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Gebiet der
Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine
thermische Spritzpulverzusammensetzung, auf eine Beschichtung, die
unter Verwendung eines Pulvers dieser Zusammensetzung hergestellt
wird, sowie auf ein Verfahren zum Auftragen der Beschichtung. Ebenfalls
bezieht sich die Erfindung auf den Auftrag der Beschichtung auf
die Verschleißoberflächen von
Absperr- oder Kugelventilen und Flugzeugfahrgestellen und auf die
Oberflächen
von anderen Komponenten, die eine Verschleißfestigkeit erfordern.
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Hintergrund
der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf
das Problem der Bereitstellung von verschleißfesten Oberflächen auf Komponenten,
die unter hoher Beanspruchung und häufig in korrodierenden Bedingungen
betrieben werden. In Versuchen, diese Anforderungen zu erfüllen, ist
eine Vielzahl von Anordnungen verwendet worden, einschließlich des
Härtens
von Stahloberflächen
durch Wärmebehandlung,
Karburierung, Nitrieren oder Innenimplantation, der Verwendung von
festen keramischen oder Cermet-Komponenten, des Auftragens von durch thermisches
Sprühen
erzeugten Überzügen, der
chemischen Dampfabscheidung, der physikalischen Abscheidung, Elektroplattierung
(besonders mit Chrom) und anderer Techniken. In Abhängigkeit
von der Anwendung weisen alle diese Ansätze Begrenzungen auf. Eine
besonders schwierige Anwendung besteht in Hochdruck-Absperrventilen
in der Öl-
und Gasherstellungsindustrie, die sich mit einer hohen Geschwindigkeit öffnen oder
schließen.
Eine weitere schwierig zu erfüllende
Anwendung besteht in der Beschichtung von Flugzeugfahrgestell-Komponenten,
wobei zusätzlich
zu den Problemen des Verschleißes
und der Reibung die Ermüdungscharakteristika
des Substrats von besonderer Bedeutung sind. Die Absicht dieser
Endung besteht in der Bereitstellung von thermischen Spritzüberzügen, die
diese und eine breite Vielzahl weiterer Probleme lösen können.
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Absperrventile bestehen aus einem
Ventilkörper,
der axial innerhalb der Rohrleitung oder des Rohrstrangs angeordnet
ist, durch die/den das zu steuernde Fluid strömt. Innerhalb des Ventilkörpers liegt
ein "Schieber" vor, der eine feste
und üblicherweise
metallische, geradlinige Plattenkomponente mit einem durchlaufenden
kreisförmigen
Loch ist. Der Schieber gleitet zwischen zwei "Sitzen", die kreisringförmige metallische, keramische
oder Cermet-Komponenten mit einem Innendurchmesser sind, der annähernd gleich
zu dem Durchmesser des Lochs in dem Schieber ist. Die Sitze werden
mit den Enden des Rohrs oder des Rohrstrangs, in dem das Ventil
angeordnet ist, koaxial ausgerichtet und direkt oder indirekt an
ihnen befestigt. Ist das Loch in dem Schieber mit den Löchern in
den Sitzen ausgerichtet, fließt
das Fluid frei durch das Ventil. Ist das Loch in dem Schieber teilweise
oder vollständig
von den Sitzen versetzt, ist der Fluidstrom behindert oder unterbrochen;
d.h. das Ventil ist teilweise oder vollständig geschlossen. Für eine Vermeidung
einer Fluidleckage ist es wesentlich, dass die zwischen dem Schieber
und den Sitzen in Kontakt stehenden Oberflächen sehr glatt beschaffen
sind und fest aneinander gehalten werden. Ventile können Federn
oder andere in ihnen befindliche Vorrichtungen aufweisen, um die
Sitze fest gegen den Schieber zu halten. Wenn das Ventil geschlossen
wird, drückt
der Fluiddruck an der stromaufwärtigen
Seite des Ventils den Schieber ebenfalls gegen den Sitz an der stromabwärtigen Seite.
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Absperrventile werden üblicherweise
dadurch betrieben, dass der Schieber zwischen den Sitzen unter Verwendung
eines Stellgliedes gleiten gelassen wird, das an dem Schieber mit
einem Stab oder Schaft, der als eine "Stange" bezeichnet wird, befestigt ist. Die
Verwendung eines manuellen Stellgliedes führt zu einer relativ langsamen
Schieberbewegung, ein hydraulisches Stellglied resultiert in einer
schnelleren Schieberbewegung und ein pneumatisches Stellglied führt üblicherweise
zu einer sehr raschen Schieberbewegung. Das Stellglied muss genügend Kraft
ausüben
können,
um die statischen und dynamischen Reibungskräfte zwischen den Sitzen und
dem Schieber zu überwinden.
Die Reibungskraft ist eine Funktion des Ventilentwurfes und der
Kraft des Fluids in dem Rohr, wenn das Ventil geschlossen wird.
