DE60016466T2

DE60016466T2 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen niedriger Dichte, welche ein Polymermatrix- oder Metallmatrix-Substrat und eine Keramik- und/oder Metallkeramikbeschichtung aufweisen, sowie die damit erhaltenen Bauteile niedriger Dichte und hoher Oberflächenfestigkeit

Info

Publication number: DE60016466T2
Application number: DE2000616466
Authority: DE
Inventors: Pietro Gimondo; Carlo Costa
Original assignee: Centro Sviluppo Materiali SpA
Current assignee: Centro Sviluppo Materiali SpA
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: IT1307298B1; WO2001046487A1; DE60016466D1; ITRM990769A1; JP2003518196A; ATE283933T1; US20030108679A1; EP1254276B1; US6727005B2; ITRM990769A0; AU2396601A; ES2233492T3; EP1254276A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit niedriger Dichte, welche aus einem Polymer- oder Metall-Matrix-Substrat bestehen, das mit einer Keramik- und/oder Metallkeramikbeschichtung veredelt ist und dazu dient, die Leistungsfähigkeit der Bauteile unter all den Bedingungen zu verbessern, welche eine hohe Oberflächenfestigkeit erfordern. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht, dass auf die genannten Substrate harte Schutzbeschichtungen aufgebracht werden können wie z. B. Keramikbeschichtungen auf Karbid-, Borid-, und Nitridbasis, welche imstande sind, die Oberflächenfestigkeit des darunter befindlichen Trägermaterials niedriger Dichte beachtlich zu erhöhen.
Bekanntlich besteht für die Belange des Einsatzes in der Industrie, der Luftfahrt und Raumfahrt weiterhin die Notwendigkeit, Verbindungen zur Verfügung zu haben, welche in der Lage sind, sich mit den hohen Leistungsdaten von Stählen zu messen, jedoch ein geringeres spezifisches Gewicht aufweisen.
Die Dokumente EP-A-0.164.617, DE 35 27 912 A , US 5.521.015 offenbaren ein Verfahren für das Aufbringen einer Beschichtung durch Heißspritzen, welche eine Festigkeit aufweist, die höher ist als diejenige des jeweiligen Substrats geringer Dichte.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dem oben erwähnten Bedarf Rechnung zu tragen, wobei sie noch weitere Vorteile aufweist, welche im Nachfolgenden hervorgehoben werden sollen.
Die vorliegende Erfindung betrifft in der Tat ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen niedriger Dichte, welche ein Polymer- oder Metall-Matrix-Substrat und eine Keramik- und/oder Keramikbeschichtung aufweisen, bei welchen das Substrat mit niedriger Dichte, welches beschichtet werden soll, ein Verhältnis von Elastizitätsmodul zum spezifischen Gewicht in der Größenordnung von 25 GPa/kg/dm³ aufweist und den folgenden Schritten unterzogen wird:

– Bearbeitung der Oberfläche, um in den Außenschichten bleibende Druckspannungen zu erzeugen;
– thermische Stabilisierung bei einer Temperatur unterhalb von 350 °C;
– auf der Außenfläche Abscheidung einer Überzugsschicht aus einem Keramik- und/oder Metallkeramikmaterial mit einer höheren Oberflächenfestigkeit als die des zu beschichtenden Bauteils mittels Heißspritztechniken bei einer Temperatur im Bereich von 70 °C bis 350 °C; und
– Fertigstellung der Oberfläche der Beschichtung durch eine Endbehandlung.

Die Oberflächenbearbeitung, welche der Erzeugung der bleibenden Druckspannung in den Außenschichten des zu beschichtenden Bauteils dient, besteht aus einer Behandlung, welche aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kugelstrahlen und/oder Sandstrahlen und/oder deren Kombinationen besteht.
Die Endbehandlung der Oberfläche der Beschichtung umfasst eine Bearbeitung, welche aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Schleifen, Polieren, Trommelputzen, Trommelpolieren und deren Kombinationen besteht.
Die Heißspritztechniken werden aus der Gruppe ausgewählt, die aus Hochgeschwindigkeits-Heißspritzen (HVOF, High Velocity Oxy-Fuel – Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen), Plasmaspritzen (VPS – Vakuum-Plasmaspritzen, CAPS – Schutzgas-Plasmaspritzen, APS, HPPS), Flammenspritzen (FS), Plasma-Auftragsschweissen (PTA), Lichtbogenspritzen (AS) und deren Kombinationen besteht.
Die heiß aufgespritzte Beschichtung weist eine Dicke im Bereich von 100 bis 4200 μm, vorzugsweise von 100 bis 500 μm auf.
