DE4233516A1

DE4233516A1 - Verfahren zur erzeugung einer verschleissfesten schicht

Info

Publication number: DE4233516A1
Application number: DE4233516A
Authority: DE
Inventors: Werner Psiuk; Michael Dr Ing Reuter
Original assignee: THEYSOHN FRIEDRICH FA; Friedrich Theysohn GmbH
Current assignee: THEYSOHN FRIEDRICH FA; Friedrich Theysohn GmbH
Priority date: 1991-12-14
Filing date: 1992-10-06
Publication date: 1993-06-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Schicht auf der Oberfläche einer in einer Plastifiziervorrichtung einsetzbaren Schnecke, mit welchem auf den aus Stahl bestehenden Grundkörper der Schnecke ein verschleißfestes Beschichtungsmaterial aufgetragen und unter Wärmeeinwirkung fest mit demselben verbunden wird und mit welchem die beschichtete Schnecke anschließend abgekühlt wird (DE-OS 37 40 916).

Plastifiziervorrichtungen sind beispielsweise Extruder, Spritzgießmaschinen oder Compounder. Stellvertretend für alle möglichen Ausführungsformen wird im folgenden die Bezeichnung "Extruder" verwendet. Extruder werden beispielsweise zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff oder aus Gummi eingesetzt. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Schneckengehäuse und mindestens einer drehbar in demselben angebrachten Schnecke, durch welche das zu verarbeitende Material im Schneckengehäuse gefördert wird. Durch die Drehung der Schnecke und den dadurch hervorgerufenen Strom von zu verarbeitendem Material sind sowohl die Stegflanken und die Stegoberflächen der Schnecken als auch der Schneckenkern einem ständigen Verschleiß ausgesetzt.

Durch die ständig steigenden Anteile abrasiv wirkender Füllstoffe und korrosiv wirkender Additive in den verarbeiteten Kunststoffen wird der Verschleiß immer mehr zu der die Lebensdauer von Schnecken und auch von Schneckengehäusen bestimmenden Größe. Um den Verschleiß zu minimieren und die Lebensdauer zu erhöhen werden insbesondere die Stegoberflächen der Schnecken mit einem geeigneten Material in üblicher Technik überzogen. Derartige Materialien sind beispielsweise Wolframkarbid in einer selbstfließenden Matrix, selbstfließende Hartlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis, beispielsweise Stellite, und keramische Verbindungen, beispielsweise Cr₂O₃ in Ni- bzw. NiCr-Matrix, Al₂O₃, ZrO₂. Übliche Techniken sind beispielsweise das thermische Spritzen, das Auftragsschweißen, insbesondere das Plasma-Auftragsschweißen, sowie verschiedene Sinter- und HIP- Technologien.

