DE4217612A1 - Oberflächenschutzschicht sowie Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents
Oberflächenschutzschicht sowie Verfahren zur Herstellung derselbenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Oberflächenschutzschicht mit
hoher Verschleißfestigkeit und zugleich hochwertigen
Korrosionsschutzeigenschaften sowie zugehörige Herstellungs
verfahren.
Ein Hauptziel der Herstellung von Oberflächenschichten auf
metallischen Werkstücken besteht darin, die mechanische
Verschleißfestigkeit von Werkstücken, z. B. von mit Reibung
beaufschlagten Wellen, zu erhöhen. Das Aufbringen solcher
verschleißfester Schichten wird heute vielfach mit thermi
schen Spritzverfahren, wie dem autogenen Flammspritzen und
Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, dem Lichtbogen- und
Plasmaspritzen, dem Detonationsspritzen und dem Laserspritzen
in sehr guten Qualitäten bewerkstelligt (siehe Jahrbuch
Oberflächentechnik, Bd. 48, Artikel "Thermisches Spritzen-
Fakten und Stand der Technik" v. P. Heinrich). Gängige,
verschleißfeste Schichten liefernde Materialien sind dabei
einerseits Reinmaterialien, wie beispielsweise Molybdän und
Mangan, Legierungsmaterialien, wie z. B. Chromstähle und
weiters aus mehreren Materialien zusammengesetzte oder
Verbundspritzmaterialien, wie beispielsweise in Cobalt
eingeschlossene Wolframcarbide.
Alle diese Spritzmaterialien können als Pulver oder draht-
oder stabförmig zur Anwendung kommen. Beim Auftragvorgang
selbst wird der jeweilige Spritzwerkstoff partikelweise mit
einem Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit auf die zu be
schichtende Oberfläche aufgebracht, wobei ein Aufschmelzen
oder zumindest ein Anschmelzen dieser Partikel auf dem
Transportweg erfolgt, welches durch die jeweilige Energie
zufuhr - Brenngas, Licht- oder Plasmalichtbogen, . . . - bewirkt
wird.
Eine spezielle Variante beim Erzeugen von Oberflächen
schichten durch thermische Spritzmethoden besteht darin, daß
nach dem eigentlichen Aufspritzvorgang ein Einschmelz
vorgang nachgeschaltet ist, also ein zweiter Verfahrens
schritt, der mit einer zweiten Erwärmung der aufgebrachten
Schicht verbunden ist, wodurch Schichten mit höherer
Haftfähigkeit, Dichtigkeit aber mit einer zusätzlichen
thermischen Belastung des jeweiligen Bauteils entstehen.
In Zusammenhang mit den nun geschilderten Auftragsverfahren
und den erzeugbaren, verschleißfesten Oberflächenschichten
bestehen jedoch Defizite, wenn neben Eigenschaft "Verschleiß
festigkeit" eine weitere Anforderung, nämlich die Korrosions
schutzfähigkeit, verlangt wird. Bei bekannten Verschleiß
schutzschichten besteht nämlich der Nachteil, daß diese
Schichten wegen ihres porösen Aufbaus nicht gas- und flüssig
keitsdicht sind und folglich deren Untergrund nicht vor
Korrosion geschützt ist.
Die Aufgabenstellung vorliegender Erfindung besteht daher
darin, eine Oberflächenschutzschicht anzugeben, die sowohl
hohen Anforderungen an Verschleißfestigkeit als auch an
Korrosionsschutz genügt. Ebenso ist ein zugehöriges Herstel
lungsverfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Oberflächenschutzschicht
gelöst, die eine auf dem jeweiligen Bauteilwerkstoff
unmittelbar aufsitzende, dem Korrosionsschutz dienende
Unterschicht aufweist und darauf eine aus einem
verschleißfesten Werkstoff bestehende Oberschicht besitzt.
Mit Vorteil besteht die Unterschicht aus einem niedrig
schmelzenden, metallischen Material, vorzugsweise aus
Nickel-Zinn, Kupfer-Zinn, Nickel-Phosphor oder Blei. Für
die Oberschicht eignen sich besonders die mit thermischen
Spritzverfahren vorteilhaft auftragbaren Materialien wie
Chromstahl, Molybdän, Mangan, oxidkeramische Materialien
oder Karbide, Oxide oder andere Hartstoffe enthaltende Mate
rialien, (z. B. auch sogenannte Cermets). Ein Schichtauftrag
im Wege des Schweißens ist prinzipiell ebenso möglich (siehe
z. B. DE-OS 40 08 091).
