DE3703205A1

DE3703205A1 - Verfahren zum herstellen einer erosionsbestaendigen oberflaechenschicht auf einem metallischen werkstueck

Info

Publication number: DE3703205A1
Application number: DE19873703205
Authority: DE
Inventors: Niels Brundbjerg; Wolfgang Dr Simm
Original assignee: Castolin SA
Current assignee: ECG Immobilier SA
Priority date: 1986-02-05
Filing date: 1987-02-04
Publication date: 1988-10-13
Also published as: GB2230539A; DK55187D0; DE3703205C2; GB2230539B; CH668776A5; DK55187A; GB8702631D0; US4906529A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer erosionsbeständigen Oberflächenschicht ge mäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die mit den üblichen Verfahren dieser Art hergestellten Schichten weisen eine relativ starke Porosität auf, sowie eine für bestimmte Anwendungsfälle unzureichende Elastizität und damit Festigkeit gegenüber einer Belastung durch mecha nische Schwingungen. Die Porosität der bisher erzielbaren Beschichtungen ist insbesondere bei Werkstücken, die einer Teilchen, wie Staubpartikel, enthaltenden Gas- oder Luftströ mung ausgesetzt sind, von Nachteil, da der entsprechende Ero sionsverschleiss sehr hoch sein kann. Dies ist beispielsweise bei den Kantenteilen von schnell fliegenden Flugzeugen und Hubschraubern, insbesondere bei Flügen in Bodennähe, zu be obachten. Versuche, solche Teile verschleissbeständig zu ge stalten, beispielsweise durch die Verwendung von austenitischem, nicht rostendem Stahlblech von 1,0 bis 5 mm Dicke, sowie die nachträgliche Vornahme einer Hartverchromung führten in bestimmten Anwendungsfällen zu Standzeiten in der Grössen ordnung von lediglich 10 Stunden. Auch die durch thermisches Spritzen erzeugten Oberflächenschutzschichten führten auf grund der erwähnten Nachteile zu keinem besseren Ergebnis.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das die Herstellung von äusserst porenfreien und dadurch be sonders erosionsbeständigen Oberflächenschichten erlaubt, die zudem eine hohe Schwingungsfestigkeit aufweisen.

Dies wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte er reicht. Besondere Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.

Nachstehend wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand von Beispielen näher beschrieben und erläutert.

Beispiel 1

Auf die Oberfläche einer Flügelklappe aus austenitischem 18/8 Stahlblech mit einer Dicke von 2,5 mm wurde nach dem erfin dungsgemässen Verfahren eine 500 µm starke Schutzschicht in folgender Weise aufgetragen:

a) Vorbereitung -
Die zu beschichtende Oberfläche wurde durch Strahlen mit Korund einer Korngrösse von 0,5 bis 1,0 mm aufgerauht, wodurch eine Oberflächenrauhigkeit von Ra 15 bis 20 µm erzielt wurde.
b) Spritzwerkstoff -
Aufgetragen wurde ein Gemisch aus 50 Gewichtsprozent Ma trixlegierung und 50% WC/Co-Hartstoff, wobei die Matrix legierung die Zusammensetzung 0,5 bis 1,0 C, 14,0 bis 16,0 Ci, 2,0 bis 4,0 Fe, 2,5 bis 4,0 B, 3,0 bis 5,0 Si, Rest Ni hatte und das WC/Co aus 85 bis 90 WC und 15 bis 10 Co be stand (Angaben in Gewichtsprozent).
c) Spritzparameter -
Es wurde ein autogenes Flammspritzgerät vom Typ ROTOTEC 80 der CASTOLIN S.A. unter folgenden Bedingungen verwendet: Sauerstoffdruck 4,0 bar, Azetylendruck 0,8 bar, Flammen einstellung neutral, Spritzdistanz 160 bis 200 mm, Pulver durchsatz 5 kg/h. Die aufgetragene Schicht hatte eine Dicke von 650 µm.
d) Einschmelzverfahren -
Die Flügelklappe wurde zur Wärmebehandlung in einen Ofen eingeführt, der dann bis auf einen Druck von 10^-3 Torr ausge pumpt wurde. Anschliessend wurde das Werkstück auf 250 bis 350°C aufgeheizt und 15 bis 30 Minuten auf diesem Tempe raturniveau gehalten, wobei eine Entgasung der aufgespritz ten Oberflächenschicht erfolgt. Daraufhin wurde das Werk stück auf eine Temperatur zwischen 800 und 900°C aufge heizt und auf dieser Temperatur, immer noch bei 10^-3 Torr während einer Dauer von 10-20 Minuten gehalten. Dadurch erfolgt eine Entgasung des entstehenden Legierungsschmelz bades. Anschliessend wurde die Temperatur weiter erhöht und bei 920 bis 960°C anstelle des Vakuums ein Schutzgas, nämlich Argon, eingeführt und der Argondruck auf 400 bis 600 mm Hg gebracht. Anschliessend wurde das Werkstück mit doppelter Heizleistung auf eine Temperatur von 1040 bis 1050°C erhitzt. Danach liess man das Werkstück auf ca. 800°C abkühlen und nahm bei dieser Temperatur einen Aus tausch des Schutzgases Argon gegen Stickstoff mit einem Druck von 600 mm Hg zur leichteren weiteren Abkühlung auf Raumtemperatur vor. Die Schichtdicke nach dem Einschmelzvorgang betrug 500 µm. Beim Einsatz des derart beschichteten Teiles wurde eine Standzeit festgestellt, die mehr als das 8fache der Stand zeit des unbeschichteten Teiles betrug.