Ein derartiges Verfahren geht beispielsweise aus der eingangs erwähnten DE-OS 37 40 916 hervor, die das Aufbringen von molybdänhaltigem Material auf die Oberfläche von Extruderschnecken durch thermisches Spritzen beschreibt. Weitere Verfahren sind auch in der DE-Z "Materialwissenschaft und Werkstofftechnik", 21 (1990), Seiten 28 bis 31, in der DE- Z "Werkstoff und Innovationen", 1/2 (1990) 3, Seiten 33 bis 38 und in der DE-Z "m+w 23/1990 - Fertigungstechnik 8", Seiten 58 bis 62 erläutert. Mit allen bekannten Verfahren wird zur Erzeugung der verschleißfesten Schicht eine relativ hohe Wärmemenge in den zu beschichtenden Grundkörper eingetragen, die zu ungünstigen Eigenspannungszuständen mit Verzug und Rißbildung führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs geschilderte Verfahren so weiterzubilden, daß verschleißfestes Beschichtungsmaterial festhaftend auf den aus Stahl bestehenden Grundkörper einer Schnecke so aufgebracht werden kann, daß Verzug und Rißbildung im fertigen Bauteil ausgeschlossen werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Beschichtungsmaterial in einen Laserstrahl eingebracht, in demselben aufgeschmolzen und mit demselben derart auf den Grundkörper aufgebracht wird, daß mindestens der äußere Bereich des Grundkörpers in schmelzflüssigen Zustand gebracht wird.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, eine verschleißfeste Schicht auf einen metallischen Grundkörper so aufzutragen, daß sich eine porenfreie Schicht mit einer Haftfestigkeit ergibt, die mindestens der Festigkeit des Beschichtungsmaterials entspricht. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, daß das mit diesem Verfahren aufgebrachte Beschichtungsmaterial sich auch bei extremen Belastungen nicht mehr vom Grundkörper löst. Diese überraschende Tatsache wird durch die richtige Kombination des Laserstrahls mit der Art der Zuführung des Beschichtungsmaterials beim Verbinden von Beschichtungs- und Grundmaterial in einem einstufigen Verfahren erreicht. Das Beschichtungsmaterial und die Oberfläche des Grundkörpers werden mit diesem Verfahren zeitlich und räumlich getrennt voneinander aufgeschmolzen. Da die Schmelztemperatur des aus Stahl bestehenden Grundkörpers in der Regel niedriger ist als die des Beschichtungsmaterials, wird die Oberfläche des Grundkörpers beim Auftreffen des geschmolzenen Beschichtungsmaterials mit dem Laserstrahl auf- bzw. angeschmolzen. Zumindest in der Übergangszone vom Beschichtungsmaterial zum Material des Grundkörpers entsteht damit durch Diffusion ein schmelzmetallurgischer Verbund aus beiden Materialien. In den Grundkörper wird bei diesem Verfahren nur wenig Wärmeenergie eingetragen, so daß nur eine relativ dünne Schicht an der Oberfläche desselben erwärmt wird. Die Gefahr eines Verzuges desselben mit Rißbildung ist daher ausgeschlossen. Beim Einsatz dieses Verfahrens ergibt sich der weitere Vorteil, daß der Aufwand für die Vorbereitung der zu beschichtenden Oberflächen des Grundkörpers sehr gering gehalten werden kann. Auf die Anbringung von Vertiefungen in der zu beschichtenden Oberfläche des Grundkörpers kann ebenso verzichtet werden wie auf ein Strahlen derselben. Das Verfahren eignet sich daher auch für die Behandlung von Bauteilen mit komplizierter Geometrie sowie zur selektiven Behandlung von Bauteilen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Das Verfahren nach der Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Extruder mit Gehäuse und Schnecke.

Fig. 2 einen mit dem Verfahren nach der Erfindung zu beschichtenden Teil der Schnecke teilweise im Schnitt.

Fig. 3 bis 7 unterschiedliche Ansichten eines Schneckensteges bei der Durchführung des Verfahrens.

In dem Gehäuse 1 eines Extruders ist eine aus Stahl bestehende Schnecke 2 mit Stegen 3 angeordnet, deren am Gehäuse 1 anliegende Oberflächen mit verschleißfestem Material beschichtet sind. Eine solche verschleißfeste Schicht 4 geht aus der vergrößerten Darstellung in Fig. 2 hervor. Sie wird mittels eines Laserstrahls mit dem Grundkörper der Schnecke 2 verbunden. Dazu wird ein Verfahren verwendet, wie es grundsätzlich aus der DE-Z "Laser-Praxis", Oktober 1990, Seiten LS 101 bis LS 106 hervorgeht. Für das Reparaturbeschichten von Turbinenschaufeln werden hier hochfeste Nickelbasislegierungen mit einem Molydängehalt von bis zu 6% oder Kobaltbasislegierungen ohne Molybdänzusatz verwendet.

Das Verfahren nach der Erfindung wird beispielsweise wie folgt durchgeführt:

Das verschleißfeste Beschichtungsmaterial liegt beispielsweise in Form eines agglomerierten Pulvers vor. Es könnte auch in Form von Draht, als flüssige Schmelze oder als vorgewärmte Masse eingesetzt werden.

