DE69214623T2

DE69214623T2 - Gegenstand mit verbesserter Metallschicht und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69214623T2
Application number: DE1992614623
Authority: DE
Inventors: John M Handzel; Christopher B Harley; Mukesh M Solanki; Malvin G Sumner
Original assignee: Pullman Co
Current assignee: Pullman Co
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2012-01-29
Also published as: EP0553592B1; DE69214623D1; EP0553592A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten metallbeschichteten Körper und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie insbesondere einen verbesserten verschleißfesten/korrosionsbeständigen beschichteten Körper mit großflächiger und/oder komplizierter zu beschichtender Form und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Hintergrund der Erfindung

Es ist manchmal vorteilhaft, ein Substrat, insbesondere ein Metall, mit einem Überzug zu versehen, der spezielle Eigenschaften, wie beispielsweise Verschleißfestigkeit oder Korrosionsbeständigkeit, aufweist. Verschleißfestigkeit kann man einem Substrat dadurch verleihen, daß man es mit einem Überzug versieht, der aus einem Gemisch eines harten Schleifmaterials, wie z.B. pulverförmigem Wolframcarbid oder dergleichen, und einem Hartmetallzusatz, in dem es dispergiert ist, besteht. Korrosionsbeständigkeit kann man einem Substrat dadurch verleihen, daß man es mit einem ähnlichen Überzug aus einem korrosionsbeständigen Metall bzw. einer korrosionsbeständigen Legierung versieht. Weitere spezielle oder verbesserte physikalische Eigenschaften lassen sich auf ähnliche Art und Weise durch Austausch gegen andere Matrixmaterialien erzielen.
Vor den Arbeiten von Breton et al. (US-PS 3,743,556, 3,196,506 und 4,194,040) war die Herstellung eines derartigen Überzugs mit Schwierigkeiten verbunden, insbesondere bei Gegenständen mit komplizierter Form oder einer geforderten Überzugsdicke über 0,020 Zoll. Mit den bekannten Verfahren, bei denen Plasma- und Flammsprühmethoden eingesetzt wurden, war es schwierig, einen einheitlichen Überzug auf einem Substrat, insbesondere auf einem Substrat mit einer komplizierten Oberfläche, zu erhalten. Ähnliche Schwierigkeiten traten bei dem bekannten Verfahren auf, bei dem Methoden wie z.B. das Aufstäuben von Schleifmittelteuchen auf das Substrat eingesetzt wurden.
Breton et al. beseitigten viele der bei den bekannten Verfahren bestehenden Schwierigkeiten durch die Bereitstellung eines Verfahrens, bei dem man eine erste Schicht einer gewünschten Dicke aus einem pulverförmigen Matrixznaterial mit hohem Schmelzpunkt in einem organischen Bindemittel und eine zweite Schicht aus einem pulverförmigen Hartlötzusatz mit niedrigerem Schmelzpunkt ebenfalls in einem organischen Bindemittel verwendet. Dann legt man die erste Schicht auf das Substrat und darauf wiederum die zweite Schicht. Das Matrixmaterial ist dadurch gekennzeichnet, daß es von dem Hartlötzusatzmetall bzw. der Hartlötzusatzlegierung in geschmolzenem Zustand benetzt wird. Anschließend erhitzt man diese Anordnung zur Zersetzung des Bindemittels und zum Aufschmelzen des Zusatzmetalls bzw. der Zusatzlegierung, das bzw. die infolge von Kapillarwirkung in die Matrixschicht einfließt. Nach dem Abkühlen erhält man dann einen an das Substrat gebundenen, weitgehend hohlraumfreien Überzug. Das Verfahren zur Herstellung sowohl des Hartteilchenmatrixmaterials als auch der Schichten bzw. Vorformen aus Hartlötzusatzlegierung unter Verwendung von fibrilliertem Polytetrafluorethylen (PTFE) ist aus den US-PS 3,916,506 und 4,194,040 bekannt. Bei der Festlegung der endgültigen physikalischen Eigenschaften (Abriebfestigkeits- und Korrosionsbeständigkeitsverhalten) des Überzugs nach dem Verfahren von Breton et al. spielt die Matrixteilchenpackung, d.h. die Dichte der Matrixteilchen im Überzug, eine wichtige Rolle. Die Matrixteilchenbeladung in der Vorform und in der fertigen Überzugsschicht ist dabei im allgemeinen von drei Materialeigenschaften abhängig: Teilchengröße, Teilchengrößenverteilung und Teilchenform. Es stellte sich heraus, daß dadurch dem Verfahren Grenzen gesetzt sind. Man hat bereits versucht, die Teilchenbeladung zu erhöhen, wobei man jedoch aufgrund der inhärenten Eigenschaften des Pulvermaterials - Teilchen größe, Teilchengrößenverteilung und Teilchenform - und aufgrund von Beschränkungen bei der Verarbeitung nur geringen Erfolg hatte, insbesondere bei Körpern, bei denen die fertige Überzugsschicht über 0,030 Zoll dick ist.
Ein weiterer Faktor bei der Festlegung der endgültigen physikalischen Eigenschaften besteht darin, daß man sicherstellen muß, daß die Matrixteilchenbeladung in der Vorform und damit in der fertigen Überzugsschicht so einheitlich wie möglich ist und es keine Bereiche mit beträchtlich verringerter Beladung gibt. Dieser Faktor wird dann wesentlich, wenn man zur Beschichtung des Substrats aufgrund der großflächigen und/oder komplexen Form der zu beschichtenden Oberfläche mehr als ein Matrixflächengebilde oder eine Matrixvorform benötigt. Bei diesen Anwendungen gibt es dort, wo die beiden getrennten Teile des Matrixflächengebildes aneinanderstoßen, eine Fuge bzw. Fugen und somit eine Lücke, selbst wenn man die beladenen Matrixvorformflächengebilde auf der Substratoberfläche so eng wie möglich nebeneinanderlegt. Diese Lücke bzw. dieser Hohlraum vergrößert sich häufig noch während des Erhitzens und Schmelzens des Hartlötzusatzes zur Erzeugung der fertigen Substratbeschichtung, wodurch in diesem Bereich so gut wie kein Matrixmaterial vorliegt oder schlimmstenfalls in der Beschichtung sogar richtige Hohlräume entstehen. In diesen beiden Fällen verringert sich die innere Festigkeit des Körpers sowie seine Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit in hohem