Beispiel 2

Auf der Oberfläche eines Flügelkantenteils aus 18/8 Mo Stahl blech von 2,0 mm Dicke wurde eine 300 µm dicke Schicht in folgender Weise hergestellt:

a) Vorbereitung wie in Beispiel 1.
b) Spritzwerkstoff -
Es wurde ein Gemisch aus 70 Gewichtsprozent Matrixlegierung und 30 Gewichtsprozent Karbiden verwendet, wobei die Ma trix folgende Zusammensetzung hatte: 0,8 bis 1,2 C, 24,0 bis 25,0 Cr, 0,5 bis 2,5 Fe, 3,2 bis 4,2 B, 3,5 bis 5,0 Si, Rest Ni, und die Karbide eine Mischung von 15,0 bis 20,0 TiC, 15,0 bis 20,0 TaC, Rest WC darstellten (Angaben in Gewichtsprozent).
c) Spritzparameter -
Die Spritzparameter von Beispiel 1 wurden mit folgenden Änderungen beibehalten: Spritzdistanz 160 bis 180 mm, Pul verdurchsatz 6,2 kg/h. Die Schichtdicke nach dem Aufspritzen betrug 380 µm.
d) Einschmelzvorgang -
Nach dem Einbringen des Werkstücks in einen Ofen und Aus pumpen auf 10^-3 Torr wurde die Temperatur zunächst auf 300 bis 350°C gebracht und 15 bis 30 Minuten auf dieser Höhe gehalten. Danach wurde die Temperatur auf 900°C er höht und auf dieser Höhe während 15 bis 20 Minuten gehalten. Beim weiteren Aufheizen wurde bei 940 bis 980°C Helium als Schutzgas anstelle des Vakuums verwendet, wobei der Heliumdruck 400 mm Hg betrug. Anschliessend wurde die Temperatur unter Verwendung der doppelten Heizleistung auf 1050 bis 1060°C gebracht und der Höchstwert 2 Minuten lang beibehalten. Im weiteren liess man das Werkstück auf 900°C abkühlen, dann erfolgte ein Gasaustausch, wobei das weitere Abkühlen auf Raumtemperatur unter Argon mit einem Druck von 600 mm Hg erfolgte. Die Schichtdicke betrug nach dem Einschmelzen 300 µm. Die erzielte Standzeit des Teils im praktischen Einsatz er wies sich wieder als ein Vielfaches der Standzeit des unbe schichteten Teils.

Beispiel 3

Auf ein Werkstück, das im Einsatz hohen Windgeschwindigkeiten unter Anwesenheit von feinen Staubpartikeln ausgesetzt ist und dessen Grundkörper aus austenitischem rostfreiem Stahl blech von 1,0 mm Dicke bestand, wurde eine 200 µm dicke Schutz schicht wie folgt hergestellt:

a) Vorbereitung wie in Beispiel 1.
b) Spritzwerkstoff -
Es wurde ein Gemisch aus 62 Gewichtsprozent Matrixlegierung und 38 Gewichtsprozent CrB verwendet, wobei die Matrixle gierung folgende Zusammensetzung hatte: 0,8 bis 1,0 C, 16,0 bis 18,0 Cr,5,0 bis 8,0 Fe, 2,5 bis 3,5 B, 3,0 bis 4,0 Si, Rest Ni (Angaben in Gewichtsprozent).
c) Spritzparameter wie in Beispiel 2.
d) Einschmelzvorgang -
Das Werkstück wurde zunächst in eine Spannvorrichtung zur Vermeidung eines allfälligen Verzuges eingespannt und mit samt dieser Vorrichtung bei Raumtemperatur in einen Vakuum ofen eingeführt. Nach dem Auspumpen auf 10^-3 Torr erfolgte ein Aufheizen auf 250 bis 300°C. Bei dieser Temperatur wurde eine Haltezeit von 10 bis 15 Minuten eingehalten und danach ein weiteres Aufheizen auf 900°C langsam durchgeführt, um einen Temperaturausgleich mit der Spann vorrichtung zu bewirken. Die Temperatur von 900°C wurde während 10 bis 15 Minuten beibehalten und danach die Tem peratur weiter auf 920 bis 950°C erhöht. Bei dieser Tem peratur wurde anstelle des Vakuums Argon eingeführt, und zwar mit einem Druck von 300 bis 400 mm Hg. Im weiteren wurde das Aufheizen mit doppelter Heizleistung durchge führt, und zwar bis auf 1030 bis 1040°C. Schliesslich liess man das Werkstück unter Argon bis auf Raumtemperatur abkühlen. Die erhaltene Schutzschicht von 200 µm Dicke erwies sich als äusserst erosionsfest und auch beständig gegenüber der mechanischen Wechselbelastung, der es in der Praxis ausgesetzt war.