Diese Reibungskraft kann äußerst hoch
ausfallen, wenn der Fluiddruck sehr hoch wird. Der Adhäsionsverschleiß der Sitze
und/oder der Schieber, der auftreten kann, wenn das Ventil geöffnet und
geschlossen wird, kann ebenfalls ein Problem darstellen und wird
unter Hochdruckbedingungen übermäßig groß. Ein zusätzliches
potenzielles Problem besteht in der Korrosion. Das Öl und Gas
von vielen Bohrlöchern
kann sehr korrodierende Bestandteile enthalten. Somit müssen für viele
Bohrlöcher
die Ventile aus korrosionsbeständigen
Materialien angefertigt werden, und insbesondere die Sitze und Schieber,
bei welchen die Korrosion der Oberflächen die Verschleiß- und Reibungsprobleme
verschlimmert.
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Für
manuell betätigte
Ventile bei niedrigem Druck können
Sitze und Schieber aus gehärtetem
Stahl ausreichen, um die Verschleiß- und Reibungsprobleme zu
bekämpfen.
Für pneumatische
und hydraulische Ventile bei höheren
Drücken
können
thermisch gesprühte Überzüge wie z.B. Überzüge auf Wolframkarbid- oder
Chromkarbid-Basis auf sowohl den Schieber- wie den Sitzoberflächen ausreichend
sein. Drei der besten Überzüge dieses
Typs sind die Detonationskanonen-Überzüge UCAR LW-15, eine Beschichtung
aus Wolframkarbid-Kobalt-Chrom, UCAR LW-5, eine Beschichtung aus
Wolframkarbid-Nickel-Chrom,
und UCAR LC-1C, eine Beschichtung aus Chromkarbid und Nickel-Chrom.
Für einige
Anwendungen kann die Verwendung einer Legierung auf fester Kobaltbasis,
Stellit 3 oder 6, für
die Sitze mit einem Schieber aus gehärtetem Stahl angemessen sein.
Andere Ansätze
haben Laser- oder Plasmaübertragungsbogen-Deckschichten
aus Stellit 6 und aufgesprühte
sowie geschmolzene Legierungen eingeschlossen.
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Bei tiefer werdenden Bohrlöchern nehmen
die Drücke
zu und die oben beschriebenen Verfahren fallen unzureichend aus.
Es wurden zwei neue Überzüge entwickelt,
die zum Leistungsreferenzpunkt der Industrie avanciert sind. Ein Überzug ist
UCAR LW-26, eine Beschichtung auf Wolframkarbid-Basis, die ausführlicher
in US-A-4 173 685 beschrieben ist. Diese Beschichtung wird üblicherweise
durch Plasmaspritzen aufgetragen, gefolgt von einer Wärmebehandlung.
Sie weist herausragende Wirksamkeitscharakteristika auf, ist jedoch
relativ teuer herzustellen. Der andere Überzug ist UCAR LW-45, eine
Detonationskanonen-Beschichtung aus Wolframkarbid-Kobalt-Chrom mit
einer einzigartigen Mikrostruktur, die in den meisten harschen Bedingungen von
heutigen Öl-
und Gasbohrlöchern
gut arbeitet. Allerdings können
mit noch tiefer gebohrten Bohrlöchern und
noch höher
werdenden Drücken
sogar diese Leistungsreferenzpunkt-Überzüge den Anforderungen für diese
extremen Bedingungen nicht entsprechen und bis heute besteht hierfür keine
Lösung.
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Für
die Verschleißfestigkeit
von Komponenten, die sehr anfällig
für eine
Ermüdung
sind, müssen
oft Überzüge verwendet
werden. Ein Beispiel ist der Zylinder in einem Flugzeugfahrgestellzylinder.
Jede Beschichtung, die unter den auf den Zylinder ausgeübten Zugbeanspruchungen
aufgrund eines Biegungsmoments während
des Betriebs abspringen würde,
könnte
in den Zylinder vordringen und ein Versagen des Zylinders durch
Ermüdung
mit katastrophalen Folgen verursachen. Die derzeitige Beschichtung
auf dem Zylinder ist elektroplattiertes Hartchrom, die einen negativen
Effekt auf die Ermüdung
ausübt,
welcher mit einer übermäßig dicken
Zylinderwand kompensiert werden muss. Die Chromplattierung läuft gegen
eine Aluminium-Nickel-Bronze-Laufbuchse oder ein Lager, so dass
jeder Ersatz für
die Chromplattierung ebenso über
gute Abstimmungscharakteristika (Adhäsionsverschleiß) mit diesem
Material verfügen
muss. Weiterhin muss jede Beschichtung eine gute Verschleißbeständigkeit
für den
Fall aufweisen, dass Sand oder andere harte Teilchen in dem Lager
eingefangen werden. Die derzeit verwendete Chromelektroplattierung
ist nur marginal geeignet. Jedenfalls sei darauf hingewiesen, dass
die Elektroplattierung von Chrom sehr unerwünschte Umweltcharakteristika
aufweist, weshalb ihre Ersetzung in dieser und anderen Anwendungen
vorteilhaft wäre.
Eine Alternative für
das derzeitige System einer harten Beschichtung auf dem Zylinder,
die gegen eine relativ weiche Laufbuchsen- oder Lageroberfläche läuft, bestünde darin,
dass beide Oberflächen
mit einer harten Beschichtung überzogen
wären.
Dieses System würde
einem Abrieb widerstehen, aber die beschichteten Oberflächen müssten auch
eine geringe Reibung aufweisen und einem Adhäsionsverschleiß widerstehen,
wenn sie gegeneinander laufen.