Als Laser sind alle Laser mit ausreichender Leistung einsetzbar, wie z. B. CO-, CO₂- Nd-YAG- und Nd-Glas-Laser im kontinuierlichem wie auch im Impulsbetrieb. Zur Optimierung der Effektivität der Beschichtung und der Schichteigenschaften ist die Kombination mehrerer Laser gleicher oder unterschiedlicher Typen möglich. Eine solche als Mehrstrahltechnik zu bezeichnende Verfahrensweise ist bei Verwendung von Lasern ausreichender Leistung auch durch Strahlspaltung (Beamsplitting) realisierbar. Vorzugsweise kommt ein CO₂-Laser im Dauerstrichbetrieb zum Einsatz.

Das Beschichtungsmaterial wird dem Laserstrahl beispielsweise mit einem Pulverförderer zugeführt. Die Leistung der Einrichtung zur Zuführung des Beschichtungsmaterials bestimmt wesentlich die Auftreffgeschwindigkeit desselben auf die zu beschichtende Oberfläche. Sie wird der Laserleistung angepaßt. Die Energie des Laserstrahls muß ausreichen, um das Beschichtungsmaterial auf dem Weg zum zu beschichtenden Grundkörper der Schnecke 2 zu schmelzen. Da die Schmelztemperatur des aus Stahl bestehenden Grundkörpers niedriger ist als die des Beschichtungsmaterials, wird die Oberfläche des Grundkörpers beim Auftreffen des bereits geschmolzenen Beschichtungsmaterials mit dem Laserstrahl auf bzw. angeschmolzen. Dadurch ergibt sich ein schmelzmetallurgischer Verbund zwischen beiden Materialien ohne großen Wärmeeintrag in den Grundkörper der Schnecke 2. Eigenspannungszustände mit Verzug und Rißbildung im beschichteten Grundkörper können daher nicht auftreten.

Durch Beeinflussung des Laserstrahls durch Strahlformung- und -führung, beispielsweise durch oszillierende Optiken, Facettenspiegel, Blenden, Beamsplitting usw., sind verschiedene punkt- und strichförmige Beschichtungsmuster sowie flächenhafte Beschichtungen des Steges 3 mit Strahlquerschnitten möglich, die vom kreisförmigen Strahlquerschnitt des Grundmodes mit gaußförmiger Leistungsverteilung abweichen. Allen gemeinsam ist die Beschichtung der Stege 3 der Schnecke 2 unter Berücksichtigung ihrer Steigung.

Der vorzugsweise verwendete Grundmodestrahl des CO₂-Lasers erzeugt Schichtspuren auf der Oberfläche der zu beschichtenden Stege 3 der Schnecke 2, deren Breiten im wesentlichen von der Laserleistung und dem Strahlfleckdurchmesser abhängen. Sie sind in der Regel um ein Mehrfaches kleiner als die Breite der Stege 3. Der Laserstrahl muß in diesem Fall über die ganze Breite und die Länge der Stege 3 bewegt werden. Das geschieht zweckmäßig nach einem aus einer translatorischen Komponente und einer Rotationskomponente der Relativbewegung des Laserstrahls gegenüber der zu beschichtende Oberfläche bestehenden Muster. Dabei können beide Komponenten durch den Laserstrahl oder durch die zu beschichtende Schnecke 2 beeinflußt werden. Sinnvoll ist eine Verteilung der Bewegungskomponenten auf den Laserstrahl und die Schnecke 2.

