DE3715327A1 - Verfahren zum herstellen einer verschleissfesten beschichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer verschleißfesten Beschichtung unter Auftrag einer Basislegierung mit wenigstens einem Element der Gruppe 8 des Periodensystems auf ein Werkstück.

Nach bekannten Verfahren hergestellte verschleißfeste Schichten weisen eine verfahrensbedingte Oberflächen­ struktur auf, die von den durchgeführten Verfahrens­ schritten, der Größe des Metallbades für das Werkstück und dessen Abkühlungsgeschwindigkeit abhängt. Eine nach­ trägliche Wärmebehandlung im Ofen oder durch Induktion ist in den meisten Fällen nicht möglich, da durch die Unterschiede in den Eigenschaften - beispielsweise der Ausdehnungskoeffizienten des Grundwerkstoffes und der Beschichtung - hohe innere Spannungen auftreten können, die zu Verzug bzw. zur Rißbildung führen.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, ein Verfahren der eingangs beschrie­ benen Art zu verbessern und die erkannten Mängel zu be­ seitigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß die aufgetragene Beschichtung mit einem Hochenergiestrahl zur Beeinflus­ sung der Oberflächenstruktur bis zu einer Tiefe von 0,5 mm nachbehandelt wird, wobei die Eindringtiefe einen Bruchteil der Schichtdicke beträgt.

Es wurde überraschend gefunden, daß die Verschleißbe­ ständigkeit eingangs erwähnter metallischer Beschich­ tungen wesentlich erhöht werden kann, wenn die behandel­ te Oberfläche vor ihrem Einsatz durch einen Hochenergie­ strahl, insbesondere durch einen Laserstrahl, nachbehan­ delt wird. Bei dieser Behandlung kann durch Aussteuerung der Energie des Lasers, durch Entfokussierung und durch Abstimmung der Vorschubgeschwindigkeit in der X-Achse sowie der Überlappung der Behandlungszonen erreicht werden, daß die Oberflächenstruktur bis zu einer Tiefe von 0,5 mm - vorzugsweise 0,2 mm beeinflußt wird.

Die Nachbehandlung kann durch oberflächiges Umschmelzen mit variabler Abkühlgeschwindigkeit - bei bevorzugter Verwendung gasförmiger Kühlmedien - oder durch eine sehr kurzzeitige Oberflächenerwärmung erfolgen. Da beim Verwenden eines Hochenergiestrahles die Wärmeeinbringung punktförmig an der Oberfläche erfolgt, wird Verzug oder Rißbildung vermieden.

Der Hochenergiestrahl wird im Rahmen des erfindungsge­ mäßen Verfahrens bevorzugt bei Beschichtungen einge­ setzt, die aufgrund thermischer Spritzvorgänge - ge­ gebenenfalls mit nachträglichem Einschmelzen - oder eines Plasmaauftragsschweißens entstanden sind.

Außerdem kann eine solche Nachbehandlung bei Schichten durchgeführt werden, die nach dem sog. TIG-Verfahren bzw. dem MIG-Verfahren hergestellt oder das Produkt eines Schweißverfahrens sind. Auch lötplattierte Schich­ ten werden vom erfindungsgemäßen Nachbehandlungsver­ fahren erfaßt.

Mit dem Hochenergiestrahl behandelte Schichten weisen im Vergleich zu herkömmlichen Schichten eine Umwandlungs­ struktur oder eine feinkörnige Struktur auf. Zudem liegt eine derartige Oberflächenschicht in amorphem Zustand vor.

Es hat sich als günstig erwiesen, als Schichtwerkstoff eine Nickel-Basislegierung einzusetzen, jedoch können auch Kobalt- bzw. Eisen-Basislegierungen verwendet wer­ den.

Erfindungsgemäß wird die aufgebrachte Schicht vor der Nachbehandlung mit dem Hochenergiestrahl mechanisch be­ arbeitet, wobei die Schichtdicke der Schicht selbst bei maximal 5 mm liegt.