Kurze Darstellung der Erfindung

Ein Verfahren zur Verbesserung der gewünschten Eigenschaften und zur Maximierung der Verschleißfestigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit des Überzugs besteht darin, daß man in allen Bereichen des Überzugs, selbst in den Fugenbereichen, eine genügende Matrixteilchenbeladung sicherstellt. Es wurde gefunden, daß dieses angestrebte Ziel dadurch erreicht werden kann, daß man zur Herstellung der Einzelteile und damit wiederum zur Herstellung der gesamten Matrixschicht übereinander gelegte, mehrschichtige, flexible Matrixflächengebilde verwendet und anschließend die Schichten aus Flächengebilden so anordnet, daß alle Fugen in einer der Schichten aus Flächengebilden gegen Fugen in anderen Schichten aus Flächengebilden versetzt sind. Das bedeutet, daß sich die Fugen nicht von der Oberfläche des Überzugs bis zur Substratoberfläche erstrecken. Der Vorteil dieser neuen Anordnung besteht darin, daß gewährleistet ist, daß in allen Bereichen des Substratüberzugs eine wesentliche Teilchenbeladung vorliegt. Die Verwendung von mehrschichtigen, flexiblen Matrixflächengebilden für den Überzug gestattet auch erwünschte hohe Dichten von Matrixteilchen, wie in der gleichzeitig anhängigen, am 6. Februar 1990 eingereichten, eigenen Anmeldung Nr. 07/475,745 (siehe auch GB-A-2 240 504) beschrieben ist, auf deren Beschreibung und Ansprüche hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist gemäß Anspruch 1 ein Verbundkörper, hergestellt durch Auflöten von tuchartigen, flexiblen, metallischen Beschichtungselementen, die Matrixteilchen in einem PTFE- Trägermaterial enthalten, auf eine Oberfläche eines Metallsubstrats, wobei die Verbesserung darin besteht, daß man mehrere tuchartige, flexible metallische Überzugsschichten auf lötet, die ohne vertikal aufeinander ausgerichtete Fugen übereinandergestapelt sind.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist der Verbundkörper nach Anspruch 1, wobei die Matrixteilchen aus der Gruppe, bestehend aus Wolframcarbid, Titancarbid, Nickelborid und Chromcarbid, ausgewählt sind.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner der Verbundkörper nach Anspruch 1, wobei die metallischen Schichten etwa gleich dick sind.
Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist der Verbundkörper nach Anspruch 1, wobei jede der mehreren metallischen Schichten 20 bis 85% der Gesamtdicke des Überzugs ausmacht.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist gemäß Anspruch 5 ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers durch Auflöten von mehr als einem tuchartigen, flexiblen, metallischen Beschichtungsmaterialelement auf ein metallisches Substrat, wodurch man das metallische Substrat mit der gewünschten Oberflächenbeschichtung mit einer vorbestimmten Dicke versieht, wobei die gewünschten metallischen Beschichtungselemente aus einem mit PTFE vermischten Matrixpulver, das zur Fibrillierung und zum Einschließen der Matrixteilchen mechanisch bearbeitet worden ist, bestehen, wobei die Verbesserung darin besteht, daß man die metallischen Beschichtungsmaterialelemente auf etwa 20% bis etwa 85% der ursprünglichen vorbestimmten Dicke der gewünschten fertigen Oberflächenbeschichtung auswalzt, dann zu einer Reihe von Vorformen einer gewünschten vorbestimmten Form zuschneidet, mehrere dieser Vorformen übereinander auf die Oberfläche des metallischen Substrats legt und so die Beschichtungsmaterialelemente auf dem Substrat derart bildet, daß von aneinanderstoßenden Vorformen gebildete Fugen in mindestens zwei beliebigen Vorformschichten gegeneinander versetzt sind, wobei die Gesamtdicke der mehreren Vorformschichten etwa der vorbestimmten Dicke des gewünschten Überzugs entspricht, auf die Vorformschichten eine Lotfolie einer gewünschten vorbestimmten Form aufbringt und das Substrat, die Vorformen und das Lot erhitzt und so die Vorformschichten metallurgisch an das metallische Substrat bindet, wodurch man den Verbundkörper mit besonderen Eigenschaften und durchgehend genügend Matrixpulver erhält.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 5, bei dem man die Vorformschichten so aufeinanderlegt, daß jede Fuge in jeder Vorformschicht gegen eine Fuge in einer beliebigen anderen Schicht versetzt ist.
Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Vorformschichten etwa gleich dick sind.
Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 7, bei dem man die Matrixteilxhen aus der Gruppe, bestehend aus Wolframcarbid, Titancarbid, Nickelborid und Chromcarbid, auswählt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 6, bei dem man die gesamte Oberflächenschicht aus mehreren Vorformen in mehr als einem Hartlötarbeitsgang aufbringt.
Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist gemäß Anspruch 10 ein verbesserter Verbundkörper, hergestellt, indem man (a) eine erste tuchartige Schicht, die in einer tuchartigen Schicht, die ein Bindemittel für eine teilchenförmige, verschleißfeste und korrosionsbeständige Metallverbindung enthält, ein teilchenförmiges Lötmetall bzw. eine teilchenförmige Lötlegierung enthält, auf ein Metallsubstrat aufbringt, wobei die Liquidustemperatur des Metalls bzw. der Legierung in der ersten Schicht unter der Liquidustemperatur des Substrats und unter der des Metalls in der zweiten Schicht liegt und das Metall bzw. die Legierung in der ersten Schicht in geschmolzenem Zustand die Metallverbindung der zweiten Schicht benetzt, (b) die Anordnung zur Zersetzung der Bindemittel und zum Einfließen des geschmolzenen Lötmetalls bzw. der geschmolzenen Lötlegierung in die Metallverbindung auf die Liquidustemperatur des Lötmetalls bzw. der Lötlegierung erhitzt und (c) die Anordnung zur Erzeugung eines mit Lötmetall bzw. Lötlegierung gefüllten Überzugs aus der verschleißfesten oder korrosionsbeständigen Metallverbindung auf dem Substrat abkühlt, wobei die Verbesserung darin besteht, daß man die zweite Schicht durch mehrere Teilschichten mit jeweils einem oder mehreren koplanaren Flächengebilden ersetzt, wobei jedes dieser Flächengebilde die pulverförmige, verschleißfeste oder korrosionsbeständige Metallverbindung in dem Bindemittel enthält, und die Fugen zwischen benachbarten Flächengebilden in jeder Teilschicht gegen Fugen zwischen benachbarten Flächengebilden in einer anderen Teilschicht versetzt sind und nicht damit zusammenfallen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundkörper nach Anspruch 10, wobei die Gesamtdicke der Teilschichten im wesentlichen der Dicke der ersetzten zweiten Schicht entspricht.
Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundkörper nach Anspruch 10, wobei die verschleißfeste oder korrosionsbeständige Metallverbindung aus der Gruppe, bestehend aus Wolframcarbid, Titancarbid, Nickelborid und Chromcarbid, ausgewählt ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verbundkörpers mit wesentlich verbesserten physikalischen Eigenschaften in seiner Überzugsschicht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verbundkörpers mit einer Überzugsschicht mit einheitlicheren Verschleißfestigkeitseigenschaften in der gesamten Überzugsschicht Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Überzugs. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines durch Hartauftragsschweißen aufgebrachten Überzugs mit verbesserter einheitlicher Verschleißfestigkeit über den gesamten Überzug.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der Beschreibung der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 stellt einen nach dem Stand der Technik hergestellten Verbundkörper dar und
Figur 2 einen erfindungsgemäß hergestellten Verbundkörper.
Figur 3 stellt einen fertigen erfindungsgemäßen Verbundkörper dar.