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Die Ermüdungseffekte einer Beschichtung
sind häufig
mit der Belastung bis zum Bruch (STF) der Beschichtung in Beziehung
gebracht worden, d.h. dem Ausmaß,
auf das eine Beschichtung gedehnt werden kann, ohne zu springen.
Die STF steht teilweise mit der Restspannung in einer Beschichtung
in Beziehung. Restzugbeanspruchungen verringern die zusätzliche
externe Zugbeanspruchung, die auf die Beschichtung ausgeübt werden
muss, um sie springen zu lassen, während Restdruckbeanspruchungen
die zusätzliche
Zugbeanspruchung erhöhen,
die auf die Beschichtung ausgeübt
werden muss, um sie zum Springen zu bringen. Typischerweise ist
mit einer umso höheren
STF der Beschichtung der negative Effekt, den die Beschichtung auf
die Ermüdungscharakteristika
des Substrats ausübt,
umso geringer. Dies trifft zu, da ein Sprung in einer gut verbundenen
Beschichtung in das Substrat eindringen kann und ein Ermüdungsriss
sowie letztendlich ein Versagen durch Ermüdung auslöst. Unglücklicherweise weisen die meisten
thermischen Spritzüberzüge selbst dann
eine sehr begrenzte STF auf, wenn sie aus Reinmetallen angefertigt
sind, von denen normalerweise angenommen wird, dass sie sehr dehnbar
sind und sich einfach plastisch verformen anstatt zu reißen.
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Thermische Spritzüberzüge, die mit niedrigen bis moderaten
Teilchengeschwindigkeiten während
der Abscheidung erzeugt worden sind, weisen typischerweise eine
Restzugbeanspruchung auf, die, wenn sie übermäßig wird, zu einem Springen
oder Abblättern
der Beschichtung führen
kann. Weiterhin führen
Restzugbeanspruchungen üblicherweise
auch zu einer Verringerung der Ermüdungseigenschaften der beschichteten Komponente,
indem die STF der Beschichtung reduziert wird. Einige mit hohen
Teilchengeschwindigkeiten erzeugten Überzüge, insbesondere Detonationskanonen-
und Super D-Kanonen-Überzüge mit sehr
hohen Teilchengeschwindigkeiten während der Abscheidung können über moderate bis
hohe Druckrestspannungen verfügen.
Dies trifft besonders für Überzüge auf Wolframkarbidbasis
zu. Hohe Druckbeanspruchungen können
die Ermüdungscharakteristika
der beschichteten Komponente vorteilhaft beeinflussen, allerdings
können
sie auch zu einer Fragmentierung der Beschichtung führen, wenn
versucht wird, scharfe Kanten oder ähnliche geometrische Formen
zu überziehen.
Daher kann es sich beim Beschichten derartiger Konfigurationen als
schwierig erweisen, einen Vorteil aus den überlegenen physikalischen Eigenschaften
der Detonationskanonen- und Super D-Kanonen-Überzüge wie z.B. der Härte, Dichte
und Verschleißfestigkeit
zu ziehen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
werden nun Überzüge bereitgestellt,
die den Anforderungen der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit
für viele
Anwendungen entsprechen, wobei, ohne sich darauf zu begrenzen, als
Beispiele die oben beschriebenen Schieber- und Kugelventilkomponenten
und Flugzeugfahrgestellkomponenten dienen können. Zusätzlich zu der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit
müssen
diese Überzüge auch über eine
geringe Restspannung und eine hohe STF verfügen, um keine oder nur geringe
Auswirkungen auf die Ermüdungseigenschaften
der beschichteten Komponenten zu erbringen und um die Erzeugung
dicker Überzüge sowie
das Beschichten komplexer Formen zu ermöglichen.
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Die vorliegende Erfindung beruht
auf der Ermittlung, dass eine thermisch gesprühte Beschichtung aus einer
Mischung aus einem Wolframkarbid-Kobalt-Chrom-Material und einer
metallischen Kobaltlegierung die geringe Reibung sowie die überlegene
Verschleiß-
und Korrosionsbeständigkeit
bewerkstelligt, die für
bei sehr hohem Druck mit pneumatischen Stellgliedern arbeitenden
Absperrventile, für
Flugzeugfahrgestellzylinder, und für viele weitere Anwendungen
notwendig sind. Die abgeschiedenen Überzüge müssen nicht nur über ausgezeichnete
Reibungs-, Verschleiß-
und Korrosionscharakteristika verfügen, sondern sie müssen auch eine
sehr hohe Bindungsfestigkeit auf einer Vielzahl von metallischen
Substraten und eine relativ geringe Restspannung aufweisen. Dabei
kann jedes thermische Spritzabscheidungsverfahren verwendet werden,
das adäquate
Teilchengeschwindigkeiten für
eine gute gebundene dichte Beschichtung erzeugt.
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Die Überzüge dieser Erfindung werden
mittels thermischer Spritzabscheidung erzeugt. Es ist wohlbekannt,
dass bei dem thermischen Sprühen
von Materialien diese rasch auf das Substrat abgeschreckt werden. Dies
kann zu der Ausbildung von metastabilen kristallographischen Phasen
oder in einigen Fällen
sogar von amorphen Materialien führen.
Beispielsweise wird ein α-Aluminiumoxid-Pulver
während
des Sprühverfahrens üblicherweise
vollständig
geschmolzen und anschließend
als ein Gemisch aus Gamma-, Alpha- und anderen Phasen abgeschieden.
