DE4443036A1 - Schutzschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschicht, insbesondere für Kolbenstangen hydraulischer Zylinder, aber auch für Armaturen, Ventile, Wellen, wie sie z. B. zum Einsatz in korrosiven Medien verwendet werden. Ein solcher Einsatz ist auch die Verwendung von hydraulischen Zylindern im Stahl-Wasser-Bau. Dort werden vielfach hydraulische Anlagen zur Betätigung von Schleusen, Brücken o. a. benötigt.

Die Beschichtung von Kolbenstangen, von Arbeitszylindern ist z. B. aus DE 32 06 432 bekannt. Dort ist vorgesehen, Arbeitszylinder für pneumatische oder hydraulische Druckmedien, z. B. gegen Schweißspritzer, durch eine Beschichtung zu schützen, die einen höheren Schmelzpunkt als die Schweißspritzer aufweisen. Wenn auch dies ein anderer Anwendungsfall ist, ist hier doch vorgesehen, den Schutzmantel aus Chromoxid oder Keramik zu bilden. Ein näherer Hinweis auf die Zusammensetzung der Keramikschicht ist hier nicht gegeben. Bekannt ist, daß Keramik sich spröde verhält. Bei den hier vorgesehenen Einsatz fällen ist daher nicht jede beliebige Keramik geeignet. Die Kolbenstangen haben z. T. erhebliche Längen (bis zu 12 m). Dabei kann es schon unter dem Eigengewicht zu Durchbiegungen kommen, so daß durchaus nicht jede Keramik als Schutzschicht oder Bestandteil einer Schutzschicht geeignet ist. Insbesondere bei Kolbenstangen stellt sich das Problem, daß diese einerseits gegen die entsprechenden Dichtungen verschleißfest sein müssen, andererseits der Verschleiß der Dichtung möglichst selbst minimiert wird, insbesondere auch dadurch, daß die Schutzschicht im Rahmen des tribologischen Gesamtsystems (Dichtung, Schmierung, Schutzschicht) optimiert ist.

Diese Optimierung war Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Zur Lösung wird vorgeschlagen, die Schutzschicht, insbesondere für Kolbenstangen, aus wenigstens einer ersten Schicht zu bilden, welche im wesentlichen aus Al₂O₃ besteht, wobei erfindungsgemäß wenigstens 3% Zirkonoxid enthalten sind. Die Verwendung von Zirkonoxid (ZrO₂) hat erhebliche Vorteile, insbesondere wird durch das Zirkonoxid eine höhere Härte erreicht, als sie z. B. bei Verwendung von nur Titanoxid gegeben wäre. Vergleicht man die Härten von Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Titanoxid jeweils für sich genommen, so weist Zirkonoxid einen mittleren Wert auf. Dadurch ergibt sich hinsichtlich der Eigenschaften im Vergleich zur Verwendung von Titanoxid eine größere Homogenität. Außerdem wird durch die Verwendung von Zirkonoxid die Thermoschockbeständigkeit, welche für besondere Einsatzfälle der Schutzschicht von Bedeutung sein kann (nicht unbedingt für Kolbenstangen), erhöht. Durch die Zugabe von Zirkonoxid, insbesondere in steigenden Anteilen bis zu 30 oder 50 Gew.-%, erhöht die Thermoschockbeständigkeit auf Temperaturschockwerte von 300 bis 400°C/min. Darüber hinaus hat die Zugabe von Zirkonoxid auch schon in geringen Mengen von wenigstens 3 Gew.-% die Eigenschaft, die Duktilität der Schicht zu erhöhen. Dies ist wohl zurückzuführen auf eine durch das Zirkonoxid bewirkte höhere Gitterstabilität.

Die höhere Duktilität führt auch dazu, daß inbesondere bei längeren Kolbenstangen, welche auf Biegung und auch dynamisch belastet sind, die Anfälligkeit gegen Mikrorisse zu verringern.

Bevorzugt enthält die Schicht neben Aluminiumoxid und Zirkonoxid Calciumoxid. In einer Menge von 5 bis 10 Gew.-%. Hierdurch wird die Duktilität der Schicht einstellbar. Dies dient der Anpassung der Schicht an die einzelnen Einsatzfälle.