Nähere Beschreibung der Erfindung

Im folgenden sei auf die Zeichnung Bezug genommen, die lediglich zur Erläuterung des Standes der Technik und der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und nicht zu deren Beschränkung angegeben ist. Figur 1 zeigt einen Verbundkörper 10 des Standes der Technik, bei dem eine Matrixmetallschicht 12 und eine Hartlötzusatzmetallschicht 14 zur Erzeugung einer gewünschten Oberflächenbeschichtung 16 (siehe Figur 3) auf einem Substrat 15 erhitzt werden, wie in der US-PS 3,743,556 näher beschrieben. Danach besteht die Matrixmetallschicht 12 aus zwei Teilen 12a und 12b, die dort, wo die beiden Schichtenden zusammentreffen, eine Fuge 18 bilden. Die Matrixschichtteile sind in der Regel gleich dick und liegen auf der Oberfläche des Überzugs auf. Es versteht sich, daß die Matrixmetallschicht 12 aus mehr als den beiden in den Figuren dargestellten Teilen bestehen kann. Man benötigt in der Regel mehr als einen Matrixschichtteil, wenn das zu beschichtende Substrat eine großflächige und/oder komplexe Form aufweist.
Kurz, man erhält im Stand der Technik den Überzug auf der Substratoberfläche dadurch, daß man zunächst eine aus Einzelteilen bestehende Matrixmetallschicht oder - vorform (Matrixpulvermaterial in fibrilliertem PTFE) auf das Substrat und auf die Matrixteilchenvorform anschließend eine Hartlötzusatzlegierungsschicht oder -vorform (Hartlötzusatzmaterial in fibrilliertem PTFE) legt und beide erhitzt. Dabei entsprechen Gewicht, Dicke und Form der Hartlötvorform der relativen Dichte der Matrixvorform, so daß sich eine völlig dichte Überzugsschicht ergibt, die etwa so dick ist wie die ursprüngliche Matrixmetallschicht. Um diese Anordnung zu Beginn zusammenzuhalten, kann man einen Klebstoff verwenden. Das Heißlöten erfolgt in der Regel in einer kontrollierten Atmosphäre oder im Vakuum bei einer Temperatur oberhlab der Liquidustemperatur des Hartlötzusatzes, aber unterhalb der Matrixteilchenschicht. Bei einer derartigen Temperatur fließt geschmolzenes Hartlot durch die Matrixteilchenvorform, füllt die Hohlräume und geht anschließend mit dem Substrat aufgrund des Diffusionseffekts eine Bindung ein, wodurch eine Überzugsschicht entsteht, die im wesentlichen genauso dick wie die ursprüngliche Matrixmetallschicht ist.
Während des Erhitzungs- und Lötvorgangs füllt sich der durch die Notwendigkeit, den fertigen Überzug aus mehr als einem ursprünglichen Matrixmetallschichtteil herzustellen, entstandene Fugenbereich 18 in der Regel entweder mit einem hohen Prozentsatz an Hartlötmaterial und somit mit wenig oder gar keinem Matrixmaterial und/oder mit Hohlräumen. Daraus ergibt sich ein Überzug mit geringerer Gesamtzuverlässigkeit und schlechteren Verschleiß-/Korrosionseigenschaften, die letztendlich möglicherweise zu vorzeitigem Versagen des Körpers führen können.
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Verbundkörper 10', bei dem die Matrixpulvermaterialschicht 12' aus zwei Teilen 12a' und 12b' besteht, die jeweils aus zwei oder mehr Vorformschichten oder Schichten aus Flächengebilden 20' zusammengesetzt sind. Die Flächengebilde 20' bestehen in der Regel aus hartem, teilchenförmigem Material, wie z.B. Wolframcarbid, Titancarbid, Nickelborid, Chromcarbid oder dergleichen, das in fibrillierten PTFE als organischem Bindemittel eingeschlossen ist. Die zwei oder mehr Flächengebilde 20' sind insgesamt etwa genauso dick wie die Schicht 12' und letztlich wie der fertige Überzug, wenngleich die einzelnen Flächengebilde bei besonderen Anwendungen 20 bis 85% der Gesamtdicke des fertigen Überzugs ausmachen können. Das bedeutet, daß man einfach unterschiedlich dicke Flächengebilde 20', deren Gesamtdicke der der fertigen gewünschten Überzugsschicht entspricht, verwenden kann, jedoch wird bevorzugt, die Flächengebilde in den Teilen 12a' und 12b' ähnlich auszurichten, um dafür zu sorgen, daß die Fugen in den Schichten aus Flächengebilden gegeneinander versetzt sind, was im folgenden noch näher erläutert wird.
Erfindungsgemäß weisen die die Schicht 12' bildenden Flächengebilde eine gegenüber der Schicht 12' in der Regel um etwa 20% bis etwa 85% verringerte Dicke auf, wodurch die Feststoffdichte in der Regel um 10% oder mehr ansteigt. Dieser 10%ige Anstieg des Feststoffgehalts hat verbesserte gewünschte Eigenschaften ergeben (Verschleißfestigkeit um 50% oder darüber).
Erfindungsgemäß werden ferner die die Teile 12a' und 12b', die wiederum die Schicht 12' bilden, bildenden Flächengebilde 20' so zugeschnitten und auf dem Substrat 15' übereinandergelegt, daß dort, wo das Endteil eines beliebigen Schichtniveaus von 12a' an einen Endteil eines entsprechenden Schichtniveaus von 12b' stößt, eine Fuge 18' entsteht, die gegeneinander versetzt sind. Das bedeutet, daß die Ausrichtung der Flächengebilde so variiert wird, daß die aneinanderstoßenden Flächen unterschiedlicher Flächengebildeniveaus an unterschiedlichen Stellen auftreten, so daß es keine Bereiche gibt, in denen die Flächengebilde 20' einen durchgehenden Fugenbereich vom Oberflächenteil der zusammengefügten Flächengebilde 20' bis zur Oberfläche des Substrats 15' aufweisen. Wie in Figur 2 gezeigt, sind die Fugen 18a' und 18b' gegeneinander versetzt, wodurch sich kein durchgehender Fugenbereich von der Oberfläche des mehrschichtigen Matrixflächengebildes bis zur Substratoberfläche ergibt, was jedoch der Fall wäre, wenn die Flächengebilde oder Vorformen gleich groß und übereinander auf dem Substrat ausgerichtet wären. Um die vorliegende Erfindung so vorteilhaft wie möglich zu gestalten, sollten alle Fugen in einem beliebigen Niveau gegenüber Fugen in einem beliebigen anderen Niveau versetzt sein.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele, in denen der Stand der Technik und bevorzugte praktische Ausführungsformen der Erfindung gegenubergestellt werden, näher erläutert.

