DE4236911C1

DE4236911C1 - Thermisches Spritzverfahren zur Erzeugung von Oberflächenbeschichtungen

Info

Publication number: DE4236911C1
Application number: DE4236911A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Osu-Maschinenbau 44577 Castrop-Rauxel De GmbH; OSU MASCHINENBAU GmbH
Current assignee: Matthaeus Goetz 44577 Castrop-Rauxel De
Priority date: 1992-10-31
Filing date: 1992-10-31
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2012-11-01

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Spritzverfahren zur Erzeugung von keramischen, metallischen oder hartmetallähn lichen Oberflächenbeschichtungen auf metallischen Oberflä chen, wobei die die Beschichtung bildenden pulverförmigen Partikel erhitzt und in einer Düse mittels eines Gasstromes beschleunigt und auf die zu beschichtende Oberfläche ge spritzt werden, wobei vor dem Beschichten die zu beschich tende Oberfläche zur Vorbereitung gestrahlt wird.

Es sind eine Reihe von derartigen thermischen Spritzverfah ren bekannt, so das Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfah ren bekannt, so das Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfah ren und das Plasmaspritzverfahren. Dabei lassen sich mit dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren Beschichtungen aus keramischen, metallischen und auch hartmetallähnlichen Zusatzwerkstoffen herstellen. Die nach diesem Verfahren er zielten Schichtqualitäten und -eigenschaften sind für hoch wertige Maschinenbauteile von wichtiger Bedeutung.

In einem Hochgeschwindigkeitsflammspritzsystem werden pul verförmige Spritzzusatzwerkstoffe angeschmolzen, auf hohe Teilchengeschwindigkeiten beschleunigt und auf eine zu be schichtende Oberfläche aufgespritzt. Die Flammenströmung wird innerhalb einer meist wassergekühlten Düse gebündelt, wobei die Flamme Geschwindigkeiten erreicht, die im Bereich der Schallgeschwindigkeit liegen.

Vor Beschichtung einer Oberfläche mittels eines derartigen thermischen Spritzverfahrens ist es erforderlichh, die Ober fläche vorzubereiten, um die Oberfläche zu reinigen und ggf. zu aktivieren. Es ist dazu bisher üblich, das zu be schichtende Bauteil in einem vorausgehenden Arbeitsschritt mittels einer Strahleinrichtung beispielsweise mit Korund zu strahlen. Anschließend muß das Bauteil dann möglichst sofort in die entsprechende Spritzeinrichtung eingebracht und dort behandelt werden. Dies ist im Hinblick auf den apparativen Aufwand und die Bearbeitungszeit entsprechend aufwendig und daher nachteilig.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein derartiges Ver fahren so zu verbessern, daß es einen geringeren apparati ven Aufwand benötigt und weniger zeitaufwendig ist, wobei dies mit einfachen Mitteln bei geringem Energiebedarf er reichbar sein soll.

