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Verfahren zur Herstellung eines
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metallischen Verbundgegenstands Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung eines metallischen Verbundgegenstands mit einem aus einem metallischen
Grundwerkstoff bestehenden Oberflächenbereich, welcher mit einem einen Schichtkörper
bildenden Plattierwerkstoff vollflächig verbunden ist.
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Allgemein übliche Verfahren zum Plattieren von Werkstücken sind das
Auflöten, Auftragsschweissen, das thermische Flamm-oder Plasmaspritzen, das Detonationsplattieren,
das Plattieren aus der Gasphase (PVD = physical vapor deposition und CVD = chemical
vapor deposition), sowie das elektrochemische Plattieren, z.B. durch einen galvanischen
Niederschlag.
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Für jedes dieser allgemein bekannten Verfahren bestehen unterschiedliche
Beschränkungen hinsichtlich der möglichen Plattierwerkstoffe, der Plattierdicke
und der Dichte des durch den Plattierwerkstoff gebildeten Schichtkörpers, ausserdem
führt nicht jedes dieser Verfahren zu einem homogenen Schichtkörper und zu einer
einwandfreien Bindung des letzteren an einen Grundkörper des Verbundgegenstands.
Werden in einen Verbundgegenstand über eine plattierte Oberfläche Kräfte eingeleitet,
sei es durch eine dynamische oder eine Reibungsbeanspruchung, so kommen der Homogenität
der Plattierung, z.B. der gleichmässigen Verteilung der Karbide, sowie der Dichte,
d.h. der Freiheit von Poren, und der Vollkommenheit der Bindung des vom Plattierwerkstoff
gebildeten Schichtkörpers an den Grundkörper des Verbundgegenstands überragende
Bedeutung zu.
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Aus den vorstehend geschilderten Gründen sind Verfahren wie das Auftragsschweissen
oder das thermische Spritzen nur begrenzt tauglich, wenn Schichten mit einer im
Millimeterbereich (gleich oder grösser 0,5 mm) liegenden Dicke auf einen Grundkörper
aufplattiert werden sollen. Andererseits ist das Auflöten äusserst schwierig und
aufwendig, wenn massive Platten mit einer Grösse von mehreren Quadratzentimetern
ohne messbare Bindungsfehler (Einzelfehler dürfen höchstens eine Ausdehnung von
0,5 mm2 aufweisen) angebracht werden sollen; das Auflöten macht zudem an den zu
plattierenden Oberflächenbereich geometrisch mit engen Toleranzen angepasste Platten
erforderlich, was sich zumindest bei gesinterten Platten wegen deren schwieriger
Bearbeitbarkeit höchst nachteilig bemerkbar macht.
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Nun ist es schon bekannt, zum Panzern eines Oberflächenbereichs eines
Werkstücks dieses so in eine oben offene, schalenförmige Form einzulegen, daß der
zu panzernde Oberflächenbereich innerhalb der Form liegt, und die letztere am Werkstück
durch Schweissen zu befestigen (DE-PS 19 21 568). Dann wird eine in Pulverform vorliegende
Hartmetallegierung in die Form gegeben und im Vakuum gesintert. Die Form dient also
ausschliesslich der Formgebung der Hartmetallegierung. Durch das Sintern im Vakuum
wird die Hartmetallegierung nicht verdichtet, Gaseinschlüsse lassen sich nicht vermeiden
und schliesslich lässt auch die Qualität der Verbindung zwischen Werkstück und Panzerung
zu wünschen übrig. Nichts anderes gilt für ein anderes bekanntes Verfahren zum Beschichten
von Werkstücken mit Hartmetallegierun-gen (DE-OS 28 33 840), bei dem gleichfalls
eine oben offene, schalenförmige Form Verwendung findet, in die das Werkstück eingesetzt
wird und in der die in Pulverform vorliegende Hartmetallegierung unter
Uberdruck
aufgeschmolzen wird, so daß sich Gaseinschlüsse in der Hartmetallegierung mit Sicherheit
nicht vermeiden lassen.