Beispiel I

Wolframcarbid-Matrixpulver (40 Vol.-% der Teilchen mit einer Größe von 2 bis 5 Mikron und 60 Vol.-% der Teilchen mit einer Größe von -325 Mesh) wurde mit 6 Vol.-% Teflon (PTFE) gemischt. Diese Mischung wurde zur Fibrillierung des PTFE und zum Einschließen der Wolframcarbidteilchen maschinell bearbeitet und so ein tuchartiges Flächengebilde hergestellt, wie es in den US-PS 3,864,124 und 4,194,040 ausführlicher beschrieben ist. Das Flächengebilde wurde zu einer Dicke von 0,060 Zoll ausgewalzt.
Zur Herstellung eines dem obigen Wolframcarbid- Flächengebilde ähnlichen tuchartigen Flächengebildes mit einer zur Ausfüllung von Hohlräumen in dem Wolframcarbid- Flächengebilde passenden Dichte und Dicke wurde eine pulverförmige Hartlötlegierung der Zusammensetzung 81,5 Gew.-% Nickel, 15 Gew.-% Chrom und 3,5 Gew.-% Bor mit 6 Vol -% PTFE gemischt. Die mit einer Hartmetallauflage zu versehende Probe bestand aus Kohlenstoffarmem Stahl (18 Zoll x 18 Zoll x 0.250 Zoll). Zwei Carbidvorformen mit den Abmessungen 18 Zoll x 9 Zoll wurden nebeneinander auf die Oberfläche der Probe aufgebracht. Auf die Carbidvorformen wurde bzw. wurden, wie in Figur 1 gezeigt, die Hartlötlegierungsvorform bzw. -formen geeigneter Größe gelegt. Die Vorformen wurden mit Klebstoff vorübergehend festgehalten. Die zusammengefügte Probe wurde in einem Vakuumofen 30 Minuten lang auf 2085ºF erhitzt, wobei das Hartlötmaterial schmolz und in die Carbidvorform einfloß. Nach dem Abkühlen erhielt man aus dem Körper einen etwa 0,060 Zoll dicken Wolframcarbidüberzug auf dem Stahlsubstrat, wie in der US-PS 3,743,566. Bei visueller Untersuchung des Überzugs wurde im Fugenbereich an der Grenzfläche der Vorformen eine Trennung festgestellt. Eine genauere Untersuchung unter Vergrößerung ergab, daß es Hohlraumbereiche und Bereiche mit praktisch keinem Matrix-Wolframcarbidpulver gab, die von der Oberfläche des Überzugs bis zur Substratober fläche reichten.