Mit einem thermischen Spritzverfahren der eingangs bezeich neten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens ein Teil der pulverförmigen Partikel in der Düse nur bis unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt und zur Vorbereitung der Oberfläche auf die Oberfläche strahlend gespritzt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung ist eine we sentlich effektivere Arbeitsweise möglich, da sowohl für die Vorbereitung als auch für die eigentliche Beschichtung der Oberfläche nur eine einzige Vorrichtung, nämlich eine entsprechende Spritz- und Beschleunigungsdüse erforderlich ist. Die Strahlung erfolgt dabei dadurch, daß wenigstens ein Teil der pulverförmigen Partikel nicht aufgeschmolzen wird und somit diese festen Partikel mit hoher Geschwindig keit auf die betreffende Oberfläche treffen und diese ent sprechend reinigen und gleichzeitig aktivieren. Diese Ver fahrensführung hat den weiteren wesentlichen Vorteil, daß eine deutlich kürzere Bearbeitungszeit erforderlich ist, da Transportvorgänge von einer Strahleinrichtung zur Spritz- und Beschleunigungsdüse vollständig entfallen, außerdem ist ein besseres Beschichtungsergebnis erzielbar, da unmittel bar nach bzw. auch gleichzeitig mit der Aktivierung der Oberfläche durch die nicht geschmolzenen Partikel die Be schichtung erfolgt. Gleichzeitig erfolgt durch den Strahlvorgang auch eine Anwärmung der Oberfläche, ohne daß dazu, wie bei bekannten Verfahren, ein zusätzlicher Verfahrensschritt erforderlich ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, daß zur Vorbereitung der Oberfläche und/oder zum Be schichten ein Pulvergemisch in die Düse eingeleitet wird, das zu einem Anteil von 10 bis 90 Vol.-% aus Spritzzusatz werkstoff und zu einem Anteil von 90 bis 10 Vol.-% aus Strahlzusatz mit einem Schmelzpunkt oberhalb der Gastempe ratur in der Düse gebildet wird. Bei Verwendung eines der artigen Pulvergemisches ist es dann möglich, daß durch Ein stellung der Flammentemperatur, des Drucks und der Verweil zeit des eingedüsten Pulvergemisches gezielt eine Teilchen fraktion beschleunigt, aufgeschmolzen und zur Schichtbil dung gebracht wird, während eine andere Fraktion bei glei chen Parametern verarbeitet und auf hohe Teilchengeschwin digkeiten beschleunigt wird, wobei nur auf Teilchentempera turen erhitzt wird, welche erheblich unterhalb des Schmelz punktes liegen. Diese Fraktion der Partikel strahlt dann kontinuierlich die Oberfläche, was zu einer ständigen Rei nigung und Aktivierung auch während des Beschichtungspro zesses führt. Dadurch lassen sich sehr niedrige Rauhigkei ten und eine verbesserte Duktilität der Beschichtung erzie len.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Pulvergemisch einge setzt wird, welches aus einer feineren Fraktion aus Spritz zusatzwerkstoff und einer sich nicht mit dem Spritzzusatz werkstoff überschneidenden und mit Abstand gröberen Frak tion aus hochschmelzendem Strahlzusatz besteht. Ein geeig netes Pulvergemisch besteht dabei beispielsweise aus einer Spritzpulverfraktion mit einer Partikelgröße von 5 bis 22 µm zu 50 Vol.-% und aus einer Strahlfraktion in einer Parti kelgröße zwischen 60 und 120 µm. Durch diese mechanische Größentrennung der beiden Fraktionen im Pulvergemisch ist eine einwandfreie Trennung und damit auch Einstellung der Anteile möglich, die strahlen bzw. beschichten, so daß ent sprechend exakte Beschichtungsergebnisse erzielbar sind, nämlich z. B. dünne maßgenaue Beschichtungen niedriger Rau higkeit, welche ohne nachfolgende spanende Bearbeitung technisch einsatzfähige Beschichtungen ermöglichen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die beiden Pulverfraktionen der Düse getrennt zugeführt und erst innerhalb der Düse vor der Anwendung gemischt werden. Es kommen dann beispielsweise zwei Pulvergeber zum Einsatz, die entsprechend getrennt den Strahlzusatz und den Spritz zusatzwerkstoff in die Düse einleiten.

Dabei können der Spritzzusatzwerkstoff und der Strahlzusatz aus einem artgleichen oder aus einem anderen Werkstoff be stehen, dies ist abhängig von den jeweils eingesetzten Werkstoffen bzw. von den gewünschten Oberflächenbeschich tungen.

In ganz besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Vorbereitung der Oberfläche zu nächst die maximale Temperatur innerhalb der Düse derart begrenzt wird, daß diese unterhalb des Schmelzpunktes des niedrig schmelzenden Spritzzusatzwerkstoffes liegt, und daß nachfolgend die Gastemperatur zum Beschichten über den be treffenden Schmelzpunkt erhöht wird. Es erfolgt dann zu nächst, da auch die Spritzpartikel nicht schmelzen, eine reine Strahlung der Oberfläche zur Vorbereitung derselben, anschließend wird dann durch die Temperaturerhöhung ein Aufschmelzen der Spritzpartikel bewirkt, so daß diese ge schmolzenen Partikel die Beschichtung bilden und gleichzei tig die Strahlpartikel kontinuierlich die Oberflächen strahlen, d. h. ständig reinigen und aktivieren.

Dabei ist vorteilhaft vorgesehen, daß die Gastemperatur durch Änderung der Zufuhr des Brenngases, des Oxidanten, des Kühlgases und/oder des Pulverfördergases eingestellt wird. Es ist dann möglich, die jeweilige Temperatur exakt zu regeln, so daß zunächst nur eine Strahlung und anschlie ßend eine kombinierte Strahlung und Beschichtung erfolgt. Eine derart gestrahlte und beschichtete Oberfläche zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Verfahren durch eine wesent lich intensivere Aktivierung aus, was dazu führt, daß eine wesentlich bessere Haftung der nachfolgend aufgebrachten Beschichtung gegeben ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur das Prinzipbild einer Spritz- und Beschleunigungsdüse zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der Figur ist lediglich schematisch eine Spritz- und Be schleunigungsdüse allgemein mit 1 bezeichnet, wobei der ei gentliche Düsenkanal, der beispielsweise ein Längendurch messerverhältnis von 10 bis 200 aufweisen kann, mit 1a be zeichnet ist.