Die Beschichtung wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus WC-M, CrC-M, TiC-M, BN-M, SiC-M besteht, worin M die Metallmatrix darstellt, welche aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ni, Co, NiCr, NiCrFeBSi, NiCrCuMoWB besteht.
Es ist beobachtet worden, dass bei vorliegender Erfindung zufriedenstellende Ergebnisse bei Materialien mit geringer Dichte erreicht wurden, welche einen E/p-Wert (Elastizitätsmodul/spezifisches Gewicht) aufweisen, der in der gleichen Größenordnung wie der des Bezugsstahles 17-4PH (E/ρ = 25 GPa/kg/dm³) liegt.
Folglich wurde herausgefunden, dass Leichtmetalle wie Aluminium und Titan, Ti-Al-Legierungen, Metallmatrix-Verbundmaterialien und Polymermatrix-Verbundmaterialien (die gewöhnlich aus Fasern hergestellt werden, die in eine Polymermatrix eingebettet sind) in der vorliegenden Erfindung für die Verwendung als Substrate geeignet sind.
Was die Metallmatrix-Verbundmaterialien betrifft, so wurden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt mit Verbindungen, welche aus einer Aluminiummatrix, die einen Prozentgehalt von etwa 10–20 % an Titankarbid enthält (was gegenüber reinem Aluminium einen höheren E-Wert und Wärmeausdehnungskoeffizienten α ergibt), und einem Verbundmaterial aus Titan, der 10–20 % Titankarbid enthält, gefertigt worden sind. Das E/ρ-Verhältnis für diese Verbundmaterialien beträgt 28,6 bzw. 28,2 GPa/kg/dm³. Um die charakteristischen Eigenschaften dieser Materialien zu vergleichen, muss darauf hingewiesen werden, dass die Aluminiumlegierung AA7076 und die Titanlegierung T6A14V E/ρ-Werte von 26,7 bzw. 24,2 aufweisen (siehe auch dazu den Vergleich, welcher in Tabelle 1 dargestellt ist).
Tabelle 1
Was die Verbundmaterialien betrifft, so ist zu ersehen, dass ihre Eigenschaften von der Wahl der Matrix und der Faserfüllung abhängen.
In dieser Hinsicht sind Kohlenstofffasern, welche Elastizitätsmodule in einem Bereich von 160 (niedriger Modul) bis 725 (sehr hoher Modul) aufweisen, von besonderem Interesse. Besonders vielversprechend sind beispielsweise Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien, die aus Kohlenstofffasern in einer Kohlenstoffmatrix hergestellt werden und einen Elastizitätsmodul im Bereich von 125 bis 220 GPa aufweisen. Diese Materialien haben eine Dichte von 1,3 – 1,6 kg/dm³, wodurch sich E/ρ-Werte ≥78 GPa/kg/dm³ ergeben.
Eine weitere besonders vielversprechende Faserfüllung stellen Borfasern dar, welche einen Elastizitätsmodul von etwa 400 GPa aufweisen, auch wenn sie gegenüber beispielsweise Kohlenstofffasern (annähernd das 2-fache bezüglich des hohen Moduls) entsprechend kostenintensiver sind.
Einen weiteren entscheidenden Aspekt, welcher eine Betrachtung im Hinblick auf die Faserfüllungen erforderlich macht, stellen die Glasfasern dar, welche Elastizitätsmodule aufweisen, die im Bereich von 69 bis 86 GPa bei Dichten von 2,4 – 2,6 kg/dm³ liegen und deshalb auf verschiedenen Gebieten der Industrie, der Luft- und der Raumfahrt nicht nützlich erscheinen.
Der Auswahl der Matrix der Materialien der Verbundmaterialien kommt eine viel weitreichendere Bedeutung zu. In dieser Hinsicht muss darauf hingewiesen werden, dass zufriedenstellende Ergebnisse mit Polyetheretherketon, handelsüblich als PEEK bekannt, und mit einem Epoxydharz erreicht wurden.
Die charakteristischen Eigenschaften dieser zwei Harze sind in den Tabellen 2 bzw. 3 dargestellt.
Tabelle 2
Tabelle 3
Im Fall von Polymermatrix-Verbundmaterialien sind die vielversprechendsten Heißspritz-Beschichtungstechniken das Plasmaspritzen (PS) und das Hochgeschwindigkeits-Heißspritzen (HVOF), da diese gegenüber anderen Spritztechnologien eine niedrige thermomechanische Belastung aufweisen. Was dagegen die zu beschichtenden Metallmatrix-Verbundmaterialien betrifft, so haben die Spritztechnologien darauf eine sehr geringe thermomechanische Auswirkung.
Die Erfindung ist nicht auf das Verfahren zur Herstellung beschränkt, sondern sie erstreckt sich auch auf die dadurch erhaltenen beschichteten Bauteile niedriger Dichte und hoher Oberflächenfestigkeit.