Ebenfalls können
kleinere Veränderungen
in der Zusammensetzung während
des thermischen Sprühverfahrens
infolge einer Reaktion mit Umgebungsgasen oder den thermischen Sprühgasen oder
infolge einer differenziellen Verdampfung von einem der Bestandteile
des aufgesprühten
Materials auftreten. Am häufigsten
ist die Reaktion eine Oxidation durch das Aussetzen an Luft oder
eine Karburierung, wenn ein Brennstoffgas wie bei der Detonationskanonen-Abscheidung oder
der Hochgeschwindigkeits-Oxy-Brennstoffabscheidung ist. Eine ausführlichere
Erläuterung
der thermischen Spritzabscheidung lässt sich in den folgenden Veröffentlichungen
auffinden: Thermal Spray. Coatings, R. C. Tucker, Jr., in Handbook
of Deposition Technologies for Films and Coatings, 2. Ausgabe, R.
F. Bunshah, ed., Noyes Publications, 1994, S. 591 bis 639; Thermal
Spray Coatings, R. C. Tucker, Jr., in Surface Engineering ASM Handbook
Vol. 5, 1994, ASM International, S. 497 bis 509; M. L. Thorpe, Journal
of Thermal Spray Technology, Vol. 1, 1992, S. 161 bis 171.
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Einer der primären Bestandteile der Überzüge dieser
Erfindung ist Wolframkarbid. Die beim thermischen Spritzen am häufigsten
verwendeten Wolframkarbidpulver sind entweder WC oder eine Kombination aus
WC und W2C. Andere Phasen können
vorhanden sein. Häufig
werden die Wolframkarbide in dem Pulver mit einer gewissen Menge
an Kobalt kombiniert, um das Schmelzen zu erleichtern und um den Überzügen eine Kohäsionsfestigkeit
zu verleihen. Gelegentlich wird auch Chrom für eine Korrosionsbeständigkeit
oder andere Zwecke hinzugefügt.
Als Beispiele können
das Kobalt oder Kobalt plus Chrom einfach mit dem Carbid in einem spritzgetrockneten
und gesinterten Pulver kombiniert werden, wobei der größte Anteil
des Kobalts oder Kobalts plus Chrom immer noch als Metall vorliegt.
Ebenfalls können
sie mit dem Carbid in einem gegossenen und zerkleinerten Pulver
kombiniert werden, wobei ein gewisser Anteil des Kobalts oder Kobalts
plus Chrom mit dem Carbid zur Reaktion gebracht wird. Bei dem thermischen
Sprühen
können
diese Materialien in einer Vielzahl von Zusammensetzungen und kristallographischen
Formen abgeschieden werden. Wie hier verwendet bezeichnen die Begriffe
Wolframkarbid oder WC jede der kristallographischen oder Zusammensetzungsformen
von Wolframkarbid. Die Begriffe Wolframkarbid-Kobalt, Wolframkarbid-Kobalt-Chrom,
WC-Co oder WC-Co-Cr bezeichnen jede der kristallographischen oder
Zusammensetzungsformen der Kombinationen von Wolframkarbid mit Kobalt
oder Kobalt plus Chrom. Ein weiterer der Bestandteile der Überzüge dieser
Erfindung ist eine Kobaltlegierung. Wie hier verwendet bezeichnet
der Begriff Kobaltlegierung jede der kristallographischen Formen
von jeder Kobaltlegierung.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die chemische Zusammensetzung der
Pulver der Erfindung weist eine Mischung aus einem Wolframkarbid-Kobalt-Chrom-Material
und einer metallischen Kobaltlegierung wie in Anspruch 1 offenbart
auf. Es ist zu beachten, dass sämtliche
Zusammensetzungen hier in Gewichtsprozent angegeben sind und die
unvermeintlichen Spurenverunreinigungen nicht angeben. Vorzugsweise
enthält
das Wolframkarbid-Kobalt-Chrom-Material
Wolframkarbid-5 bis 20 Kobalt und 0 bis 12 Chrom, am bevorzugtesten
etwa 8 bis 13 Kobalt und 0 oder 4 bis 10 Chrom. Die metallische
Legierung ist eine Kobaltlegierung mit einer Zusammensetzung, die
in Gewichtsprozent 27 bis 29 Chrom, 5 bis 11 Wolfram, 0,5 bis 1,5
Kohlenstoff und Rest Kobalt aufweist. Besonders bevorzugt ist eine
Kobaltlegierung mit einer Nennzusammensetzung, die Kobalt-28 Chrom-8 Wolfram-1
Kohlenstoff (nominell Stellit 6) aufweist, oder eine Zusammensetzung,
die in Gewichtsprozent 25 bis 31 Molybdän, 14 bis 20 Chrom, 1 bis 5
Silizium, weniger als 0,08 Kohlenstoff und Rest Kobalt aufweist. Besonders
bevorzugt ist eine Kobaltlegierung mit einer Nennzusammensetzung
von Kobalt-28 Molybdän-17 Chrom-3
Silizium-weniger als 0,08 Kohlenstoff (nominell Triballoy 800) Die
Mischung weist 5 bis 35 metallische Kobaltlegierung und vorzugsweise
10 bis 30 metallische Kobaltlegierung auf. Das Wolframkarbid-Kobalt-Chrom-Material
wird vorzugsweise durch die Pulverguss- und -zerkleinerungsherstellungstechnik
erzeugt, wenn der Chromgehalt annähernd Null beträgt und durch
ein Sinterverfahren, wenn der Chromgehalt 2 bis 12 beträgt. Die
metallische Kobaltlegierung wird vorzugsweise durch Vakuumschmelzen
und eine Inertgaszerstäubung
erzeugt. Wenn ein Detonationskanonen-Abscheidungsverfahren zu Erzeugung
der Beschichtung benutzt wird, sollte das Wolframkarbid-Kobalt-Pulver
mittels Sieben vorzugsweise auf weniger als 325 US-Standard "screen mesh" (44 μm) und die
metallische Kobaltlegierung sollte auf weniger als 270 mesh (60 μm), aber
auf mehr als 325 mesh (44 μm)
bemessen werden. Sollen andere thermische Spritzabscheidungstechniken
verwendet werden, sollten die Pulver adäquat bemessen sein.