Beispiel 1

Ein Gleitelement mit einer Abmessung von 200×50×10 mm wurde durch thermisches Spritzen mit einer Nickel-Chrom-Bor-Silicium-Legierung einer Schichtdicke von 1,5 mm beschichtet und anschließend mit einem Sauer­ stoff-Acetylen-Brenner eingeschmolzen. Die Schicht wur­ de dann durch Schleifen auf 1 mm bearbeitet und darauf die Härte nach Vickers gemessen, diese betrug 380 Hv. Die so hergestellte Beschichtung wurde nun mit einem Laserstrahl eines 1,5-kW-Lasers bis zu einer Eindring­ tiefe von 0,2 mm wärmebehandelt. Diese Tiefe wurde durch Entfokussierung des Strahls auf 3 mm, eine Vorschubge­ schwindigkeit von 400 mm/min. bei einer Ueberlappung der Behandlungszone von 50% erreicht.

Die nachträgliche mikroskopische Untersuchung zeigte eine deutlich feinkörnigere Oberflächenschicht mit einer Härte von 680 Hv.

Beim nachträglichen Einsatz des Gleitelements wurde eine doppelte Standzeit im Vergleich zu nicht mit Laser be­ handelten Schichten festgestellt.

Beispiel 2

Ein Ventilsitz eines Kugelventils mit einem Durchmesser von 300 mm wurde nach dem Plasmapulverauftragsschweißen mit einer Co-Cr-W-C-Legierung beschichtet. Die Schicht­ stärke betrug 3 mm. Nach dem Beschichten wurde die Schicht auf 2,5 mm durch Drehen bearbeitet. Die Härte der Schicht betrug 420 Hv.

Nach einer Härtemessung, die eine Schichthärte von 420 Hv ergab, wurde die Schicht mit einem 5-kW-Laser an der Oberfläche umgeschmolzen. Der entfokussierte Laserstrahl hatte einen Strahldurchmesser von 4 mm. Der Vorschub be­ trug 200 mm/min. und die Ueberlappung der Schmelzzone 25 %.

Nach der Behandlung wurde der Ventilsitz durch Schleifen bearbeitet. Bei der folgenden mikroskopischen Untersuchung wurde feinkörnige Struktur an der Oberfläche festgestellt. Auch die Härte war auf 510 Hv angestiegen.

Der eingebaute Ventilsitz zeigte wesentlich bessere Standzeiten als die Ventilsitze mit der gleichen Be­ schichtung aber ohne Lasernachbehandlung.

Beispiel 3

An einem gebrauchten Maschinenteil sollte eine Ober­ fläche, die einem hohen Erosionsverschleiß durch Fein­ partikel ausgesetzt war, mit einer verschleißfesten Be­ schichtung versehen werden. Die Abnutzung des Maschinen­ teils betrug 5 mm.

Dies wurde nach dem TIG-Verfahren mit einer Legierung aus Fe-Cr-W-C mit einer Schichtstärke von 6 mm durchge­ führt. Nach der Beschichtung wurde die Schicht auf eine Schichtstärke von 5 mm mechanisch bearbeitet und die Härte nach Vickers gemessen. Die Härte betrug 400 Hv.

Im Anschluß an die Härtemessung sollte die Verschleiß­ festigkeit der Beschichtung an der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 0,3 mm durch eine Laserstrahl-Wärmebe­ handlung erhöht werden. Für die Behandlung wurde ein 5 kW Laser mit einem auf 5 mm Durchmesser entfokussierten Laserstrahl verwendet. Der Vorschub betrug 500 mm/min. und die Ueberlappung der Wärmebehandlungszone 10%.

