DE4102590A1 - Verfahren zur herstellung von aluminium-(alpha)-al(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)0(pfeil abwaerts)3(pfeil abwaerts) -kompositschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung kommt vorzugsweise im Maschinen- und Fahrzeugbau bei Reibpaarungen und Konstruktionselementen mit erforderlicher Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit sowie in der Medizintechnik zur Anwendung.

Es ist bekannt, z. B. Nickeldispersionsschichten auch mit Hart­ stoffdispersaten durch elektrolytische oder chemisch-reduktive Abscheidung herzustellen. Diese Beschichtungsverfahren erfordern einen hohen Zeitaufwand und belasten zudem die Umwelt. Aluminium­ dispersionsschichten sind dagegen chemisch-reduktiv nicht bzw. elektrolytisch nur aus aprotischen Lösungen unter Schutzgasatmo­ sphäre herstellbar. In der Beschichtungslösung dispergierte Parti­ kel können jedoch den elektrolytischen Abscheidungsprozeß stören. Auch das Feueraluminieren und das Flamm- bzw. atmosphärische Plas­ maspritzen sind zur Herstellung von Aluminium-Dispersions- bzw. -Kompositschichten praktisch nicht geeignet. Die Verwendung von CVD- und PVC-Verfahren ist bedingt möglich. Diese erfordern jedoch eine vorherige Lagefixierung der zu dispergierenden Partikel. Aus Wirtschaftlichkeitsgründen sind diese Verfahren auf die Herstellung ausgesprochen dünner Schichten begrenzt. Ein Einbau bzw. Abscheiden von Hartstoffpartikeln ist dabei nur bedingt möglich, und es ent­ stehen, wie überhaupt auch bei den anderen bekannten Verfahren mit vorher erforderlicher Lagefixierung der zu dispergierenden Partikel infolge "Schattenwirkung" Poren. Bekannt ist es, mehrphasige, hete­ rogene Schichten durch Vakuum-Plasmaspritzen herzustellen ein­ schließlich der Einlagerung von Hartstoffpartikeln und Zuführung mehrerer aufzuspritzender Stoffe durch Mehrfachinjektion. Häufig zur Anwendung kommen Chromkarbid oder -oxid (DE-OS 35 13 892, DE-OS 35 15 107, US-P 7 76 840 u. a.). Bekannt ist es auch, Aluminium zur Her­ stellung von Verbundwerkstoffen aufzuspritzen (GB-PS 86 27 308). Weiterhin ist es bekannt, Al₂O₃-Partikel durch Vakuum-Plasmaspritzen in eine Edelstahlspritzschicht einzulagern. Darüber hinaus kann Al₂O₃ auch auf Grauguß oder Titan (EP 02 48 117) aufgespritzt werden. In diesen Fällen ist jedoch eine α- → γ- Al₂O₃-Umwandlung unum­ gänglich.

Das Ziel der Erfindung ist es, Aluminium-α-Al₂O₃-Kompositschich­ ten herzustellen, die es gestatten, Reibpaarungen bzw. Bauteile mit erhöhter Verschleiß- und Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Aluminiumwerkstoffen zu erzeugen, bei geringem Herstellungsaufwand und geringster Umweltbelastung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Her­ stellung von Aluminium-α-Al₂O₃-Kompositschichten zu entwickeln, das es gestattet, Reibpaarungen bzw. Bauteile mit höherer Ver­ schleiß- und Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit gegenüber herkömmlichen Aluminiumwerkstoffen herzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Vakuum-Plasmaspritzen unter Mehrfachinjektion dadurch gelöst, daß die Aluminium- und die α-Al₂O₃-Partikel gleichzeitig und unabhängig voneinander unter abgestimmten Plasmaspritzparametern so aufgespritzt werden, daß die α-Al₂O₃-Partikel unter Beibehaltung ihres Ausgangszustan­ des in die Metallmatrix als Dispersat eingebettet (dispergiert) werden. An Plasmaspritzparametern sind insbesondere die Plasma­ strahlenergie, die Partikelgröße, der Spritzabstand und die Gas­ zufuhr abzustimmen. Nur durch das gleichzeitige Aufspritzen von α-Al₂O₃ und Aluminium (Mehrfachinjektion) wird eine gute Bindung ohne Restporosität erreicht. Die Hartstoffanteile an α-Al₂O₃ in der Matrix können bis 75 Gewichtsprozent beliebig variiert werden. Größere Hartstoffanteile sind technisch und wirtschaftlich nicht sinnvoll. Neben Aluminium als Matrixmetall können auch Al-Legie­ rungen, Nickel-Aluminium und Titan eingesetzt werden.

Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, daß der Anwendungsbereich von Aluminiumwerkstoffen erwei­ tert wird, die Aluminiummatrix bleibt weitgehend oxidfrei, so daß ein stabiler Verbund zwischen Hartstoff- und Metallphase erreicht wird und insbesondere auch eine α-γ-Umwandlung des Al₂O₃ vermie­ den wird. Die Korundphase bleibt vollständig erhalten. Der Korund­ anteil ist je nach konkretem Einsatzfall variabel einstellbar und die Kompositschicht verfahrensbedingt auch auf kompliziert geform­ ten Bauteilen gut aufzubringen.

Damit sind verschleiß- und hochtemperaturkorrosionsbeständige Reibpaarungen bzw. Bauteile aus Aluminiumwerkstoffen herstellbar.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Auf ein Metallsubstrat wird mit einer Vakuum-Plasmaspritzanlage eine Aluminium-α-Al₂O₃-Kompositschicht aufgespritzt. Die Spritz­ werkstoffe Al 99,5 (Korngröße 20 bis 60 µm) und α-Al₂O₃ (Korngröße 5 bis 22 µm) werden mittels Zweifachinjektion zugeführt und aufge­ spritzt. Als Trägergas dient Argon. Die Tellerdrehzahlen im Pulver­ fördersystem werden als variable Einstellgrößen zur Realisierung unterschiedlicher Hartstoffanteile geregelt. Der Spritzabstand wurde mit ca. 300 mm bei einem Plasmastrom von 750 A gewählt. Der Rezipientendruck betrug 30 mbar. Als Plasmagas kam wiederum Argon zur Anwendung (40 SLPM).

Metallographisch wurde der Nachweis erbracht, daß eine gleichmä­ ßige Verteilung der Hartstoffphase (α-Al₂O₃ in der Metallmatrix vorliegt, die Hartstoffteilchen waren vollständig mit Metall um­ hüllt.

Durch röntgenographische Phasenanalyse wurde nachgewiesen, daß das Aluminiumoxid vollständig als α-Al₂O₃ in der Schicht erhalten bleib.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von Aluminium-α-Al₂O₃-Komposit­ schichten durch Vakuum-Plasma-Spritzen unter Mehrfachinjek­ tion, gekennzeichnet dadurch, daß die Aluminium- und die α-Al₂O₃- Partikel gleichzeitig und unabhängig voneinander unter abge­ stimmten Plasmaspritzparametern so aufgespritzt werden, daß die α-Al₂O₃-Partikel unter Beibehaltung ihres Ausgangszustan­ des in die Metallmatrix als Dispersat eingebettet (disper­ giert) werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Hartstoffanteile an α-Al₂O₃ in der Metallmatrix beliebig bis 75 Gewichtsprozent variabel sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Matrixmetall Aluminium und Aluminiumlegierungen, Nickel-Alumi­ nium sowie Titan eingesetzt werden.