Bislang wurde die vorliegende Erfindung ganz allgemein beschrieben. Anhand der einzigen beigefügten Zeichnung (1) und der nachfolgenden Beispiele soll eine stärker detaillierte Beschreibung von spezifischen Ausführungsformen vorgenommen werden mit dem Ziel, dass die Gegenstände, die Merkmale, die Vorteile und die Vorgehensweise der Erfindung besser verständlich gemacht werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Kugelumlaufvorrichtung, welche aus einer Kugellaufbahn P, die mit einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet wurde, und einer Kugelführung S hergestellt ist.
Beispiel 1
Herstellung von Kugellaufbahnen, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet wurden, für eine Kugelumlaufvorrichtung
Das zu beschichtende Bauteil ist eine Kugellaufbahn für eine Kugelumlaufvorrichtung, welche mit Verbundmaterialien hergestellt wurde, welches eine Aluminiummetallmatrix aufweist, die 15 % Titankarbid enthält.
Die Oberfläche dieses Bauteils wurde mittels Sandstahlen aufgeraut, und das erhaltene Produkt wurde auf einen Drehtisch gebracht, um mittels des HVOF-Heißspritzverfahrens beschichtet zu werden.
Das für die Beschichtung vorausgewählte Material ist ein Metallkeramik-Verbundmaterialien, welcher die folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist: 14,1 WC 75-Ni; 5 Cr; 1 Cu; 2 W; 2,2 Mo; 0,2 B. Dieses Material zeichnet sich durch eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Abnutzung, Erosion und Korrosion aus.
Nach dem Zünden der Flamme einer Heißspritz-Apparatur vom HVOF-Typ werden die Flammenparameter auf Werte eingestellt, welche geeignet sind, um homogene Beschichtungen mit niedriger Porosität und frei von eingegossenen (eingebetteten) Teilchen, Oxiden und Rissen zu erzielen. Der Brenner wird in einer Entfernung von 180 mm angeordnet, wobei sich das zu beschichtende Bauteil mit einer Drehzahl bei 60 U/min dreht und in Richtung der Längsachse mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200 mm/s über eine Höhe von etwa 150 mm verschoben wird. Während dieses Beschichtungsschrittes liegt die Temperatur im Bereich von 50 bis 150 °C. Nach dem Spritzvorgang wurde das Bauteil langsam in Ruhluft abgekühlt. Danach wurde die Oberfläche des Bauteils mittels Schleifen mit einer Schleifscheibe der Körnung 20 SiC so lange bearbeitet, bis die Rauheit der Oberfläche beseitigt war. Die endgültige Dicke der geschliffenen Beschichtung betrug ungefähr 400 μm.
Die auf diese Art und Weise erhaltene Beschichtung ist verschleißfest, und ihre Dicke ist geeignet, die durch die Kugeln hervorgerufenen Spannungen und die Kippmomente um alle Achsen aufzunehmen.
Es ist bekannt, dass derartige Spannungen gewöhnlich bei mindestens 1000 MPa liegen, welche bei speziellen Anwendungen, wo hohe Geschwindigkeiten und erhöhte Beschleunigungen vorgesehen sind, sogar auf 3500 MPa ansteigen.
1 ist eine perspektivische Ansicht der Kugelumlaufeinheit, der Kugellaufbahn P mit einem Substrat, gefertigt aus 15 %-igem Al-TiC-Verbundmaterialien, beschichtet wie weiter oben ausgeführt ist, und einer Kugelführung S, welche hierin hervorgehoben wird.
Beispiel 2
Herstellung von Bohrstangen (AP), welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet wurden
Eine Bohrstange (AP), gefertigt aus Epoxydharz, welches Kohlenstofffasern (Faserrichtung ±10 % in Bezug auf die Rohrsachse) enthält, wurde dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren unterzogen.
Die Oberfläche der Bohrstange wurde durch thermisches Sandstrahlen aufgeraut, und das erhaltene Produkt wurde auf einen Drehtisch gebracht, um nach dem HVOF-Heißspritzverfahren beschichtet zu werden.
Das vorausgewählte Material ist ein Metallkeramik-Verbundmaterial, welches die folgende Zusammensetzung in Gewichts-% aufweist: 14,1 WC 75- Ni; 5 Cr; 1 Cu; 2 W; 3,2 Mo; 0,2 B. Dieses Material zeichnet sich durch eine hervorragende Oberflächenfestigkeit gegenüber Abnutzung, Erosion und Korrosion aus.