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Die Endung ist weiterhin ein Verfahren
zum Erzeugen einer verschleiß-
und korrosionsbeständigen Beschichtung
mit niedriger Reibung, wobei im Zuge des Verfahrens:
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- a) eine Einsatzpulverzusammensetzung ausgebildet
wird, die eine Mischung aus einem Wolframkarbid-Kobaltmaterial und einer metallischen
Kobaltlegierung aufweist; und
- b) der Pulvereinsatz aus Schritt a) vorzugsweise mit einer Teilchengeschwindigkeit
von mehr als 500 m/s auf eine Komponente thermisch abgeschieden
wird und eine Beschichtung ausbildet, die ein mit einer metallischen
Kobaltlegierung gemischtes Wolframkarbid-Kobalt aufweist.
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Das Vermischen des WC-Co-Cr-Materials
und der Kobaltlegierung erfolgt üblicherweise
in der Pulverform, bevor es in die Pulverabgabevorrichtung des thermischen
Spritzabscheidungssystems verbracht wird. Das Einbringen kann jedoch
auch unter Verwendung einer getrennten Pulverabgabevorrichtung für jeden
der Bestandteile erfolgen, wobei diese mit einer geeigneten Rate
eingespeist werden, um die erwünschte
Zusammensetzung in dem Überzug
zu bewerkstelligen. Wird dieses Verfahren benutzt, können die
Pulver in die thermische Spritzvorrichtung stromauf der Düse, durch
die Düse
oder in den Ausfluss stromab der Düse injiziert werden.
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Für
die Herstellung der Überzüge dieser
Erfindung kann jedes thermische Spritzabscheidungsverfahren verwendet
werden, das eine ausreichende Pulvergeschwindigkeit erzeugt (die
im allgemeinen mehr als etwa 500 m/s beträgt), um eine gut gebundene
dichte Beschichtungsmikrostruktur mit einer hohen Kohäsionsfestigkeit
zu bewerkstelligen. Die bevorzugte thermische Spritztechnik ist
das Detonationskanonenverfahren (das beispielsweise in US-A-2 714
563 und US-A-2 972 550 beschrieben ist), wobei eine Teilchengeschwindigkeit
von mehr als etwa 750 m/s benutzt wird, und am bevorzugtesten wird
das Super D-Kanonenverfahren (wie z.B. in US-A-4 902 539 beschrieben)
mit einer Teilchengeschwindigkeit von mehr als etwa 1000 m/s verwendet.
Das letztere Verfahren erzeugt einen etwas dichteren, besser gebundenen Überzug mit
einer höheren Kohäsionsfestigkeit,
der im abgeschiedenen Zustand glatter als derjenige des ersten Verfahrens
ausfällt.
Beide Verfahren erzeugen Überzüge mit sehr
hohen Bindungsfestigkeiten und einer metallographisch gemessenen
Dichte, die 98% übertrifft.
Alternative Verfahren der thermischen Spritzabscheidung können die
Plasmaspritzabscheidung und Hochgeschwindigkeits-Oxy-Brennstoff- sowie Hochgeschwindigkeits-Luft-Brennstoffverfahren
beinhalten.
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Ebenfalls weist die Erfindung Komponenten
mit einem verschleißfesten Überzug dieser
Erfindung auf, die, ohne sich darauf zu begrenzen, Schieber- oder
Kugelventile beinhalten, in denen die Sitze und/oder die Kugel-
oder Schieber-Abdichtoberflächen
beschichtet sind, sowie Flugzeugfahrgestellkomponenten, in denen die
Zylinder oder ihre zusammenpassenden Oberflächen (Laufbuchsen oder Lager)
mindestens teilweise beschichtet sind, wobei der Überzug ein
verschleiß-
und korrosionsbeständiger Überzug mit
niedriger Reibung ist und eine Mischung aus einem Wolframkarbid-Kobalt-Chrom-Material
und einer metallischen Kobaltlegierung aufweist.
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Die folgenden Beispiele werden bereitgestellt,
um die Erfindung weiter zu beschreiben. Es ist beabsichtigt, dass
die Beispiele illustrativer Natur sind und den Rahmen der Erfindung
nicht eingrenzen.