Im dargestellten Beispiel ist jeweils nur andeutungsweise zentrisch eine Pulvergemischzuführung 2, eine ggf. vorgese hene, diese konzentrisch umgebende Zuführung eines neutra len bzw. reduzierend wirkenden Gases 3, eine diese wiederum zentrisch umgebende erste Brenngaszuführung 4 wiedergegeben und eine diese wiederum zentrisch umgebende weitere zweite Brenngaszuführung 5.

Die seitlich horizontal angedeuteten Pfeile 3a, 4a und 5a sollen andeuten, daß noch weitere gasförmige Komponenten hiermit eingebracht werden können. Eine weitere konzentri sche Gaseinführung ist weiter unten durch zusätzliche Pfei le 6 angedeutet, deren Einspeisung etwa im Düsengrund liegt. Durch diese Einführung wird im Gleichstrom Kühlgas eingeführt, mittels welchem eine exakte Steuerung der Pro zess- bzw. Flammentemperatur zwischen 200 und 2500°C mög lich ist.

Schließlich ist in der Figur noch angedeutet, daß ein Kühl medium, z. B. im Gegenstrom, den Düsenkanal 1a kühlt, dies ist durch Pfeile 7 dargestellt. Zusätzlich kann hier auch vorgesehen sein, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist, daß der Düsenkanal 1a im Randbereich wenigstens be reichsweise porös ausgebildet und mit einer Kühlluftzufüh rung versehen ist. Alle Eindüsungen sind konzentrisch zu der mit 8 bezeichneten Mittelachse der Düse angeordnet, seitliche Eindüsungen können auch im Winkel zur Mittelachse vorgenommen werden. Zusätzlich ist auch noch angedeutet, daß im Bereich des mit 9 bezeichneten Düsengrundes eine Heizeinrichtung 10 vorgesehen sein kann, etwa eine Induk tionsheizung, eine elektrische Heizeinrichtung oder dgl.

Die Ausgestaltung der Spritz- und Beschleunigungsdüse 1, die für sich betrachtet bekannt ist, kann selbstverständ lich auch anders gewählt sein, insbesondere ist erfindungs gemäß auch eine geeignete Einrichtung zur Durchführung ei nes Plasmaspritzverfahrens einsetzbar.

Wesentlich für die Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens ist das durch die Zuführung 2 in die Düse einge brachte Pulvergemisch. Dieses Pulvergemisch besteht bevor zugt zu einem Anteil von 10 bis 90 Vol.-% aus Spritzzusatz werkstoff und zu einem Anteil von 90 bis 10 Vol.-% aus einem Strahlzusatz, wobei der Strahlzusatz einen Schmelzpunkt aufweist, der oberhalb der Gastemperatur in der Düse liegt. Dabei wird ein Pulvergemisch vorteilhaft eingesetzt, welches aus einer feineren Fraktion aus Spritzzusatzwerk stoff und einer sich nicht mit dem Spritzzusatzwerkstoff überschneidenden und mit Abstand gröberen Fraktion aus hochschmelzendem Strahlzusatz besteht.

Die Pulvermischung besteht beispielsweise aus einem typi schen Spritzzusatzwerkstoff eines eng fraktionierten Pul vers folgender möglicher Siebungen:

Spritzzusatzwerkstoff

Pulverfraktion:
1- 6 µm
5-15 µm
5-22 µm
5-45 µm
10-30 µm
15-45 µm
22-45 µm
35-75 µm
45-90 µm

Desweiteren besteht die Pulvermischung aus einer meist hochschmelzenden Strahlfraktion folgender möglicher Siebun gen:

Strahlgut

Pulverfraktion:
45- 90 µm
60-120 µm
90-180 µm
120-240 µm
180-360 µm
240-500 µm
400-800 µm

Dabei bestehen die Pulvergemische zu einem Anteil von 10 bis 90 Vol.-% aus Spritzzusatz und desweiteren aus Strahl gut, eine vorteilhafte Mischung besteht aus einer Spritz pulverfraktion mit 5 bis 22 µm zu 50 Vol.-% und einer Strahlfraktion mit 60 bis 120 µm zu ebenfalls 50 Vol.-%, wobei der Strahlzusatz sowohl aus einem dem Spritzpulver artgleichen als auch aus einem anderen höherschmelzenden Werkstoff besteht.