Derartige calciumstabilisierte Zirkonoxide weisen eine weiter erhöhte Gitterstabilität auf. Der Anteil von Calciumoxid an dem Zirkonoxidbestandteil kann bis zu 30% betragen. Durch die erhöhte Gitterstabilität wird die Duktilität der Schicht weiter verbessert.

Bevorzugt sind in der Schicht weiterhin wenigstens 5 Gew.-% Titanoxid enthalten, wobei speziell vorgesehen ist, daß der Anteil an Titanoxid nicht mehr als 9 Gew.-% beträgt. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Gesamthärte der Schicht durch das weichere Titanoxid nicht verringert wird.

Speziell für die Anbringung der Schicht auf den Einsatz im Stahl-Wasser-Bau ist vorgesehen, den Anteil an Zirkonoxid (bevorzugt CaO-stabilisiert) auf 30 bis 50% zu erhöhen. Für diesen Anwendungsfall sind derartige Schichten besonders geeignet, weil sie eine weiter gesteigerte Duktilität aufweisen. Hierdurch wird eine erhöhte Beständigkeit der Schicht gegen abrasive und korrosive Einflüsse, aber auch gegen starke dynamische Beanspruchung, wie z. B. Schläge bei der Montage oder durch, vom Wasser mitgeführtes Geröll erreicht.

Die Schutzschicht besteht bevorzugt nicht nur aus der vorstehend beschriebenen ersten Schicht, sondern weist wenigstens eine zweite Schicht aus einer Nickelbasislegierung auf, welche der ersten Schicht unterlegt ist. Diese zweite Schicht dient vorrangig als Schutz gegen korrosive Einflüsse, aber auch als Haftschicht für die erste Schicht, so daß die Schutzschicht auch auf nichtkorrosionsbeständigen Werkstoffen, wie z. B. unlegiertem Stahl, verwendbar ist.

Die zweite Schicht kann eine bestimmte Oberflächenrauhheit durch geeignete Bearbeitungsvorgänge des Grundmaterials aufweisen. Als Oberflächenrauhigkeit der zweiten Schicht wird ein Wert von 20 bis 50 RZ bevorzugt.

Nickelbasislegierungen können als Zusatzbestandteile z. B. Chrom (5 bis 30 Gew.-%), Fe (1 bis 5 Gew.-%), C (0,2 bis 4 Gew.-%), W (10 bis 48 Gew.-%) aufweisen. Bevorzugt ist eine Nickelbasislegierung, die jedenfalls wenigstens 2 Gew.-% Silicium enthält. Durch diesen sowie höhere Anteile von Silicium (bis etwa 5%) werden in der zweiten Schicht intermetallische Verbindungen gebildet, welche eine erhöhte Härte aufweisen. Hierdurch wird das Verhalten der Gesamtschutzschicht, bestehend aus erster und zweiter Schicht, gerade hinsichtlich dynamischer Belastungen verbessert, da bei zu weicher zweiter Schicht die härtere, erste Schicht zu erhöhter Rißbildung neigen könnte.

Der Nickelbasislegierung ist bevorzugt Bor mit einem Gehalt von wenigstens 1 Gew.-% zugefügt. Dieser Bestandteil kann bis zu etwa 4% erhöht werden. Durch die Zugabe von Bor wird das Schmelzverhalten der Nickelbasislegierung, insbesondere im Hinblick auf eine Schmelzpunkterniedrigung, verbessert.

Nach einer weiter bevorzugten Ausführung enthält die Nickelbasislegierung wenigstens 3 Gew.-% Chrom, wodurch die Korrosionsbeständigkeit erhöht wird.

Die Schutzschicht ist insbesondere in einer Dicke aufgebracht, die sich aus den einzelnen Schichten mit einer jeweiligen Dicke von 50 bis 300 µm ergibt. Hierdurch ist in weiten Bereichen eine Abstimmung auf die mechanischen und korrosiven sowie tribologischen Beanspruchungen erreichbar.