Derartige Doppelschichten haben sich in einer Vielzahl von
Versuchen und einschlägigen Prüfungen, z. B. dem Kesternich-
Test oder dem Salzsprühtest, als besonders korrosionsschüt
zend und gleichzeitig ausgezeichnet verschleißfest erwiesen.
Die insbesondere nach hoher Dichtigkeit gegen Flüssigkeiten
und Gasen auszuwählenden Unterschichtsmaterialien sorgen
hierbei für den Korrosionsschutz des Substratmaterials,
während andererseits die anzuwendenden Oberschichten für die
gewünschte Verschleißfestigkeit zu sorgen haben. Bei den
erfindungsgemäßen Schichten wird darüber hinaus auch die
mechanische Verbindung und Haftung zwischen den beiden
Schichten allen Anforderungen gerecht. Weitere positive
Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Oberflächenschicht
bestehen in einer guten Haftung auch im Bereich von Werk
stückkanten sowie in einer geringen Oberflächenrauhigkeit.
Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer solchen
zweilagigen Oberflächenschutzschicht besteht darin, daß
sowohl die Unterschicht als auch die Oberschicht mit einem
thermischen Spritzverfahren, vorzugsweise dem Flammspritzen
oder dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, erzeugt wird.
Ein weiteres vorteilhaftes Herstellungsverfahren ist dadurch
gekennzeichnet, daß die auf ein Bauteil zunächst aufzu
bringende Unterschicht durch chemisches oder elektrolytisches
Abscheiden aufgebracht wird, während die Oberschicht anschlie
ßend wiederum mit einem thermischen Spritzverfahren, vorzugs
weise dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, erzeugt wird.
Die Erzeugung von erfindungsgemäßen Oberflächenschichten wird
im folgenden beispielhaft näher erläutert (siehe hierzu auch
anhängende Graphik).
Das Aufbringen der Unterschicht kann in einer ersten Vari
ante mit Vorteil durch eines der thermischen Spritzverfahren
(Flammspritzen, Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen, Detona
tionsspritzen, Laserspritzen) erfolgen. Hierbei sind die
beiden Flammspritzmethoden, nämlich das Flammspritzen und das
Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, im Kalkül zwischen
Kostenaufwand und anzustrebender Qualität, besonders
vorteilhaft. Dabei gelangen - entsprechend den auszubilden
den Schichten - die entsprechenden Spritzmaterialien, also
z. B. eine Ni-Sn-Legierung oder eine Cu-Sn-Legierung, zur
Anwendung. Es ist auch möglich, ein Verbundpulver anzuwenden,
d. h. ein Spritzmaterial, in dem die Metalle, die die
gewünschte Schicht in Form einer Legierung bilden sollen,
elementar enthalten sind. Ebenso ist auch ein Pulvergemisch
aus den Komponenten der zu bildenden Legierung anwendbar.
Bei den Verbundpulvern und den Pulvergemischen erfolgt die
Legierungsbildung entweder beim Spritzvorgang selbst, oder
sie kann durch eine geeignete, nachfolgende Wärmebehandlung
in einem Ofen oder mit einer Flamme bewirkt werden.
Die weiteren Möglichkeiten zum Aufbringen einer Unterschicht
bestehen im elektrolytischen Aufbringen oder chemischen
Abscheiden von entsprechenden Materialien auf das jeweilige
Bauteil (chemisches Abscheiden heißt: auf ein oberflächen
aktiviertes Bauteil wird aus einer Lösung Material
niedergeschlagen).
Dabei kann die Bildung der Unterschicht im Falle von
Legierungsmaterialien unmittelbar durch die Abscheidung
der jeweiligen Legierung erfolgen, oder es werden die die
gewünschte Legierung bildenden Materialien in zwei auf
einanderfolgenden Schritten und Schichten nacheinander
aufgebracht und die Legierung wiederum durch eine thermische
Nachbehandlung mit einer Flamme oder in einem Ofen (wie
oben!) erzeugt.