Vor Beschichtung einer zu beschichtenden Oberfläche wird zunächst die Temperatur innerhalb der Düse 1 so einge stellt, daß diese unterhalb der Schmelztemperatur des ein gesetzten Spritzzusatzwerkstoffes liegt. Dazu wird bei spielsweise der in die Düse eingebrachte Brenngasvolumen strom reduziert und/oder der Kühlgasvolumenstrom erhöht, so daß die Strahlfraktion und auch die Spritzfraktion aufgrund der niedrigen Flammentemperatur nicht auf- bzw. angeschmol zen werden. Sämtliche Partikel werden dann in nichtge schmolzenem Zustand beschleunigt und auf die betreffende Oberfläche gespritzt, so daß eine Reinigung und Aktivierung derselben erfolgt.

Durch Änderung der Flammentemperatur durch entsprechende Regulierung des Brenngasvolumenstromes oder des Kühlgasvo lumenstromes wird nachfolgend die Temperatur so erhöht, daß die Spritzpartikel schmelzen, die Strahlpartikel jedoch partikelförmig bleiben, d. h. die Temperatur liegt unterhalb des Schmelzpunktes der Strahlpartikel. Dies führt dazu, daß gleichzeitig mit der Beschichtung der Oberfläche durch die aufgeschmolzenen Spritzpartikel kontinuierlich eine Reini gung und Aktivierung der Oberfläche erfolgt, wodurch sehr maßgenaue Beschichtungen niedriger Rauhigkeit erzielbar sind, so daß ohne nachfolgende spanende Bearbeitung tech nisch einsatzfähige Beschichtungen erreichbar sind.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellte Ver fahrensweise beschränkt. So ist es auch möglich, ein ein heitliches Pulvergemisch zu verwenden, das zunächst zur Reinigung und Aktivierung der Oberfläche nur bis unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt wird und erst nach der Vorberei tung der Oberfläche aufgeschmolzen wird, worauf dann die Beschichtung derselben erfolgt.

Claims

1. Thermisches Spritzverfahren zur Erzeugung von keramischen, metallischen oder hartmetallähnlichen Oberflächenbeschich tungen auf metallischen Oberflächen, wobei die die Be schichtung bildenden pulverförmigen Partikel erhitzt und in einer Düse mittels eines Gasstromes beschleunigt und auf die zu beschichtende Oberfläche gespritzt werden, wobei vor dem Beschichten die zu beschichtende Oberfläche zur Vorbe reitung gestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der pulverförmigen Partikel in der Düse nur bis unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt und zur Vorbereitung der Oberfläche auf die Oberfläche strahlend gespritzt wird.

2. Thermisches Spritzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorbereitung der Oberfläche und/oder zum Beschich ten ein Pulvergemisch in die Düse eingeleitet wird, das zu einem Anteil von 10 bis 90 Vol.-% aus Spritzzusatzwerkstoff und zu einem Anteil von 90 bis 10 Vol.-% aus Strahlzusatz mit einem Schmelzpunkt oberhalb der Gastemperatur in der Düse gebildet wird.

3. Thermisches Spritzverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulvergemisch eingesetzt wird, welches aus einer feineren Fraktion aus Spritzzusatzwerkstoff und einer sich nicht mit dem Spritzzusatzwerkstoff überschneidenden und mit Abstand gröberen Fraktion aus hochschmelzendem Strahl zusatz besteht.

4. Thermisches Spritzverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Pulverfraktionen der Düse getrennt zugeführt und erst innerhalb der Düse vor der Anwendung gemischt wer den.

5. Thermisches Spritzverfahren nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß für Spritzzusatzwerkstoff und Strahlzusatz artgleiche oder verschiedene Werkstoffe eingesetzt werden.

6. Thermisches Spritzverfahren nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorbereitung der Oberfläche zunächst die maximale Temperatur innerhalb der Düse derart begrenzt wird, daß diese unterhalb des Schmelzpunktes des niedrig schmelzenden Spritzzusatzwerkstoffes liegt, und daß nachfolgend die Gas temperatur zum Beschichten über den betreffenden Schmelz punkt erhöht wird.

7. Thermisches Spritzverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gastemperatur durch Änderung der Zufuhr des Brenn gases, des Oxidanten, des Kühlgases und/oder des Pulverför dergases eingestellt wird.