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Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
mit dem sich ein metallischer Verbundgegenstand herstellen lässt, der einen Grundkörper
mit einem metallischen Oberflächenbereich aufweist, welcher mit einem aus einem
Plattierwerkstoff bestehenden, zumindest im wesentlichen porenfreien Schichtkörper
vollflächig fest verbunden ist.
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Ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundgegenstands,
bei welchem ein aus einem metallischen Grundwerkstoff bestehender Oberflächenbereich
eines Grundkörpers mit einem einen Schichtkörper bildenden Plattierwerkstoff beschichtet
wird und bei dem der Plattierwerkstoff in einer diesem Oberflächenbereich angepassten,
an einem den letzteren umgegebenden Nachbarbereich des Grundkörpers angeschweissten
Form angeordnet und dann im Vakuum unter Anwendung von Wärme verdichtet wird, worauf
die Form entfernt wird, lässt sich diese Aufgabe erfindungsgemass dadurch lösen,
daß als Form eine zusammen mit dem Grundkörper einen allseits geschlossenen Aufnahmeraum
für den Plattierwerkstoff bildende Blechkappe verwendet, diese zusammen mit dem
Plattierwerkstoff gegen den Grundkörper angepresst,der Hohlraum evakuiert und gleichzeitig
die Blechkappe im Vakuum mit dem genannten Nachbarbereich des Grundkörpers gadicht
elektronenstrahl- oder laser-verschweisst und so der Aufnahmeraum gasdicht verschlossen
wird, worauf
Grundkörper, Plattierwerkstoff und Blechkappe bei zweckentsprechendem
Druck, Temperatur und Zeit unter Aufrechterhaltung des Vakuums unter der Blechkappe
heissisostatisch gepresst werden. Entweder verwendet man das erfindungsgemässe Verfahren
zum Nachverdichten des zuvor z.B. durch Auftragsschweissen oder thermisches Flamm-
oder Plasmaspritzen auf den Grundkörper aufgebrachten Schichtkörpers, wobei dann
auch die Bindung zwischen Grund- und Schichtkörper verbessert wird, oder aber gibt
man zunächst den Plattierwerkstoff in die Blechkappe und setzt dann den Grundkörper
in die letztere ein, um den Plattierwerkstoff durch das erfindungsgemässe Verfahren
gleichzeitig in einen zumindest nahezu porenfreien Schichtkörper umzusetzen und
diesen vollflächig mit dem Grundkörper zu verbinden.
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In jedem Fall lässt man erfindungsgemäss auf den Plattierwerkstoff
gleichzeitig ein Vakuum, Druck und Temperatur einwirken, durch das heissisostatische
Pressen werden eine hohe Verdichtung des Plattierwerkstoffs und eine gute, vollflächige
Verbindung zwischen dem Plattierwerkstoff und dem Grundkörper herbeigeführt, und
durch das Verschliessen des den Plattierwerkstoff enthaltenden, von Blechkappe und
Grundkörper gebildeten Aufnahmeraums im Vakuum steht der Plattierwerkstoff auch
während des heissisostatischen Pressens unter Vakuum, wodurch sich Gaseinschlüsse
in der Plattierung vermeiden und sich infolgedessen eine besonders porenfreie Plattierung
erzielen lässt. Hinzu kommt schliesslich, daß sich das erfindungsgemässe Verfahren
ausserordentlich wirtschaftlich durchführen lässt, da beim Elektronenstrahl- oder
Laser-Schweissen ohnehin im Vakuum gearbeitet werden muss, so daß das Evakuieren
des von Blechkappe und Grundkörper umschlossenen, den Plattierwerkstoff aufnehmenden
Hohlraums keinen zusätzlichen Verfahrensschritt erforderlich macht. Auch erlaubt
es das
erfindungsgemässe Verfahren, den Plattierwerkstoff weitgehendst
frei zu wählen und den Grundkörper mit einem Schichtkörper zu plattieren, der eine
geringe, im Millimeterbereich liegende Dicke hat, was mit den eingangs geschilderten,
allgemein üblichen Plattierverfahren nicht möglich ist.