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Beispiel 1
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Ein Laborverschleißtest ist
für die
Bewertung von Materialien zur Verwendung in Absperrventilen als Sitz-
oder Schiebermaterialien oder -überzüge entwickelt
worden. Eine etwa 152 mm lange, 76 mm breite und 13 mm dicke Platte
stellt den Schieber dar. Drei Stifte mit einem Durchmesser von etwa
6,35 mm repräsentieren
die Sitze. Entweder die Platte oder die Stifte können aus dem gleichen festen
Material angefertigt werden, aus dem die Sitze und Schieber hergestellt
werden würden,
oder sie können
auf ihre zusammenpassenden Oberflächen beschichtet werden (eine
Stirnseite der Platte von 76 × 152
mm oder die flachen Enden der Stifte). Die Stifte sind in einer
Befestigung gehalten, die sicherstellt, dass ein Ende jedes Stifts
gegen die Platte in einer ringförmigen
Anordnung mit einem Durchmesser von etwa 75 mm mit einem gleichen
Druck von 112,47 MPa (16300 psi) auf jeden Stift gehalten wird.
Anschließend
wird die Befestigung durch einen Bogen von etwa 100° oszilliert.
Sensoren ermöglichen
die Berechnung der Geschwindigkeit der Stifte und des Koeffizienten
der dynamischen Reibung. Jede Oszillation wird als ein Zyklus betrachtet.
Die Stifte und die Platte werden während des Tests periodisch
bewertet. Die Testdauer beträgt
typischerweise 25 Zyklen. Die Bewertung der Verschleißfestigkeit
erfolgt in diesem Test üblicherweise
qualitativ auf der Basis der allgemeinen Erscheinung der Verschleißkratzer
an sowohl den Stiften wie der Platte. Ein numerischer Wert wird
für den
dynamischen Reibungskoeffizienten erhalten, jedoch wird er als ein
relativer Wert erachtet, der für
diesen Test spezifisch ist. Die in dem Test erreichte Geschwindigkeit
der Stifte relativ zu der Platte ist eine Anzeige für die Reibungskraft
und die allgemeine Rauheit aufgrund von Verschleiß. Je höher daher
die erreichte Geschwindigkeit ist, umso geringer ist die Reibungskraft
und umso glatter bleiben die Oberflächen.
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Es ist eine Korrelation zwischen
den Labortestergebnissen und den Leistungen in der tatsächlichen Produktion
oder der Verwendung in dem Arbeitsgebiet notwendig, indem ein derartiger
Test zur Überprüfung von
Materialien für
die Verwendung in diesem Arbeitsgebiet benutzt wird. Die Leistungsfähigkeit
von gegen mit UCAR LW-45 beschichtete Schieber laufende Gussstellit
3-Sitzen ist in dem Arbeitsgebiet wohl etabliert. Daher ist diese
Kombination als ein Leistungsreferenzpunkt in dem Labortest verwendet
worden. Ein zusätzlicher Leistungsreferenzpunkt
wird durch UCAR LW-45-Überzüge auf sowohl
den Stiften wie der Platte gesetzt, da diese Kombination erachtetermaßen der
derzeitige Leistungsreferenzpunkt der betrieblichen Industrie ist.
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Eine Anzahl von Stahlplatten wurden
mit dem Detonationskanonen-Überzug
UCAR LW-45 beschichtet, anschließend geschliffen und auf eine
Dicke von 100 bis 200 μm
(0,004 bis 0,008 Inch) und eine Oberflächenrauheit von weniger als
etwa 8 μm
Ra geschliffen und geläppt.
Eine Anzahl von Stahlstiften wurde mit UCAR LW-45, UCAR LC-1C, einem
Super D-Kanonen-Überzug
einer Stellit 6-Legierung (SDG Stellit 6) und mit einem Super D-Kanonen-Überzug dieser
Erfindung beschichtet, der hier als SDG A bezeichnet wird. Die spezifischen
Zusammensetzungen dieser Materialien lauteten wie folgt:
| Stellit
3-Gussteil | Co-
30,5 Cr- 12,5 W |
| UCAR
LW-45 | WC-1
OCo-SCr |
| UCAR
LC-1C | Chromkarbid-20(Ni-20Cr) |
| SDG
Stellit 6 | Co-28Cr-8W-1C |
| SDG
A | WC-9Co+25(Co-28Cr-8W-1C) |
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Die Überzüge auf den Stiften und die
Gussstellit 3-Stifte wurden ebenfalls geschliffen sowie auf eine Überzugsdicke
von 100 bis 200 μm
(0,004 bis 0,008 inch) und eine Oberflächenrauheit von weniger als
8 μm Ra
geschliffen und geläppt.
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Der Labortest wurde unter Verwendung
des Laufes dieser Stiftmaterialien gegen die mit UCAR LW-45 beschichteten
Platten durchgeführt,
wobei die Ergebnisse in der folgenden Tabelle dargestellt sind.
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Die Geschwindigkeitsmessung ist in
Fuß/s
angegeben. Sowohl die Werte der Geschwindigkeitsmessung wie die
des in der Tabelle gezeigten relativen dynamischen Reibungskoeffizienten
sind mittlere Näherungswerte
für die
12 bis 25 Zyklen und repräsentieren
das stabilisierte Verhalten des Verschleißpaars. Es ist offensichtlich,
dass der Super D-Kanonen-Stellit 6-Überzug in diesem Test besser
als der Basisbezugsüberzug arbeitete.