Beispiel 4

Ein ähnliches Teil wie in Beispiel 3 aus 18/8 Stahlblech von 1,5 mm Dicke wurde mit einer Oberflächenschicht von 150 µm versehen. Dabei wurde das Verfahren in analoger Weise wie in Beispiel 3 durchgeführt, jedoch als Spritzwerkstoff eine Legie rung der folgenden Zusammensetzung verwendet: 0,5 bis 0,9 C, 24,0 bis 26,0 Cr, 02, bis 1,0 Fe, 3,5 bis 4,0 B, 3,6 bis 4,5 Si, Rest Ni.

Auch mit dieser Beschichtung wurde eine praktisch vollkommen porenfreie, äusserst verschleissfeste und mechanisch bestän dige Schutzschicht erzielt.

Aus dem Vorstehenden geht insbesondere hervor, dass bei der Wärmebehandlung gemäss der Erfindung, entgegen den übli chen Verfahren, während der Aufheizung auf zwei verschiedenen Temperaturniveaus Haltezeiten eingeschaltet werden und dass ferner im Bereich von 900 bis 1000°C ein Schutzgas einge führt wird, welches der Verdampfung von Bor entgegenwirkt. Die verwendeten Beschichtungslegierungen haben eine Härte von mehr als 50 H_Rc, vorzugsweise von mehr als 55 H_Rc.

Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens werden wei testgehend porenfreie Schichten von sehr guter mechanischer Festigkeit erhalten, wobei vor allem eine sehr hohe Erosions beständigkeit bei ausreichender Elastizität der Schicht er zielt werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer erosionsbeständigen Ober flächenschicht auf einem metallischen Werkstück, bei dem durch thermisches Spritzen eine 10 bis 500 µm dicke, zumin dest eine Ni-Cr-Fe-B-Si-Legierung enthaltende Schicht auf den zu beschichtenden Teil der Oberfläche des Werkstücks aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück mit der aufgespritzten Schicht unter Vakuum auf eine Tempe ratur zwischen 250 und 400°C gebracht wird, während einer Dauer von 5 bis 30 Minuten auf dieser Temperatur gehalten wird, danach die Temperatur auf 800 bis 950°C erhöht wird und während einer Dauer von 5 bis 30 Minuten auf dieser Höhe gehalten wird, dass daraufhin die Temperatur weiter erhöht wird, ab einer Temperatur zwischen 900 und 1100°C die Wärme behandlung nicht mehr unter Vakuum, sondern in einem Schutz gas, wie Stickstoff, Helium und/oder Argon, unter einem Druck von 200 bis 600 mm Hg fortgesetzt wird, wobei die Temperatur zum Einschmelzen der Oberflächenschicht über die Schmelztem peratur der in derselben verwendeten Legierung hinaus gestei gert wird und dass schliesslich eine Abkühlung des Werkstücks auf Raumtemperatur erfolgt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgespritzte Schicht eine Dicke zwischen 20 und 360 µm aufweist.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die genannte Legierung folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist: 0,5 bis 1,5 C, 10,0 bis 26,0 Cr, 1,5 bis 10,0 Fe, 1,5 bis 4,5 B, 2,5 bis 5,0 Si, Rest Ni.

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgespritzte Schicht 10 bis 70, vorzugsweise 15 bis 60 Gewichtsprozent Hartstoffe enthält.

5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoffe Karbide oder Boride der Elemente Cr, Ti, W, Ta, Mo und/oder Nb verwendet werden.

6. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Hartstoff Wolfram-Karbid mit 4 bis 20 Gewichtspro zent Co verwendet wird.

7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Schutzgases zwischen 300 und 600 mm Hg liegt.

8. Verfahren zum Herstellen einer erosionsbeständigen Ober flächenschicht, bei dem mindestens eines der in den kenn zeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 bis 7 angegebenen Markmale allein oder in Kombination mit anderen dieser Merk male verwendet wird.