Die Nickelbasislegierung kann im übrigen dazu verwendet werden, soweit zum Grundwerkstoff genügend Unterschied hinsichtlich physikalischer Eigenschaften besteht, diese gezielt zu nutzen. Konkret kann z. B. in einen Grundwerkstoff aus Stahl ein durch mehrere aufeinanderfolgende, in diesen eingebrachte Nute, welche mit der Nickelbasislegierung aufgefüllt werden, ein Wegmeßsystem, speziell auf Kolbenstangen, aufgebracht werden. Dabei beträgt die Tiefe der Nuten, z. B. 0.5 mm bei etwa gleicher Breite. Die Dicke der Nickelbasislegierung zwischen den Nuten beträgt bevorzugt 50 bis 100 µm. Die Dicke der Gesamtschicht, bestehend aus erster und zweiter Schicht, beträgt bevorzugt 200 bis 250 µm. Im Hinblick auf die Verschleißschutzschicht wären an sich 20 µm für die Dicke der ersten Schicht ausreichend. Die erhöhte Dicke der ersten Schicht bringt aber Vorteile hinsichtlich einer verbesserten Diffusionsbarriere gegen korrosive Medien, wobei bei der hier dargestellten Zusammensetzung der ersten Schicht auch bei einer Dicke von etwa 300 µm in der Schicht relativ wenig Eigenspannungen auftreten.

Die gesamte Schutzschicht weist einen auffälligen Widerstand gegen chemische Beschädigung sowie eine sehr hohe Verschleißfestigkeit, insbesondere bei mechanischen Einflüssen durch Staub, Schmutz, Ruß, Sand und dgl., sowie eine sehr gute Tragfähigkeit und Duktilität auf. Sie kann mit erheblichem Kostenvorteil, z. B. auf unlegiertem Stahl, insbesondere Bau- und Vergütungsstahl, aufgebracht werden. Bei Verwendung von rostfreiem Stahl kann auf die zweite Schicht verzichtet werden. Gleichzeitig ist der Verschleiß, z. B. an der Zylinderführung einer Kolbenstange (wenig Abrieb, keine Mangelschmierung), relativ gering. Es wird eine hohe Lebensdauer bei guter Bearbeitbarkeit und Reproduzierbarkeit erreicht. Dies ist insbesondere bei den großdimensionierten Kolbenstangen für den Stahl- Wasser-Bau, welche einen Durchmesser von 25 bis 2000 mm und eine maximale Länge von bis 12 m aufweisen können, von Bedeutung. Ein erheblicher Kostenvorteil entsteht z. B. bei Verwendung einer Nickelbasislegierung mit 14,8 Gew.-% Chrom, 3 Gew.-% Silicium und 2,2 Gew.-% Bor, weil dieses Material z. B. aus dem Bereich des PTA- Schweißens bezogen werden kann, wofür es in größeren Mengen hergestellt wird. Entsprechendes gilt für die Verwendung einer ersten Schicht aus Zirkonkorund, wie es beispielsweise aus der Schleifmittelproduktion zu erhalten ist, wo gerade die hier einzusetzenden Korngrößen unter 50 µm nicht weiterverarbeitet werden können.

Beide Schichten lassen sich durch die verschiedensten Verfahren, wie Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, aufbringen. Letzteres ist zur Erzeugung von Schichten hoher Dichte zu bevorzugen.

Claims (8)

1. Schutzschicht, insbesondere für Kolbenstangen, bestehend aus wenigstens einer ersten Schicht, welche im wesentlichen aus Al₂O₃ besteht, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens 3 Gew.-% ZrO₂ enthalten sind.

2. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 5 Gew.-% TiO₂ enthalten sind.

3. Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ZrO₂-Gehalt auf 30 bis 50 Gew.-% erhöht ist.

4. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Schicht wenigstens eine zweite Schicht aus einer Nickelbasislegierung unterlegt ist.

5. Schutzschicht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelbasislegierung wenigstens 2 Gew.-% Si enthält.

6. Schutzschicht nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelbasislegierung wenigstens 1 Gew.-% B enthält.

7. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelbasislegierung wenigstens 3 Gew.-% Cr enthält.

8. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schicht jeweils eine Dicke von 50 bis 300 µm aufweisen.