Jedoch arbeitete der neue Überzug
dieser Erfindung, SDG A, noch weit besser als die Basisbezugs- und
Stellit 6-Überzüge.
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Beispiel 2
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Ein allgemeiner Test für die Korrosionsbeständigkeit
von Materialien ist ein Salzsprühtest,
definiert durch einen Standard der American Society for Testing
and Materials, ASTM B 117. In diesem Test werden die Proben einem
Salzsprühnebel
für eine
Zeitdauer von 30 Tagen bei einer Temperatur von 33,3 bis 36,7°C (92 bis
97°F) ausgesetzt.
Die Leistungsfähigkeit
eines Überzugs
dieser Erfindung, SDG A (beschrieben in Beispiel 1) wurde bewertet,
indem eine 76 mm breite, 127 mm lange und 12,5 mm dicke AISI 4140-Stahlprobe auf dem größten Anteil
einer 76 × 127
mm großen
Stirnseite beschichtet wurde. Ein Teil der Stirnseite blieb unbeschichtet,
um die in vielen Ventilschiebern vorliegende abgeschnittene oder Überdeckungslinie
zu simulieren. Es wurden zwei Dicken von Überzügen aufgetragen. Anschließend wurden
die Überzüge unter
Verwendung eines Dichtmittels auf Epoxybasis abgedichtet. Schließlich wurden
die Überzüge auf eine
Dicke von entweder 100 bis 130 μm
geschliffen, was die typische Dicke auf einem neuen Teil darstellt,
oder sie wurden auf eine Dicke von 250 bis 280 μm geschliffen, die die Dicke
an einem nachgebesserten Teil darstellt. Anschließend wurden die
Proben dem Test unterzogen. Nach der 30-tägigen Versuchsdauer wurden
die Proben gereinigt und untersucht. Es lagen keine Anzeichen eines
allgemeinen Lochfraßes
bzw. einer Spaltkorrosion des Überzugs
vor. Im Unterschied dazu waren die nicht beschichteten Stahlflächen wie
zu erwarten stark korrodiert.
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Obgleich der obige Salzsprühtest bei
der Überprüfung von
Materialien für
viele korrodierende Anwendungen sehr nützlich ist, repräsentiert
er diejenigen Situationen, in denen eine signifikante Menge an Chlorwasserstoffsäure vorliegt,
nicht auf adäquate
Weise. In diesen Fällen
kann die in SDG A verwendete Legierung auf Kobaltbasis angegriffen
werden. In diesen Situationen kann ein ähnlich wie SDG A beschaffener Überzug die
bessere Wahl sein, wobei jedoch das WC-Co-Material modifiziert ist,
um 4 bis 12 Cr zu enthalten, oder ein Überzug, der WC-Co-Cr+25(Co-28Mo
17Cr-3Si-<0,08C)
aufweist.
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Beispiel 3
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Die Abriebsverschleißfestigkeit
von Materialien wird häufig
unter Verwendung eines Trockensand"Schleifstein"-Schleifscheibentests ASTM G 65-94 bestimmt.
Dieser Test ist bei der Erstellung einer relativen Rangordnung von
Materialien hinsichtlich ihrer Beständigkeit gegenüber Verschleiß in Anwendungen
wie z.B. Abdichtungen oder Lagern nützlich, bei denen Verschleißteilchen
in die Abdicht- oder Lageroberfläche eingeschlossen
werden können.
Daher können
sich die Ergebnisse des Tests bei der Auswahl von Materialien für Flugzeugfahrgestellzylinder,
in denen Sand oder andere harte Teilchen in der Bronzelagerfläche eingefangen
werden können,
als nützlich
erweisen. Sechs Detonationskanonen-Überzüge dieser
Erfindung wurden auf AISI 1018-Stahltestproben unter Verwendung
eines einzelnen Pulvers mit einer Zusammensetzung von WC-9Co + 25(Co-28Cr-8W-1C)
aufgetragen. Die Mikrostrukturen und mechanischen Eigenschaften
der Überzüge wurden
etwas variiert, in dem die Abscheidungsparameter variiert wurden.
Die Überzüge wurden
als SDG B, C, D, E, F und G bezeichnet. Die Verschleißtests wurden
bei einer Geschwindigkeit von 144 in/min unter einer Last von 130
N (30 lb) für
3000 Umdrehungen des Rades betrieben, das eine im Kontakt mit der beschichteten
Testprobe stehende Polyurethan-Außenlage aufwies. Ottawa-Silikasand
mit einer Nenngröße von 212 μm (0,0083
inch) wurde in den Spalt zwischen dem Rad und der Testprobe eingespeist.
Die Verschleißkratzer
wurden hinsichtlich des Gewichtsverlusts der beschichteten Probe
gemessen, die Messungen wurde in ein Volumenverlust umgewandelt
und als ein mittlerer Verlust pro 1000 Umdrehungen angegeben.