Beispiel II

Das 0,60 Zoll dicke Wolframcarbid-Flächengebilde aus Beispiel I wurde durch eine Reihe von Walzschritten abnehmender Intensität auf eine Dicke von 0,030 Zoll ausgewalzt. Es wurde festgestellt, daß die Feststoff dichte des Flächengebildes von etwa 52% auf 60% angestiegen war. Eine Prüfplatte der gleichen Größe (18 Zoll x 18 Zoll x 0,250 Zoll) wurde dadurch mit einer Hartmetallauflage versehen, daß zwei Wolframcarbidvorformen, jeweils mit den Abmessungen 18 Zoll x 9 Zoll, als erste Flächenschicht nebeneinander darauf aufgelegt wurden und anschließend auf diese erste Flächenschicht eine zweite Flächenschicht gelegt wurde, nur daß diesmal die Wolframcarbidvorformen 18 Zoll x 8 Zoll und 18 Zoll x 10 Zoll groß waren. Dies ergab eine insgesamt 0,060 Zoll dicke Wolframcarbidschicht, in der die Fuge der zweiten Schicht gegenüber der Fuge der ersten Schicht um 1 Zoll versetzt war. Dann wurde die Hartletlegierungsvorform aus Beispiel I auf das Wolframcarbid aufgebracht, was das in Figur 2 allgemein dargestellte Verbundmaterial ergab. Dabei waren die Hartlötbedingungen die gleichen wie bei Beispiel I. Bei visueller Untersuchung des Überzugs wurden keine Trennungsbereiche im Fugenbereich festgestellt, die von der Oberfläche des Überzugs bis zur Oberfläche der Prüfplatte reichten. Eine weitere Untersuchung unter Vergrößerung ergab, daß es keine großen Hohlraumbereiche oder Bereiche mit praktisch keinem Matrix-Wolframcarbidpulver gab, die von der Oberfläche des Überzugs bis zur Substratoberfläche reichten.

Beispiel III

Beispiel 1 wurde mit den gleichen Beschichtungsmaterialien und nach dem gleichen Verfahren mit einer zylindrischen Stahlprobe mit einem Durchmesser von sechs Zoll und einer Länge von sechs Zoll wiederholt. Genauer gesagt, wurde eine 0,060 Zoll dicke Wolframcarbidvorform auf die Innenseite des aufrecht stehenden Zylinders geklebt, wobei über die gesamte Länge eine Fuge verlief. Dann wurde die Hartlötlegierungsvorform auf die Carbidvorform geklebt und die Probe unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen heiß verlötet, was nach dem Abkühlen einen harten Überzug auf der Innenfläche des Werkstücks ergab. Die metallographische Untersuchung des erhaltenen Hartmetallüberzugs ergab, daß an bestimmten Stellen der Fugenbereiche große, nicht ausgefüllte Löcher vorlagen und die Bereiche an anderen Stellen mit Hartlötlegierung und praktisch oder völlig ohne Matrix- Wolframcarbidteilchen gefüllt waren.

Beispiel 4

Ein ähnlicher Überzug wie in Beispiel III wurde unter Verwendung von mehrschichtigen Carbidvorformen und unter Versetzen der Fugenbereiche gegeneinander hergestellt. Genauer gesagt, wurde die aufrecht stehende zylindrische Stahlprobe dadurch mit einer Hartmetallauflage versehen, daß zunächst zwei 0,030 Zoll dicke Vorformflächengebilde aus Wolframcarbid auf dessen Innenfläche aufgebracht wurden, wobei die Fuge des oberen Flächengebildes um etwa 1/2 Zoll gegenüber der Fuge des unteren Flächengebildes versetzt war. Auf die Carbidschichten wurde eine passende Hartlötlegierungsvorform aufgebracht und die Probe wie in den anderen Beispielen in Ofen weiterverarbeitet. Nach dem Hartlöten und Abkühlen ergaben metallographische Studien, daß die Substratoberfläche an keiner Stelle der Fugen freilag und daß in allen Überzugsbereichen wesentliche Matrixpartikelbeladung vorlag.