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Bei dem sog. heissisostatischen Pressen handelt es sich um ein bekanntes
Verfahren, bei dem der zu behandelnde Gegenstand in einen Druckbehälter eingebracht
wird, welcher einen insbesondere elektrisch beheizten Heizkörper enthält, der den
zu behandelnden Gegenstand umgibt. Nachdem der Druckbehälter mit Stickstoff gespült
und anschliessend mit Argon oder einem anderen Edelgas gefüllt wurde, wird der verschlossene
Druckbehälter mit Hilfe des erwähnten Heizkörpers aufgeheizt. Durch Einstellung
des Drucks der Edelgasfüllung vor dem Aufheizen und der Heiztemperatur lassen sich
Behandlungsdruck und -temperatur in weiten Grenzen frei bestimmen. Bei einer Behandlungstemperatur
von beispielsweise 12000C bleibt die Blechkappe nicht formsteif, so daß Plattierwerkstoff
und Grundkörpe#r fest zusammengepresst werden und eine sichere und fehlerfreie Verbindung
erzeugt werden kann.
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Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird aber nicht nur die gestellte
Aufgabe zuverlässig gelöst, sondern es lassen sich noch zahlreiche Vorteile erzielen,
vor allem dann, wenn, wie dies der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen
Verfahrens entspricht, der Plattierwerkstoff als pulverförmige Mischung der einzelnen
Werkstoffkomponenten in die Blechkappe gegeben wird: Man ist nicht nur in der
Auswahl
der stofflichen Zusammensetzung des Plattierwerkstoffs weitgehendst frei, sondern
auch bezüglich der Vorgabe der Korngrösse und der Dicke des aufzuplattierenden Schichtkörpers,
so daß sich dieser den jeweiligen tribologischen Erfordernissen des zu plattierenden
Oberflächenbereichs des Grundkörpers optimal anpassen lässt. Auch muss der Boden
der Blechkappe nicht eben sein, sondern er kann eine beliebige Kontur aufweisen.
Ferner bietet die Blechkappe zusammen mit dem Grundkörper einen Schutz gegen unerwünschte
Veränderungen des Plattierwerkstoffs während einer nach dem Plattieren durchzuführenden
Warmbehandlung des Grundkörpers, wenn dieser z.B. einsatzgehärtet oder nitriert
werden soll.
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Besondere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich für
Werkstücke mit sog. kräftegebundener Oberflächenbeanspruchung, d.h. vor allem für
mit auf Reibung und Verschleiss beanspruchten Oberflächen; dabei kommt der Homogenität
und Porenfreiheit der aufplattierten Schicht sowie der Korngrösse und -gestalt des
Gefüges des Plattierwerkstoffs besondere Bedeutung zu hinsichtlich Ermüdungserscheinungen
bei Gleit-, Wälz- oder kombinierter Gleit-Wälz-Beanspruchung.
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Hieraus folgen als besonders wichtige Anwendungsgebiete des erfindungsgemässen
Verfahrens Bauteile der Gaswechsel-Steuerung in Verbrennungsmotoren wie Nocken und
ihre Gegenläufer wie Ventilstössel, Kipp-, Schwing- oder Schlepphebel, gepanzerte
Ventilteller und dergleichen, aber auch Umformwerkzeuge wie FlìeSpreßstempel und
Ziehringe, Führungs- und Kopierschienen, Schneidkanten, Fadenführer und Umlenkrollen.
Da, wie bereits erwähnt, der Boden der Blechkappe nicht eben sein muss, kommen als
Anwendungsgebiete aber auch die Herstellung von Turbinenschaufeln, Geschossen etc.
in Frage.
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Hinsichtlich des Befestigens der Blechkappe am Grundkörper durch Elektronenstrahl-
oder Laser-Schweissen sei erwähnt, daß bei dieser Verbindungsart weit weniger Wärme
in die Werkstoffe eingetragen wird als beim Löten oder anderen Schweissverfahren,
daß sich eine schmälere Schweissnaht ausbilden lässt und daß es nicht zur Entwicklung
störender Dämpfe kommt.
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Der Grundkörper kann aus Stahl oder Gusseisen, aber auch aus Nichteisenmetallen
bestehen.