Ein solches Muster ist beispielsweise ein aus Fig. 3 ersichtliches Zick-Zack-Muster, nach welchem der Laserstrahl unter Berücksichtigung der Steigung des Steges 3 kontinuierlich zwischen den Stegkanten translatorisch hin- und herbewegt wird, während sich gleichzeitig die Schnecke 2 kontinuierlich um ihre Achse dreht (Rotationskomponente). Die Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke 2 bestimmt den Überlappungsgrad der so erzeugten Schichtspuren. Ein anderes leicht zu erzeugendes Muster ist ein in Fig. 4 dargestelltes Mäander-Muster, bei welchem der Laserstrahl unter Berücksichtigung der Steigung des Steges 3 translatorisch zwischen den Stegkanten diskontinuierlich mit einer Verweilzeit an den Stegkanten bewegt wird. Innerhalb dieser Verweilzeiten dreht sich die Schnecke 2 um bestimmte, den Überlappungsgrad bestimmende Winkel um ihre Achse (diskontinuierliche Rotationskomponente).

Der Auftreffwinkel des Beschichtungsmaterials auf den Steg 3, der Winkel zwischen Laserstrahl und Zufuhreinrichtung des Beschichtungsmaterials und die Anordnung von Laserstrahl und Zufuhreinrichtung bezüglich der Achse der Schnecke 2 sind frei wählbar. In bevorzugter Ausführungsform werden Laserstrahl 5 und Zufuhreinrichtung 6 so angeordnet, wie es aus Fig. 5 hervorgeht. Dabei trifft der Laserstrahl den Steg 3 der Schnecke 2 vorzugsweise senkrecht von oben. Das Beschichtungsmaterial wird mittels der Zufuhreinrichtung 6 beispielsweise unter einem Winkel von 18° in Richtung des durch die Drehbewegung der Schnecke 2 erzeugten, durch den Pfeil V angedeuteten Vorschubs gesehen von hinten in den Laserstrahl 5 injiziert.

Der Laserstrahl 5 kann gemäß Fig. 6 und 7 auch in zwei Laserstrahlen 7 und 8 gesplittet werden. Dabei ist die Anordnung Laserstrahl 7 - Zufuhreinrichtung 6 - Laserstrahl 8 in Fig. 6 in Richtung der Achse der Schnecke 2 dargestellt, während Fig. 7 diese Anordnung quer zur Achse der Schnecke 2 zeigt. Es ist zweckmäßig, die Winkel der beiden Laserstrahlen 7 und 8 zur Oberflächennormalen des Steges 3 unterschiedlich zu gestalten, um die Laserbearbeitungsköpfe vor zu hoher Wärmebelastung zu schützen. Auch hier treffen die Laserstrahlen 7 und 8 den Steg 3 vorzugsweise senkrecht von oben. Statt eines Lasers mit gesplittetem Laserstrahl könnten auch zwei getrennte Laser eingesetzt werden.

Die Qualität der Beschichtung und die Dicke der Übergangszone zwischen der aufgebrachten Schicht 4 und dem Grundkörper und damit deren Legierungsgrad lassen sich durch die Behandlungsparameter optimieren. Ein Behandlungsparameter ist beispielsweise die Pulvermasse pro Zeiteinheit, die sogenannte Pulverrate des in den Laserstrahl eingebrachten Beschichtungmaterials. Auch die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls bezüglich der zu beschichtenden Oberfläche (aus translatorischer und Rotationskomponente zusammengesetzte Geschwindigkeit) ist im Zusammenhang mit der Laserleistung als Behandlungsparameter von Bedeutung. Die auf der Oberfläche der Stege 3 erzeugten Schichten 4 sind poren- und rißfrei. Das kann durch die Verwendung von Schutzgasen, vorzugsweise Argon, unterstützt werden. Die Adhäsion der Schicht 4 mit dem Grundkörper der Schnecke 2 ist aufgrund des schmelzmetallurgischen Verbundes mindestens gleich der Kohäsion in der Schicht 4. Die Schicht 4 braucht nur wenig durch Schleifen nachbearbeitet zu werden.