Beispiel 5

Eine zylindrische Probe wie in den Beispielen III und IV wurde mit mehrschichtigen Carbidvorformen und anschließender Versetzung der Fugenbereiche gegeneinander beschichtet. Dieses Beispiel unterscheidet sich von Beispiel IV darin, daß die zylindrische Stahlprobe liegend beschichtet wird, wozu ein doppeltes Hartlötverfahren erforderlich ist. Genauer gesagt, wurde die zylindrische Stahlprobe dadurch mit einer Hartmetallauflage versehen, daß auf die Innenfäche zunächst zu mehr als der Hälfte zwei 0,030 Zoll dicke Vorformflächen gebilde aus Wolframcarbid aufgebracht wurden, wobei das obere Flächengebilde an beiden Enden etwa 1/2 Zoll kürzer war. Auf die Carbidschichten wurde eine passende Hartlötlegierungsvorform aufgebracht und die Probe wie in den anderen Beispielen im Ofen weiterverarbeitet. Auf analoge Weise wurde die zweite Hälfte der Oberfläche mit den Carbid- und Hartlötvorformen mit einer Hartmetallauflage versehen, nur war diesmal die obere flächenförmige Vorform an beiden Enden etwa 1/2 Zoll länger. Nach dem Hartlöten und Abkühlen ergaben metallographische Studien, daß das Substrat an keiner Stelle der Fugen freilag und daß in allen Überzugsbereichen wesentliche Matrixpartikelbeladung vorlag.
Ein Vergleich der Ergebnisse für die fertigen überzüge ergibt, daß beim Stand der Technik (Beispiele I und III) in den Fugenbereichen des Überzugs schwerwiegende Probleme auftreten, wohingegen der erfindungsgemäß (Beispiele II, IV und V) hergestellte Überzug eine viel einheitlichere Matrixteilchenbeladung aufwies und weniger Probleme mit Hohlräumen aufwarf. Dies gewährleistet eine wesentlich höhere Lebensdauer des Körpers sowie durch die Verwendung von mehrschichtigen Flächengebilden eine erhöhte Feststoffdichte der Vorform.
Das neue erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer gewünschten Matrixoberflächenbeschichtung auf eine großflächige oder komplex geformte metallische Substratoberfläche, wobei mehr als ein Beschichtungselement erforderlich ist, bei dem man ein Matrixpulver mit PTFE vermischt und zur Fibrillierung des PTFE und zum Einschließen der Matrixoberflächenteilchen mechanisch bearbeitet, wobei die Verbesserung darin besteht, daß man die metallischen Beschichtungsmaterialelemente auf etwa 20% bis etwa 85% der ursprünglichen vorbestimmten Dicke der gewünschten fertigen Oberflächenbeschichtung auswalzt, dann zu einer Reihe von Vorformen einer gewünschten vorbestimmten Form zuschneidet, mehrere dieser Vorformen übereinander auf die Oberfläche des metallischen Substrats legt und so die Beschichtungsmaterialelemente auf dem Substrat derart bildet, daß von aneinanderstoßenden Vorformen gebildete Fugen in mindestens zwei beliebigen Vorformschichten gegeneinander versetzt sind, wobei die Gesamtdicke der mehreren Vorformschichten etwa der vorbestimmten Dicke des gewünschten Überzugs entspricht, auf die Vorform schichten eine Lotfolie einer gewünschten vorbestimmten Form aufbringt und das Substrat, die Vorformen und das Lot erhitzt und so die Vorformschichten metallurgisch an das metallische Substrat bindet, wodurch man den Verbundkörper mit besonderen Eigenschaften und durchgehend genügend Matrixpulver erhält.
Bei bestimmten Anwendungen kann es erforderlich sein, das weiter oben beschriebene Verfahren in zwei Teilschritten durchzuführen, wozu zwei verschiedene Arbeitsgänge erforderlich sind, bei denen man die Vorformen und das Hartlötmaterial auflegt und dann erhitzt. Das bedeutet, daß man aufgrund von geometrischen oder anderen Beschränkungen des Verfahrens in einem Arbeitsgang nur einen Teil der Oberfläche beschichten kann (siehe Beispiel V).
Zwar wurde der Körper in den Zeichnungen stabförmig dargestellt, er kann aber auch, wie schon bemerkt, quadratisch, oval, länglich oder anderweitig geeignet geformt sein, insbesondere nichtlinear.
Auf die in der Beschreibung aufgeführten Patente, Patentanmeldungen und Auslandspatente wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
Offensichtlich wurden erfindungsgemäß ein Verfahren und ein Produkt bereitgestellt, die den oben ausgeführten Aufgaben, Mitteln und Vorteilen vollauf genügt. Zwar wurde die Erfindung in Verbindung mit ihren besonderen Ausführungsformen beschrieben, jedoch versteht es sich, daß für den Fachmann im Lichte der vorstehenden Beschreibung viele Alternativen, Modifikationen und Abänderungen ersichtlich sind.

Claims

1. Verbundkörper, hergestellt durch Auflöten von tuchartigen, flexiblen, metallischen Beschichtungselementen, die Matrixteilchen in einem PTFE-Trägermaterial enthalten, auf eine Oberfläche eines Metallsubstrats, wobei man mehrere tuchartige, flexible metallische überzugsschichten auf lötet, die ohne vertikal aufeinander ausgerichtete Fugen übereinandergestapelt sind.

2. Verbundkörper nach Anspruch 1, wobei die Matrixteilchen aus der Gruppe, bestehend aus Wolframcarbid, Titancarbid, Nickelborid und Chromcarbid, ausgewählt sind.