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Daß die Erfindung durch den Stand der Technik nicht nahegelegt worden
ist, ergibt sich aus der Tatsache, daß bisher mit hohem Aufwand und unter Inkaufnahme
der geschilderten Nachteile über viele Jahre hinweg andere Wege beschritten worden
sind, obwohl das heissisostatische Pressen seit mindestens 25 Jahren in der industriellen
Praxis wohlvbekannt ist. Der sprunghafte technische Fortschritt wird dadurch dokumentiert,
daß sich z.B. ein Ventilstössel für einen Verbrennungsmotor unter Heranziehung des
erfindungsgemässen Verfahrens für weniger als die Hälfte desjenigen Preises herstellen
lässt, der für das bisher übliche Plattieren durch Auflöten einer verschleissfesten
Platte aufzuwenden ist.
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Die Blechkappe wird am Grundkörper niemals gasdicht anliegen, so daß
sich besondere Entlüftungsöffnungen an sich erübrigen. Um aber eine rasche Entlüftung
des von der Blechkappe umschlossenen Raums und insbesondere des Plattierwerkstoffs
beim Verschweissen der Blechkappe mit
dem Grundkörper zu erreichen,
empfiehlt es sich, den Grundkörper in dem genannten Nachbarbereich mit einer Entlüftungskerbe
zu versehen und diese nach dem Evakuieren des von Blechkappe und Grundkörper umschlossenen
Raums unter Vakuum beim Schweissen zu verschliessen.
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Obwohl man zweckmässigerweise so vorgeht, daß man den Plattierwerkstoff
als pulverförmige Mischung der einzelnen Werkstoffkomponenten in die Blechkappe
gibt, ist es auch möglich, den Plattierwerkstoff als vorverdichtete oder gesinterte
Mischung oder als Legierung der einzelnen Werkstoffkomponenten in die Blechkappe
zu geben und dann durch heissisostatisches Pressen mit dem Grundkörper vollflächig
zu verbinden - der Plattierwerkstoff kann also bereits als massiver Schichtkörper
in die Blechkappe eingelegt werden.
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Um zu verhindern, daß im Falle von Guss als Grundwerkstoff Kohlenstoff
in den in Pulverform in die Blechkappe gegebenen Plattierwerkstoff eindiffundiert
und dort das homogene Zusammensintern erschwert, oder die Werkstoffzusammensetzung
verändert, kann sich empfehlen, zur Steuerung der Diffusion von Plattierwerkstoff
und Grundwerkstoff eine insbesondere als Diffusionssperre für Kohlenstoff wirkende
Folie, vorzugsweise aus Nickel oder Kobalt, zwischen Grundkörper und Plattierwerkstoff
einzulegen.
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Nach dem heissisostatischen Pressen sowie gegebenenfalls späteren
Warmbehandlungen des Werkstücks lässt sich die Blechkappe einfach entfernen, indem
ihr Umfangsbereich weggeschliffen wird. Sollten sich Schwierigkeiten beim Ablösen
des
Kappenbodens ergeben, können diese dadurch vermieden werden, daß die Blechkappe
innen mit einer als Diffusionssperre wirkenden Schicht versehen wird, um eine Bindung
zwischen Blechkappe und Plattierwerkstoff zu verhindern.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es bei der Verarbeitung
pulverförmig eingebrachter Plattierwerkstoffe auch ohne weiteres, die aufplattierte
Schicht zu verstärken; hierzu werden in den pulverförmigen Plattierwerkstoff faser-
oder fadenförmige Verstärkungen oder daraus hergestellte Vliese oder Gewebe eingelegt,
wobei als Verstärkungen insbesondere Whisker oder Kohlenstoffasern in Frage kommen.
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Mit besonderem Vorteil lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren
auf Pulver aus schwierig zu giessenden und/oder zu bearbeitenden Werkstoffen anwenden,
insbesondere auf Gusswerkstoffe mit hohen Gehalten an Chrom, Vanadin, Wolfram und/oder
Kobalt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen
und/oder aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen
des erfindungsgemässen Verfahrens.
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In der beigefügten Zeichnung zeigen: Figur 1 einen Axialschnitt durch
einen Ventilstössel mit Plattierwerkstoff und Blechkappe; Figur 2 den Ausschnitt
"A" der Fig. 1 in grösserem Maßstab; Figur 3 den Ausschnitt B aus Figur 2 als fotografische
Aufnahme eines metallografischen Schliffes bei Verwendung des bekannten Hartstoffpulvers
G3 als Plattierwerkstoff nach Durchführung des heissisostatischen Pressens, und
Fig.