Nach dem Zünden der Flamme einer Heißspritz-Apparatur vom HVOF-Typ werden die Flammenparameter auf Werte eingestellt, welche geeignet sind, um homogene Beschichtungen mit niedriger Porosität und frei von eingegossenen (eingebetteten) Teilchen, Oxiden und Rissen zu erzielen. Ein Brenner wird in einer Entfernung von 380 -mm angeordnet, wobei sich das zu beschichtende Bauteil mit einer Drehzahl bei 60 U/min dreht und in Richtung der Längsachse mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200 mm/s über eine Höhe von etwa 150 mm verschoben wird. Während dieses Beschichtungsschrittes liegt die Temperatur im Bereich von 50 bis 150 °C.
Nach dem Spritzvorgang wurde die Bohrstange langsam in Ruhluft abgekühlt. Danach wurde die Oberfläche des Bauteils mittels Schleifen mit einer Schleifscheibe der Körnung 20 SiC so lange bearbeitet, bis die Rauheit der Oberfläche beseitigt war.
Die endgültige Dicke der geschliffenen Beschichtung betrug ungefähr 450 μm.
Die auf diese Art und Weise beschichtete Bohrstange hält hohen Betriebsbelastungen stand, gleichzeitig gewährleistet sie eine erhöhte Festigkeit gegenüber Erosion durch Bohrschlamm.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit niedriger Dichte und hoher Oberflächenfestigkeit, welche ein Polymer- oder Metallmatrix-Substrat und eine Keramik- und/oder Metallkeramikbeschichtung aufweisen, wobei das zu beschichtende Substrat niedriger Dichte ein Verhältnis von Elastizitätsmodul zum spezifischen Gewicht in der Größenordnung von 25 GPa/kg/dm³ aufweist und den folgenden Schritten unterworfen wird: – Bearbeitung der Oberfläche, um bleibende Druckspannungen in den Außenschichten zu erzeugen; – thermische Stabilisierung bei einer Temperatur unterhalb von 350°C; – auf der Außenfläche Abscheidung einer Überzugsschicht aus einem Keramik- und/oder Metallkeramikmaterial mit einer höheren Oberflächenfestigkeit als die des zu beschichtenden Bauteils mittels Heißspritztechniken bei einer Temperatur im Bereich von 70 °C bis 350 °C; und – Fertigstellen der Oberfläche der Beschichtung durch eine Endbehandlung.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit niedriger Dichte und hoher Oberflächenfestigkeit, welche ein Polymer- oder Metallmatrix-Substrat und eine Keramik- und/oder Metallkeramikbeschichtung aufweisen, gemäß Anspruch 1, wobei die Bearbeitung der Oberfläche zur Erzeugung bleibender Druckspannungen in den Außenschichten des zu beschichtenden Bauteils eine Behandlung umfasst, welche aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kugelstrahlen, Sandstrahlen und deren Kombinationen besteht.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit niedriger Dichte und hoher Oberflächenfestigkeit, welche ein Polymer- oder Metallmatrix-Substrat und eine Keramik- und/oder Metallkeramikbeschichtung aufweisen, gemäß Anspruche 1 oder 2, wobei die Endbehandlung der Oberfläche der Beschichtung eine Bearbeitung umfasst, welche aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Schleifen, Polieren, Trommelputzen, Trommelpolieren und deren Kombinationen besteht.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit niedriger Dichte und hoher Oberflächenfestigkeit, welche ein Polymer- oder Metallmatrix-Substrat und eine Keramik- und/oder Metallkeramikbeschichtung aufweisen, gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heißspritzverfahren ausgewählt werden aus der Gruppe, die aus Hochgeschwindigkeits-Heißspritzen (HVOF, High Velocity Oxy-Fuel – Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen), Plasmaspritzen (Vakuum-Plasmaspritzen, Schutzgas-Plasmaspritzen, APS, HPPS), Flammenspritzen (FS), Plasma-Auftragsschweissen (PTA), Lichtbogenspritzen (AS) und deren Kombinationen besteht.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit niedriger Dichte und hoher Oberflächenfestigkeit, welche ein Polymer- oder Metallmatrix-Substrat und eine Keramik- und/oder Metallkeramikbeschichtung aufweisen, gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die heißgespritzte Beschichtung eine Dicke im Bereich von 100 bis 4.200 μm, vorzugsweise zwischen 100 bis 500 μm aufweist.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit niedriger Dichte und hoher Oberflächenfestigkeit, welche ein Polymer- oder Metallmatrix-Substrat und eine Keramik- und/oder Metallkeramikbeschichtung aufweisen, gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus WC-M, CrC-M, TiC-M, BN-M, SiC-M besteht und wobei M die Metallmatrix ist, die ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus Ni, Co, NiCr, NiCrFeBSi, NiCrCuMoWB besteht.
Beschichtete Bauteile mit niedriger Dichte und hoher Oberflächenfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 erhalten werden.