3. Verbundkörper nach Anspruch 1, wobei die metallischen Schichten etwa gleich dick sind.

4. Verbundkörper nach Anspruch 1, wobei jede der mehreren metallischen Schichten 20 bis 85% der Gesamtdicke des Überzugs ausmacht.

5. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers durch Auflöten von mehr als einem tuchartigen, flexiblen, metallischen Beschichtungsmaterialelement auf ein metallisches Substrat, wodurch man das metallische Substrat mit der gewünschten Oberflächenbeschichtung mit einer vorbestimmten Dicke versieht, wobei die gewünschten metallischen Beschichtungselemente aus einem mit PTFE vermischten Matrixpulver, das zur Fibrillierung und zum Einschließen der Matrixteilchen mechanisch bearbeitet worden ist, bestehen, bei dem man die metallischen Beschichtungsmaterialelemente auf etwa 20% bis etwa 85% der ursprünglichen vorbestimmten Dicke der gewünschten fertigen Oberflächenbeschichtung auswalzt, dann zu einer Reihe von Vorformen einer gewünschten vorbestimmten Form zuschneidet, mehrere dieser Vorformen übereinander auf die Oberfläche des metallischen Substrats legt und so die Beschichtungsmaterialelemente auf dem Substrat derart bildet, daß von aneinanderstoßenden Vorformen gebildete Fugen in mindestens zwei beliebigen Vorformschichten gegeneinander versetzt sind, wobei die Gesamtdicke der mehreren Vorformschichten etwa der vorbestimmten Dicke des gewünschten Überzugs entspricht, auf die Vorform schichten eine Lotfolie einer gewünschten vorbestimmten Form aufbringt und das Substrat, die Vorformen und das Lot erhitzt und so die Vorformschichten metallurgisch an das metallische Substrat bindet, wodurch man den Verbundkörper mit besonderen Eigenschaften und durchgehend genügend Matrixpulver erhält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem man die Vorformschichten so aufeinanderlegt, daß jede Fuge in jeder Vorformschicht gegen eine Fuge in einer beliebigen anderen Schicht versetzt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Vorformschichten etwa gleich dick sind.

8. Verfahren nach Anspruch 71 bei dem man die Matrixteilchen aus der Gruppe, bestehend aus Wolframcarbid, Titancarbid, Nickelborid und Chromcarbid, auswählt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem man die gesamte Oberflächenschicht aus mehreren Vorformen in mehr als einem Heißlötarbeitsgang aufbringt.

10. Verbundkörper, hergestellt, indem man (a) eine erste tuchartige Schicht, die in einer tuchartigen Schicht, die ein Bindemittel für eine teilchenförmige, verschleißfeste oder korrosionsbeständige Metallverbindung enthält, ein teilchenförmiges Lötmetall bzw. eine teilchenförmige Lötlegierung enthält, auf ein Metallsubstrat aufbringt, wobei die Liquidustemperatur des Metalls bzw. der Legierung in der ersten Schicht unter der Liquidustemperatur des Substrats und unter der des Metalls in der zweiten Schicht liegt und das Metall bzw. die Legierung in der ersten Schicht in geschmolzenem Zustand die Metallverbindung der zweiten Schicht benetzt, (b) die Anordnung zur Zersetzung der Bindemittel und zum Einfließen des geschmolzenen Lötmetalls bzw. der geschmolzenen Lötlegierung in die Metallverbindung auf die Liquidustemperatur des Lötmetalls bzw. der Lötlegierung erhitzt und (c) die Anordnung zur Erzeugung eines mit Lötmetall bzw. Lötlegierung gefüllten Überzugs aus der verschleißfesten oder korrosionsbeständigen Metallverbindung auf dem Substrat abkühlt, wobei man die zweite Schicht durch mehrere Teuschichten mit jeweils einem oder mehreren koplanaren Flächengebilden ersetzt, wobei jedes dieser Flächengebilde die pulverförmige, verschleißfeste oder korrosionsbeständige Metallverbindung in dem Bindemittel enthält, und die Fugen zwischen benachbarten Flächengebilden in jeder Teilschicht gegen Fugen zwischen benachbarten Flächengebilden in einer anderen Teilschicht versetzt sind und nicht damit zusammenfallen.

11. Verbundkörper nach Anspruch 10, wobei: die Gesamtdicke der Teilschichten im wesentlichen der Dicke der ersetzten zweiten Schicht entspricht.

12. Verbundkörper nach Anspruch 10, wobei: die verschleißfeste oder korrosionsbeständige Metallverbindung aus der Gruppe, bestehend aus Wolframcarbid, Titancarbid, Nickelborid und Chromcarbid, ausgewählt ist.