Nach dem Aufbringen der Unterschicht nach einer der
beschriebenen Methoden erfolgt das Auftragen der verschleiß
festen Oberschicht. Diese wird mit Vorteil aus Chromstahl,
Molybdän, Mangan, oxidkeramischen Materialien oder Karbide,
Oxide oder andere Hartstoffe enthaltende Materialien
gebildet, wobei insbesondere auch die aus Metall-Keramik-
Verbindungen bestehenden, ebenfalls Hartstoffe enthaltenden
Cermets anwendbar sind. Das jeweils am besten geeignete
Material kann dabei abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall
ausgewählt werden. Der Schichtauftrag erfolgt sehr günstig
mit einem der bekannten thermischen Spritzverfahren
(Flammspritzen, . . . , Plasmaspritzen, etc . . . . ), wobei vor
allem das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen als vorteilhaft
einzustufen ist, da mit diesem Verfahren mit vertretbarem
Investitionsaufwand Schichten in gewünschter, hochwertiger
Qualität, nämlich insbesondere sehr kompakte und abriebfeste
Schichten, herstellbar sind.
Weitere geeignete Verschleißschichten sind sogenannte
Dispersionsschichten, bei denen die Hartstoffe in eine, aus
dem korrosionsbeständigen Unterschichtmaterial bestehende
Matrix eingebettet sind. Derartige Schichten lassen sich
wiederum durch thermisches Spritzen erzeugen, wobei
- - ein Pulvergemisch oder ein agglomeriertes Pulver verwendet wird, dessen Komponenten aus Hartstoff oder Hartlegierung und korrossionsbeständigem Material bestehen, oder
- - ein ummanteltes Pulver verwendet wird, bei dem die einzelnen Partikel des Hartstoffs oder der Hartlegierung elektrolytisch mit korrosionsbeständigem Material beschichtet sind.
Die verschiedenen Möglichkeiten, eine erfindungsgemäße
Doppelschicht herzustellen, sind in der anhängenden Graphik
nochmals gezeigt. Bei der Durchführung der einzelnen
Auftragsschritte mit den verschiedenen Methoden wird die
jeweilige Methode in der jeweils üblichen Weise mit
Abstimmung auf das aufzutragende Material angewendet. Es sind
also keine besonderen Verfahrensabwandlungen notwendig, um
die erfindungsgemäßen Ober- oder Unterschichten zu erzeugen.
Die erfindungsgemäßen Schutzschichten eignen sich vor allem
für Bauteile, die hohen Anforderungen sowohl hinsichtlich
Korrosion als auch hinsichtlich Abrieb ausgesetzt sind.
Beispielsweise sind dies Teile, die in chemischen Anlagen
oder Apparaturen in aggressiver Umgebung zur Anwendung
kommen, oder auch Teile, die in Meerwasser eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäßen Oberflächenschutzschichten besitzen
jedenfalls sowohl hinsichtlich Verschleißfestigkeit als auch
hinsichtlich Korrosionswiderstand hochwertige Eigenschaften.
Claims (5)
1. Oberflächenschutzschicht mit hoher Verschleißfestigkeit
und zugleich hochwertigen Korrosionsschutzeigenschaften,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie eine auf dem jeweiligen Bauteilwerkstoff unmittel
bar aufsitzende, dem Korrosionsschutz dienende Unterschicht
aufweist und darauf eine, aus einem verschleißfesten
Werkstoff bestehende, Oberschicht aufsitzt.
2. Oberflächenschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Unterschicht aus einem niedrig
schmelzenden Metall, vorzugsweise aus Nickel-Zinn,
Kupfer-Zinn, Nickel-Phosphor oder Blei besteht.
3. Oberflächenschutzschicht nach Anspruch l, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberschicht aus Chromstahl,
Molybdän, Mangan, oxidkeramischen Materialien oder
Karbide, Oxide oder andere Hartstoffe enthaltende
Materialien oder aus einer Dispersionsschicht besteht.
4. Verfahren zur Herstellung der Oberflächenschutzschicht
nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl Unterschicht als auch Oberschicht mit einem
thermischen Spritzverfahren, vorzugsweise dem Flamm
spritzen oder dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen,
erzeugt wird.
5. Verfahren zur Herstellung der Oberflächenschutzschicht
nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Unterschicht durch chemisches oder elektrolytisches
Abscheiden aufgebracht wird, während die Oberschicht
mit einem thermischen Spritzverfahren, vorzugsweise dem
Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, erzeugt wird.
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