Im folgenden werden noch drei Beispiele für ein bei dem Verfahren nach der Erfindung einsetzbares Beschichtungsmaterial angegeben:

Beispiel 1

Als Beschichtungsmaterial wird eine Pulvermischung aus 60% Wolframkarbid und 40% selbstfließender Matrixlegierung auf Ni-Basis verwendet. In der Matrix mit der Härte von 550 bis 650 HV 0,1 sind 40 bis 100 µm große Karbide mit Härtewerten von 1400 bis 2500 HV 0,1 gleichmäßig über den Schichtquerschnitt verteilt eingebettet. Die Schichten sind poren- und rißfrei.

Beispiel 2

Als Beschichtungsmaterial wird eine Co-Basislegierung mit folgender Zusammensetzung eingesetzt:

2,6% C
31,0% Cr
12,0% W
2,5% Ni
1,2% Si
2,4% Fe
0,15% Mo, Mn
Rest Co.

Die als Stellit 1 erhältliche Legierung ist bekannt für ihre Neigung zur Rißbildung. Durch das beschriebene Verfahren wird nur soviel Wärme in das Beschichtungsmaterial und die zu beschichtende Stegoberfläche der Schnecke 2 eingebracht, wie zur Herstellung des schmelzmetallurgischen Verbundes zwischen der Schnecke 2 und der Schicht 4 notwendig ist. Durch die entsprechende Wahl der Überlappung im Zusammenhang mit der Intensität im Brennfleck und der Relativgeschwindigkeit Laser- Stegoberfläche werden der Legierungsgrad sowie die Nachwärmung vorhergehender Spuren beeinflußt, die ein reißfreies Auftragen dieses Materials möglich machen.

Beispiel 3

Als Beschichtungsmaterial wird eine teilstabilisierte (PSZ)- Zirkonoxid-Keramik als agglomeriert gesintertes Pulver eingesetzt. Durch das dem Stahl ähnliche Ausdehnungsverhalten der ZrO₂-Keramik ist der Verbund mit dem Metall der Schnecke 2 bei den in der Extruder- und Spritzgießtechnik üblichen Temperaturschwankungen möglich. Zusätzlich wird im gewissen Umfang ein Wärmedämmeffekt erzielt, in dem die ZrO₂-Schicht mit ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit die Wärmeübertragung vom Gehäuse 1 über den verarbeiteten Kunststoff auf die Schnecke 2 stark einschränkt. Dadurch bleibt die Wärme dort, wo sie gebraucht wird, nämlich im Kunststoff. Das bedeutet neben einer Standzeiterhöhung der Schnecke 2 gleichzeitig eine Verbesserung der Effektivität des Extrusions- bzw. Spritzgießprozesses.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Schicht auf der Oberfläche einer in einer Plastifiziervorrichtung einsetzbaren Schnecke, mit welchem auf den aus Stahl bestehenden Grundkörper der Schnecke ein verschleißfestes Beschichtungsmaterial aufgetragen und unter Wärmeeinwirkung fest mit demselben verbunden wird und mit welchem die beschichtete Schnecke anschließend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial in einen Laserstrahl (5, 7, 8) eingebracht, in demselben aufgeschmolzen und mit demselben derart auf den Grundkörper aufgebracht wird, daß mindestens der äußere Bereich des Grundkörpers in schmelzflüssigen Zustand gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial zeitlich und räumlich getrennt vom Material des Grundkörpers der Schnecke (2) aufgeschmolzen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Laserstrahl (5, 7, 8) und Zufuhreinrichtung (6) des Beschichtungsmaterials unter einem spitzen Winkel zueinander angeordnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (5) in Teilstrahlen aufgesplittet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial bezogen auf den durch die Drehung der Schnecke (2) bedingten Vorschub derselben von hinten in den Laserstrahl (5, 7, 8) injiziert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Oberfläche des Grundkörpers mit zick-zack-förmigem Verlauf des Laserstrahls (5, 7, 8) durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Oberfläche des Grundkörpers mit mäanderförmigem Verlauf des Laserstrahls (5, 7, 8) durchgeführt wird.