EP0132494A2

EP0132494A2 - Galvanisch abgeschiedene Dispersionsschicht

Info

Publication number: EP0132494A2
Application number: EP84102203A
Authority: EP
Inventors: Martin Dr. Rer. Nat. Thoma; Paul Dipl.-Ing. Bünger
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1983-07-29
Filing date: 1984-03-01
Publication date: 1985-02-13
Also published as: DE3327346A1; EP0132494B1; US4598016A; DE3468909D1; DE3327346C2; JPS6362598B2; JPS6039200A; EP0132494A3; US4599148A; ATE32108T1

Abstract

Galvanisch abgeschiedene Dispersionsschicht mit einer Kobaltmatrix und einer nichtmetallischen dispersen Phase aus Cr2O3-Partikeln, Verfahren zu ihrer Herstellung und damit beschichtete Bauteilpaarung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine galvanisch abgeschiedene Dispersionsschicht_'mit einer Kobaltmatrix und einer nichtmetallischen dispersen Phase und auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schicht.
Aus der GB-PS 13 58 538 sind Schichten der vorgenannten Gattung bekannt, bei denen in eine Kobaltmatrix Hartstoffphasen, wie z. B. Chromkarbid, Wolframkarbid oder Siliziumkarbid eingelagert sind. Es hat sich gezeigt, daß diese Dispersionsschichten als Verschleißschutzschichten auf temperaturbelasteten Teilen geeignet sind, weil sie große Härte aufweisen und weil die elektrochemische Abscheidung die Beschichtung auch kompliziert geformter Werkstücke zuläßt. Bei einem Vergleichstest zeigte das System Kobalt/Chromkarbid in einem Temperaturbereich von etwa 400 °C bis 600 °C besonders niedrige Verschleißwerte infolge Reibkorrosion. Nachteile dieses vorbekannten Verbundsystems aus einer Kobaltmatrix und einer Chromkarbidphase sind darin zu sehen, daß sich bei einer der galvanischen Abscheidung nachfolgenden Wärmebehandlung zur Erzielung einer Diffusion das Chromkarbid zersetzt und ein komplexes Chrom-Kobalt-Karbid entsteht. Weiterhin ist die Verarbeitung von Chromkarbid schwierig, weil es ein relativ hohes spezifisches Gewicht hat und deshalb besondere Maßnahmen verlangt, um es im Elektrolyten in Suspension zu halten und weil es relativ gut elektrisch leitend ist und daher dendritsches Wachstum in der abgeschiedenen Schicht entsteht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Dispersionsschicht zu schaffen, die noch höheren Widerstand gegen Reibkorrosion bietet als vorbekannte Dispersionsschichten und zwar in einem Temperaturbereich, der möglichst schon Temperaturen ab 200 bis 300 °C einschließt. Dabei soll die Schicht verfahrenstechnisch einfach herstellbar sein, problemlos einer Wärmebehandlung unterziel.bar sein und für höhere Temperaturen einsetzbarsein, ohne daß eine Reaktion des Matrixmetalls Co mit dem eingelagerten Feststoff stattfindet.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer gattungsgemäßen Dispersionsschicht die disperse Phase aus Cr₂0₃-Partikeln besteht. Cr₂0₃ ist oxidationsbeständig, temperaturbeständig und gegenüber Cobalt reaktionsbeständig.
In Reibkorrosionstestskonnte nachgewiesen werden, daß die erfindungsgemäße Dispersionsschicht unter denselben Versuchsbedingungen noch erheblich geringerem Verschleiß unterliegt als bislang bekannte galvanische KobaltChromkarbid-Verbundschichten. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die hohe Verschleißbeständigkeit bereits bei Temperaturen von 300 °C beginnt,.wogegen vergleichbare Werte mit dem Verbundsystem Kobalt/Chromkarbid erst ab 400 °C erreichbar sind. Schließlich bietet das Verbundsystem Kobalt/Chromoxid verfahrenstechnische Vorteile, indem Chromoxid ein relativ niedriges spezifisches Gewicht aufweist und dadurch leicht im Elektrolyten zu suspendieren ist und indem Chromoxid darüber hinaus aufgrund seines hohen spezifischen Widerstands eindeutig als elektrisch nichtleitend anzusprechen ist, wodurch der Einbaumechanismus verändert wird. Es bilden sich keine dentritischen Auswachsungen (wie bei Cr₃C₂ möglich).
Beste Ergebnisse im Hinblick auf Reibkorrosion konnten erzielt werden, wenn die Einbaurate der dispersen Phase 20 bis 50 %, vorzugsweise 30 % Vol. des Schichtmaterials beträgt. Die Partikelgröße der Chromoxidpartikel soll dabei unter 10 um, vorzugsweise zwischen 3 und 6 µm liegen.
Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer vorstehend gekennzeichneten Dis_- persionsschicht, bei dem in einem kobaltionenhaltigen Elektrolyten die disperse Phase suspendiert ist. Erfindungsgemäß ist ein solches Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt einen PH-Wert von 4,5 bis 4,9 aufweist und bei einer Temperatur von 40 bis 60 °C vorzugsweise 50 °C und einer Stromdichte von 1 A/dm' bis 6 A/dm², vorzugsweise 3,5 A/dm² abgeschieden wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten sowohl, was die Homogenität der abgeschiedenen Schicht als auch was die Haftfestigkeit anlangt, beste Ergebnisse erzielt werden.
Vorzugsweise soll der Elektrolyt eine wässrige Lösung folgender Zusammensetzung sein:
Eine Weiterbildung erfährt das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, daß die elektrolytisch abgeschiedene Dispersionsschicht einer solchen Wärmebehandlung unterzogen wird, die eine Oxidation der Matrix bewirkt. Die Oxidation des Cobalts zu Co304/Co0 wird durch das vorhandene (eingelagerte)Cr₂0₃beeinfluBt. Im Gegensatz zur Oxidation von reinem Co sind diese Oxidschichten dünner und gut haftend. Hierdurch kann insbesondere die Haftfestigkeit der Oxidschicht erhöht werden. Vorzugsweise erfolgt die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 500 °C bis 700 °C und einer Dauer von 7 bis 9 Stunden. Innerhalb dieser Grenzen liegen die optimalen Bedingungen bei 600 °C und einer Dauer von 8 Stunden.
Beste Ergebnisse im Hinblick auf Beständigkeit gegen Reibkorrosion können bei Bauteilen für thermische Turbomaschinen erzielt werden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Verschleißschutzschicht in einer Schichtdicke von 10 bis 300 um beschichtet werden.
Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine auf Verschleiß, insbesondere auf Reibkorossion beanspruchte Bauteilpaarung, deren Bauteile aus einem Grundwerkstoff wie einer Nickelbasislegierung (z. B. Inconel 100, C 263, Nimonic 80) oder einer Titanbasislegierung z. B. 6 % Al, 5 % Zr, 0,8 % Mo, 0,2 % Si, Rest Ti oder Chrom- oder Chrom-Nickel-Stählen bestehen. Erfindungsgemäß wird das Reibkorrosionsverhalten einer solchen Bauteilpaarung dadurch entsprechend verbessert, daß eine der Bauteiloberflächen mit einer Dispersionsschicht, wie sie in den Patentansprüchen 1 bis 3 und/oder 8 offenbart ist, versehen ist. Es hat sich gezeigt, daß die Anwendung einer erfindungsgemäßen Co/Cr₂0₃-Dispersionsschicht auf nur einem Bauteil auch den Verschleiß des nicht beschichteten Bauteils auf ein Minimum reduziert.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Verschleißschutzwirkung erfindungsgemäßer Dispersionsschichten dargestellt. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Vergleich des Verschleißverhaltens einer Bauteilpaarung, bei der beide Bauteiloberflächen mit Dispersionsschichten versehen sind, in einem Fall mit einer Co/Cr₂0₃-Dispersionsschicht, im anderen Fall mit einer Co/Cr₃C₂-Dispersionsschicht, .
Fig. 2 einen Vergleich des Verschleißverhaltens einer Bauteilpaarung des Grundwerkstoffs Nimonic 80 in einem Fall unbeschichtet, in den beiden anderen Fällen mit einer Bauteiloberfläche mit einer erfindungsgemäßen Dispersionsschicht versehen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm ist der Reibverschleiß in mm³ in Abhängigkeit von der Temperaturbelastung in °C dargestellt. Beide eingezeichnete Kurvenzüge gelten für den Reibverschleiß Dispersionsschicht gegen Dispersionsschicht. Die durchgezogene Kurve zeigt ein Beispiel mit einer Dispersionsschicht aus Co/Cr₃C₂, während die vor allem in einem Temperaturbereich unterhalb 400 °C sehr viel niedriger liegende strichlierte Kurve sich auf _ Dispersionsschichten Co/Cr₂O₃ bezieht. Aus dieser Vergleichsdarstellung ergibt sich, daß vor allem im Bereich von 200 bis 300 °C die Verschleißwerte für die erfindungsgemäßen Dispersionsschichten nur 1/5 bis 1/10 der Verschleißwerte für vorbekannte Co/Cr3C2-Schichten betragen. Der Kurvenzug für die Co/Cr₃C₂-Dispersionsschicht ist aus der Zeitschrift Kobalt, 1973, Heft 3, Seite 5, Bild 4, übernommen.
Das in Fig. 2 dargestellte Diagramm dient dem Vergleich des Reibverschleisses einer unbeschichteten Bauteilpaarung aus dem Werkstoff Nimonic 80 mit einer Bauteilpaarung, bei der eine der Bauteiloberflächen mit der erfindungsgemäßen Dispersionsschicht Co/Cr₂0₃ beschichtet ist. Es ist wiederum der Verschleiß in mm³, die Temperaturbelastung in °C aufgetragen. Die obere durchgezogene Kurve gilt für den Reibverschleiß der unbeschichteten Bauteilpaarung. Von den strichlierten Kurven, die sehr nahe beieinander liegen, gibt die obere den Verschleiß der Co/Cr₂0₃-Beschichtung an, die untere den Verschleiß der unbeschichteten Bauteiloberfläche aus Nimonic 80.