Nach der Durchführung der Behandlung konnte bei der mikroskopischen Untersuchung eine deutliche Strukturän­ derung an der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 0,3 mm festgestellt werden. Beim Einsatz des Maschinenteils wurde eine deutliche Verbesserung der Verschleißfestig­ keit im Vergleich zu der nicht behandelten Schicht fest­ gestellt.

Beispiel 4

An einer Welle mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Länge von 1000 mm sollte eine Zone von 100 mm Länge, die einer Metall/Metall-Reibung ausgesetzt ist, wegen der Empfindlichkeit gegen Verzug durch thermisches Spritzen ohne nachträgliches Einschmelzen beschichtet werden.

Als Spritzwerkstoff wurde für die Deckschicht ein Legierungspulver auf der Basis Ni Cr Fe ausgewählt. Zur Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen Grundwerkstoff und Deckschicht wurde ein Legierungspulver auf der Basis von Ni-Al verwendet.

Nach der Vorbereitung der Welle durch Strahlen mit Korund wurde eine Haftschicht aus Ni-Al einer Schicht­ stärke von 0,2 mm mit einer autogenen Flammspritzpistole aufgebracht. Nach diesem Arbeitsgang wurde die Deck­ schicht aus Ni-Cr-Fe mit einer Schichtstärke von 1,5 mm aufgespritzt. Im Anschluß an das Beschichten wurde die Schicht auf eine Gesamtstärke von 1,5 mm durch Schleifen bearbeitet.

Nun wurde die Oberfläche der Schicht bis auf eine Tiefe von 0,4 mm mit einem 1,5-kW-Laser mit einem entfokus­ sierten Laserstrahl von 2 mm Durchmesser auf einer Dreh­ vorrichtung mit einer Drehgeschwindigkeit von 250 mm/min und einem Vorschub von 1 mm/Umdrehung umgeschmolzen. Die Ueberlappung der Schmelzzone betrug 50%.

Nach der Oberflächenbehandlung wurde die Oberfläche durch Schleifen und Polieren fertigbearbeitet. Die Rauh­ tiefe der Schicht betrug R _A = < 0,1 mm. An Schichten die mit demselben Werkstoff beschichtet, aber nicht mit dem Laser nachbehandelt wurden, lagen die normalen Rauh­ tiefen nach dem Schleifen und Polieren bei R _A = < 1,0 mm.

Claims (14)

1. Verfahren zum Herstellen einer verschleißfesten Be­ schichtung unter Auftrag einer metallischen Basisle­ gierung, insbesondere einer Ni-Co-Fe-Basislegierung auf ein Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgetragene Beschichtung mit einem Hochen­ ergiestrahl zur Beeinflussung der Oberflächenstruk­ tur bis zu 0,5 mm Tiefe nachbehandelt wird, wobei die Eindringtiefe einen Bruchteil der Schichtdicke beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungstiefe bei maximal 0,2 mm liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine nach dem thermischen Spritzen mit nachträglichem Einschmelzen aufgebrachte Beschich­ tung mit dem Hochenergiestrahl behandelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe durch Entfo­ kussierung bzw. Steuerung der Laserenergie bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe durch Ab­ stimmung der Vorschubgeschwindigkeit in der X-Achse bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe durch Ueber­ lappung der Behandlungszonen festgelegt wird.

7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberflächiges Um­ schmelzen mit variabler Abkühlgeschwindigkeit unter Verwendung von gasförmigen Kühlmedien erfolgt.

8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine kurzzeitige Oberflächenerwärmung durchgeführt wird.

9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachte Schicht vor der Nachbehandlung mit dem Hochgeschwin­ digkeitsstrahl mechanisch bearbeitet wird.

10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der aufgebrachten Schicht unter 5 mm liegt.

11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Nickel-Basis-Legierung als Schichtwerkstoff.

12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Kobalt-Basislegierung als Schichtwerkstoff.

13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Eisen-Basislegierung als Schichtwerkstoff.

14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung des Schichtwerkstoffes Chrom enthält.