrequenzgenerators 20 verbunden und die Pulverzufuhr mit dem Werkstück ist ebenfalls mit der Anode verbunden, um die Erzeugung des Plasmabogens zu ermöglichen.

Am Ende der Düse wird zwischen den Wolfram- und Kupferelektroden ein Pilotbogen 22 gebildet, der das Argongas 18, das aus dem Ringspalt rund um die Wolframelektrode herum austritt, ionisiert und den Übertragungs-Plasmabogen initiiert, der zu dem die Anode bildenden Werkstück durch dessen höheres Potential gezogen wird.

Aus einem äußeren Ringkanal 24 strömt ein Schutzmantelgas 23 aus 93% Argon+7% Wasserstoff oder aus Argon aus. Das getrennt zugeführte Argongas dient als Trägergas und lenkt das Pulver durch Kanäle bzw. Öffnungen 25 in den Plasmabogen. Der Schutzgasmantel bewirkt, daß eine Oxidation des Legierungsniederschlags verhindert wird, wobei dieser seinerseits unmittelbar gegenüber der Düse die Gußeisenfläche vor dem direkten Kontakt mit dem Hochtemperatur-Plasmabogen schützt. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß die Ar/H₂-Mischung bei ihrer Verwendung auch die Benetzungseigenschaften der geschmolzenen Legierung in bezug auf das Gußeisen-Substrat verbessert.

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung wurden die folgenden Legierungen auf Nickelbasis in Form eines Überzugs auf ein Gußeisen-Substrat aufgebracht:

Das in Fig. 3 dargestellte Verfahren wurde angewendet zum Beschichten einer Glasmuldenform aus Gußeisen (duktilem oder modularem Gußeisen) mit der erfindungsgemäß verwendeten Legierung auf Nickelbasis. Die Düse wurde in einem Abstand von 10 mm vom Gußeisen-Substrat gehalten. Das Pulver wurde in einer Menge von 2,03 kg/h in ein Argon-Trägergas eingeführt, das unter einem gemessenen Druck von 6,2 N/cm² (20 psi) ausströmte. Das ionisierte Gas, bei dem es sich um reines Argon handelte, wurde unter einem Druck von 18,1 N/cm² (60 psi) freigesetzt und das Schutzgas, das 93 Ar und 7% H₂ enthielt, wurde unter einem Druck von 18,1 N/cm² (60 psi) freigesetzt.

Mit jeder der oben angegebenen Legierungen Nr. 1 bis 4 wurde eine Beschichtung durchgeführt, wobei in jedem Falle ein Überzug mit einer hohen Dichte und einer starken Schmelzbindung an dem Gußeisen-Substrat erhalten wurde, der praktisch frei von Gaseinschlüssen war bzw. keine Porosität aufwies.

Die Mikrostrukturen der Legierungen Nr. 1 und 2 zeigten, daß das in der Legierung enthaltene Titan mit dem freien Kohlenstoff des Gußeisens reagiert hatte unter Bildung von feinverteiltem Titancarbid in der Nickellegierungs-Matrix (vgl. Fig. 4 und 5).

Die Härte jeder der dabei erhaltenen Legierungsüberzüge lag in der Größenordnung von HRB 80 bis HRB 35 nach Rockwell C entsprechend der folgenden Tabelle:

Legierung Nr.
Rockwell-Härte
1
HRC 28
2	HRB 80
3	HRC 35
4	HRC 20

Claims

1. Verbund-Formkörper aus einem Gußeisen-Substrat und einem darauf aufgebrachten Überzug aus einer Legierung auf Nickelbasis, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gußeisen-Substrat mehr als 1,5 Gew.-% Kohlenstoff enthält,
die Legierung auf Nickelbasis im wesentlichen besteht aus 0,5 bis 5% Ti, 0,5 bis 5% Si, 0 bis 5% B, 0 bis 2% Mn, 0 bis 1% Al, 0 bis 5% Fe, 0 bis 15% Cr und 0 bis 0,5% C, Rest Nickel und
der Legierungsüberzug gebildet worden ist unter Anwendung eines Übertragungs-Lichtbogen-Plasma-Auftragsverfahrens, wobei das Gußeisen-Substrat in dem Plasmaerzeugungs-Stromkreis als Anode geschaltet ist und das Legierungspulver mittels eines Trägergases in dem Lichtbogen-Plasma auf die Oberfläche des Gußeisen-Substrats in der Weise aufgebracht wird, daß zwischen dem Übertragungs-Lichtbogen-Plasma und der Gußeisen-Substratoberfläche eine Schmelze der Legierung aufrechterhalten wird, die bewirkt, daß Kohlenstoff aus dem Gußeisen-Substrat in die abgeschiedene Legierungsschmelze diffundiert und mit dem darin enthaltenen Titan reagiert unter Bildung eines feinen Präzipitats aus sekundärem Titancarbid, so daß ein dichter, schmelzgebundener Überzug aus der Legierung auf Nickelbasis mit einer Mikrostruktur entsteht, in der das gebildete sekundäre Titancarbid fein verteilt ist.

2. Verbund-Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf Nickelbasis im wesentlichen besteht aus 0,5 bis 3% Ti, 0,5 bis 3% Si, 0,5 bis 2% B, höchstens 1,0% Mn, höchstens 1,0% Al, 0,5 bis 3% Fe, 0 bis 10% Cr, 0,05 bis 0,3% C, Rest Ni.

3. Verwendung des Verbund-Formkörpers aus einem Gußeisen-Substrat und einem Überzug aus einer Legierung auf Nickel-Basis nach den Ansprüchen 1 und 2 zum Formen von Glas.