Claims

1. Galvanisch abgeschiedene Dispersionsschicht mit einer Kobaltmatrix und einer nichtmetallischen dispersen Phase, dadurch gekennzeichnet, daß die disperse Phase aus Cr₂0₃-Partikeln besteht.

2. Dispersionsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbaurate der dispersen Phase 20 % bis 50 %, vorzugsweise 30 % Vol. des Schichtmaterials beträgt.

3. Dispersionsschicht nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelgröße der dispersen Phase unter 10 µm vorzugsweise bei 3 bis 6 µm liegt.

4. Verfahren zur Herstellung einer Dispersionsschicht nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei dem in einem kobaltionenhaltigen Elektrolyten die disperse Phase suspendiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt einen PH-Wert von 4,5 bis 4,9 aufweist und bei einer Temperatur von 40 bis 60 °C vorzugsweise 50 °C und einer Stromdichte von 1 A/dm' bis 6 A/dm², vorzugsweise 3,5 A/dm' abgeschieden wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt eine wässrige Lösung folgender Zusammensetzung ist:

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrolytisch abgeschiedene Schicht einer solchen Wärmebehandlung unterzogen wird, die eine gezielte Oxidation der Matrix bewirkt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 500 °C bis 700 °C und einer Dauer von 7 bis 9 Stunden stattfindet.

8. Bauteil einer thermischen Turbomaschine mit einer Verschleißschutzschicht nach den Ansprüchen 1 bis 3, in einer Schichtdicke von 10 bis 300 µm.

9. Auf Verschleiß insbesondere auf Reibkorrosion beanspruchte Bauteilpaarung, deren Bauteile aus einem Grundwerkstoff wie Ni-Basislegierung (z. B. Inconel 100, C 263, Nimonic 80) oder Ti-Basislegierung (z. B. der Zusammensetzung 6 % Al, 5 % Zr, 0,8 % Mo, 0,2 % Si, Rest Ti) bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Bauteiloberflächen mit einer Dispersionsschicht nach den Ansprüchen 1 bis 3 und/oder 8 versehen ist.