4: eine entsprechende Aufnahme bei Verwendung einer vorgepressten und gesinterten
Platte aus der Hutmeta11sorte G 20 als Plattierwerkstoff wobei für die Ausführungsformen
nach den Fig. 3 und 4 ein Grundkörper aus dem Einsatzstahl 15 Cr 3 Verwendung fand
Die Fig. 1 zeigt einen Ventilstössel-Grundkörper 10 mit einem zu plattierenden Oberflächenbereich
12, der von einer auf den Grundkörper aufgesetzten Blechkappe 14 überfangen wird.
In die letztere wurde ein Plattierwerkstoff 16 gegeben, der den aufzuplattierenden
Schichtkörper bilden wird. Die Blechkappe 14 überlappt einen Nachbarbereich 18 des
zu plattierenden Oberflächenbereichs 12, wobei dieser Nachbarbereich einen Teil
der Umfangsfläche des Grundkörpers 10 bildet und z.B.
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an einer Stelle eine Entlüftungskerbe 20 aufweist, so dass der von
der Blechkappe 14 umschlossene Raum einschliesslich des z.B. pulverförmig eingebrachten
Plattierwerkstoffs 16 evakuiert werden kann, ehe im Vakuum die Blechkappe 14 längs
einer Schweissnaht 22 mit dem Ventilstössel-Grundkörper 10 verschweisst und dabei
die Entlüftungskerbe 20 verschlossen wird.
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Wie die Fig. 2 erkennen lässt, wurde in den pulverförmigen Plattierwerkstoff
16 eine Gewebeeinlage 26 eingelegt, bei der es sich z.B. um ein aus Kohlenstofffasern
hergestelltes Gewebe handelt.
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In den Fig. 3 und 4 wurden der Grundkörper wieder mit 10 und der Plattierwerkstoff
mit 16 bezeichnet.
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Sowohl bei dem Plattieren des aus Einsatzstahl 15 Cr 3 be#stehenden
Grundkörpers 10 mit dem allgemein bekannten Hartstoffpulver G 3 als auch beim Plattieren
des Einsatzstahl-Grundkörpers 10 mit einem käuflichen Schichtkörper aus gepresstem
und gesintertem Hartmetall der Hartmetallsorte G 20 wurde der aus dem betreffenden
Plattierwerkstoff bestehende Schichtkörper unmittelbar gegen den Grundwerkstoff
angepresst und mit diesem verbunden, und zwar durch heiss-isostatisches Pressen
bei 11500 C und 1300 bar.
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Schlagprüfungen ergaben eine ausserordentlich hohe Bindungsfestigkeit
des aufplattierten Schichtkörpers am Grundkörper.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 und 4 wurde eine Presse
der Firma Autoclave International,-USA, verwendet, wobei als Heizzeit 3 Stunden
gewählt wurden. Zunächst wurde der Druckbehälter der Presse mit Stickstoff gespült,
worauf der Druckbehälter evakuiert, anschliessend mit Argon gespült und schliesslich
bei Raumtemperatur ein Argondruck von 460 bar eingestellt wurde, ehe man mit dem
Heizen begann. Bei geschlossenem Druckbehälter ergab sich dann bei 11500 C ein Druck
von 1300 bar.
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Heiss-isostatische-Pressen werden auch von folgenden Herstellern geliefert:
ASEA, Schweden; National Forge, USA; Kobe, Japan.
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Wie bereits erwähnt, wird man normalerweise schon aus Kostengründen
den aus dem Plattierwerkstoff bestehenden Schichtkörper unmittelbar gegen den Grundwerkstoff
des Grundkörpers anpressen und mit diesem verbinden. Weisen Grund- und Plattierwerkstoff
jedoch erheblich unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten auf, so empfiehlt es
sich, zum Ausgleich eine Folie, insbesondere aus Kupfer und/oder Nickel und deren
Legierungen wie Konstanten, zwischen Grundkörper und Plattierwerkstoff einzulegen.
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