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Es ist augenscheinlich, das die Überzüge dieser
Erfindung eine Abriebsverschleißfestigkeit
aufweisen, die wesentlich größer als
diejenige von elektroplattiertem Hartchrom ist. Daher sollten sie
auf dieser Basis ein ausgezeichneter Ersatz für elektroplattiertes Hartchrom
in Anwendungen wie z.B. den Überzügen auf
Zylindern in einem Flugzeugfahrgestell sein, wenn andere Beschränkungen
eingehalten werden. In diesem Test weisen die Überzüge dieser Erfindung eine geringere
Verschleißfestigkeit
als diejenige des Detonationskanonen-Überzugs UCAR LW-45 auf, jedoch
war dies aufgrund des höheren
Volumenanteils von Wolframkarbid in dem UCAR LW-45 zu erwarten.
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Überraschenderweise
verfügen
sie über
eine wesentlich größere Beständigkeit
als der plasmagespritzte analoge Überzug aus UCAR LW45. In ihrer
Verschleißfestigkeit
sind die Überzüge der Erfindung vergleichbar
mit der Detonationskanonen-Chromkarbid-Beschichtung UCAR LC-1C.
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Beispiel 4
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Die Restspannungscharakteristika
der in Beispiel 3 beschriebenen Überzüge dieser
Erfindung wurden bewertet und mit anderen Überzügen verglichen, indem Almen-Streifen
beschichtet und ihre Ablenkungen gemessen wurden. Der Test ist eine
Modifikation des in der US-Militär-Spezifikation
für Kugelstrahlen
Mil F-13165B angegebenen Tests. Eine positive Ablenkung gibt eine
Zugrestspannung in der Beschichtung an, während ein negativer Wert eine
Druckbeanspruchung anzeigt. Die Almen-Testproben wurden aus AISI 1070-Stahl
hergestellt, das auf eine Härte
von HRA 72,5 bis 76 wärmebehandelt
worden war. Sie waren 76,2 × 19,05 × 0,79 mm
groß (3 × 0,75 × 0,031
Inch) und wurden auf einer Stirnseite von 76,2 × 19,05 mm mit einem etwa 300
mm dicken Überzug
beschichtet. Die Spannung bis zum Bruch (STF) der Überzüge wurde überprüft, indem
AISI 4140-Stahlstangen mit einer Größe von 25,4 × 1,27 × 0,635
cm (10 × 0,5 × 0,25 Inch)
beschichtet, bis zu HRC 40 auf einer 25,4 × 1,27 cm großen Stirnseite
auf eine Dicke von 300 μm
wärmebehandelt
und anschließend
in einer Vierpunkt-Biegetestbefestigung gekrümmt wurden. Die Auslösung des
Bruchs wurde mit einem an der Stange befestigten Schallsensor erfasst.
Die STF ist ein Wert ohne Einheit, der in mil/inch oder dem Zehnfachen
eines Prozents angegeben ist.
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Zunächst sind die Almen-Ablenkungsdaten
als eine Anzeige der Restspannung zu beachten. Es ist offensichtlich,
dass die Restspannungen in den Überzügen dieser
Erfindung recht gering ausfallen und mindestens bei der Verwendung
einer Super D-Kanonen-Abscheidung durch eine Veränderung der Abscheidungsparameter
von einer sehr leichten Zug- bis zu einer geringen Druckspannung
variiert werden können. Dies
impliziert, dass das Beschichten komplexer Formen wie z.B. scharfer
Ränder
kein Problem darstellen sollte und dass dicke Überzüge ohne ein Springen oder Absplittern
abgeschieden werden können.
Als Nächstes werden
die STF-Daten betrachtet, die eine Anzeige des Effekts der Beschichtung
auf die Ermüdungseigenschaften
des Substrats sind, d.h. eine hohe STF ist im allgemeinen eine Anzeige
dafür,
dass die Beschichtung einen geringen Effekt auf die Ermüdungseigenschaften
des Substrats ausübt.
Es ist zu beachten, dass die D-Kanonen-WC-15Co-Beschichtung eine
geringe STF aufweist (obgleich sie über eine sehr geringe Druckrestspannung
verfügt)
und bekanntermaßen
einen signifikant schädlichen
Effekt auf die Ermüdungseigenschaften
von Stahl-, Aluminium- und Titansubstraten ausübt. Die Super D-Kanonen-WC-l0Co-Beschichtung verfügt über eine
etwas höhere
Druckrestspannung, aber keine bessere STF. Die Super D-Kanonen-WC-15Co Beschichtung
weist eine signifikant höhere
STF auf und übt
bekanntermaßen
einen nur sehr geringen oder gar keinen Effekt auf die Ermüdungseigenschaften
eines Stahl-, Aluminium- oder Titansubstrats aus. Allerdings wird
dies nur mit einer sehr hohen Druckrestspannung bewerkstelligt,
die das Beschichten komplexer Formen oder dicker Überzüge schwierig
werden lässt.
Im Unterschied dazu können
die Überzüge dieser
Erfindung unter Bedingungen abgeschieden werden, welche Überzüge mit einer
hohen STF und einer relativ niedrigen Restdruckspannung ergeben.
Dies liegt nahe, dass die Überzüge einen
nur geringen Effekt auf die Ermüdungseigenschaften
des Substrats ausüben
und immer noch ohne Schwierigkeiten mit einer ziemlichen Dicke auf
komplexe Formen aufgetragen werden können. Diese Merkmale sollte
sie für
Komponenten sehr nützlich machen,
die wie z.B. Flugzeugfahrgestellkomponenten anfällig für eine Ermüdung sind.
